Входное сопротивление осциллографа: особенности, влияние на измерения и способы компенсации

Как входное сопротивление осциллографа влияет на точность измерений. Какие компоненты входят в состав входного сопротивления осциллографа. Как использовать пробники для компенсации влияния входного сопротивления. Какие существуют типы пробников и как их правильно настраивать.

Что такое входное сопротивление осциллографа?

Входное сопротивление осциллографа — это комплексный параметр, характеризующий нагрузку, которую оказывает прибор на исследуемую цепь. Он состоит из двух основных компонентов:

• Активное сопротивление (обычно 1 МОм)
• Входная емкость (10-30 пФ)

Входное сопротивление осциллографа играет важную роль при проведении измерений, так как может оказывать существенное влияние на работу исследуемой схемы, особенно на высоких частотах.

Как входное сопротивление влияет на измерения?

Влияние входного сопротивления осциллографа на измерения проявляется в нескольких аспектах:

• Шунтирование исследуемой цепи, что может изменить режим ее работы
• Искажение формы сигнала на высоких частотах из-за входной емкости
• Ограничение полосы пропускания измерительного тракта
• Появление резонансных явлений при наличии индуктивности в цепи

Чем выше частота измеряемого сигнала, тем сильнее проявляется влияние входной емкости осциллографа. Это может приводить к значительным погрешностям при измерении высокочастотных сигналов.

Какие существуют способы компенсации входного сопротивления?

Для минимизации влияния входного сопротивления осциллографа на измерения применяются следующие методы:

1. Использование пробников-делителей (аттенюаторов) с коэффициентом деления 10:1 или 100:1
2. Применение активных пробников с высоким входным сопротивлением
3. Использование согласованных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом
4. Подключение осциллографа через повторители напряжения
5. Применение специальных высокочастотных пробников

Наиболее распространенным и эффективным методом является использование пассивных пробников-делителей с коэффициентом деления 10:1.

Как устроен и работает пробник осциллографа?

Пробник осциллографа представляет собой специализированное устройство для подключения исследуемой схемы к входу осциллографа. Типовая конструкция пробника включает:

• Наконечник для контакта с исследуемой точкой схемы
• Делитель напряжения на резисторах
• Компенсирующий конденсатор
• Коаксиальный кабель для подключения к осциллографу
• Разъем для подключения к входу осциллографа

Принцип работы пробника основан на делении входного напряжения с помощью резистивного делителя. Компенсирующий конденсатор служит для выравнивания частотной характеристики.

Какие бывают типы пробников осциллографа?

Основные типы пробников, применяемых с осциллографами:

1. Пассивные пробники-делители (10:1, 100:1)
2. Активные пробники
3. Дифференциальные пробники
4. Токовые пробники
5. Высоковольтные пробники

Наиболее распространены пассивные пробники 10:1, входящие в стандартную комплектацию большинства осциллографов. Они обеспечивают хороший компромисс между входным сопротивлением, полосой пропускания и стоимостью.

Как правильно настроить пробник осциллографа?

Для корректной работы пробник осциллографа необходимо правильно настроить. Процедура настройки включает следующие этапы:

1. Подключите пробник к калибровочному выходу осциллографа
2. Установите развертку осциллографа для наблюдения нескольких периодов калибровочного сигнала
3. Отрегулируйте подстроечный конденсатор пробника до получения ровной прямоугольной формы сигнала без искажений
4. Проверьте правильность установки коэффициента деления пробника в настройках осциллографа

Правильная настройка пробника позволяет минимизировать искажения сигнала и обеспечить точные измерения во всем диапазоне частот.

Каковы особенности измерения высокочастотных сигналов?

При измерении высокочастотных сигналов с помощью осциллографа необходимо учитывать следующие факторы:

• Ограничение полосы пропускания пробника и входных цепей осциллографа
• Влияние паразитных емкостей и индуктивностей
• Возможность возникновения отражений в длинных соединительных кабелях
• Необходимость согласования волновых сопротивлений
• Важность минимизации длины сигнальных проводников

Для корректных измерений на высоких частотах рекомендуется использовать специализированные высокочастотные пробники и осциллографы с широкой полосой пропускания.

Как влияет заземление на измерения осциллографом?

Правильное заземление играет критически важную роль при проведении измерений с помощью осциллографа. Основные аспекты влияния заземления:

• Образование контуров заземления может привести к появлению помех
• Длинный провод заземления увеличивает паразитную индуктивность
• Некорректное заземление может вызвать искажение формы сигнала
• Разность потенциалов между точками заземления приводит к погрешностям измерения

Для минимизации влияния заземления рекомендуется использовать короткие провода заземления, специальные насадки для высокочастотных измерений, а также дифференциальные пробники при необходимости.

Щуп осциллографа. Устройство и принцип работы / Хабр

Эта статья для тех кто всегда хотел знать как устроен щуп осциллографа, но боялся спросить. Для тех кто начинает работать с осциллографом, а также для тех кто много лет работает, но никогда не хватало времени и сил для того, чтобы разобрать как устроен щуп(пробник) осциллографа на самом деле. Этот материал основан на статье Doug Ford «The secret world of oscilloscope probes» с некоторыми изменениями и дополнениями. В статье будут рассматриваться только пассивные щупы. Исследование работы будем проводить в популярном симуляторе электронных схем LTSpice. Разберем последовательно назначение и особенности каждого элемента, моделируя эквивалентные схемы начиная от простых вариантов и переходя к более реалистичным. Узнаем кто изобрёл и запатентовал первый прототип этого устройства в том виде в котором он используется сейчас. А также в конце рассмотрим как устроен реальный щуп фирмы Keysight(бывший Agilent) 10073C, вышедший из строя и давший согласие предоставить свои останки на благо научного прогресса.

