刚在Proteus里搭完一个电压比较器的仿真说实话这个电路本身不算难但仿真过程比预想的要折腾——不是原理上绕而是Proteus里涉及到元件选型、上拉电阻、虚拟仪器接法这些细节稍不留神输出波形就跟你对着干。电压比较器算是模拟电路里最常用的模块之一干的事很纯粹把一路连续变化的模拟电压和另一路参考电压做比较输出只有高或者低两种状态相当于给模拟世界和数字世界之间架了一座桥。很多人在Proteus里第一次做这个仿真时容易被LM393、开集输出、虚拟示波器这些名词绊住其实单个看都不难串在一块就容易懵。这篇就把我在Proteus里搭电压比较器仿真时踩过的坑、验证过的细节、以及最后跑通的完整过程都梳理一遍给正在折腾这个仿真的朋友做个参考。1. 电压比较器的三种输入接法仿真前先把电路拓扑装进脑子里动手打开Proteus之前先把比较器的输入输出关系理清楚。电压比较器本质上就是一个工作在开环状态的运算放大器输入端的差模电压正负决定了输出端的电平高低不需要像闭环放大器那样考虑反馈和虚短虚断。1.1 同相输入和反相输入两个引脚一换逻辑完全反过来同相输入接法是这样的输入信号Vi接比较器的同相输入端参考电压Vref接反相输入端-。当Vi大于Vref时输出高电平当Vi小于Vref时输出低电平。这个逻辑关系很直觉——输入比参考高输出就变高。反相输入接法则相反Vi接反相输入端-Vref接同相输入端。Vi大于Vref时输出低电平Vi小于Vref时输出高电平。我的建议是无论做哪个仿真都先把这两种接法各搭一遍用同一个信号源、同一个参考电压对比着看输出波形。因为Proteus仿真最大的好处就是改接法成本极低你甚至可以同时放两个比较器单元一个同相接法一个反相接法用同一个输入信号驱动示波器两个通道同时观察一眼就能看出两个输出的相位关系是完全反的。这一步做实了后面分析窗口比较器、滞回比较器时脑子不会乱。1.2 参考电压的获取分压电阻省事但阈值精度别想太美参考电压Vref的获取方式最常用的是从电源VCC用两个电阻分压。比如VCC5V想要2.5V的参考电压就用两个10k电阻串联分压中间抽头接比较器的参考输入端。这个做法在Proteus里完全可行仿真结果也很稳定。但我得提醒一个细节分压电阻的阻值不能取得太任性。虽然比较器的输入阻抗很高理论上几乎不从分压网络吸取电流但如果在参考节点上再接了其他东西——比如又并联了一个滤波电容、或者接到下一级电路的输入——分压点的电压就会被拉偏。在Proteus里你可以用虚拟电压表DC Voltmeter直接实测参考节点电压我实测过两个10k分压标称2.5V如果后续再挂一个输入阻抗低的负载实际值会偏移仿真结果就和理论计算对不上了。另外如果你想做阈值可调的电压比较器Proteus里最省事的方式是用电位器POT-HG从元件库搜POT就能找到。这个电位器在仿真运行时可以直接用键盘上的A/D键或上下方向键调节阻值实时改变参考电压观察比较器翻转阈值的变化非常直观。我后面测试滞回比较器时就用它在线改阈值比反复改电阻参数然后重新仿真高效得多。2. Proteus元件选型与电路搭建LM393开集输出的隐藏逻辑2.1 为什么选LM393而不是LM358在Proteus元件库搜索LM393找到的是双电压比较器芯片这应该是做电压比较器仿真时最稳妥的选择。很多人会问LM358不是也能当比较器用吗Proteus里确实可以直接把LM358接成开环比较器的形式仿真也能跑出翻转波形但从设计规范的角度我不推荐这么干。LM358是运算放大器内部设计目标是线性放大输出级是推挽结构电平摆率有限把它硬当比较器用响应速度会拖后腿而且运放工作在开环状态时内部相位补偿会导致输出翻转时的建立特性不好。LM393则是专门为比较功能设计的内部输出级是集电极开路结构响应时间快得多。在Proteus仿真层面两者的差异体现在LM358接成比较器虽然电平能翻转但如果你追求更贴近实际硬件的行为LM393是更准确的选择。这里我把LM393和LM358在Proteus里做比较器时的差异整理成一个表方便对照对比项LM393专用于比较器LM358运放硬当比较器输出级结构集电极开路推挽输出是否需接上拉电阻必须接否则输出高阻态不需要输出高电平由上拉电阻所接电平决定约等于电源电压响应速度快专用比较器较慢线性优化Proteus仿真典型问题漏接上拉时输出不翻转翻转沿变缓高频输入失真在Proteus里LM393默认放出来是U1:A只用了半个芯片另一半U1:B在库里也有。做单路比较器用A单元就够了如果后面要做窗口比较器正好把B单元也用上一个芯片搞定两路比较这是LM393作为双比较器的一个天然优势。2.2 集电极开路输出不接上拉电阻波形永远是死水一潭LM393的输出级是集电极开路Open Collector这个词对新手来说是个不小的坎。简单理解芯片内部只能在输出端把节点拉到低电平但无法主动把节点拉到高电平。要想让输出出现高电平必须在外围把输出引脚通过一个电阻接到某个正电源上这个电阻就是上拉电阻。我在Proteus里第一次搭这个电路时就踩了这个坑LM393的输出端画好了线示波器A通道接在输出节点上运行仿真结果波形是一条平平的线——不是高也不是低就悬在那里。原因是Proteus对LM393的模型是严格模拟了集电极开路行为的输出晶体管在没有上拉时处于高阻态节点电平不定。解决办法很简单从输出引脚接一个电阻到VCC阻值典型取4.7kΩ或者10kΩ。接上之后输出低电平时内部晶体管导通把节点拉到接近0V输出高电平时晶体管截止上拉电阻把节点拉到VCC高低电平就都有了。上拉电阻阻值选择有个权衡阻值太小输出低电平时流过晶体管的电流大功耗高阻值太大输出高电平时对负载电容的充电变慢波形上升沿变缓。在Proteus仿真里如果不是做高频信号处理4.7k到10k之间随便选日常测试我习惯用10k功耗低波形边沿也够看。2.3 搭建最小比较器仿真电路元件清单和接线顺序在Proteus里搭一个最基础的同相电压比较器我按顺序列一下操作从元件库依次放置以下元件LM393搜索LM393、两个电阻RES 10kΩ用于分压参考电压、一个上拉电阻RES 10kΩ、一个直流电源VCC用左侧工具栏Terminals Mode下的POWER、接地符号GROUND。用另外两个10k电阻串联在VCC和GND之间中间节点作为参考电压2.5V接到LM393的反相输入端U1:A的负引脚即2脚。信号源输入接到LM393的同相输入端U1:A的正引脚即3脚。信号源可以用左侧仪表栏的虚拟信号发生器SIGNAL GENERATOR也可以用元件库里的SINE交流信号源加直流偏置。我建议用虚拟信号发生器仿真运行中可以直接调参数非常方便。LM393的输出引脚U1:A的1脚接上拉电阻到VCC同时从这里引线到示波器探头。放置一个虚拟示波器OSCILLOSCOPEA通道接输入信号B通道接比较器输出。接线顺序建议是先放元件、再连线、最后放仪表因为虚拟示波器拖出来后需要把探针线接到电路节点上接反了通道或者接了GND再连信号节点很容易出现波形显示为一条直线的假象。
