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

Vi un video de YouTube sobre cómo usar un osciloscopio, Cómo usar un osciloscopio .

Dice que hay 16 pF de capacitancia y una resistencia de 1 Mohm conectada en paralelo en cada puerto de entrada del osciloscopio. Sin embargo, todavía no entiendo por qué hay un condensador y una resistencia en el interior, y cuál es el propósito de esas cosas.

¿Por qué están esas cosas allí en el puerto de entrada? ¿Qué hacen?

Sería realmente bueno si una entrada de alcance tuviera resistencia infinita y capacitancia cero, pero eso, 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 cable de alcance también: puede ser de un metro de largo e introducir fácilmente 10 pF.

Una resistencia de 1 Mohm podría ser suficiente para convertir la corriente de fuga en una compensación de unos pocos milivoltios, es decir, lo suficientemente pequeña como para no dar una medición falsa de importancia. Entonces, con 1 Mohm y 1 nA de fuga, obtienes un cambio de desplazamiento de milivoltios en el osciloscopio cuando conectas la punta de la sonda y la tierra. También existe el problema del ruido: es poco probable que se impresione si la sonda no está conectada y ve 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 puede 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). Analizar es mucho más complejo que esto, pero espero que mi cálculo simple sugiera que hay otras cosas a 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 se estandaricen entre fabricantes, lo que significa que 1 Mohm es comúnmente aceptado.

La impedancia de entrada de los osciloscopios está limitada por una razón especial, para acomodar una amplia gama de señales de entrada. En general, la sensibilidad de entrada (rango de voltaje) está limitada a 5-10 V. En la electrónica de hoy es suficiente, pero en el pasado la gente trabajaba en amplificadores de tubos 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 voltaje.

Por lo tanto, para obtener un divisor, debe tener una impedancia de entrada limitada, por lo que 1 Mohm era 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 bonito artículo , y la imagen dentro de:

Entonces, las resistencias de 9 Mohm: 1 Mohm proporcionan un divisor de voltaje de 10: 1, para señales de CC. Sin embargo, para las señales de CA, la capacitancia parásita del cabezal de la sonda conduce a una impedancia efectivamente inferior a 9 Mohm, que debe compensarse para mantener la misma atenuación para las señales de alta frecuencia y mantener la forma real de las señales de CA. Y debe hacerse para una amplia gama de frecuencias. Esto se hace AGREGANDO algo de capacitancia de entrada, por lo que el divisor es "agnóstico de 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 entradas de 8 pF, 10 pF y 13 pF en varios ámbitos.

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

Para tener un divisor simple equilibrado de 10: 1, la capacitancia del cable se sintoniza en la sonda para que coincida con la capacitancia del cable que es inferior al coaxial estándar de 75 Ω y probablemente use coaxial de 100 Ω (personalizado), tal vez 10 pF / ft ( 33 pF / pie).

Cada diseño del preamplificador de alcance y alimentación coaxial tiene una clasificación diferente para la 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 mejores sondas, también hay un equilibrio inductivo y de dos etapas RC.

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

Uno de nuestros diseñadores de ADC acaba de hablar sobre el diseño de la parte frontal del osciloscopio, debe verificarlo aquí:

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

Entró en muchos de los detalles acerca de cómo el front-end del osciloscopio y el ADC funcionan juntos.

La resistencia y la capacitancia en la sonda forman una sección de un divisor de voltaje, la resistencia en el alcance y las capacidades combinadas en el cable y el alcance forman la otra sección. Con una fuente de onda cuadrada, el condensador variable se ajusta para mostrar una onda cuadrada en el osciloscopio. Con demasiada capacitancia en la sonda, verá sobreimpulso (esquinas puntiagudas puntiagudas) en la pantalla de onda cuadrada; con muy poca capacitancia, verá 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 sondeando una fuente de alta impedancia a altas frecuencias, puede esperar problemas. En ese caso, se necesitaría algún tipo de amplificador de aislamiento para que pueda ver una representación real de su forma de onda.