Почему входное сопротивление осциллографа такое низкое?

Мой вопрос двоякий:

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 реального резистора ? 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 около 1,2 М Ом . Однако, когда прицел был включен, цифровой мультиметр измерил почти точно 1 М Ом (Я даже мог видеть на экране осциллографа тестовый вход 1 В, подаваемый цифровым мультиметром!). 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 является эталоном? 1 М Ом ? Почему нельзя быть выше? Входные каскады FET могут достигать входных импедансов порядка тераом! Почему такое низкое входное сопротивление?

Я полагаю, одно преимущество точного стандарта 1 М Ом это позволяет 10-кратные пробники и тому подобное, которые будут работать только в том случае, если у осциллографа будет точное входное сопротивление, которое не будет чрезмерно большим (например, у входного каскада FET). 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 осциллографом через 1 М Ом резистор 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 я недавно пытался измерить синфазное входное сопротивление дифференциальной пары с эмиттерной связью, которое намного больше, чем входное сопротивление осциллографа, поэтому я задумался, почему входное сопротивление может не быть больше.

Тема намного сложнее, чем вы думаете. Кажется, вы рассматриваете только отклик постоянного тока, но на самом деле осциллограф должен иметь ровный отклик вплоть до указанной полосы пропускания. Это огромная проблема, и стандартизация на 1 МОм/50 Ом делает проблему, по крайней мере, несколько разрешимой для производителей пробников.
Хочешь использовать мой старый прицел? Его можно настроить на входное сопротивление 100 Ом. С другой стороны, он был построен в 1965 году, и стандартная настройка для него — входное сопротивление 1 МОм. 1M, похоже, уже давно является стандартом.
Не забывайте, что × 10 пробник имеет входное сопротивление 10 МОм Ом
@DaveTweed Значит, невозможно иметь входной каскад на полевых транзисторах с достаточно высокой пропускной способностью? На что на самом деле похожи входные каскады областей видимости?
@DDuck Да, я знаю, но даже этого недостаточно для некоторых приложений, таких как пример, который я упомянул в конце. Мне просто интересно, почему бы не использовать полевые транзисторы :-). Неужели так сложно сделать достаточно широкополосный входной каскад на полевых транзисторах?
Очевидно, я мало что знаю о интерфейсах осциллографов, но если вы, ребята, знаете какие-либо надежные ресурсы или схемы в этой области, мне было бы интересно узнать о них.
@JRE Вы имели в виду 100 Ом или 100 мегаом?
Серьезно: 100 Ом. Не 100 МОм. Он также имеет разъемы PL, а не более типичные разъемы BNC, которые вы видите сегодня. Однако адаптеры PL-BNC не отключались последние 25 лет.
@JRE Вау! Я полагаю, молодые студенты EE, такие как я, избалованы современным тестовым оборудованием. Я все еще могу мечтать :-(
@hddh Полоса пропускания высокоимпедансного пробника (где в усилителе прицела 100 М Ом ) будет убит неизвестной емкостью кабеля. Как бы вы это компенсировали? Вам понадобится усилитель FET на наконечнике и какой-то способ его питания. Такой есть, но он недешевый и пассивный × 10 зонд с 1 м Ом Импеданс на входе прицела 20 пФ вполне подходит для большинства приложений. Взгляните на Analog Circuit Design, D Feucht. Вам нужно будет использовать библиотеку, так как эта книга (и ее переиздание в мягкой обложке) тупо дорогая.
У меня уже есть этот учебник в библиотеке моего университета! Хорошо, это имеет смысл. Последний вопрос на всякий случай, если вы знаете ответ: что находится на входном каскаде осциллографа? Это прямо в АЦП? Есть какой-нибудь усилитель на основе BJT или что-то в этом роде. С входным сопротивлением 1 мегаом, это, конечно, не полевой транзистор, верно?
Я вижу, что у вас есть много вопросов о входных сигналах прицела и зондах, вы можете найти много ответов, посмотрев видеоролики, которые делает Дэйв из EEVBlog. В некоторых видеороликах он обсуждает этапы ввода прицела, а в этом — почему масштаб 1:1 имеет ограниченную полосу пропускания: youtube.com/watch?v=OiAmER1OJh4&t=
Это прямо в АЦП? Нет, как осциллограф сможет измерять 1 мВ и 100 В? Обычная конфигурация: BNC — входная защита + переключаемое ослабление — входной каскад (часто на полевых транзисторах) — АЦП. Так что да, многие из них основаны на FET. У вас не будет активного устройства, определяющего входное сопротивление. Для правильной настройки есть резистор 1 МОм. Я настоятельно рекомендую вам изучить , как делаются вещи, и спросить себя, ПОЧЕМУ , прежде чем предполагать: это должно быть... этого не может быть... Потому что вы запутаетесь .
Хм, я уже видел это видео, но я не уверен, что помню, в нем конкретно обсуждалось, что входной каскад прицела на самом деле . Не волнуйтесь, кажется, мне придется исследовать это самому. Хотя я люблю видео Дэйва!
О, ладно, значит, на входном каскаде есть резистор? Вау, интересно. Кроме того, вы правы - я должен изучить это больше. Причина, по которой я спрашиваю об обмене стеками, заключается в том, что я надеюсь получить краткое объяснение, пока не узнаю об этом больше. К сожалению, часто все оказывается намного сложнее, чем я мог изначально предположить :-(
hddh, вы пытались провести какое-либо исследование, прежде чем публиковать это? Google? Может стоит начать с "Азбуки зондов", /web.mit.edu/6.101/www/reference/ABCprobes_s.pdf
Я провел некоторое исследование, как вы должны сделать, прежде чем спрашивать на форуме. Но я не искал правильные запросы. Спасибо за ссылку.
Эта ссылка не очень помогает. Мой вопрос был не о пробниках, а о внутренностях входного каскада осциллографа. Я уже знал, что пробник 10X имеет физический резистор для установки импеданса, хотя я спрашивал о прицелах. Тем не менее, он кажется полезным.
В ссылке очень кратко упоминается входное сопротивление осциллографа, но конкретно не говорится, что это физический резистор, и не говорится, зачем он нужен.
Вы не можете использовать осциллограф без какой-либо связи с тестируемым тестируемым устройством. Даже простые провода имеют индуктивность и емкость относительно земли. Осциллографы — это устройства для наблюдения за динамикой сигналов, поэтому «полоса пропускания» является критическим параметром. Подумайте о емкости 10 пФ с сопротивлением 10 МОм, оно будет ниже 1 кГц. И, пожалуйста, используйте ссылку "@name" при ответе.
1М не мало. 50 Ом — это низко, требуется для радиочастот и доступно во многих осциллографах и плагинах.