Все кто работает в области электроники хоть раз сталкивался с измерением с помощью осциллографа. Существует много разновидностей пробников, в основном они делятся на активные и пассивные. Активные пробники могут быть самого разного устройства и назначения, и в этой статье не рассматриваются. Мы обратим внимание на наверное самый распространенный вариант пассивного пробника с коэффициентом деления равным 10 (либо с переключателем режимов 1 или 10) и входным сопротивлением 10 МОм с учетом входного сопротивления осциллографа 1 МОм. В комплекте осциллографа как правило имеется два таких щупа.

Рассмотрим его устройство. Если поискать в интернете как устроен щуп осциллографа, то чаще всего приводится схема представленная на рисунке 1. Входное сопротивление осциллографа равно 1 МОм. Емкость входа осциллографа как правило составляет от 10 до 30 пФ (мы возьмем 20пФ). Источником сигнала будет генератор с 50-омным выходом нагруженный на резистор
50 Ом. Эквивалентное выходное сопротивление такой схемы будет параллельное сопротивление (Rgen || Rload) = 25 Ом, такой выбор не случаен, о чем еще пойдет речь ниже. Эквивалентная схема щупа представлена как емкость кабеля в виде конденсатора на 100 пФ, наконечника с резистором делителя Rdiv и компенсирующего подстроечного конденсатора Ccomp. Делитель составленный из резисторов Rdiv и Rin образуют коэффициент пробника

Задача конденсатора Ccomp выровнять частотную характеристику тракта. Для того, чтобы коэффициент оставался 1/10 на всех частотах необходимо, чтобы конденсатор Ccomp равнялся 1/9 суммарной емкости кабеля и входа осц., и таким образом получаем значение

Рисунок 1Рисунок 2

Другой возможный вариант когда параллельно резистору Rdiv стоит постоянный конденсатор, а подстроечный ставится параллельно входу осциллографа как показано на рисунке 2. Для переключения в режим с коэффициентом 1 резистор Rdiv просто закорачивают. Еще одна возможная конфигурация, показанная на рисунке 3, когда цепь подстройки находится в основании щупа, а не в наконечнике. Такой вариант и будем рассматривать в дальнейшем. Входная емкость такой системы будет определятся как последовательное соединение емкости Cdiv и суммы емкостей Ccable, Ccomp  и Cin  и равняется 13,5 пФ. Именно входная емкость определяет полосу пропускания щупа, точнее она определяется RC цепочкой, составленной из входной емкости и внутреннего сопротивления той части схемы куда приложен щуп. В документации на пробник обычно указывается полоса пропускания, которая нормирована на эквивалентной внутреннее сопротивление источника равное 25 Ом, то есть, если щуп с полосой пропускания в 500 МГц, имеющий входную емкость в районе 12 пФ приложен к высокоомной цепи, например 1МОм, то полоса пропускания уменьшится до 12,5 кГц. В нашем же случае как видно из рисунка 4 штатная полоса пропускания оказалась равной 470 МГц.

Рисунок 3Рисунок 4

Посмотрим как влияет изменение ёмкости компенсационного конденсатора Сcomp на частотный отклик. На рисунке 5 показан результат моделирования при изменении емкости от 4 пФ до 24 пФ с шагом 2 пФ. Видно, что искажения начинаются уже с нескольких сотен герц. Правильно подобранная компенсация должна обеспечить ровную частотную характеристику.

Рисунок 5

На рисунке 6 влияние емкости Сcomp на форму измеряемого сигнала в виде прямоугольных импульсов. Последняя картинка знакома любому, кто хоть раз сталкивался с калибровкой щупа осциллографа. Осциллографы как правило оснащены внутренним генератором прямоугольных сигналов, который питает «калибровочный» терминал на передней панели. Частота калибровочного сигнала обычно составляет 1 кГц с амплитудой 1 В. Изменяя емкость подстроечного конденсатора в основании можно добиться максимальной «прямоугольности» импульсов, и тем самым максимальной ровности частотного отклика.

Рисунок 6

Как правило объяснение работы пассивного пробника на этом заканчивается. Но мы попробуем пойти немного дальше. Основное отличие приведенной схемы от реальной ситуации заключается в том, что кабель аппроксимируется сосредоточенной емкостью только на низких частотах. Для полной картины необходимо изменить модель кабеля с емкости на линию передачи, как показано на рисунке 7. Типичная длинна кабеля щупа равна 1,2 м. Определим погонную емкость из соображения сохранения общей емкости 100 пф, таким образом погонная емкость будет равна 100 / 1,2 = 83,3 пФ/м. Погонную индуктивность найдем из формулы

 где Zo – волновое сопротивление кабеля – 50 Ом. Таким образом L=2500*83,3 = 208,3 нГн. Вставим полученные значения в нашу модель и построим АЧХ.

Рисунок 7Рисунок 8Рисунок 9

Как видно результат оказался чудовищный. На рисунке 8 и 9 представлены частотные характеристики на входе и выходе щупа. Видно, что кроме того, что искажения частотного отклика приняли неприемлемый вид, но и в результате переотражений происходит влияние на измеряемую схему на частотах выше 40 МГц, чем вообще говоря можно повредить устройство. Так происходим из-за несогласованности нагрузки и сопротивления источника с кабелем. Для тех кто не очень знаком с основами передачи сигналов в линиях передачи можно начать ознакомление с этой статьи. А мы пойдем дальше. Так что же делают разработчики пробников осциллографов для решения этой проблемы?

Если вы измерите сопротивление щупа в режиме 1х то увидите, что сопротивление не будет равно нулю. Измеренное сопротивление будет в районе 150-300 Ом. Можно предположить, что в щуп вставлены какие-то последовательные резисторы. Может в этом весь секрет. Давайте вставим в нашу симуляцию пару резисторов. Добавим на входе кабеля резистор 150 Ом, а также на выходе в отсеке регулировки добавим резистор 50 Ом. Результат моделирования показан на рисунке 11.

