步进电机课程设计报告-基于运放的信号发生器设计.doc

北京工业大学课程设计报告 学院 电控 专业 通信工程 班级 通信工程242 组号 10 题目 步进电机控制电路 基于运放的信号发生器设计 姓名 学号 09024226 同组人 指导老师 成绩 2011年5月步进电机控制电路提纲：1、 设计要求2、 电路设计3、 步进电机的实际连接及测量4、 实验中遇到的问题及解决方案5、 收获体会6、 参考资料一、设计要求步进电机控制电路（一）、设计任务本课题要求设计一个步进电机控制电路，该电路能对步进电机的运行状态进行控制。（二）、基本要求1、能控制步进电机正转和反转及运行速度，并由led显示运行状态。（步进电机工作方式可为单四拍或双四拍）。2、测量步进电机的步距角。(通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数，推算出步进电机的步距角)。（三）、扩展要求设计步进电机工作方式为四相八拍。（四）、设计框图步进电机控制电路主要由脉冲发生电路、环行脉冲分配电路、控制逻辑及正反控制门、功率放大器（驱动电路）和步进电机等组成。脉冲发生电路环形脉冲分配电路控制电路驱动电路脉冲显示步进电机（五）、参考元器件ne555，计数器74ls161，74ls08，74ls74，74ls14（04），74ls138（74ls153），四相步进电机，发光二极管，续流二极管in4004，复合三极管tip122，5（1w）电阻，其他电容、电阻若干。补充说明：a、 本实验提供的是四相步进电机，它对外有六条引线， 其中二条为公共端、另外四条分别为a相、b相、c相、d相，但引脚具体排序未知，故在使用前需要对步进电机进行分析，测试，并判断出具体的相序。b、 四相步进电机磁激励方式基本有三种：i、单四拍方式，通电顺序为abcda；ii、双四拍方式，通电顺序为abbccddaab；iii、四相八拍方式，通电顺序为aabbbcccdddaa。如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电，则步进电机将正向转动。若通电顺序与上述相反，如单四拍方式，通电顺序adcba，则步进电机将反向转动。如下表所示为步进电机的单四拍和双四拍的励磁方式及a、b、c、d相的输入逻辑信号。有关步进电机的工作原理及使用方法请自己查阅资料。工作方式励磁方式d b c a单四拍方式a1 1 1 0b1 1 0 1c1 0 1 1d0 1 1 1a1 1 1 0双四拍方式ab1 1 0 0bc1 0 0 1cd0 0 1 1da0 1 1 0ab1 1 0 02、 电路设计脉冲发生电路环形脉冲分配电路控制电路驱动电路脉冲显示步进电机根据框图：（1） 、脉冲发生电路：1、设计目标：设计一个可以产生占空比和周期可调的方波信号的脉冲发生器。2、基本思路：利用ne555构成的多谐振荡器产生所需信号。3、选用原件：ne555、5k欧电位器、300欧电阻、50微法电容、0.01微法电容。4、电路原理图：原理公式：t1=(r1+r2)cln2、t2=r2cln2 为使脉冲频率为几赫兹，电阻和电容应选择恰当的数值，通过计算和实际测试，我们选用了5k欧电位器、300欧电阻、50微法电容、0.01微法电容。电路图如下：5、 仿真波形 6、 实际电路图：（2） 、环形脉冲分配电路设计目标：设计一个可以生成四路如图表所示变化的脉冲信号，其状态变化由ne555产生的脉冲控制。并能通过开关切换单四拍或双四拍模式。双向移位寄存器74ls194的功能很接近步进电机的运行的逻辑信号：74ls194的功能表： rds1 s0工作状态0x x置零10 0保持10 1右移11 0左移11 1并行输入 输出信号逻辑如下： a、单四，双四拍方式工作方式励磁方式d b c a单四拍方式a1 1 1 0b1 1 0 1c1 0 1 1d0 1 1 1a1 1 1 0双四拍方式ab1 1 0 0bc1 0 0 1cd0 0 1 1da0 1 1 0ab1 1 0 074ls194本身具有双向移位的功能，但在启动前需要预先对4个输入端进行置数，来控制输出波形占空比。由于步进电机的驱动有单四拍，双四拍两种方式，所以需要三个开关，其中两个控制s1 s0 的点位高低来控制寄存器的工作状态，另一个开关用来切换单四和双四拍两种状态。其中qa、qb、qc、qd分别控制步进电机的a、b、c、d四相，clk接ne555产生的脉冲信号。b、四相八拍1片74ls194 最多只能产生4种不同状态的信号，而四相八拍励磁方式有八种状态，所以至少要用两片74ls194才能实现。我们用两片74ls194接成了8位双向移位寄存器。