基于Proteus的电压比较器仿真教学案例

 基于Proteus的电压比较器仿真教学案例

周恋玲,周梓鑫

武警警官学院, 四川 成都 610213

    摘要：本文针对电路理论教学内容枯燥的问题，利用Proteus仿真软件，给出了运放作为电压比较器使用时的仿真教学案例，合理引入仿真案例，启发学生深入思考，真正理解电压比较器的运用，解决理论教学与实践相脱节的矛盾，培养学生工程实践能力。

关键字：电压比较器；仿真；Proteus；教学案例

中图分类号:TN710   文献标识码：A

一、电压比较器介绍

运算放大器是一个运用比较广泛的电子器件，在《电路与电子技术》、《模拟电子技术》等电子类基础课程中，是需要重点学习的内容。当运算放大器引入负反馈时，运算放大器工作在线性区，可以用于各种信号运算和信号处理；当运算放大器引入正反馈或工作在开环状态时，运算放大器工作在非线性区，可以用于电压比较器，作用是将输入电压与参考电压进行比较。

电压比较器通常包括3类：单门限电压比较器、滞回电压比较器和窗口电压比较器[1]。在传统的教学过程中，依然采用理论讲授为主，主要是给出相应的电路图，然后进行电路的分析和计算，内容抽象枯燥，尤其是滞回电压比较器的相关内容，让很多学生感到分析困难。如何在理论教学中，有效地融入仿真实验，提高学生学习兴趣，并激发他们的实践能力是非常重要的。

二、仿真教学案例设计

为了让学生更加容易理解电压比较器的理论知识，提升他们分析问题和解决问题的能力，本文基于Proteus仿真软件设计了电压比较器的相关仿真案例，在理论教学中，适当引入仿真案例进行演示，让学生观察仿真现象，启发学生思考，更加注重“以学生为中心”的教学方式转变。

1.运放用作电压比较器的理论知识

运放用作电压比较器电路时，其工作在开环状态或者引入正反馈，电压比较器常用于各种越限报警、波形发生、波形变换以及模数转换等场合。其有两个输入端u+ 和u－，输出只能是高电平或者低电平。当u+> u－时，输出高电平UOH，当u+<u－时，输出低电平UOL。

仿真案例设计：设计如图1所示的电路，修改V1、V2电压源的值，让学生观察输出电压的值，让学生自行总结运放工作于非线性区的特点，利用这个电路可以判断一个信号究竟是比另一个信号高还是低，从而引出比较器的应用电路，如光控灯、压力检测电路等。

图1  基本电压比较器仿真电路

2.单门限电压比较器案例

当将比较的一个输入端接基准电压UREF，另一个输入端接被测信号Ui时，就可以衡量被测信号Ui到底是大于还是小于UREF。

(a)                                            (b)

图2  单门限电压比较器仿真电路及波形

仿真案例设计：设计如图2(a)所示的基本电压比较器电路。参数设置如下：运放的上限电压UOH=12V，下限电压UOL=-12V，基准电压UREF=0V，输入信号Ui设置为频率为1kHz、幅值为5V的正弦交流信号，直利用示波器直接观察输出电压波形图如图2(b)所示。通过观察波形，分析单门限电压比较器的特性：单门限电压只有一个阈值电压，输入信号在过阈值电压时，输出信号会发生翻转。通过互换输入信号与基准电压位置，观察输出信号的改变，从而得出单门限电压比较器的传输特性。

3.滞回电压比较器案例

以问题导入的方式引出迟滞电压比较器，根据单门限电压比较器的特性，让学生思考：如果想要设计一个对空调开关的自动控制电路，是否能够设定当温度大于28℃时，开启空调开关；当温度小于28℃时，关闭空调开关；这样的设计是否合理？启发学生思考单门限电压比较器存在的问题，并思考如何进行改进。

(a)                                            (b)

图3  滞回电压比较器仿真电路及波形

仿真案例设计：设计如图3(a)所示的滞回电压比较器电路。参数设置如下：运放的上限电压UOH=10V，下限电压UOL=-10V，基准电压UREF=0V，输入信号Ui设置为频率为600Hz、幅值为6V的正弦交流信号，直利用示波器直接观察输出电压波形图如图3(b)所示。通过先观察波形，分析输入信号上升和下降时两个阈值并不一样，正好可以满足我们对空调的控制：当温度开始上升至28℃时，打开空调；当温度开始下降至19℃，才关闭空调。根据设计的电路，引导学生对滞回电压比较器的工作原理进行分析[2-3]，可以得出：

（1）输出电压值为UOH=10V、UOL=-10V；

（2）两个阈值计算值为：

（3）判断输出跃变的方向：当输入信号Ui非常小时，此时UO=UOH、阈值电压为UT1，输入信号增大到UT1时，输出信号发生跃变UO=UOL，此时阈值电压变为UT2，只有减小输入信号到UT2时，输出信号才会发生跃变UO=UOH；当输入信号Ui非常大时，此时UO=U

OL、阈值电压为UT2，输入信号减小到UT2时，输出信号发生跃变UO=UOH，此时阈值电压变为UT1，只有增大输入信号到UT1时，输出信号才会发生跃变。

三、运放实现空调自动控制仿真案例

学习了运放的滞回电压比较器原理，可以结合所学的运放知识，引导学生设计一个模拟空调自动控制的仿真案例。由于空调机的控制与室内温度息息相关，对于空调的控制至少应该有两个温度阈值，否则就会造成空调频繁启动或关闭。因此设计要求为：如果室内温度高于28℃，则打开空调制冷，当空调打开后，需要室温低于19℃，才能关闭空调，此处温度阈值设定不一定合理，只是为了演示滞回电压比较器的运用。考虑利用RPD PT100温度传感器模拟温度检测，利用运放线性区的放大特点，将对温度的检测转换为相应电压之后，设计空调自动控制端电路如图4所示。

图4  运放实现的空调自动控制仿真电路

二极管亮表示空调关、二极管灭表示空调开。实验结果表明该案例能够较好地模拟对空调的自动控制，当温度高于28℃开启空调，当温度低于19℃才会关闭空调。此仿真案例不仅可以在课堂上进行教学使用，同时也可以作为项目案例，要求学生自主进行设计，从而综合运用运算放大器，更加深入地理解所学知识在实际生活中的应用。

四、总结

在理论教学中，仿真软件并非只是简单的对理论讲解进行验证，本文利用Proteus设计了电压比较器的仿真案例，该案例在教学中可以和理论知识讲授起到互补的作用，引导学生通过观察实验现象，总结相关特性，形成以“学生为中心”的启发式教学模式，增强了学生学习兴趣，构建了以“实践工程”为主的学习导向。

参考文献

[1]欧阳宏志.电压比较器的学习方法[J].电气电子教学学报,2011,33(8):91-92.

[2]张静秋,韩玉玮.基于Multisim的滞回电压比较器的设计及其应用[J].电子制作,2016,0(11):10-12.

[3]赵益波,郭业才,张秀再等.滞回比较器的特性分析及其电路设计教学研究[J].高师理科学刊,2019,39(7):88-89.

作者简介：周恋玲（1986-10），女，汉族，四川成都人，讲师，硕士，主要从事电子技术、图像处理研究。