¿Qué hace la resistencia de entrada y el condensador de un osciloscopio?

Sería realmente bueno si una entrada de alcance tuviera una resistencia infinita y una capacitancia cero, pero desafortunadamente es imposible. Los amplificadores de entrada sensibles siempre tendrán una pequeña cantidad de capacitancia de entrada y siempre habrá una pequeña corriente de fuga de la entrada de un amplificador. No olvide el alcance del alcance también, podría ser un metro de largo y fácilmente introducir 10 pF.

Una resistencia de 1 Mohm podría ser suficiente para convertir la corriente de fuga en una desviación de unos pocos milivoltios, es decir, lo suficientemente pequeña como para no dar una medida falsa de importancia. Entonces, con una fuga de 1 Mohm y 1 nA, se obtiene un cambio de desplazamiento de milivoltios en el alcance cuando se conecta la punta de la sonda y la tierra. También está el problema del ruido: es poco probable que se sienta impresionado si la sonda no estuviera conectada y viera 100 mVp-p de ondulación en la pantalla.

La resistencia de 1 Mohm y (por ejemplo) el condensador de 15 pF forman un circuito de paso bajo cuando la sonda no está conectada y, posteriormente, tienen un ancho de banda de ruido de aproximadamente 15 kHz. Dado que su canal analógico de alcance podría tener un ruido de (digamos) 10 uV / \ $ \ sqrt {Hz} \ $, la ondulación será de aproximadamente 1 mV RMS o aproximadamente 6 mVp-p (cálculo de seis sigma). Es mucho más complejo de analizar que esto, pero espero que mi cálculo simple sugiera que hay otras cosas que considerar que podrían dar la impresión de que el rendimiento del alcance no es tan bueno cuando la sonda no está conectada a un circuito.

A esto se agrega la necesidad de que todos los ámbitos de estandarización entre fabricantes signifiquen que 1 Mohm es comúnmente aceptado.

La impedancia de entrada de los osciloscopios está limitada por una razón especial, para adaptarse a un amplio rango de señales de entrada. En general, la sensibilidad de entrada (rango de voltaje) está limitada a 5-10 V. En la electrónica de hoy en día es suficiente, pero en el pasado las personas trabajaban en amplificadores de tubo de vacío con señales de 100 - 200 - 600 V. Por lo tanto, debe haber sondas que atenúen la señal en 10X - 100X. Esto se hizo en las llamadas "sondas pasivas", que son divisores de tensión.

Por lo tanto, para obtener un divisor, debe tener una impedancia de entrada limitada, por lo que 1 Mohm fue un valor razonable, y para una atenuación de 10X, la resistencia de la sonda debe ser de 9 Mohms. Para comodidad del usuario, también hay un cable de 1 metro de largo. Todos estos componentes necesarios tienen capacidades parásitas, como se describe en este nice artículo , y la imagen dentro de:

Entonces,lasresistenciasde9Mohm:1Mohmproporcionanundivisordevoltajede10:1,paraseñalesdeCC.Sinembargo,paralasseñalesdeCA,lacapacitanciaparásitadelcabezaldelasondaconduceaunaimpedanciaefectivamenteinferiora9Mohm,quedebecompensarseparamantenerlamismaatenuaciónparalasseñalesdealtafrecuenciaymantenerlaformarealdelasseñalesdeCA.Ydebehacerseparaunaampliagamadefrecuencias.EstosehaceAGREGANDOalgunacapacitanciadeentrada,porloqueeldivisores"agnóstico a la frecuencia".

De hecho, esta capacitancia no es universal, y es individual para cada fabricante e incluso modelo de alcance. Como resultado, las sondas pasivas 10X no son completamente intercambiables, y su compensación de CA puede fallar. He visto 8 entradas de pF, 10 pF y 13 pF en varios ámbitos.

En resumen, los valores de impedancia de entrada de los osciloscopios están diseñados para alojar sondas 1: 10/1: 100 con compensación de frecuencia.

Para tener un divisor simple balanceado 10: 1, la capacitancia del cable está sintonizada en la sonda para que coincida con la capacitancia del cable, que es más baja que el cable coaxial estándar de 75 Ω y probablemente utilice un cable coaxial de 100 Ω (personalizado), tal vez 10 pF / ft (33 pF / ft).

Cada diseño del preamplificador de alcance y la alimentación coaxial tiene una calificación diferente para capacitancia, pero una resistencia de 1 MΩ es estándar. Por lo tanto, las sondas de osciloscopio y los osciloscopios deben calibrarse con un puerto de prueba de onda cuadrada en el panel frontal para dar una respuesta cuadrada. En las mejores sondas, también hay un balance RC inductivo y de dos etapas.

Sin embargo, la inductancia del conductor a tierra no se compensa, por lo que para mediciones con f > 10 MHz o tiempos de subida < 30 ns, la longitud de la banda de fondo debe reducirse significativamente o eliminarse utilizando la punta y el barril entre los dos pasadores.

Uno de nuestros diseñadores de ADC acaba de dar una charla completa sobre el diseño de la parte frontal del osciloscopio, debe verlo aquí:

enlace

Entró en muchos de los detalles acerca de cómo el frente y el ADC del osciloscopio trabajan juntos.

La resistencia y la capacitancia en la sonda forman una sección de un divisor de voltaje, la resistencia en el alcance y las capacitancias combinadas en el cable y el alcance de la otra sección. Con una fuente de onda cuadrada, el condensador variable se ajusta para mostrar una onda cuadrada en el alcance. Con demasiada capacitancia en la sonda, verá un rebasamiento (esquinas puntiagudas puntiagudas) en la pantalla de onda cuadrada; Si la capacitancia es muy pequeña, verá un subimpulso (esquinas redondeadas). El objetivo del sistema es hacer que la señal en el alcance sea representativa de la señal que está sondeando. Esto sucede cuando la constante de tiempo RC de la sonda es la misma que la constante de tiempo RC del cable + alcance.

Por supuesto, si está probando una fuente de impedancia muy alta en altas frecuencias, puede esperar problemas. En ese caso, se requerirá algún tipo de amplificador de aislamiento para que pueda ver una representación real de su forma de onda.