其真值表如下：74ls194的8路并行输出单四拍输出双四拍输出四相八拍输出12345678abcdabcdabcd01111111011100110111101111110111001100111101111110111001101111101111101110011001111101111101110011011111101111011100110011111101111001101110111111101110011001103种状态的逻辑关系不同，如果在输出端控制三种状态的切换，则需要大量开关，在实际电路中很不容易实现，所以我们尝试在置数端切换。74ls194的8路并行输出单四拍输出12345678abcd01111111011110111111011111011111101111101111101111110111110111111011110111111101111011111110111074ls194的8路并行输出双四拍输出12345678abcd00011111001110001111001111000111100111100011100111110001110011111000110001111100011000111110011074ls194的8路并行输出四相八拍输出12345678abcd0011111101111001111100111100111110111110011110011111001111011111100111001111110011100111111001103种状态的逻辑关系相同，这样只需要在8位移位寄存器的输入端设置连个开关对其进行置数就可以实现3种状态的切换。环形脉冲分配电路图如下：实际电路图：最终的电路图如下：（三）、驱动电路：1、设计目的： 由于门电路所输出的电流远不足以驱动步进电机的转动，这里需要一个具有功率放大能力的驱动电路，它由环形脉冲电路所产生的脉冲信号控制，产生一个足以驱动步进电机的电流。2、选用元件：复合三极管（tip122）、续流二极管、发光二极管、5欧电阻、300欧电阻、1k欧电阻。3、 电路图： 图中1k欧电阻接门电路的输出，d1为续流二极管，led1为发光二极管，m代表步进电机的任意一相。将驱动电路与前两部分相连。至此，所有电路设计完成，可以连接步进电机了。三、步进电机的实际连接及测量（一）、测试步进电机的引脚功能和顺序：本实验提供的是四相步进电机，它对外有六条引线， 其中二条为公共端、另外四条分别为a相、b相、c相、d相，但引脚具体排序未知，故在使用前需要对步进电机进行分析，测试，并判断出具体的相序。1、 判断公共端：在不明引脚功能的情况下，不能贸然通电测试，以免损坏电机。应采用其他方法。根据步进电机的内部构造，永磁感应子式步进电机一共六根引线，共分为两组，测量每两根引线之间的电阻，不同绕组之间的电阻为无穷大。同一绕组中，中心引线到两边的电阻约为7.5。判断出两组绕组的中心引线后，剩下的四根即为a、b、c、d四个项。中心引线即为公共端，接+5v。2、判断a、b、c、d四相的顺序：我们试着用“随便选取四条引线中的一根设为a相，接低电平。再另取一根引线触低电平，若电机正转，则该项为b,；反转，该项为d；否则，该项为c。”进行测试。（二）、连接步进电机测试电路功能：将控制电路与驱动电路和步进电机相连实际电路图如下：开关1与开关2：两开关都接高电位时为置数状态，此时可通过开关3和开关4切换步进电机的励磁方式。两开关一个接高电位另一个接地时。分别对应电机正转和反转。两开关同时接地时电机停转保持原状。开关3：接地时为双四拍励磁方式，接高电位时，可通过开关2切换单四或八拍励磁方式。开关4：在开关3接高电位的情况下，接高电位时为单四拍励磁方式，接地时为八拍励磁方式。 最终电路包括的元件：步进电机1个ne555芯片1个74ls194芯片（双向移位寄存器）2个74ls08芯片（4与门）1个达灵顿三极管（tip122)4个发光二极管4个续流二极管4个5（1w）电阻4个300电阻5个1k电阻4个5k电位器1个50f电容1个10nf电容1个单刀双置开关4个导线若干（3） 步进电机步距角的测量：励磁方式单四拍双四拍四相八拍转一周所需步数484896步距角7度30分7度30分3度45分四、实验中遇到的问题及解决方案 1. ne555脉冲不理想，实验室没有仿真所用阻值电阻和电容： 查看公式，重新计算、仿真，选用合适的电阻，电容。2. 第一次仿真时，发光二极管不亮： 我们觉得电路应该没有问题，最后通过更改二极管参数的方法让仿 真成功。3.绿色发光二极管不亮： 我们先用正常的红色发光二极管代替，确定电路没有问题，然后大胆的加大了电流，发现两种二极管所需电流不同。