Ответы (6)

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 зондами и т. д.
  3. Все равно особой пользы не будет.

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

(на самом деле, на частотах УВЧ/СВЧ принято уменьшать входное сопротивление прицела до 50 Ом, поэтому индуктивность в кабеле может уравновесить емкость, и кабель становится должным образом согласованной линией передачи)

Это означает, что если желательны высокие входные импедансы, то гораздо лучше иметь дело с этим 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.

Входная емкость также специально спроектирована, как входное сопротивление 1 МОм, или это просто измеряемый паразитный элемент? (Неточная входная емкость не будет проблемой, поскольку аттенюирующие пробники имеют переменные конденсаторы.) Буду ли я прав, если скажу, что: если схема аттенюатора не нужна и мы не беспокоимся о согласовании импеданса на более высоких частотах (в в этом случае у вас может быть переключаемый вход на 50 Ом), тогда было бы хорошо иметь вход непосредственно в каскад FET с высоким импедансом? Просто пытаюсь уложить в голове разные причины этого.
Я предполагаю, что даже в этом случае вам все равно придется беспокоиться о емкости пробника/кабеля, но в этом случае добавление 1 мегабайта к нему приведет к еще большему снижению импеданса. И датчики 10X могут просто иметь собственный резистор 1 мОм параллельно выходу датчика. Таким образом, в основном: игнорируя аттенюирующие пробники, согласование импеданса и схему ослабления, я не вижу никаких других причин для входного сопротивления столь же низкого, как 1 мОм, поскольку это просто сделало бы входной импеданс из-за емкости еще ниже (и согласование импеданса корабль в любом случае уже плыл бы при входном сопротивлении 1 мегом).
Итак, мое понимание до сих пор: входное сопротивление 1 мОм предпочтительнее из-за: (а) требуемой схемы ослабления, (б) входное сопротивление в любом случае определяется емкостью, (в) это упрощает конструкцию пробника с ослаблением. Соответствие импеданса не кажется причиной, так как в таких случаях вы все равно опустились бы до 50 Ом. Заставляет меня задуматься о входном сопротивлении мультиметра (обычно 10 мэГ), где, кажется, применяется только (а).
Еще одна проблема с входами с высоким импедансом — это «фантомные» напряжения, когда они ни к чему не подключены. Даже на 10 мегах это иногда бывает заметно. Некоторые мультиметры высокого класса действительно имеют возможность отключить резистор 10 МОм, у меня есть доступ к такому измерителю, но я не думаю, что когда-либо чувствовал необходимость использовать эту функцию.
@PeterGreen посмотрите, можете ли вы также отключить подавление 50/60 Гц, и у вас есть генератор случайных чисел вместо вольтметра, пока он ни к чему не подключен.

Многие вещи таковы, как они есть, из-за истории и стандартизации де-факто .

