比较器颤振问题

在使用比较器时,可能会遇到颤振的问题,通常的做法是在比较器的输出端接一个电阻到他的同相输入端,给他的输入端一个正反馈,这样就可以避免颤振问题。 —> 简单来说,这就一个人拿不定主意时,请求另一个人帮忙做决定,然后通过这个人的反馈后,就更加坚信了自己该如何做选择了

在工程上有一个响亮的名字,施密特触发器 (Schmitt Trigger),或者叫 带迟滞功能的比较器 (Comparator with Hysteresis)

1. 为什么要加?(没有电阻时的“纠结”)

想象一下,你设定了一个 2.5V 的基准电压(门槛),去检测一个传感器的电压。

  • 问题:现实中的信号总是有噪声的(毛刺)。当输入信号刚好慢慢爬升到 2.5V 附近时,可能上一微秒是 2.501V(高),下一微秒因为干扰变成了 2.499V(低),再下一微秒又变成 2.501V。
  • 后果:比较器非常灵敏,它会忠实地跟着跳变。结果输出端就会在“高”和“低”之间疯狂切换(颤振)。如果后面接的是继电器,继电器会“哒哒哒”乱响直到烧坏;如果是单片机,可能会计数错误。

2. 加了电阻后发生了什么?(迟滞效应)

当你把 输出端 通过一个电阻接回 同相输入端 (+) 时,奇迹发生了:门槛(阈值)变了,而且是会动的!

这就是 正反馈 的核心机制:

  • 当输出是高电平时:输出的高电压通过电阻“拉高”了同相输入端的基准电压。
    • 潜台词:“想让我变低?你得把电压降得更低才行。”(比如门槛从 2.5V 变成了 2.6V)。
  • 当输出是低电平时:输出的低电压通过电阻“拉低”了同相输入端的基准电压。
    • 潜台词:“想让我变高?你得把电压升得更高才行。”(比如门槛从 2.5V 变成了 2.4V)。

3. 一个生活的例子:空调(最经典的迟滞)

  • 没有迟滞(傻瓜模式): 设定 25 度。气温 25.01 度 -> 开机;气温 24.99 度 -> 关机。
    • 结果:空调压缩机一秒钟开关十次,立马报废。
  • 有迟滞(正反馈模式): 设定 25 度。
    • 制冷时:一口气降到 23 度(下门槛)才停机。
    • 升温时:一直等到热到 27 度(上门槛)才重新启动。
    • 结果:中间的 23~27 度 是“安全区”,在这个区域里怎么波动,空调都不动作,这就消除了“颤振”。

4. 硬件设计细节

在电路图中,通常涉及两个电阻:

  1. 输入电阻 ($R_1$):连接基准电压(Vref 也就是参考电压)和同相输入端。
  2. 反馈电阻 ($R_f$):连接输出端和同相输入端(就是你说的那个电阻)。

这两个电阻组成了分压器,决定了“迟滞电压”(Hysteresis Band)有多宽。

  • $R_f$ 越,反馈越强,迟滞窗口越(抗干扰越强,但灵敏度下降)。
  • $R_f$ 越,反馈越弱,迟滞窗口越

小结

  • 手段:引入正反馈(输出接电阻回同相输入端)。
  • 目的:制造迟滞(Hysteresis)。
  • 效果:消除因噪声引起的输出颤振。
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