12213051王乾乾简易差分探头的设计与制作1

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电子系统课程设计

设计报告设计题目：简易差分探头的设计与制作电子信息工程学院电子科学与技术王乾乾12213051侯建军2015年4月24日

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一．设计任务要求 3二．设计方案及论证 32.1放大部分 3任务分析 3\o"CurrentDocument"方案比较 52.1.3系统结构设计 62.1.3系统结构设计 6采用方案一，差分放大部分采用0PA690芯片，它用于高频小信号放大，用于信号前级处理 6部分，管脚图如图所示： 6ODI5E4NCInverlingInput部分，管脚图如图所示： 6ODI5E4NCInverlingInput2NaninweriingInput36OutputTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"制作及调试过程 8\o"CurrentDocument"遇到的问题与解决方法 8系统测试及分析 8（1）测试数据 10（2）数据分析和结论 11\o"CurrentDocument"系统使用说明 11系统外观及接口说明 11系统操作使用说明 11\o"CurrentDocument"本人所做工作 15\o"CurrentDocument"收获与体会 153.3对本课程的意见与建议 15四.参考文献 15．设计任务要求1.1任务设计并制作一个简易有源差分示波器探头，实现差分输入、单端输出功能。示意图如图1所示。EE1.2要求1）设计一个简易差分探头，其中输入差模信号U、U对地电压范围为AB±4V，频率10MhZ,（U-U）的最大输入范围为±4V；要求：AB输出单端信号U的最大允许输出范围应能达到土4V；EU、U输入阻抗应大于或等于150kQ,V端的输出阻抗为50Q；ABE差分探头的增益（定义为U/（U-U））为10倍。EAB2）连接差分探头的要求：当U-U不接信号时，U的输出振幅不大于10mV,U的输出直流ABEE偏置的绝对值不大于50mV。调节U、U上的输出直流分量在±4V间变化时，输出U应无明显ABE失真。要求U输出频率是输入U或U的四倍频。EAB3）其他创新发挥二．设计方案及论证由题目要求：电路分成两部分，差分放大和四倍频电路，然后将两电路进行级联，实现差分放大和倍频的功能。2.1放大部分任务分析

我们分析了以下两种方法来实现10倍电压增益的功能。方法一：用差动输入式放大电路，基本组成部分如下图所示：/toR5R=-R2U丈11+用差动输入式放大电路，基本组成部分如下图所示：/toR5R=-R2U丈11+(1+R… 4…R+R34U1该式子是差分放大电路的U表达式。如果希望电路能够抑制共模信号（即oRR当时巴时，输出为零），而只与差模信号时-匕成正比，只需满足R2=R4时，13则可得到RU=a-U）OR2 11方法二：加电压跟随器的差分放大电路

两级差模总增益为：Avdi1i2(R+两级差模总增益为：Avdi1i2(R+2R—p 1IR、 pR

―5R3方案比较针对上节分析得到的理论实现方法，提出两种以上的设计方案，并进行比较。方案一：TUKO虑OP沖D方案一：TUKO虑OP沖DC3±10血方案二：从原理图可以看出，方案一的电路结构比较简单，在连接过程中，由于非理想状况产生的误差回比方案二小很多，方案二的芯片数量也比一多，设计起来比较复杂，所以我们最终选择了误差较小的方案一。系统结构设计采用方案一，差分放大部分采用OPA690芯片，它用于高频小信号放大，用于信号前级处理部分，管脚图如图所示：ONC~6~|DIS~7~|,InveriingInput部分，管脚图如图所示：ONC~6~|DIS~7~|,InveriingInput2NaninveriingInput3GOutput题目要求将10MHZ的小信号放大10倍输出，我们通过查阅资料，参照下图设计制作电路图：

50QH-.+5VO0.1uiF50QH-.+5VO0.1uiF实际应用中按照上磊连接旦路，上图拘放大2倍，放大十信的要求贝需要将只尸选宝为1KQ（2000-1可满足），Rg=100D, 要进行阻抗匹配则净R恤幷E芜兰叱，月以周节输入阻抗。同时这三个呂阻确定后则再确定R日的值，使徉辰相输入躺和反相输人.端对地的直流电阻相等即可确定阳的宜此举使得输入的直流偏流隆«壬最卜■呼电容的作月是电玉謡合，诚力■■—次谐玻输岀引起的被形失真＞然后将此电路进行更改，仿真测试，最终我们的电路图如下：-j0!aR6>50001尺3-j0!aR6>50001尺3JV35OPAftW?DR11UkQVDD电路图中，信号源要接入两路输入信号，这两个信号为幅度相同，相位相差180度的差分信号。制作及调试过程因为焊接好的电路板要达到理想状态不太容易，而OPA690芯片的工作电压不能超过6V左右，所以在给它加工作电压的时候要注意不可以太大，而且这个芯片焊上去之后不容易拆卸，我们在调试过中无意将电压调节按钮碰到，电压加到了10V左右，芯片烧坏之后有重新焊接电路。另外在焊接过程中也要注意焊接的质量，否则出来的波形图会有杂波或者其他的失真等问题。遇到的问题与解决方法因为芯片要用到正负5V电压，而实验室没有直接的负5V电压提供，因此我们用到直流稳压电源，将两路电压的正负极短接，从而得到正负电压，具体连接如下：系统测试及分析输入信号接入两路，幅度和相位调节如下输入信号幅度为500mv时：输入信号幅度为400mv时：