Рисунок 10Рисунок 11

Очевидно, что характеристика стала более плавной, хотя идеальной её по-прежнему трудно назвать. Полезная пропускная способность такой системы не превышает 40МГц. Настройка компенсационного конденсатора мало влияет на частотную характеристику или резонансные эффекты линии передачи. Таким образом, очевидно, что характеристики линии передачи зондирующего кабеля потенциально ответственны за некоторые серьезные ограничения полосы пропускания и частотной характеристики. Итак, в чем секрет дизайна высокочастотных щупов. Как производителям зондов удается добиться максимальной ширины полосы пропускания от зондов? Над этим вопросом думал молодой сотрудник компании Tektronix по имени John Kobbe в 50-е годы 20 века. Пытаясь подобрать размер и положение резисторов для получения гладкой характеристики, он в какой-то момент пришел к выводу, что требуется поставить резистор по середине кабеля. Впрочем, скоро ему пришла идея получше.

Если вы разберете ваш пробник и удалите из него все последовательные резисторы, а потом измерите сопротивление кабеля, то оно про прежнему будет далеко от короткого замыкания. Это происходим от того, что сама центральная жила имеет высокое сопротивление. Именно так поступил John Kobbe. Купив в магазине высокоомную проволоку, он вытащил центральную жилу, заменив ее на проволоку. На рисунке 12 показан кабель щупа в разрезе, видно, что центральная жила гораздо тоньше чем для обычного коаксиального кабеля и смята, что придает в свою очередь больше гибкости пробнику.

Рисунок 12

Так, что же это нам даёт? Вернемся к нашей модели и заменим последовательные резисторы на сопротивление потерь в линии передачи (рисунок 13).

Рисунок 13Рисунок 14

На рисунке 14 показан волшебный результат: плавный и монотонный отклик без неприятных отражений или аномалий– просто плавный, полезный отклик! Давайте посмотрим, чего мы еще сможем добиться используя этот подход. Рассмотрим как влияет изменение сопротивление центральной жилы на частотный отклик, будем изменять сопротивление от 100 до 200 Ом с шагом 10 Ом.

Рисунок 15Рисунок 16

Отсюда подбираем оптимальное сопротивление – примерно 140 Ом и получаем пробник с полосой пропускания более  230 МГц (рисунок 17) , что уже можно назвать неплохим результатом.

Рисунок 17

Этим нехитрым изобретением производители пробников пользуются и по сей день. Историю Джона Коббе можно почитать здесь. Подробнее про основы пассивных пробников можно почитать в книжке «Oscilloscope Probe Circuits» JOE WEBER 1969 г. А мы двинемся дальше.

Попробуем ещё немного улучшить нашу модель. Практические конструкции компенсационных схем могут быть самые разные и зависят от производителя. Мы же рассмотрим еще один часто встречающийся приём, а именно последовательно с кондесатором Ccomp поставим дополнительный резистор и будем менять его от 50 до 250 Ом с шагом 10 Ом.

Рисунок 18Рисунок 19

На рисунке 19 показан результат моделирования. Как видно можно подобрать оптимальное значение резистора для получения ровной характеристики. В нашем случае это значение получается равным 160 Ом (часто в примерах на этом месте встречается значение 68 Ом). Построим окончательный вариант схемы (рисунок 20).

Рисунок 20Рисунок 21

Внедрение правильной схемы компенсации позволило увеличить полосу пропускания до значения 450 МГц! Почти удалось добиться результата моделирования идеальной схемы из рисунка 3. Теперь мы знаем секрет создания пробника. Но, как уже говорилось выше, в реальности все гораздо сложнее и приходится учитывать паразитные составляющие всех элементов схемы.

Далее давайте посмотрим некоторые характеристики нашего новоиспечённого щупа. Рассмотрим время нарастания фронта и задержку распространения. Будем для наглядности сравнивать со схемой из рисунка 10 и схемой из рисунка 16.

Рисунок 22

На рисунке 22 показан отклик на прямоугольный импульс 10 В для трех схем, и исходный импульс в уменьшенном масштабе (голубой). Задержка всех моделей оказалась равной примерно 5 нсек. Последний вариант схемы с полосой пропускания 450 МГц (зеленый) показал время нарастания фронта менее 1 нсек, тогда как схема с полосой 230 МГц (красный) показала результат 1,7 нсек. Модель же с последовательными резисторами (коричневый) по длительности фронта не уступает последнему варианту щупа, но создает значительные искажения формы. Наносекундные различия во времени нарастания несущественны, если вы наблюдаете прямоугольный отклик звуковых операционных усилителей с микросекундным временем нарастания, но они становятся жизненно важными, если вы исследуете проблемы в высокоскоростных цифровых схемах.

Полезно также рассмотреть частотную зависимость входного сопротивления (импеданса) пробника.  Как говорилось выше для постоянного напряжения и низких частот пробник x10 имеет входное сопротивление 10 МОм. На следующем рисунке 23, показана зависимость входного сопротивления от частоты. По оси Y указано входное сопротивление в дБ (140 дБ соответствует 10МОм). Видно, что емкость начинает оказывать определяющее воздействие на входной импеданс на высоких частотах, и выше 150 МГц падает до значения менее 100 Ом (40 дБ на графике).

Рисунок 23

Рассмотрим также как влияет заземляющая клемма на частотную характеристику. Типичный провод заземления пробника с зажимом составляет около 150 мм в длину. Типичная индуктивность провода составляет около 1 нГн /мм, поэтому заземляющий провод соответствует индуктивности 150 нГн. Так как место крепления заземляющего провода находится на некотором расстоянии от наконечника добавим еще 50 нГн.  Вставим эту индуктивность в нашу модель щупа и посмотрим, как это повлияет на частотную характеристику.

