Cosa fanno i resistori di ingresso e i condensatori di un oscilloscopio?

Ho visto un video di YouTube su come usare un oscilloscopio, Come usare un oscilloscopio .

Dice che ci sono 16 pF di capacità e una resistenza da 1 Mohm collegata in parallelo su ciascuna porta di ingresso dell'oscilloscopio. Tuttavia, non capisco ancora perché ci siano condensatori e resistori all'interno e quali siano gli scopi di queste cose.

Perché quelle cose sono lì dentro sulla porta di input? Cosa fanno?

Sarebbe davvero bello se un input dell'oscilloscopio avesse resistenza infinita e capacità zero ma, sfortunatamente, ciò è impossibile. Gli amplificatori di ingresso sensibili avranno sempre una piccola quantità di capacità di ingresso e ci sarà sempre una piccola corrente di dispersione dall'ingresso di un amplificatore. Non dimenticare anche il cavo dell'oscilloscopio: potrebbe essere lungo un metro e introdurre facilmente 10 pF.

Un resistore da 1 Mohm potrebbe essere sufficiente per convertire la corrente di dispersione in un offset di pochi millivolt, cioè sufficientemente piccolo da non dare una falsa misurazione di alcun significato. Quindi, con 1 Mohm e 1 nA di perdita si ottiene un cambiamento di offset millivolt nell'ambito quando si collegano la punta della sonda e la terra. C'è anche il problema del rumore: è improbabile che rimarrai colpito se la sonda non fosse collegata e vedessi 100 mVp-p di ondulazione sul display.

Il resistore da 1 Mohm e (diciamo) il condensatore da 15 pF formano un circuito passa basso quando la sonda non è collegata e, successivamente, hanno una larghezza di banda del rumore di circa 15 kHz. Dato che il canale analogico dell'oscilloscopio potrebbe presentare un rumore di (diciamo) 10 uV /$\sqrt{Hz}$, l'ondulazione sarà di circa 1 mV RMS o circa 6 mVp-p (calcolo sei sigma). È molto più complesso di questo da analizzare ma, si spera, il mio semplice calcolo suggerisce che ci sono altre cose da considerare che potrebbero dare l'impressione che le prestazioni dell'oscilloscopio non siano così buone quando la sonda non è collegata a un circuito.

A ciò si aggiunge la necessità che tutti gli ambiti si standardizzino tra i produttori, ciò significa che 1 Mohm è comunemente accettato.

L'impedenza di ingresso degli oscilloscopi è limitata per un motivo speciale, per soddisfare un'ampia gamma di segnali di ingresso. In generale, la sensibilità di ingresso (intervallo di tensione) è limitata a 5-10 V. Nell'elettronica di oggi è abbondante, ma in passato le persone stavano lavorando su amplificatori a valvole a vuoto con segnali da 100-200 a 600 V. Quindi ci devono essere sonde che attenuano il segnale di 10X - 100X. Ciò è stato fatto nelle cosiddette "sonde passive", che sono divisori di tensione.

Pertanto, per ottenere un divisore, è necessario avere un'impedenza di ingresso limitata, quindi 1 Mohm era un valore ragionevole e per un'attenuazione di 10X la resistenza della sonda deve essere grande 9 Mohm. Per comodità dell'utente, c'è anche un cavo lungo 1 metro. Tutti questi componenti necessari hanno capacità parassite, come ben descritto in questo simpatico articolo , e l'immagine all'interno di:

Quindi, i resistori da 9 Mohm: 1 Mohm forniscono un divisore di tensione 10: 1, per segnali DC. Tuttavia, per i segnali CA la capacità parassita della testa della sonda porta a un'impedenza effettivamente inferiore a 9 Mohm, che deve essere compensata per mantenere la stessa attenuazione per i segnali ad alta frequenza e mantenere la forma reale dei segnali CA. E dovrebbe essere fatto per una vasta gamma di frequenze. Questo viene fatto aggiungendo una certa capacità di ingresso, quindi il divisore è "indipendente dalla frequenza".

È un dato di fatto, questa capacità non è universale, ed è individuale per ciascun produttore e persino modello di ambito. Di conseguenza, le sonde 10X passive non sono completamente intercambiabili e la loro compensazione CA potrebbe non riuscire. Ho visto 8 ingressi pF, 10 pF e 13 pF su vari ambiti.

In sintesi, i valori di impedenza di ingresso degli oscilloscopi sono progettati per ospitare sonde 1: 10/1: 100 con compensazione della frequenza.

Per avere un semplice divisore 10: 1 bilanciato, la capacità del cavo è sintonizzata nella sonda in modo che corrisponda alla capacità del cavo che è inferiore allo standard coassiale da 75 Ω e probabilmente utilizza 100 Ω (personalizzato) coassiale, forse 10 pF / ft ( 33 pF / ft).

Ogni design del preamplificatore dell'oscilloscopio e dell'alimentazione coassiale ha una classificazione diversa per capacità, ma una resistenza di 1 MΩ è standard. Pertanto, le sonde e gli oscilloscopi dell'oscilloscopio devono essere calibrati con una porta di prova ad onda quadra sul pannello frontale per fornire una risposta quadrata. In sonde migliori, c'è anche un equilibrio RC induttivo e a due stadi.

Tuttavia, l'induttanza del conduttore di terra non è compensata, quindi per misurazioni con f> 10 MHz o tempi di salita <30 ns, la lunghezza del cinturino di massa deve essere ridotta in modo significativo o eliminata usando la punta e la canna tra i due perni.

Uno dei nostri designer ADC ha appena parlato del design del front end dell'oscilloscopio, dovresti dare un'occhiata qui:

https://www.youtube.com/playlist?list=PLzHyxysSubUmxGOMVpiKLxouweh2AAlG1

Sono entrati in molti dettagli su come la parte frontale dell'oscilloscopio e l'ADC lavorano insieme.

La resistenza e la capacità nella sonda formano una sezione di un divisore di tensione, la resistenza nella portata e le capacità combinate nel cavo e la portata formano l'altra sezione. Con una sorgente ad onda quadra, il condensatore variabile viene regolato per mostrare un'onda quadra sull'oscilloscopio. Con troppa capacità nella sonda, vedrai il superamento (angoli appuntiti appuntiti) nel display ad onda quadra; con capacità troppo bassa, vedrai il undershoot (angoli arrotondati). L'obiettivo del sistema è quello di rendere rappresentativo il segnale nell'ambito del segnale che si sta sondando. Ciò accade quando la costante di tempo RC della sonda è uguale alla costante di tempo RC del cavo + ambito.

Naturalmente, se si sta sondando una sorgente di impedenza molto elevata alle alte frequenze, ci si può aspettare problemi. In tal caso, sarebbe necessario un tipo di amplificatore di isolamento per vedere una rappresentazione reale della forma d'onda.