UMhgt呃■ Mfrn的ision M6OX2D22A输入信号幅度为200mv时：畑¥・W,UMifUMhgt呃■ Mfrn的ision M6OX2D22A输入信号幅度为200mv时：畑¥・W,UMif如U”Affiimtonff二二"0*L_二_氛国丫ABa«U.L_.1）测试数据（系统各项功能和参数的原始测试数据（以表格形式）和最终参数的计算过程。）输入（VI,V2）频率输出（V）频率(200mv,-200mv)1OMHZ3.62V9.95MZ(500mv,-500mv)1OMHZ9.10v9.95MHZ(300,-300mv)10MHZ5.35V10.0MHZ(400mv,—400mv)10MHZ7.84V9.96MHZ（2）数据分析和结论由实验结果可知，当输入差分信号时，输出信号放大了九倍多，接近十倍，输出频率接近输入频率。实际测量没有达到预期的10倍，原因可能是因为实际电路中电容电阻参数值的选取会有影响，在高频电路中，电路元件之间的干扰也会比较大。系统使用说明系统外观及接口说明系统操作使用说明接入两路输入信号，信号的两正极分别接入芯片的正负极，然后信号的两负极接地，即实现了两差分信号的输入，输出接示波器。2.2倍频电路部分实验原理：采用锁相环法进行倍频电路的设计。锁相环倍频电路是一个闭环频率反馈系统，它主要由鉴相器，低通滤波器，压控振荡器和累加计数器构成。这种方案中，输出频率并不直接是基准频率的倍频，而是出于压控振荡器，通过相位比较器与基准频率同步，要比较的频率为基准频率除以倍频因子N,由于频率分割，压控振荡器必须产生乘以N的倍频，分割之后进入反馈回路。原理框图：

相位比较器PD用来比较两个输入信号之间的相位差，环路滤波器是一个线性低通滤波器，用来消除误差电压中的高频分量和噪声，对环路参数的调整起到决定的作用；压控振荡器是一个电压-频率变换器，在环路中作为被控振荡器，其振荡频率应随输入控制电压呈线性变化。累加计数分频器是将压控振荡器产生的输出信号频率除以N,反馈给相位比较器。电路设计与参数选取部分：锁相环芯片选取NE564高频模拟锁相环，其最高工作频率可以达到50MHz,正5V电源供电,分频部分采用双时钟可逆四位二进制计数器74LS193以及两四输入与非门74LS20D。AMPUFIEINE564芯片内部结构：SCHMITTTRIGGERPOST&ETKTONPROCESSORVCOAMPUFIEINE564芯片内部结构：SCHMITTTRIGGERPOST&ETKTONPROCESSORVCOPHASECOMPARATOR其中压控振荡器内部接有一个固定电阻100欧，需要外加一个电容即可产生震荡。整体电路设计图：

~i^|HF-"4iF7JJ.S20&1~i^|HF-"4iF7JJ.S20&1F*「?■—1 V要求的电路为四倍频，所以74LS193的预置数为1100。NE564压控振荡器的输出信号分压后从计数器的5管脚输入，分频后由NE564的三管教输入，然后与6管脚输入的参考信号进行鉴频，输出误差电压控制压控振荡器，从而使压控振荡器输出频率f=Nfo,得到倍频信号。NE564的12和13管脚接的是定时电容C，f=l/16RC,其中R=100欧。则带入一个f值，便可以计算出所接的电容值大小。在此电路中，我们把电容值设置为20pF左右，通过计算，给定输入频率为7兆，输出频率应为28兆左右。电路焊接实物：2.2.5实验结果及分析：RJGOL1X3062.RKWLUcHlJ屮■*fooo.ooa«aooh«i証1.000.0^OWQ.Ovte由实验结果可知，当输入频率为7兆时，输出频率为28.5M,输出电压峰峰值为2.34V。但是之后改变输入信号的电压和频率时，输出的电压幅度稍有变化,而输出的频率不再改变。另外波形会有较大的失真。误差分析：波形失真较大可能是由于原件焊接不当以及电路连接不精致的原因造成的，而输出频率不再改变是因为用了锁相环的原理，及通过公式f=l/16RC,给定一个基频以及电容的值之后，再改变输入频率，输出将不再变化。为了改善实验效果，在实验中应当尽量采用精密的原件，焊接电路板时也要注意接口的焊接质量，尽量减少失真。三．总结：本人所做工作设计分析电路图，焊接电路板，改进调试电路，撰写实验报告。收获与体会通过本次的课程设计，我们对于模电和数电相关的基础知识重新巩固了一边，对于差分放大和倍频电路的原理有了进一步的认识和理解。同时通过焊接电路以及调试等，提高了自己动手操作的能力，在实验过程中，也更加锻炼了我们这方面的能力与素质，通过这些实验，我们可以体会到耐心和细心在工作以及学习中的重要性，相信对以后我们的学习会有很大的帮助。对本课程的意见与建议实验室容量太小，导线有很多质量不太好，已经坏掉，会影响调试结果，开放时间有点短，不是很方便。四.参考文献侯建军.