Рисунок 24Рисунок 25Рисунок 26

На рисунке 25 и 26 частотная характеристика и фронт отклика во временной области щупа с индуктивностью (зеленый) показана в сравнении с предыдущим вариантом без индуктивности (красный). Характеристика значительно испортилась и стала демонстрировать немонотонность.

Рисунок 27

Для измерения сигналов выше десятков МГц в комплекте щупа всегда идут специальные насадки (рисунок 27) для заземления пробника максимально близко к наконечнику щупа во избежание возникновения индуктивных искажений.

Напоследок рассмотрим реально существующий вариант щупа фирмы Agilent (нынешний Keysight) 10073C, который пришел в негодность у меня на работе и был разобран.  На рисунке 28 представлено основание щупа.

Рисунок 28

На рисунке 29 воссозданная схема в LTSpice. Сопротивление кабеля отличается от рассмотренных выше и равняется 2,2 МОм. Значения потенциометров, расположенных по бокам могут принимать значения до 500 Ом (R7-R10). Полоса пропускания по спецификации 500 МГц. Значения регулируемых емкостей неизвестно. Параметры используемого кабеля и емкости Сdiv также неизвестно. Со значениями используемыми в этой статье получилось только 426 МГц (рисунок 30).

Рисунок 29Рисунок 30

Выводы:

• Пробники с высокой пропускной способностью спроектированы с использованием тщательно подобранного кабеля линии передачи и с минимизации воздействия сквозных отражений линии передачи.

• Использование правильной схемы компенсации позволяет в разы увеличить полосу пропускания.

• Пробник 10х имеет входное сопротивление 10 MОм только  на низких частотах. На более высоких частотах в основном определяется входной ёмкостью.

• Индуктивность заземляющего провода может разрушить точность формы сигнала и пропускную способность. Используйте комплект насадок из комплекта пробника, чтобы обеспечить низкую индуктивность.

---

Файлы моделирования можно скачать здесь.

Полезное видео на тему: Eric Bogatin Oscilloscope Basics Session.

Входное сопротивление — осциллограф — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Cтраница 3

Сигнал запуска блока селекции направляется на выход без изменений, а сигнал запуска осциллографа предварительно дифференцируется цепочкой С3, Re. Для запуска осциллографа используется продифференцированный срез импульса, сформированного ждущим мультивибратором. Диоды Д1 и Д2 устраняют взаимное влияние хронизатора и генератора калибрующих импульсов и составляют вместе с

входным сопротивлением осциллографа сумматор.  [31]

Выбор обмотки трансформатора, к которой следует подключить нагрузку, зависит от сопротивления нагрузки. Нужная обмотка подключается с помощью переключателя Выходное сопротивление, который имеет четыре положения: 60 Ом, 600 Ом, 6000 Ом, Атт. При этом необходимо включать внутреннюю нагрузку генератора ( 600 Ом) тумблером Внутренняя нагрузка. Заметим, что входное сопротивление осциллографа составляет около 2 МОм. Стрелочный прибор, расположенный на лицевой панели ГЗ-34, подключен не к выходным клеммам генератора, а ко входу аттенюатора. Такое его включение предполагает правильное подключение нагрузки к генератору. Прибор правильно измеряет выходное напряжение ГЗ-34 только в том случае, если положение переключателя Выходное сопротивление соответствует нагрузочному сопротивлению.  [32]

Иногда в процессе испытания нужно определить время прохождения импульса через видеоусилитель. Обычно такое измерение производят при помощи осциллографа. Для этого на вход видеоусилителя ( рис. 14) подают прямоугольные импульсы с крутыми фронтами. Осциллограф подключают попеременно ко входу и к выходу испытываемого видеоусилителя, причем если входное сопротивление видеоусилителя близко к входному сопротивлению осциллографа, то последний при наблюдении формы импульсов генератора включают вместо видеоусилителя, а если входное сопротивление осциллографа велико по сравнению с входным сопротивлением видеоусилителя, то осциллограф подключают параллельно входу видеоусилителя.  [33]

Иногда в процессе испытания нужно определить время прохождения импульса через видеоусилитель. Обычно такое измерение производят при помощи осциллографа. Для этого на вход видеоусилителя ( рис. 14) подают прямоугольные импульсы с крутыми фронтами. Осциллограф подключают попеременно ко входу и к выходу испытываемого видеоусилителя, причем если входное сопротивление видеоусилителя близко к входному сопротивлению осциллографа, то последний при наблюдении формы импульсов генератора включают вместо видеоусилителя, а если

входное сопротивление осциллографа велико по сравнению с входным сопротивлением видеоусилителя, то осциллограф подключают параллельно входу видеоусилителя.  [34]

Это значение характерно для большинства высокочастотных кабелей. Когда длина кабеля составляет 1 м ( а), продолжительность импульса тока в диоде превышает удвоенное время пробега вдоль кабеля. Это приводит к дополнительной модуляции сигнала. Нетрудно определить характеристики короткого несогласованного куска кабеля: он ведет себя как конденсатор с емкостью С 1 ( примерно 100 пФ), через который проходит импульс тока от фотодиода. Этот конденсатор разряжается с соответствующими постоянными времени через

входное сопротивление осциллографа и внутреннее сопротивление диода. Следует, конечно же, учитывать емкость диода и входного усилителя. Наблюдаемая постоянная времени порядка 10 — 4 с хорошо согласуется с такой оценкой.  [35]

Выходной сигнал ( верхний, снимаемый с дифференциатора, на вход которого подается прямоугольный сигнал.| Выделение переднего фронта импульса. 2 Искусство схемотехники.  [36]