4.一个开关的控制0、1与预期相反： 用其它开关代替后，发现时开关问题，而不是电路问题。5.电机测相时，无论怎样测量，公共端都只与其它三根线阻值相同： 在老师的帮助下解决问题。6.连接电机后，指示灯正常闪动，电机不转： 认真检查后，发现驱动电路多接了一根线。7.测量时，无法确定电机起始点和终止点：在电机上绑一根导线作为标志物。五、收获体会 这次实验的顺利完成，首先要感谢老师的指导和搭档吴萌的帮助。 这次实验让我体会到了怎样从零开始做一件事儿，一直到做成。虽然上个学期我通过了数字电路技术考试和电子实验考试，但拿到这次实验，我不得不第一时间找出数电书，从新学习。此次实验前，我和吴萌从未听说过步进电机，在老师简单介绍后，我们还是对实验没有概念。课下，我们通过互联网，查看了大量的资料，终于有了初步的想法并开始实施。 这次实验深化了我在课堂上学习到知识。通过这次实验，我对ne555，74ls194，74ls161,74ls138等芯片都有了更深刻的认识与理解。我深刻体会到活学活用的重要性，最好的设计不是全新的设计，而是通过对一个小细节的改善使设计趋于完美。设计电路时理论与实际的差距很大。就像我们放真时，习惯用100,200，1k,5k等这样整数电阻，但实验室里的电阻一般为150,300，1k，5k1等。另外，仿真电路虽然方便，却跟实际电路的连接迥然不同，设计时难免会有设想不到的问题。这只有通过后期想办法弥补和实践经验的积累来解决。 这次实验还加强了我的团队合作能力，动手能力，自主学习能力。在与吴萌的合作中，我深深地体会到怎样相互帮助，相互督促，怎样取长补短，最终达到1+12的效果。我们亲自动手焊接，连线，并共同解决了许多想不到却无法避免的问题。另外，我想我们明白了解决问题的根本方法，就是自主的，有目的去学习更多的知识。 最后，这次实验的成功让我们感到了前所未有的满足和由衷的喜悦。再次感谢老师的指导，和吴萌对我的帮助。 六、参考资料 数字电子技术基础（第五版）清华大学电子学教研组 编 阎石 主编步进电动机的结构与工作原理 摘自互联网 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。步进电动机步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。步进电动机的特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式（又叫感应子式）三种。反应式步进电机的应用较多。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。图7-20 （a）三相反应式步进电动机工作原理图a 相通电，a 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。a 相通电使转子1、3齿和 aa 对齐。图7-20 （b）三相反应式步进电动机工作原理图；同理，b相通电，转子2、4齿和b相轴线对齐，相对a相通电位置转30图7-20 （c）三相反应式步进电动机工作原理图。最后，c相通电，转子1、3齿和c相轴线对齐，相对b相通电比较，转子再次转动30步进电动机的结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极 。步进电动机结构简图定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。图7-22 三相反应式步进电动机结构原理图步进电动机工作方式(以三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍三相绕组中的通电顺序为：这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：1）每来一个电脉冲，转子转过 b表示。q。此角称为步距角，用302）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。基于运放的信号发生器设计提纲：一、设计要求2、 设计思路3、 电路原理及分析4、 实验仿真与调试5、 实验实施与结果6、 问题及解决方案7、 收获及体会八、参考资料一、设计要求 本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器，在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出的电路。经过波形变换可以产生同频三角波、方波信号。