一种实验教学用差分探头的制作方法

1.本实用新型属于教学教具领域，尤其涉及一种教学使用的实验教学用差分探头。


背景技术：

2.示波器测试电学信号时，需要用到探头。探头完成将电路板信号传递给示波器的功能。探头分为多种类型，本发明涉及到的是测量差分信号的差分探头。现有的差分探头主要用于隔离高共模电压，测试小差分电压，例如用于220v电源，高压输电等应用场合。
3.在教学中测试电路模型，一般在36v安全电压范围内。在这个场景下测量差分信号，不需要工业级的隔离度。如果采用高隔离的差分探头，价格很贵，并且学生在使用中会出现不当操作造成损坏，给实验室带来很大的经费负担。现有在售的差分探头，没有针对教学场景的差分探头。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在解决上述问题，提供一种针对教学实验室应用场景、低成本的实验教学用差分探头。
5.本实用新型所述实验教学用差分探头，包括基础板和核心板两部分；所述基础板上设置有高精度无源衰减单元、阻抗隔离单元、电源变换单元、单片机控制单元、传输线驱动单元和低压差线性稳压器；所述核心板上设置有差分放大器单元；所述低压差线性稳压器包括两个，分别为第一低压差线性稳压器和第二低压差线性稳压器；所述高精度无源衰减单元、阻抗隔离单元、差分放大器单元和传输线驱动单元依次相电连接；所述单片机控制单元与差分放大器单元相电连接；所述单片机控制单元与传输线驱动单元相电连接；所述电源变换单元分别与前述第一低压差线性稳压器和第二低压差线性稳压器相电连接；所述第一低压差线性稳压器分别与阻抗隔离单元和差分放大器单元相电连接；所述第二低压差线性稳压器分别与阻抗隔离单元和差分放大器单元相电连接；本实用新型所述实验教学用差分探头的基础板配置了探头共用的各电路部分，并用于连接核心板，采用高精度无源衰减和可变增益放大器来检测差分信号；同时通过单片机控制单元对探头电路进行直流偏置校准和程控增益放大，提高探头的性能。
6.进一步，本实用新型所述实验教学用差分探头，所述高精度无源衰减单元设置有差分信号输入端口；所述电源变换单元设置有usb供电端口；所述传输线驱动单元设置有探头信号输出端口。
7.进一步，本实用新型所述实验教学用差分探头，所述差分放大器单元为电压控制增益差分放大器或程序控制增益差分放大器或固定增益差分放大器。
8.进一步，本实用新型所述实验教学用差分探头，所述第一低压差线性稳压器包括有两个，一个与前述阻抗隔离单元相电连接，另一个与前述差分放大器单元相电连接；所述第二低压差线性稳压器包括有两个，一个与前述阻抗隔离单元相电连接，另一个与前述差分放大器单元相电连接。
9.进一步，本实用新型所述实验教学用差分探头，所述阻抗隔离单元采用芯片opa656；所述电源变换单元采用芯片tps61165；所述传输线驱动单元采用芯片ths3201；所述第一低压差线性稳压器采用tps79401；所述第二低压差线性稳压器采用tps72301；所述单片机控制单元采用型号为msp430g2。
10.本实用新型所述实验教学用差分探头，通过对组成差分探头的结构改进，改进后的主体电路包括基础板和核心板两部分，便于生产时根据需要的带宽和测试电压范围来更换适合的核心板；本实用新型所述实验教学用差分探头结构简洁，适于教学场景；同时成本低，方便实验室建设；可根据用户需要来配置，性能灵活可调；模块化便于维修或者利用其低成本作为易耗品使用。
附图说明
11.图1为本实用新型所述实验教学用差分探头结构示意框图；
12.图2为本实施例所述实验教学用差分探头结构示意图；
13.图3为本实施例所述高精度无源衰减单元电路结构示意图；
14.图4为本实施例所述电源变换单元电路结构示意图；
15.图5为本实施例所述传输线驱动单元电路结构示意图。
具体实施方式
16.下面通过附图及实施例对本实用新型所述实验教学用差分探头进行详细说明。