Иногда схема неожиданно начинает проявлять дифференцирующие свойства, причем в ситуациях, где они совершенно нежелательны. При этом можно наблюдать сигналы, подобные показанным на рис. 1.39. Первый сигнал ( а точнее, импульсная помеха) может возникнуть при наличии емкостной связи между рассматриваемой линией и схемой, в которой присутствует прямоугольный сигнал; причиной появления подобной помехи может служить отсутствие оконечного резистора в линии. Если же резистор есть, то следует либо уменьшить сопротивление источника сигналов для линии, либо найти способ ослабления емкостной связи с источником сигналов прямоугольной формы. Сигнал второго типа можно наблюдать в цепи, по которой должен проходить сигнал прямоугольной формы, при наличии дефекта в контакте с этой цепью, например, в щупе осциллографа. Небольшая емкость, возникающая при плохом контакте, и

входное сопротивление осциллографа образуют дифференцирующую цепь. Если вы обнаружили, что ваша схема что-то дифференцирует, то сказанное может помочь вам найти причину неисправности и устранить ее.  [37]

При налаживании и настройке радиоаппарата часто приходится иметь дело с отдельным блоком или даже одиночным каскадом, а измерительные приборы подключать ко входу и выходу вместо отключенных блоков. В таком случае осциллограф, подключенный к выходу исследуемого блока, играет роль последующего за ним блока налаживаемого радиоаппарата. Только в этом случае исследуемый блок не заметит подмены, и на вход осциллографа поступит напряжение такого же значения и формы, что и в рабочих условиях на вход отключенного блока. Тогда выход настраиваемого блока шунтируют резистором Rm ( рис. 25, а) такого сопротивления, чтобы общее сопротивление Rm и входного сопротивления осциллографа Коса были равны входному сопротивлению отключенного блока Аах.  [38]

Входной блок канала вертикального отклонения, как уже отмечалось в § 3. 2, состоит из аттенюатора, эмиттерного повторителя и линии задержки. Аттенюатор ( делитель напряжения) предназначается для регулировки чувствительности канала путем ослабления сигнала. Он имеет постоянный коэффициент передачи в широком диапазоне частот и обеспечивает высокое входное сопротивление канала Y. С помощью переключателя ( на передней панели он обозначен надписью В / см или В / дел) можно получить несколько коэффициентов передачи напряжения. Обычно аттенюаторы строят так, чтобы входное сопротивление заметно не изменялось при переходе от одного значения коэффициента передачи к другому. Ом, служащий для согласования входного сопротивления осциллографа с волновым сопротивлением кабеля, по которому поступает — исследуемый сигнал. В этом положении переключателя сигнал передается без изменений; в остальных положениях параллельно входу включаются делители напряжения ( рис. 3.7 а) с различными коэффициентами передачи, значения которых зависят от соотношения параметров компонентов схемы делителя.  [39]

Страницы:      1    2    3

ECE 291 Лабораторная работа 7: Входное сопротивление осциллографа и осциллографа

ЗАДАЧИ

Измерение входного сопротивления осциллографа. Принципы работы и использование зонда прицела.

ВВЕДЕНИЕ

После знакомства с частотной характеристикой RC-цепей в предыдущей лаборатории вы готовы узнать о входном сопротивлении осциллографа. Этот комплексный импеданс, состоящий из резистивной и емкостной составляющих, может нарушать работу измеряемых цепей и ограничивать высокочастотные характеристики осциллографов. Ток, протекающий через емкостную нагрузку, зависит от частоты, поэтому измерения с помощью осциллографа могут зависеть от частоты. К счастью, есть средство, о котором вы должны знать: щуп прицела.

Рис. 5. Схема, представляющая собой осциллограф с зонд.
R _S — внутреннее сопротивление прицела, C _S внутренняя емкость прицела,
C _C — емкость кабеля, R _P — сопротивление зонда, C _P — зонд емкость

Пробник осциллографа представляет собой аттенюатор 10:1 с резистором и конденсатором на конце кабеля пробника. Аттенюатор состоит из двух последовательно соединенных импедансов, один из которых представляет собой собственный импеданс осциллографа по отношению к земле, а другой подключается между точкой измерения в цепи и входом осциллографа (см. рис. 5). Внутренний импеданс прицела имеет емкостную составляющую C _с . Обратите внимание, однако, что емкость кабеля прицела (C _c ) суммируется с внутренней емкостью входа прицела. Это не только увеличивает емкостную нагрузку (C _s + C _c ) на измеряемую цепь, но также делает эту нагрузку зависимой от длины используемого кабеля, особенно если C _c > C _s . Осциллограф решает эту проблему, не устраняя эти емкости (что невозможно), а компенсируя их другой емкостью. Емкость зонда (C _p ), соединенных последовательно с осциллографом, можно отрегулировать так, чтобы измерение не зависело от частоты. Чтобы понять, как это работает, рассмотрим напряжение, наблюдаемое осциллографом (V _s ), если измеряемое напряжение равно V _o . Из формулы делителя напряжения:

, где Z ₁ — импеданс осциллографа (включая емкость кабеля). C _C ), так что Z ₁ = R _S ||C _S || С _C или

, где C = C _s + C _c .

Z ₂ полное сопротивление датчика, Z ₂ = R _p || C _p или

Если сделать действительное число, то соотношение не будет зависеть от частоты и не будет разности фаз между V _s и V _o . Используя выражения для Z ₁ и Z ₂ , приведенных выше, легко проверить, что это условие будет выполнено, когда R _p C _p = R _s C . Так как R _s и C определяются объемом и кабелем, при разработке зонда мы можем выбрать соответствующие R _p и C _p . Мы также хотим минимизировать емкостную нагрузку на схему, поэтому мы выбрали C _p < C .  Типичный датчик 10:1 имеет  C _p =  C/9  и, следовательно, R _p =  9 R _s . Это уменьшает в 10 раз емкостную нагрузку прибора на цепь за счет ослабления амплитуды во столько же раз; справедливая сделка для высокочастотных измерений. Существуют также датчики прицела 100:1.