设计要求：（1）经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围100hz10khz；（2）双电源供电；（3）信号经过放大、驱动电路，可在1k负载条件下：正弦波最大峰-峰值 3v，幅值可调，谐波失真度小于3%；三角波最大峰-峰值 5v，幅值可调，非线性失真小于2%；方波峰-峰值 15v，幅值可调，方波上升时间小于2s。 拓展要求： （1）、单电源供电； （2）、扩大信号频率的范围； （3）、增加输出功率； （4）、具有输出频率的显示功能。2、 设计思路（1）函数信号产生方案模拟电路的实现方案：是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能，本实验的函数信号产生电路采用全模拟电路的实现方案。对于波形产生电路的模拟电路的实现方案，也有几种电路方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的电路加以分析。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图所示。（2） 框图3、 电路原理及分析1、 rc桥式正弦振荡电路rc桥式正弦振荡电路如图所示。其中r1、c1和r2、c2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。r3、rw及r4组成负反馈网络，调节rw可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。rc桥式正弦振荡电路为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管d1，d2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻r4两端的电压低，二极管d1、d2截止，负反馈系数由r3、rw及r4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管d1、d2在正负半周轮流工作，其动态电阻与r4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。为了维持振荡输出，必须让为了保证电路起振， 当：r1=r2=r，c1=c2=c时，电路的振荡频率 ：起振的幅值条件：2、 比较器迟滞比较器的电路图如图左所示。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压v0的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的 和 。迟滞比较器 迟滞比较器电压传输特性由图可知 ： 电路翻转时： 即得： 3、 方波和三角波发生器方波和三角波发生器由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和rc积分器两大部分。如图所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。方波和三角波发生器的工作原理：a1构成迟滞比较器同相端电位vp由vo1和vo2决定。利用叠加定理可得：当 vp0时，a1输出为正，即vo1 = +vz；当 vp0时，a1输出为负即vo1 =-vz。a2构成反相积分器vo1为负时，vo2 向正向变化，vo1 为正时，vo2 向负向变化。假设电源接通时vo1=-vz，线性增加。当： 时，可得：当vo2上升到使vp略高于0v时，a1的输出翻转到vo1=+vz。同样： 时当vo2下降到使vp略低于0时，vo1 =-vz 。这样不断的重复，就可以得到方波vo1和三角波vo2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管dz决定，被限制在稳压值vz之间。电路的振荡频率：方波幅值： =三角波幅值： = 调节 可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。 四、实验仿真与调试1. 将上述电路图进行连接，并经过多次调试，我们获得如下电路图2. 原件清单 四运放lm324 1个 lf353 1个 二极管4007 2个 同轴电位器 1个 普通电位器 （10k） 2个 稳压管 1个 电阻、电容 导线若干3. 仿真与调试过程 （1）rc桥式正弦波振荡器按照正弦波发生电路,在multisim1.0中搭建好原理图 。