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 удовлетворяет многих людей 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.

Справедливо. Таким образом, входное сопротивление (для осциллографа или измерителя) исходит не от фактического резистора, а от активной схемы? (Я схожу с ума от того, что не уверен в этом?) Заставляет меня задуматься, как они могут точно это контролировать. Интересно, есть ли какие-нибудь схемы входных каскадов/интерфейсов прицела в Интернете, на которые я мог бы взглянуть.
Я все еще нахожу удивительным, что входной каскад на полевых транзисторах с достаточной пропускной способностью не может быть спроектирован. Ну что ж.
@hddh Меня до сих пор удивляет, что нельзя спроектировать входной каскад на полевых транзисторах с достаточной пропускной способностью. Кто сказал? Существуют пробники FET с полосой пропускания более 1 ГГц, например: keysight.com/main/… Возможно, вы имеете в виду, что вы хотите, чтобы они были внутри осциллографа. Это можно было бы сделать, но это было бы непригодно для использования таким образом! Вам нужен кабель для подключения тестпойнта к осциллографу. Этот кабель имеет емкость . Весь смысл зонда FET в том, что он имеет низкую емкость .
Так что же тогда находится на входе прицела? Какова первая точка контакта? Это явно не может быть полевой транзистор с входным сопротивлением 1 МОм (верно?).
Я задал нечто подобное в вопросе: что является основным фактором входного сопротивления?
Мне явно нужно больше узнать о схеме, необходимой для входного каскада осциллографа. Но если у вас есть краткий ответ или указатели, я был бы признателен. Спасибо!
Указатели: EEVBlog ! Также есть множество схем, которые можно найти в руководствах по обслуживанию, например, старых осциллографов Tektronix. Это явно не может быть полевой транзистор с входным сопротивлением 1 МОм (верно?). Нет ничего плохого , входное сопротивление устанавливается резистором, тогда (часто) усилитель на полевых транзисторах используется для усиления напряжения на этом резисторе. 1 м необходим, чтобы иметь правильно определенный импеданс. Вот Дэйв, занимающийся обратным проектированием популярного прицела Rigol DS1054Z: youtube.com/watch?v=lJVrTV_BeGg&t=989s Его конструкция типична для многих современных прицелов.
Хм, мне кажется, что основная причина, по которой входной каскад на основе FET напрямую невозможен, заключается в том, что перед ним требуется затухание для достижения желаемого динамического диапазона? В противном случае вы могли бы просто подключить его непосредственно к АЦП с огромным входным импедансом, чтобы он не был точным (хотя пробники 10X должны были бы быть спроектированы по-другому). Я полагаю, это отвечает на мой вопрос. Согласны ли вы с такой оценкой?
Спасибо и за ссылку. Обязательно поищу такие схемы в инете.
А вот сервис-мануал аналогового прицела Tektronix 2215, в нем есть блок-схема и все схемы. Да, это старый дизайн, но входной каскад будет очень похож на многие современные осциллографы: tek.com/manual/2215 для учебных целей, это очень полезно.
.. Входной каскад АЦП с полевым транзистором невозможен из-за затухания, необходимого перед ним для достижения желаемого динамического диапазона? Да, динамический диапазон действительно является ответом. Регулируемый аттенюатор помогает привести сигнал в диапазон, подходящий как для входного усилителя, так и для АЦП.
Хорошо. Я думаю, что на этот вопрос я уже достаточно ответил. Большое спасибо за ресурсы! Чтение руководств по обслуживанию старого оборудования кажется отличным способом узнать о таких специфических вещах.

На самом деле, это смехотворно много для широкополосного входа.

Не существует практичного разъема или кабеля, который на самом деле имеет импеданс (с точки зрения линии передачи. Сопротивление, но для коаксиальных кабелей, золотых пластин и сантехников с волноводами. ВЧ-чуваки.) 1 мегаом, оставляя вход совершенно несогласованным - еще хуже, конденсатор 15-45 пф на входе 1 мегаом (сопротивление линии передачи) не соответствовал бы ему до забвения.

Причина, по которой он составляет 1 мегаом, заключается в поддержке стандартных пробников 10:1, которые вам действительно нужны, чтобы не перегружать цепь, передающую сигналы звуковой частоты с высоким импедансом и с высоким смещением постоянного тока (подумайте о схемах аудиовакуумных ламп, конструкции пробников от как раз 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 пробников, кабелей, разъемов) будет доминировать ... и приведет к фактическому входному сопротивлению. этого входного сигнала уменьшите до 5-10 кОм, когда вы достигнете одного мегагерца, от 500 до 1000 Ом, когда вы достигнете 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 пробником и входом вы легко перегрузите ВЧ-схему. ВЧ-оптимизированные осциллографы, как правило, имеют входы, которые можно переключать на входной импеданс 50 Ом (может быть 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), которые на самом деле можно сделать так, чтобы обеспечить гораздо более высокие эффективные входные импедансы в точке пробника. Или просто обеспечьте надежное подключение 50 Ом к вашей схеме любым старым кабелем RG58.