Если импеданс пробника не соответствует внутреннему импедансу осциллографа, система действует как фильтр, а затухание зависит от частоты. К счастью, есть простой способ отрегулировать импеданс пробника, так как C _p — небольшой подстроечный конденсатор, а R _s остается постоянным. Фильтр искажает прямоугольную волну, поэтому подстроечный конденсатор можно отрегулировать, наблюдая за искажением прямоугольной волны на экране прицела. Осциллографы оснащены внутренним генератором прямоугольных импульсов для легкой настройки щупа. Клемма для проверки щупа расположена на передней панели осциллографа. Конденсатор пробника настраивают до тех пор, пока не будет искажения прямоугольной волны.

Зонд для эндоскопа – это очень удобное устройство, которым постоянно пользуются профессионалы. С этого момента вы должны использовать его тоже!

Измерение импеданса осциллографа

Измерение внутреннего сопротивления осциллографа (R _S ) очень просто; как сопротивление вольтметра, используя источник постоянного тока. Для измерений внутреннего объема Конечно, необходимо использовать емкостной источник переменного тока. Установлен внешний резистор R. последовательно с источником напряжения (вместо щупа на рис. 5).

 

From the voltage divider formula: where Z ₁ is the scope impedance (including the cable capacitance C _c ), so that Z ₁ = R _s | | С _с || C _c или где C = C _s + C _c .
Z ₂ просто внешнее сопротивление R,  Z ₂ = R

Measuring amplitudes V _o , V _s of V _o and V _s gives us:

 

 

where red letters denote комплексные переменные, в то время как a и b являются действительными и мнимые части отношения импедансов в последнем уравнении.

PRELAB

Если внутреннее сопротивление прицела R _S = 1 МОм, его емкость C _S = 25 пФ и кабель, соединяющий щуп с осциллографом, имеет емкость C _C = 150 пФ, найти значения требуемого сопротивления щупа R _P и емкости C _P для затухания 10:1. Убедитесь, что такое же затухание справедливо и для измерений постоянного тока.

Подсказка: Рассмотрим два делителя напряжения независимо друг от друга, один резистивный, другой емкостный. Обратите внимание, что они подключены параллельно и должны давать одинаковое затухание.

ЛАБОРАТОРИЯ

Необходимое оборудование со склада: осциллограф, коробка для замены сопротивлений, прото-плата, выводы.

1.      ИЗМЕРЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ИМПЕДАНС ОСЦИЛЛОСКОПА.

Входной импеданс осциллографа представляет собой комплексную величину, которая может быть представлена ​​сопротивлением параллельно с емкостью между входной клеммой осциллографа и землей. Таким образом, импеданс зависит от частоты.

a)  Сначала определите внутреннее сопротивление прицела с помощью сигнала постоянного тока. Примените тот же метод, что и для измерения внутреннего сопротивления вольтметра. Вы можете использовать коробку замены сопротивления для этого измерения. Выберите сопротивление, при котором напряжение падает примерно до 1/2 напряжения, измеренного непосредственно (без сопротивления).

b)  Повторите измерение, но вместо постоянного тока используйте синусоидальный сигнал с частотой, при которой импеданс эндоскопа значительно отличается от измерения а). Поскольку импеданс осциллографа по переменному току ниже импеданса по постоянному току (из-за параллельной емкости), используйте резистор меньшего номинала, чем в а). Более того, напряжение, измеряемое прицелом, теперь зависит еще и от частоты, так как отношение делителя напряжения, образованного внешним резистором, и импеданса прицела зависит от частоты. Резистор в несколько десятков кОм и частота в несколько десятков килогерц — хороший выбор. Не используйте в этом случае коробку замены сопротивления, так как ее емкость может повлиять на измерение.

c)  С помощью измерителя емкости, имеющегося в лаборатории, измерьте емкость коаксиального кабеля, подключенного к осциллографу, во время этих измерений. Емкость кабеля влияет на емкость прицела, видимую схемой. Определите также длину кабеля и рассчитайте его емкость на единицу длины.

2.      ЗОНД ОБОРУДОВАНИЯ.

2.1. Проверьте щуп вашего эндоскопа, подключив его к калибровочному разъему щупа на вашем эндоскопе (небольшой выступ, обычно с отверстием на передней панели). Правильно настроенный пробник должен давать одинаковое затухание на всех частотах, а это значит, что он пропускает прямоугольный сигнал без искажений. Если вы не видите идеальную прямоугольную волну, с помощью маленькой отвертки отрегулируйте подстроечный конденсатор пробника, который настраивает C 9.0012 стр .

2.2. Чтобы увидеть преимущества использования пробника, сделайте резистивный делитель напряжения 2:1, используя одинаковые резисторы от 50 кОм до 100 кОм. Конкретные значения сопротивления не являются критическими, если вы знаете их соотношение; проверьте его цифровым омметром. Измерьте затухание синусоидального сигнала на двух частотах в диапазоне 10 кГц и 100 кГц, используя (а) осциллограф без пробника (б) осциллограф с пробником.

3.      МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦЕПИ (в домашних условиях).

Смоделируйте схему, представляющую пробник осциллографа (рис. 5). Использовать значения R _S , C _S и C _C из ваших измерений и соответствующих значений R _P и C _p для затухания 1:10.

a)   Смоделируйте эффект настройки C _P (незначительно увеличивая и уменьшая его от «идеального» значения) по форме прямоугольной волны на входе зонда. Сравните также частотные характеристики настроенного и расстроенного зонда.

b)   Имитация измерений 2.2 с и без зонд.