在仿真的过程中我们发现：当r6=2k（2k是我们的实验前的计算理论值）时，缓慢调节电位器r2，我们发现，不容易达到起振的条件；于是我们增大r6的值，使它等于4.7k,这时当我们再次调节r2电阻时，很容易使电路起振，并且我们得到了很好的正弦波形。仿真的波形如图所示：（2）方波、三角波发生器按照原方波、三角波发生电路，在multisim1.0中搭建好原理图。在仿真条件下方波、三角波发生电路产生的波形如图所示:通过仿真我们发现，原理图方案基本可行，可以达到设计的效果。5、 实验实施与结果1. 实际电路 根据仿真的数据搭建正弦波、方波、三角波发生电路的实物电路板如图所示，并在示波器上观察各部分输出的波形。通过对实物电路的调试，通过调节位器的值可以从示波器上观察到预计的波形（如图所示）。同时，通过改变实物电路的参数可以对输出波形的幅值和频率进行调节，得到不同幅值和频率的波形。2. 实验结果实验最后实现电路自激振荡产生正弦波，信号经过放大、驱动电路，可在1k负载条件下，正弦波最大峰-峰值 3v，幅值可调，频率可调，范围在468hz到10khz之间，谐波失真度在3.095%到3.48%之间，三角波最大峰-峰值 5v，幅值可调，方波峰-峰值 15v，幅值可调，频率可调，范围在316hz到10khz之间，但方波上升时间4s。 实际的波形图如下：正弦波（vpp=3v,f=848.61hz）方波（vpp=15v,f=848.61hz）三角波（vpp=5v,f=849.17hz）6、 问题及解决方案1. 正弦波有明显的刺凸在正弦波的输出端串一个10k的变阻器，接到-12v电源上，通过调节变阻器的大小，直到刺凸消失为止。2. 正弦波上升沿太大将电压比较器出的lm324换成了lf3533. 方波幅值不可调 将滞回比较器中的稳压管串联一个滑动变阻器，以控制参考电压4. 正弦波最低频率下不来将电容c1、c2由223更换为1037、 收获及体会 这次课设我体会颇深，用到了很多专业基础知识，它使我对课上学到的专业知识有了更深的理解。过去在模电课上学的许多知识，我都只能算是知道，根本谈不上理解，更不用说实践应用了，学的知识只能解几道计算题，而无法把他们应用于实际，甚至根本不知道它与实际有什么联系，所以根本提不起课堂学习的兴趣。虽然有实验课，但都是按实验书上的步骤去机械的做，根本没有自己的思考想象的空间。本学期的课设，使我遇到了许多实际问题，这就迫使我再次打开课本有针对性的深入学习旧的知识，理论知识在实践中得以应用，使我对理论知识有了更深的理解和认识，而不仅仅限于去解几道计算题。 这次课设是对我的学习态度的一次检验。在这个过程中，我曾想过，用别人的图，会很省事。但是，与数电不同，找来的图跟本出不来我们要的波，尤其是自己仿真好的图，等到实际插板却达不到相同的 效果。我深刻的体会到投机取巧没有什么好处，因为参考资料论是有必要的，但是依赖于他人是不能从根本上提高自己的能力。所以，我开始自己发现问题，解决问题，与搭档讨论。这样的结果是我的独立思考能力与学习能力有了一定的提高。还有严谨的治学态度与踏实的学风，这是非常重要的，为此我也吃了不少亏，长了不少教训。“在课设的过程我还认实践是检验真理的唯一标准。，我们发现以前学的很多知识在动手操作的过程中都立体丰富了许多，同时也补充了很多我们所不知道的细节，比如在有些电路中需要加驱动电路或反向电路之类的东西，在课本上不会有死板的叙述说什么什么电路要加个驱动电路之类的话，但是会介绍什么是驱动电路以及它的作用。通常我们在学习之后不会在实践中很好的把它们运用到一起，说白了就是用得不够自如，说到底还是学得不够灵活。但通过课设我们意识到了这一点，而且我们也认识了很多芯片，这为我们以后的工作和学习打下了很好的基础。 另外，我们这两个项目完成的都比较早，所以给人“简单”的印象。因为没做其他课设题目，所以我不知道到底是不是简单。但是，我们的成功不是偶然的，我们课下付出了大量的时间，利用很多课余时间反复修改方案，仿真完成后，抓紧时间连接实际电路。我深刻的体会到收获是与付出成正比的。8、 参考资料 1.参考文献1电子工程师手册 北京 机械工业出版社 1995，电子工程师手册编辑委员会编2电工电子实践初步 李桂安 主编 南京，东南大学出版社3multisim电路仿真 王林根主编 高等教育出版社 200346502/6502a/6504/6506系列20/40/60mhz双通道四踪示波器 操作手册5电工技术 王岩 编著 高等教育出版社 20016电子工艺 王卫平 等编著 北京 电子工业出版社 20002.四运放lm324lm324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如左图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。