17.本公开实施例所述实验教学用差分探头，如图1所示，包括基础板和核心板两部分；所述基础板上设置有高精度无源衰减单元、阻抗隔离单元、电源变换单元、单片机控制单元、传输线驱动单元和低压差线性稳压器；所述核心板上设置有差分放大器单元；所述低压差线性稳压器包括两个，分别为第一低压差线性稳压器和第二低压差线性稳压器；所述高精度无源衰减单元、阻抗隔离单元、差分放大器单元和传输线驱动单元依次相电连接；所述单片机控制单元与差分放大器单元相电连接；所述单片机控制单元与传输线驱动单元相电连接；所述电源变换单元分别与前述第一低压差线性稳压器和第二低压差线性稳压器相电连接；所述第一低压差线性稳压器分别与阻抗隔离单元和差分放大器单元相电连接；所述第二低压差线性稳压器分别与阻抗隔离单元和差分放大器单元相电连接；所述高精度无源衰减单元设置有差分信号输入端口；所述电源变换单元设置有usb供电端口；所述传输线驱动单元设置有探头信号输出端口。本实用新型所述的实验教学用差分探头的主体电路分为两部分基础板和核心板，差分放大器单元用到的电源滤波，共模电压配置，增益配置电路设置在核心板上，并将电路的输入，输出和控制信号跟基础板匹配，生产时根据订单需要带宽和测试电压范围来更换差分放大器核心板即可。
18.在本公开实施例中，所述阻抗隔离单元采用芯片opa656，在本实施例中，该芯片opa656旁边留有0ω电阻的位置，当降成本和降功耗时，不焊芯片，焊接0ω；所述电源变换单元采用芯片tps61165；所述传输线驱动单元采用芯片ths3201；所述第一低压差线性稳压器采用tps79401；所述第二低压差线性稳压器采用tps72301；所述单片机控制单元采用型号为msp430g2。
19.在本公开实施例中，高精度无源衰减单元电路结构如图3所示；所述电源变换单元
电路结构图如图4所示，在基本升压电路基础上，添加了c14、d1、d2、c15，利用芯片的富裕功率，产生负电压；从而从usb的5v得到
±
5.5v。所述传输线驱动单元如图5所示，设置有两片ths3201，一片用于将差分转化为单端信号；一片用于将单端信号送给传输线，到板子外部。
20.如图2所示，所述第一低压差线性稳压器tps79401包括有两个，一个与前述阻抗隔离单元相电连接，另一个与前述差分放大器单元相电连接；所述第二低压差线性稳压器tps72301包括有两个，一个与前述阻抗隔离单元相电连接，另一个与前述差分放大器单元相电连接。在本公开实施例中，电源变换单元中的tps61165产生
±
5.5v两路输出，然后＋5.5v给两片tps79401，一片产生5v，一片产生5v或者2.5v，由外部电阻配置；
‑
5.5v给两片tps72301，一片产生
‑
5v，一片产生
‑
5v或者
‑
2.5v，由外部电阻配置。
21.所述差分放大器单元为vca821电压控制增益差分放大器或lmh6518程序控制增益差分放大器或ths4501固定增益差分放大器；在实际应用中，制备本实用所述探头时，根据订单将对应的差分放大器放置在探头基础板的中心区域，对齐板子管脚，手工或者自动设备进行焊接，灵活可调。
22.差分信号是一种包含高直流分量的差模信号。
23.差分信号为两根信号线：
24.差分正= dc＋dif正；
25.差分负= dc＋dif负；
26.差分信号中的dc是一样的，称为共模信号
27.差模信号=差分正
–
差分负=dif正
–
dif负=2*dif；
28.差分探头就是要隔离dc信号，检测差模dif信号。本公开实施例的应用场景为dc≤50v，第一级无源衰减为1/10，将50v衰减为5v，在运放可以正常工作的电压内。第二级是阻抗隔离单元，将无源衰减的高阻抗转变为可驱动50欧的低阻抗信号。中间级是差分放大，将共模dc消减，放大差模dif信号。并且可以调节增益，应多不同幅度的dif信号。末级是驱动，隔离差分放大器和探头的负载，使差分放大器带宽更宽，精度更高。差分探头的直流偏置由单片机控制单元进行校准，单按键控制增益调节；每按一次切换增益，循环进行，长按则进行偏置校准。
29.本实施例所述的实验教学用差分探头，不采用复杂的光电隔离和电磁隔离技术，应用场景在50v共模电压范围内，能抑制最大50v共模电压。采用高精度无源衰减和可变增益放大器来检测差分信号，且用单片机对探头电路进行直流偏置校准和程控增益放大，提高了探头的性能。