12213051王乾乾簡(jiǎn)易差分探頭的設(shè)計(jì)與制作1

1、國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 報(bào) 告設(shè)計(jì)題目：簡(jiǎn)易差分探頭的設(shè)計(jì)與制作學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：王乾乾學(xué) 號(hào)：12213051任課教師：侯建軍 2015 年 4 月 24 日目 錄目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求11.1任務(wù)11.2要求12 設(shè)計(jì)方案及論證12.1放大部分12.1.1 任務(wù)分析32.1.2 方案比較32.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.2.4 制作及調(diào)試過程62.2.5系統(tǒng)測(cè)試及分析62.2.6遇到的問題及解決方法62.2.7系統(tǒng)使用說明82.2倍頻部分92.2.1實(shí)驗(yàn)原理92.2.2原理框圖：92

2、.2.3整體電路設(shè)計(jì)圖：102.2.4電路焊接實(shí)物：112.2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：113 總結(jié)123.1本人所做的工作123.2收獲與體會(huì)133.3建議與意見134 參考文獻(xiàn)13一 設(shè)計(jì)任務(wù)要求1.1任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易有源差分示波器探頭，實(shí)現(xiàn)差分輸入、單端輸出功能。示意圖如圖1所示。150kUA150kUB50UE差分輸入及放大四倍頻電路圖1 差分探頭連接示意圖1.2要求1)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易差分探頭，其中輸入差模信號(hào)UA、UB對(duì)地電壓范圍為±4V，頻率10MhZ, （UA UB）的最大輸入范圍為 ±4V；要求： a. 輸出單端信號(hào)UE的最大允許輸出范圍應(yīng)能達(dá)到±4

3、V；b. UA、UB輸入阻抗應(yīng)大于或等于150k，VE端的輸出阻抗為50；c. 差分探頭的增益（定義為UE / (UA-UB)）為10倍。2）連接差分探頭的要求： a. 當(dāng)UA-UB不接信號(hào)時(shí)，UE的輸出振幅不大于10mV, UE的輸出直流偏置的絕對(duì)值不大于50 mV。b. 調(diào)節(jié)UA、UB上的輸出直流分量在±4V間變化時(shí)，輸出UE應(yīng)無明顯失真。c. 要求UE 輸出頻率是輸入U(xiǎn)A或UB 的四倍頻。3）其他創(chuàng)新發(fā)揮二設(shè)計(jì)方案及論證由題目要求：電路分成兩部分，差分放大和四倍頻電路，然后將兩電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)差分放大和倍頻的功能。2.1放大部分2.1.1 任務(wù)分析我們分析了以下兩種方法來實(shí)現(xiàn)

4、10倍電壓增益的功能。方法一：用差動(dòng)輸入式放大電路，基本組成部分如下圖所示：該式子是差分放大電路的表達(dá)式。如果希望電路能夠抑制共模信號(hào)（即當(dāng)=時(shí)，輸出為零），而只與差模信號(hào)-成正比，只需滿足=時(shí)，則可得到方法二： 加電壓跟隨器的差分放大電路兩級(jí)差?？傇鲆鏋椋?.1.2 方案比較針對(duì)上節(jié)分析得到的理論實(shí)現(xiàn)方法，提出兩種以上的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行比較。方案一：方案二：從原理圖可以看出，方案一的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在連接過程中，由于非理想狀況產(chǎn)生的誤差回比方案二小很多，方案二的芯片數(shù)量也比一多，設(shè)計(jì)起來比較復(fù)雜，所以我們最終選擇了誤差較小的方案一。2.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用方案一，差分放大部分采用OPA

5、690芯片，它用于高頻小信號(hào)放大，用于信號(hào)前級(jí)處理部分，管腳圖如圖所示：題目要求將10MHZ的小信號(hào)放大10倍輸出，我們通過查閱資料，參照下圖設(shè)計(jì)制作電路圖：然后將此電路進(jìn)行更改，仿真測(cè)試， 最終我們的電路圖如下：電路圖中，信號(hào)源要接入兩路輸入信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)為幅度相同，相位相差180度的差分信號(hào)。2.1.4 制作及調(diào)試過程因?yàn)楹附雍玫碾娐钒逡_(dá)到理想狀態(tài)不太容易，而OPA690芯片的工作電壓不能超過6V左右，所以在給它加工作電壓的時(shí)候要注意不可以太大，而且這個(gè)芯片焊上去之后不容易拆卸，我們?cè)谡{(diào)試過中無意將電壓調(diào)節(jié)按鈕碰到，電壓加到了10V左右，芯片燒壞之后有重新焊接電路。另外在焊接過程中也要

6、注意焊接的質(zhì)量，否則出來的波形圖會(huì)有雜波或者其他的失真等問題。2.1.5 遇到的問題與解決方法因?yàn)樾酒玫秸?fù)5V電壓，而實(shí)驗(yàn)室沒有直接的負(fù)5V電壓提供，因此我們用到直流穩(wěn)壓電源，將兩路電壓的正負(fù)極短接，從而得到正負(fù)電壓，具體連接如下：2.1.6 系統(tǒng)測(cè)試及分析輸入信號(hào)接入兩路，幅度和相位調(diào)節(jié)如下：輸入信號(hào)幅度為500mv時(shí)：輸入信號(hào)幅度為400mv時(shí)：輸入信號(hào)幅度為200mv時(shí)： （1）測(cè)試數(shù)據(jù)（系統(tǒng)各項(xiàng)功能和參數(shù)的原始測(cè)試數(shù)據(jù)（以表格形式）和最終參數(shù)的計(jì)算過程。）輸入（V1，V2）頻率輸出（V）頻率（200mv,-200mv）10MHZ3.62V9.95MZ(500mv,-500mv)1