lm324的引脚排列见图2。 图1 图 2 图3 各对应管脚由于lm324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。如上图3各对应管脚。3.运放lf353 lf353的总体电路设计还是比较简洁的，此类拓扑在目前的功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只沟道组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是和构成的互补射极跟随器，两个的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，的电阻用来限制输出短路电流。 参数产品宽度：3.91mm 产品长度：4.9mm 产品高度：1.58mm 供应商封装：soic 典型双电源电压：5, 9, 12, 15v 典型增益带宽积：3mhz 典型电压增益：100db 典型输入噪声电压密度：18nv/rthz 典型非反相输入噪声电流密度：0.01pa/rthz 制造商类型：宽带放大器 安装：表面安装 引脚数目：8 最大双电源电压： 18v 最大工作温度：70c 最大电源电流 ：6.5ma 最大输入偏置电压：10mv 最大输入偏置电流：0.0002a 最小工作温度：0c 每芯片通路数目：2 电源类型：双路 类别：放大器4. 滞回比较器 关于比较器滞回的讨论需要从“滞回”的定义开始, 与许多其它技术术语一样, “滞回”源于希腊语, 含义是“延迟”或“滞后”, 或阻碍前一状态的变化。工程中, 常用滞回描述非对称绝大多数比较器中都设计带有滞回电路, 通常滞回电压为5mv到10mv。内部滞回电路可以避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡, 却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。这种情况下需要增加外部滞回, 以提高系统的抗干扰性能。 首先, 看一下比较器的传输特性。图1所示是内部没有滞回电路的理想比较器的传输特性, 图2所示为实际比较器的传输特性。从图2可以看出, 实际电压比较器的输出是在输入电压(vin)增大到2mv时才开始改变。 图1. 理想比较器的传输特性 图2. 实际比较器的传输特性 运算放大器在开环图3. 无滞回电路时比较器输出的模糊状态和频繁跳变 举个例子, 考虑图4所示简单电路, 其传输特性如图5所示。比较器的反相输入电压从0开始线性变化, 由分压电阻r1、r2构成正反馈。当输入电压从1点开始增加(图6), 在输入电压超过同相阈值vth+ = vccr2/(r1 + r2)之前, 输出将一直保持为vcc。在阈值点, 输出电压迅速从vcc跳变为vss, 因为, 此时反相端输入电压大于同相端的输入电压。输出保持为低电平, 直到输入经过新的阈值点5 ,vth- = vssr2/(r1 + r2)。在5点, 输出电压迅速跳变回vcc, 因为这时同相输入电压高于反相输入电压。 图4. 具有滞回的简单电路 图5. 图4电路的传输特性 图6. 图4电路的/输出电压波形 图4所示电路中的输出电压vout与输入电压vin的对应关系表明, 输入电压至少变化2vth时, 输出电压才会变化。因此, 它不同于图3的响应情况(放大器无滞回), 即对任何小于2vth的噪声或干扰都不会导致输出的迅速变化。在实际应用中, 正、负电压的阈值可以通过选择适合的反馈设置。 其它设置可以通过增加不同阈值电压的滞回电路获得。图7电路使用了两个mosfet和一个电阻网络调节正负极性的阈值。与图4所示比较器不同, 电阻反馈网络没有加载到负载环路, 图8给出了输入信号变化时的输出响应。 图7. 通过外部mosfet和电阻构成滞回电路 图8. 图7电路的输入/输出电压波形 比较器内部的输出配置不同, 所要求的外部滞回电路也不同。例如, 具有内部上拉电阻的比较器,可以在输出端和同相输入端直接加入正反馈电阻。输入分压网络作用在比较器的同相输入端, 反相输入电压为一固定的参考电平(如图9)。 图9. 在带有上拉电阻的比较器中加滞回电路 如上所述, 具有内部滞回的比较器提供两个门限：一个用于输入上升电压(vthr),一个用于检测输入下降电压(vthf), 对应于图8的vth1和vth2。两个门限的差值为滞回带(vhb)。当比较器的输入电压相等时, 滞回电路会使一个输入迅速跨越另一输入, 从而使比较器避开产生振