O que o resistor e o capacitor de entrada de um osciloscópio fazem?

Eu assisti a um vídeo do YouTube sobre como usar um osciloscópio, Como usar um osciloscópio .

Ele diz que existem 16 pF de capacitância e um resistor de 1 Mohm conectado em paralelo em cada porta de entrada do osciloscópio. No entanto, ainda não entendo por que há um capacitor e um resistor dentro e qual é o objetivo dessas coisas.

Por que essas coisas estão lá na porta de entrada? O que eles fazem?

Seria muito bom se uma entrada de escopo tivesse resistência infinita e capacitância zero, mas isso, infelizmente, é impossível. Os amplificadores de entrada sensíveis sempre terão uma pequena quantidade de capacitância de entrada e sempre haverá um pouco de corrente de fuga da entrada de um amplificador. Não esqueça também o cabo do osciloscópio - ele pode ter um metro de comprimento e introduzir facilmente 10 pF.

Um resistor de 1 Mohm pode ser suficiente para converter a corrente de fuga em um desvio de alguns milivolts, ou seja, suficientemente pequeno para não fornecer uma medida falsa de qualquer significado. Portanto, com vazamentos de 1 Mohm e 1 nA, você obtém uma alteração de deslocamento de milivolt no escopo ao conectar a ponta da sonda e o terra. Há também a questão do ruído - é improvável que você fique impressionado se a sonda estiver desconectada e você ver 100 mVp-p de ondulação no monitor.

O resistor de 1 Mohm e o capacitor de 15 pF (digamos) formam um circuito de baixa passagem quando a sonda está desconectada e, posteriormente, possuem uma largura de banda de ruído de cerca de 15 kHz. Dado que o canal analógico do osciloscópio pode ter um ruído de (digamos) 10 uV / , a ondulação será de cerca de 1 mV RMS ou cerca de 6 mVp-p (cálculo seis sigma). É muito mais complexo do que isso analisar, mas, esperançosamente, meu cálculo simples sugere que há outras coisas a considerar que podem dar a impressão de que o desempenho do osciloscópio não é tão bom quando a sonda está desconectada de um circuito.$\sqrt{Hz}$

Além disso, é necessário que todos os escopos padronizem entre fabricantes, o que significa que 1 Mohm é comumente aceito.

A impedância de entrada dos osciloscópios é limitada por um motivo especial, para acomodar uma ampla gama de sinais de entrada. Em geral, a sensibilidade de entrada (faixa de tensão) é limitada a 5-10 V. Nos eletrônicos atuais, é suficiente, mas no passado as pessoas trabalhavam em amplificadores de tubo de vácuo com sinais de 100 - 200 - 600 V. Portanto, deve haver sondas atenuando o sinal em 10X - 100X. Isso foi feito nas chamadas "sondas passivas", que são divisores de tensão.

Portanto, para obter um divisor, é necessário ter uma impedância de entrada limitada; portanto, 1 Mohm era um valor razoável e, para uma atenuação de 10X, o resistor da sonda deve ser grande 9 Mohms. Para conveniência do usuário, também existe um cabo de 1 metro de comprimento. Todos esses componentes necessários têm capacitâncias parasitas, conforme descrito neste belo artigo , e a figura a seguir:

Portanto, 9 resistores Mohm: 1 Mohm fornecem um divisor de tensão 10: 1, para sinais CC. No entanto, para sinais CA, a capacitância parasita da cabeça da sonda leva a uma impedância efetivamente menor que 9 Mohm, que deve ser compensada para manter a mesma atenuação para sinais de alta frequência e manter a forma real dos sinais CA. E isso deve ser feito para uma ampla gama de frequências. Isso é feito ADICIONANDO alguma capacitância de entrada, para que o divisor seja "independente de frequência".

De fato, essa capacitância não é universal e é individual para cada fabricante e até modelo de escopo. Como resultado, as sondas 10X passivas não são completamente intercambiáveis ​​e sua compensação CA pode falhar. Eu já vi 8 pF, 10 pF e 13 pF em vários escopos.

Em resumo, os valores de impedância de entrada dos osciloscópios são projetados para acomodar sondas 1: 10/1: 100 com compensação de frequência.

Para ter um divisor simples 10: 1 balanceado, a capacitância do cabo é ajustada na sonda para coincidir com a capacitância do cabo que é menor que o coaxial padrão de 75 Ω e provavelmente usa o coaxial de 100 Ω (personalizado), talvez 10 pF / ft ( 33 pF / ft).

Cada projeto do pré-amplificador de escopo e da alimentação coaxial tem uma classificação diferente para capacitância, mas uma resistência de 1 MΩ é padrão. Assim, as sondas e osciloscópios do osciloscópio devem ser calibrados com uma porta de teste de onda quadrada no painel frontal para fornecer uma resposta quadrada. Em sondas melhores, há também um equilíbrio RC indutivo e em dois estágios.

No entanto, a indutância do condutor de aterramento não é compensada; portanto, para medições com f> 10 MHz ou tempos de subida <30 ns, o comprimento da cinta de aterramento deve ser reduzido significativamente ou eliminado usando a ponta e o cano entre os dois pinos.

Um de nossos designers da ADC fez uma palestra completa sobre o design do front end do osciloscópio; você deve conferir aqui:

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

Ele entrou em muitos detalhes sobre como o front end do osciloscópio e o ADC trabalham juntos.

A resistência e a capacitância na sonda formam uma seção de um divisor de tensão, a resistência no escopo e as capacitâncias combinadas no cabo e no escopo formam a outra seção. Com uma fonte de onda quadrada, o capacitor variável é ajustado para mostrar uma onda quadrada no osciloscópio. Com muita capacitância na sonda, você verá superação (cantos pontiagudos) na exibição de onda quadrada; com muito pouca capacitância, você verá uma redução (cantos arredondados). O objetivo do sistema é fazer com que o sinal no escopo seja representativo do sinal que você está investigando. Isso acontece quando a constante de tempo RC da sonda é igual à constante de tempo RC do cabo + osciloscópio.

Obviamente, se você estiver procurando uma fonte de impedância muito alta em altas frequências, poderá esperar problemas. Nesse caso, seria necessário algum tipo de amplificador de isolamento para que você visse uma representação verdadeira da sua forma de onda.