ОТЧЕТ

1. Рассчитать R _S из постоянного измерения в 1. При известном значении из R _S и измерений переменного тока в 1 вычислить C _s (см. введение в эту лабораторию). Не забудьте вычесть кабель емкость. R _S и C _S определяют входное сопротивление масштаба.
2. Объясните результат измерений в 2.2.
3. Тот факт, что зонд осциллографа ослабляет сигнал, не кажется Преимущество. Почему же зонд так полезен при измерениях с помощью осциллографа?

Измерение

— Почему входное сопротивление осциллографа такое низкое?

Задавать вопрос

спросил 3 года, 10 месяцев назад

Изменено 1 год, 6 месяцев назад

Просмотрено 7к раз

\$\начало группы\$

У меня двоякий вопрос:

Откуда берется входное сопротивление?

Мне интересно откуда берется входное сопротивление вашего среднего мультиметра или осциллографа? Это просто входной импеданс входного каскада устройства (например, усилителя или входного каскада АЦП) или импеданс фактический резистор ? Если это импеданс реального резистора, то зачем вообще нужен резистор? Почему не только входная схема?

Я измерил входное сопротивление своего осциллографа с помощью цифрового мультиметра. Когда прицел был выключен, цифровой мультиметр измерил примерно \$1,2\mathrm{M\Omega}\$. Однако, когда осциллограф был включен, цифровой мультиметр измерил почти точно \$1\mathrm{M\Omega}\$ (я даже мог видеть тестовый вход 1 В, подаваемый цифровым мультиметром на экране осциллографа!). Это наводит меня на мысль, что во входном импедансе прицела задействована активная схема. Если это так, как можно так точно контролировать входное сопротивление? Насколько я понимаю, входное сопротивление активной схемы будет в некоторой степени зависеть от точных характеристик транзистора.

Почему входное сопротивление не может быть намного выше?

Почему входное сопротивление осциллографа соответствует стандарту \$1\mathrm{M\Omega}\$? Почему нельзя быть выше? Входные каскады FET могут достигать входных импедансов порядка тераом! Почему такое низкое входное сопротивление?

Я полагаю, что одним из преимуществ точного стандарта \$1\mathrm{M\Omega}\$ является то, что он позволяет использовать 10-кратные датчики и т. п., которые будут работать только в том случае, если осциллограф имеет точное входное сопротивление, которое не является необоснованно большим (например, входной каскад на полевых транзисторах). Однако, даже если у осциллографа действительно высокий входной импеданс (например, тераомы), мне кажется, что вы все еще можете иметь 10-кратные пробники, просто имея делитель напряжения 10: 1 внутри самого пробника, с измерением осциллографа через Резистор $1\mathrm{M\Omega}\$ внутри зонда. Если бы входной импеданс был порядка тераом, это казалось бы осуществимым.

Я неправильно понимаю входную схему прицела? Это сложнее, чем я представляю? Что вы думаете об этом?

Причина, по которой я подумал об этом, заключается в том, что недавно я пытался измерить синфазное входное сопротивление дифференциальной пары с эмиттерной связью, которое намного больше, чем входное сопротивление осциллографа, поэтому я задумался, почему входное сопротивление импеданс не может быть больше.

• осциллограф
• измерение
• пробник
• входное сопротивление

\$\конечная группа\$

21

\$\начало группы\$

Я бы сказал, сочетание нескольких факторов.

1. Входные каскады осциллографа — сложный компромисс. Они должны иметь широкий диапазон коэффициентов усиления/затухания, должны быть устойчивы к ошибкам пользователя и должны проходить через большие полосы пропускания. Добавление требования к очень высокому сопротивлению постоянному току еще больше усложнит ситуацию. В частности, аттенюаторы, необходимые для обработки верхнего предела диапазона входных уровней осциллографа, станут намного более сложными/чувствительными, если им потребуется очень высокое сопротивление постоянному току.
2. Это стандарт де-факто, изменение на что-то другое может привести к несовместимости с существующими датчиками и т. д.
3. Все равно особой пользы не будет.

Чтобы дополнительно пояснить пункт 3, на умеренных частотах (от нескольких килогерц и выше) сопротивление входа прицела по постоянному току 1 МОм не является доминирующим фактором в общем входном импедансе. Доминирующим фактором является емкость, причем, вероятно, наибольший вклад вносит кабель.

(фактически на частотах УВЧ/СВЧ принято уменьшать входное сопротивление осциллографа до 50 Ом, поэтому индуктивность в кабеле уравновешивает емкость, и кабель становится должным образом согласованной линией передачи)

Это означает, что если желательны высокие входные импедансы, то гораздо лучше иметь дело с ними в точке измерения, чем в осциллографе. Типичным компромиссом между стоимостью/гибкостью/входным сопротивлением для общего применения является пассивный пробник x10.

Если вам нужно действительно высокое сопротивление постоянному току, решение состоит в том, чтобы добавить усилитель на полевых транзисторах перед осциллографом, желательно как можно ближе к точке измерения.

\$\конечная группа\$

5

\$\начало группы\$

Многие вещи таковы благодаря истории и де-факто стандартизации.

Вход осциллографа общего назначения представляет собой трудный компромисс между отсутствием нагрузки на схему, отсутствием повреждений от высокого напряжения, достаточно низким уровнем шума и способностью поддерживать приличную полосу пропускания.

1 МОм параллельно с 15 пФ до 30 пФ подходит многим людям для многих приложений. У производителей мало стимулов для создания осциллографов общего назначения с другим входом для удовлетворения крошечных сегментов рынка.

Если вам нужен лучший шум, или дифференциальный вход, или более высокое входное сопротивление, тогда вы используете специальный предусилитель. Когда вам нужна более широкая полоса пропускания, вы переключаетесь на входное сопротивление 50 Ом.

Существуют осциллографы специального назначения по высокой цене, предназначенные для узкоспециализированных приложений.