Если я правильно понимаю: Итак, вы говорите, что 1 мегаом не помогает с согласованием импеданса, и в этих случаях вам было бы лучше с входами 50 Ом. Итак, если корабль с согласованием импеданса плыл с 1 мегаом, то зачем нужен низкий входной импеданс в 1 мегаом? Причина, по которой я понял это из других ответов, заключается в том, что необходимая схема ослабления входного сигнала делает это невозможным. Есть ли другие причины? (Кроме того, входная емкость прицела преднамеренна, как 1 мегабайт, или она паразитная? - т.е. ее можно легко уменьшить?)
@hddh когда-то он был паразитным, а затем, вероятно, стал преднамеренным :)

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

Этот аттенюатор обычно проектируется с учетом входного импеданса 1 МОм, поэтому входной импеданс на входном разъеме обычно является результатом физического резистора.

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 достигается за счет увеличения 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 меньших коэффициентах усиления входное сопротивление определяют резисторы R102, R103 и R104 (вместе с R105, R106 и R107), составляющие входной аттенюатор.

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

введите описание изображения здесь

Приложение, с точки зрения DC, также о мультиметрах:

Существуют настольные мультиметры/вольтметры, которые имеют гораздо 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 проводкой, 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 не вводит сопротивления утечки или, что еще хуже, стоки тока утечки, которые могли бы поставить под угрозу высокое входное сопротивление, кажется, трудно сделать...

Кстати, кроме того, в большинстве ручных мультиметров (не во всех настольных) используются довольно сложные приемы (например, использование тактового генератора АЦП, связанного с частотой сети региона, в котором они продаются), чтобы отфильтровать гудение сети из результатов. что в противном случае снова привело бы к нестабильным и случайным результатам даже при «низком» 1 МОм или 10 МОм (сравните пробник осциллографа с разомкнутой цепью ... однако на цифровом мультиметре существует гораздо больше возможностей для неправильной интерпретации).

Спасибо за ответ. Это было информативно. Как вы можете отфильтровать гул сети с выбором частоты дискретизации? Если частота дискретизации достаточно высока, вы все равно захватите частоту сети. Если он слишком низкий, то вы можете наложить 50 Гц на более низкую частоту (например, 0 Гц или около того) — мне это кажется хуже, так как теперь у вас есть наложенный сигнал постоянного тока или очень низкочастотный сигнал, который вы можете t цифровая фильтрация так же легко (или вообще).
В основном, убедившись, что интерференция влияет на два последовательных образца зеркально отраженным образом...
Это работает для всех гармоник нечетного порядка (включая основную) - поскольку вы можете использовать простой фильтр скользящего среднего с двумя касаниями, чтобы полностью их подавить. Однако гармоники четного порядка будут совмещены с постоянным током, что добавит ошибки в показания. Я предполагаю, что гул мощности на практике будет в основном нечетного порядка...
Откуда вы узнали об этой технике?
Я думаю, что в старом добром даташите на микросхему мультиметра ICL7106 есть некоторые намеки на это...
Ах да, кажется, он использует интегрирующий АЦП с очень большим временем интегрирования — и в этом случае он пытается отклонить шум мощности в процессе самой выборки, а не в цифровом виде. Я предполагаю, что также будет некоторая аналоговая фильтрация. Это круто. Я полагаю, что интеграция АЦП имеет большой смысл для мультиметров. Обычно я работаю с АЦП/ЦАП для звуковой частоты.

Почему входное сопротивление осциллографа стандартное 1 МОм? Почему нельзя быть выше? Входные каскады FET могут достигать входных импедансов порядка тераом! Почему такое низкое входное сопротивление?

Причина того, что это значение составляет 1 МОм, а не гораздо более высокое значение, которое может достигать полевой транзистор, заключается в том, что в осциллографах изначально использовались вакуумные лампы . Максимальное сопротивление смещения ламповой сетки обычно устанавливали на уровне ~1 МОм, чтобы свести к минимуму влияние тока утечки на сетку, которое обычно находится в районе 0,1 мкА. К тому времени, когда полевые транзисторы стали доступны, стандарт 1 МОм уже был хорошо известен.

Поскольку обычно используется 10-кратный пробник (скорее для уменьшения емкости пробника, чем для увеличения сопротивления), это «низкое» входное сопротивление обычно не является проблемой. Если требуется более высокое входное сопротивление без затухания, можно использовать «активный» пробник.

Почему входное сопротивление осциллографа такое низкое?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v