7、0MHZ9.10v9.95MHZ(300,-300mv)10MHZ5.35V10.0MHZ(400mv,-400mv)10MHZ7.84V9.96MHZ（2）數(shù)據(jù)分析和結(jié)論由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)輸入差分信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)放大了九倍多，接近十倍，輸出頻率接近輸入頻率。實(shí)際測(cè)量沒有達(dá)到預(yù)期的10倍，原因可能是因?yàn)閷?shí)際電路中電容電阻參數(shù)值的選取會(huì)有影響，在高頻電路中，電路元件之間的干擾也會(huì)比較大。2.1.7 系統(tǒng)使用說明系統(tǒng)外觀及接口說明+5V 輸出 -5vgnd輸入2輸入1系統(tǒng)操作使用說明接入兩路輸入信號(hào)，信號(hào)的兩正極分別接入芯片的正負(fù)極，然后信號(hào)的兩負(fù)極接地，即實(shí)現(xiàn) 了兩差分信號(hào)的輸入，輸出接示波器。

8、2.2倍頻電路部分2.2.1實(shí)驗(yàn)原理：采用鎖相環(huán)法進(jìn)行倍頻電路的設(shè)計(jì)。鎖相環(huán)倍頻電路是一個(gè)閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng)，它主要由鑒相器，低通濾波器，壓控振蕩器和累加計(jì)數(shù)器構(gòu)成。這種方案中，輸出頻率并不直接是基準(zhǔn)頻率的倍頻，而是出于壓控振蕩器，通過相位比較器與基準(zhǔn)頻率同步，要比較的頻率為基準(zhǔn)頻率除以倍頻因子N，由于頻率分割，壓控振蕩器必須產(chǎn)生乘以N的倍頻，分割之后進(jìn)入反饋回路。2.2.2原理框圖：相位比較器PD用來比較兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差，環(huán)路濾波器是一個(gè)線性低通濾波器，用來消除誤差電壓中的高頻分量和噪聲，對(duì)環(huán)路參數(shù)的調(diào)整起到?jīng)Q定的作用；壓控振蕩器是一個(gè)電壓-頻率變換器，在環(huán)路中作為被控振蕩器，其振蕩頻

9、率應(yīng)隨輸入控制電壓呈線性變化。累加計(jì)數(shù)分頻器是將壓控振蕩器產(chǎn)生的輸出信號(hào)頻率除以N，反饋給相位比較器。電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選取部分：鎖相環(huán)芯片選取NE564高頻模擬鎖相環(huán)，其最高工作頻率可以達(dá)到50MHz，正5V電源供電，分頻部分采用雙時(shí)鐘可逆四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS193以及兩四輸入與非門74LS20D。NE564芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)：其中壓控振蕩器內(nèi)部接有一個(gè)固定電阻100歐，需要外加一個(gè)電容即可產(chǎn)生震蕩。2.2.3整體電路設(shè)計(jì)圖：要求的電路為四倍頻，所以74LS193的預(yù)置數(shù)為1100。NE564壓控振蕩器的輸出信號(hào)分壓后從計(jì)數(shù)器的5管腳輸入，分頻后由NE564的三管教輸入，然后與6管腳輸入的參考信號(hào)

10、進(jìn)行鑒頻，輸出誤差電壓控制壓控振蕩器，從而使壓控振蕩器輸出頻率f=Nfo,得到倍頻信號(hào)。NE564的12和13管腳接的是定時(shí)電容C，f=1/16RC,其中R=100歐。則帶入一個(gè)f值，便可以計(jì)算出所接的電容值大小。在此電路中，我們把電容值設(shè)置為20pF左右，通過計(jì)算，給定輸入頻率為7兆，輸出頻率應(yīng)為28兆左右。2.2.4電路焊接實(shí)物：2.2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)輸入頻率為7兆時(shí)，輸出頻率為28.5M，輸出電壓峰峰值為2.34V。但是之后改變輸入信號(hào)的電壓和頻率時(shí)，輸出的電壓幅度稍有變化，而輸出的頻率不再改變。另外波形會(huì)有較大的失真。誤差分析：波形失真較大可能是由于原件焊接不當(dāng)以

11、及電路連接不精致的原因造成的，而輸出頻率不再改變是因?yàn)橛昧随i相環(huán)的原理，及通過公式f=1/16RC,給定一個(gè)基頻以及電容的值之后，再改變輸入頻率，輸出將不再變化。為了改善實(shí)驗(yàn)效果，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)盡量采用精密的原件，焊接電路板時(shí)也要注意接口的焊接質(zhì)量，盡量減少失真。三總結(jié)：3.1 本人所做工作設(shè)計(jì)分析電路圖，焊接電路板，改進(jìn)調(diào)試電路，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3.2 收獲與體會(huì)通過本次的課程設(shè)計(jì)，我們對(duì)于模電和數(shù)電相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)重新鞏固了一邊，對(duì)于差分放大和倍頻電路的原理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解。同時(shí)通過焊接電路以及調(diào)試等，提高了自己動(dòng)手操作的能力，在實(shí)驗(yàn)過程中，也更加鍛煉了我們這方面的能力與素質(zhì)，通過這些實(shí)驗(yàn)，我們可以體會(huì)到耐心和細(xì)心在工作以及學(xué)習(xí)中的重要性，相信對(duì)以后我們的學(xué)習(xí)會(huì)有很大的幫助。3.3 對(duì)本課程的意見與建議實(shí)驗(yàn)室容量太小，導(dǎo)線有很多質(zhì)量不太好，已經(jīng)壞掉，會(huì)影響調(diào)試結(jié)果，開放時(shí)間有點(diǎn)短，不是很方便。四. 參考文獻(xiàn)1 侯建軍.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）.北京：高等教育出版社，20072 付