Que font la résistance d'entrée et le condensateur d'un oscilloscope?

J'ai regardé une vidéo YouTube sur la façon d'utiliser un oscilloscope, Comment utiliser un oscilloscope .

Il indique qu'il y a 16 pF de capacité et une résistance de 1 Mohm connectés en parallèle sur chaque port d'entrée de l'oscilloscope. Cependant, je ne comprends toujours pas pourquoi il y a un condensateur et une résistance à l'intérieur, et quel est le but de ces choses.

Pourquoi ces choses là-bas sur le port d'entrée? Que font-ils?

Ce serait vraiment bien si une entrée de portée avait une résistance infinie et une capacité nulle, mais cela, malheureusement, est impossible. Les amplificateurs d'entrée sensibles auront toujours une petite quantité de capacité d'entrée et il y aura toujours un petit courant de fuite à l'entrée d'un amplificateur. N'oubliez pas non plus le câble de visée - il peut mesurer un mètre de long et introduire facilement 10 pF.

Une résistance de 1 Mohm pourrait être suffisante pour convertir le courant de fuite en un décalage de quelques millivolts, c'est-à-dire suffisamment petit pour ne pas donner une fausse mesure de quelque importance. Ainsi, avec une fuite de 1 Mohm et 1 nA, vous obtenez un changement de décalage en millivolts dans la portée lorsque vous connectez la pointe de la sonde et la terre ensemble. Il y a aussi le problème du bruit - il est peu probable que vous soyez impressionné si la sonde n'est pas connectée et que vous voyez 100 mVp-p d'ondulation sur l'écran.

La résistance de 1 Mohm et (par exemple) le condensateur de 15 pF forment un circuit passe-bas lorsque la sonde n'est pas connectée et ont par la suite une bande passante de bruit d'environ 15 kHz. Étant donné que votre canal analogique de portée peut avoir un bruit de (disons) 10 uV /$\sqrt{Hz}$, l'ondulation sera d'environ 1 mV RMS ou d'environ 6 mVp-p (calcul en six sigma). C'est beaucoup plus complexe que cela à analyser, mais j'espère que mon calcul simple suggère qu'il y a d'autres choses à considérer qui pourraient donner l'impression que les performances de l'oscilloscope ne sont pas si bonnes lorsque la sonde n'est pas connectée à un circuit.

À cela s'ajoute la nécessité de normaliser toutes les portées entre les fabricants, ce qui signifie que 1 Mohm est généralement accepté.

L'impédance d'entrée des oscilloscopes est limitée pour une raison particulière, afin de s'adapter à une large gamme de signaux d'entrée. En général, la sensibilité d'entrée (plage de tension) est limitée à 5-10 V. Dans l'électronique d'aujourd'hui, elle est abondante, mais dans le passé, les gens travaillaient sur des amplificateurs à tube à vide avec des signaux de 100 à 200 à 600 V. Il doit donc y avoir des sondes atténuant le signal de 10X à 100X. Cela a été fait dans ce que l'on appelle des "sondes passives", qui sont des diviseurs de tension.

Par conséquent, pour obtenir un diviseur, vous devez avoir une impédance d'entrée limitée, donc 1 Mohm était une valeur raisonnable, et pour une atténuation 10X, la résistance de la sonde doit être de 9 Mohms. Pour la commodité de l'utilisateur, il existe également un câble de 1 mètre de long. Tous ces composants nécessaires ont des capacités parasites, comme décrit dans ce bel article , et l'image dans:

Ainsi, 9 résistances Mohm: 1 Mohm fournissent un diviseur de tension 10: 1, pour les signaux DC. Cependant, pour les signaux CA, la capacité parasite de la tête de sonde conduit à une impédance effectivement inférieure à 9 Mohm, qui doit être compensée pour maintenir la même atténuation pour les signaux haute fréquence et conserver la forme réelle des signaux CA. Et cela devrait être fait pour une large gamme de fréquences. Cela se fait en AJOUTANT une certaine capacité d'entrée, de sorte que le diviseur est "indépendant de la fréquence".

En fait, cette capacité n'est pas universelle et est individuelle pour chaque fabricant et même modèle de portée. Par conséquent, les sondes 10X passives ne sont pas complètement interchangeables et leur compensation CA peut échouer. J'ai vu des entrées de 8 pF, 10 pF et 13 pF sur diverses portées.

En résumé, les valeurs d'impédance d'entrée des oscilloscopes sont conçues pour prendre en charge des sondes 1: 10/1: 100 compensées en fréquence.

Afin d'avoir un diviseur simple 10: 1 équilibré, la capacité du câble est réglée dans la sonde pour correspondre à la capacité du câble qui est inférieure au coaxial 75 Ω standard et utilise probablement 100 Ω (personnalisé) coaxial, peut-être 10 pF / ft ( 33 pF / ft).

Chaque conception du préamplificateur de portée et de l'alimentation coaxiale a une cote de capacité différente, mais une résistance de 1 MΩ est standard. Ainsi, les sondes et oscilloscopes d'oscilloscope doivent être étalonnés avec un port de test à onde carrée sur le panneau avant pour donner une réponse carrée. Dans les meilleures sondes, il existe également un équilibre RC inductif et à deux étages.

Cependant, l'inductance du fil de terre n'est pas compensée, donc pour les mesures avec f> 10 MHz ou des temps de montée <30 ns, la longueur de la sangle de terre doit être considérablement réduite ou éliminée en utilisant la pointe et le barillet entre les deux broches.

L'un de nos concepteurs ADC vient de faire une présentation complète sur la conception de l'oscilloscope, vous devriez le vérifier ici:

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

Il est entré dans de nombreux détails sur la façon dont la partie avant de l'oscilloscope et l'ADC fonctionnent ensemble.

La résistance et la capacité dans la sonde forment une section d'un diviseur de tension, la résistance dans la portée et les capacités combinées dans le câble et la portée forment l'autre section. Avec une source d'onde carrée, le condensateur variable est ajusté pour afficher une onde carrée sur l'oscilloscope. Avec trop de capacité dans la sonde, vous verrez un dépassement (coins pointus pointus) dans l'affichage à onde carrée; avec une capacité trop faible, vous verrez un sous-dépassement (coins arrondis). Le but du système est de rendre le signal à l'oscilloscope représentatif du signal que vous sondez. Cela se produit lorsque la constante de temps RC de la sonde est la même que la constante de temps RC du câble + oscilloscope.

Bien sûr, si vous sondez une source à très haute impédance à des fréquences élevées, vous pouvez vous attendre à des problèmes. Dans ce cas, une sorte d'amplificateur d'isolement serait nécessaire pour que vous puissiez voir une véritable représentation de votre forme d'onde.