\$\конечная группа\$

12

\$\начало группы\$

На самом деле, это смехотворно много для широкополосного входа.

Не существует практичного разъема или кабеля, который на самом деле имел бы импеданс (с точки зрения линии передачи. Сопротивление, но для коаксиальных кабелей, позолоченных и волноводных сантехников. РЧ-чуваки.) 1 мегаом, оставляя вход совершенно несоответствующим — даже что еще хуже, конденсатор емкостью 15–45 пФ на входе в 1 мегаом (сопротивление линии передачи) приведет к несоответствию этого значения.

Причина, по которой сопротивление составляет 1 мегаом, заключается в поддержке стандартных пробников 10:1, которые действительно необходимы для того, чтобы не перегружать цепь, передающую сигналы звуковой частоты с высоким импедансом и с высоким смещением постоянного тока (вспомните схемы аудиовакуумных ламп, конструкции пробников). как раз из той эпохи).

Однако, как только вы имеете дело с ВЧ или быстрой цифровой схемой, параллельная емкость входа осциллографа (которую вы не можете сделать слишком маленькой, опять же из-за щупов, кабелей, разъемов) будет доминировать . .. и принесет фактические входное сопротивление этого входа снижается до 5–10 кОм при достижении частоты в один мегагерц и до 500–1000 Ом при достижении частоты в 10 мегагерц. Достигните VHF (подсказка: схема ACMOS или F-TTL — это материал VHF, даже если вы не синхронизируете его на VHF), и вам будет лучше с согласованным входом 50 Ом, поскольку вы можете подключить (в разумных пределах) длинный 50 Ом кабель и по-прежнему иметь вход 50 Ом на конце цепи вместо еще большей емкостной нагрузки.

С обычным типом пробника и входа вы легко перегрузите радиочастотную схему. ВЧ-оптимизированные осциллографы, как правило, имеют входы, которые можно переключать на входной импеданс 50 Ом (можно использовать любой вход осциллографа с параллельным/сквозным терминатором), что, что интересно, ЛУЧШЕ подходит, поскольку теперь вы можете использовать пробники (например, пробники Z0 или активные пробники на полевых транзисторах), что , а на самом деле , можно сделать так, чтобы они представляли гораздо более высокие эффективные входные импедансы в точке пробника. Или просто обеспечьте надежное подключение 50 Ом к вашей схеме любым старым кабелем RG58.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Большинство осциллографов имеют входной аттенюатор с компенсацией для установки входного сигнала на напряжение в диапазоне входного каскада, который обычно имеет самую высокую чувствительность осциллографа.

Этот аттенюатор обычно рассчитан на входное сопротивление 1 МОм, поэтому входное сопротивление на входном разъеме обычно является результатом физического сопротивления.

Если измеренный импеданс изменяется при включении осциллографа, это, вероятно, означает наличие реле, управляющих входным аттенюатором, которые не активируются в обесточенном состоянии.

Может быть выбрана более высокая чувствительность с уменьшенной полосой пропускания, что регулируется увеличением коэффициента усиления усилителя. Выбор усиления также может управляться комбинацией изменения усиления усилителя и входного аттенюатора.

В прилагаемом разделе схемы резистор R108 обеспечивает входное сопротивление 1 МОм при выборе максимальной чувствительности. Входной JFET Q101 имеет практически бесконечное входное сопротивление. паразитные емкости образуют емкость, видимую на входе в положении с самым высоким коэффициентом усиления.

При меньшем усилении резисторы R102, R103 и R104 (вместе с R105, R106 и R107), составляющие входной аттенюатор, определяют входное сопротивление.

Подстроечные резисторы C107, C108 и C109 используются для регулировки входной емкости при выборе более низкой чувствительности, чтобы она была такой же, как при настройке высокой чувствительности.

\$\конечная группа\$

0

\$\начало группы\$

Приложение, с точки зрения постоянного тока, а также о мультиметрах:

Существуют настольные мультиметры/вольтметры, которые имеют намного, намного более высокое входное сопротивление постоянному току (тем не менее, входное сопротивление на ВЧ ненамного выше). Использование такого устройства на самом деле окажется чрезвычайно запутанным для «среднего» пользователя (это, безусловно, будет для тех, кто работает с домашней электропроводкой, транспортными средствами, машинами, а не с проектами электроники на уровне компонентов): когда измерительные провода подключены ни к чему или к разомкнутая цепь, любая емкость в измерительных проводах, входных цепях и т. д. будет заряжена любым электрическим полем поблизости, что приведет к отображению совершенно случайных значений, а не нуля вольт (попробуйте поработать со стендовым мультиметром входного сопротивления 100 ГОм, вы увидите именно эти эффекты на практике…).

Кроме того, устройство с входным сопротивлением в тераомах должно быть чрезвычайно устойчивым к статическому электричеству, поскольку оно НЕ может просто по своей природе рассеивать заряды потенциально в тысячи вольт, которые легко найти в окружающей среде, и схема защиты от электростатического разряда, которая надежно делает это.

Между прочим, в большинстве ручных мультиметров (не во всех настольных) используются довольно сложные приемы (например, использование часы АЦП, которые связаны с частотой сети региона, в котором они продаются), чтобы отфильтровать фон сети из результатов, что в противном случае снова привело бы к нестабильным и случайным результатам даже при «низком» 1 МОм или 10 МОм (сравните открытый щуп осциллографа… однако на цифровом мультиметре гораздо больше возможностей для неправильной интерпретации).

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Почему входное сопротивление осциллографа стандартно равно 1 МОм? Почему нельзя ли выше этого? Входные каскады FET могут достигать входных сопротивление порядка тераом! Почему такой низкий вход импеданс?

Причина того, что это 1 МОм, а не гораздо более высокое значение, которое может достигать полевой транзистор, заключается в том, что в осциллографах изначально использовались электронные лампы.