Pourquoi les impédances d'entrée de l'oscilloscope sont-elles si faibles?

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Ma question est double:

D'où vient l'impédance d'entrée?

Je me demande d'où vient l'impédance d'entrée de votre multimètre ou oscilloscope moyen? S'agit-il uniquement de l'impédance d'entrée de l'étage d'entrée de l'appareil (comme un amplificateur ou un étage d'entrée ADC), ou s'agit-il de l'impédance d'une résistance réelle ? Si c'est l'impédance d'une résistance réelle, alors pourquoi y a-t-il une résistance? Pourquoi pas seulement les circuits d'entrée?

J'ai mesuré l'impédance d'entrée de mon oscilloscope avec un multimètre numérique. Lorsque l'étendue a été désactivée, le multimètre numérique mesurait environ . Cependant, lorsque l' oscilloscope était allumé, le DMM mesurait à peu près exactement (je pouvais même voir l'entrée de test 1V appliquée par le DMM sur l'écran de l'oscilloscope!). Cela me suggère qu'il existe des circuits actifs impliqués dans l'impédance d'entrée de l'oscilloscope. Si cela est vrai, comment l'impédance d'entrée peut-elle être contrôlée avec autant de précision? D'après ma compréhension, l'impédance d'entrée des circuits actifs dépendra quelque peu des caractéristiques exactes du transistor.1.2MΩ1MΩ

Pourquoi l'impédance d'entrée ne peut-elle pas être beaucoup plus élevée?

Pourquoi l'impédance d'entrée d'un oscilloscope est-elle un standard ? Pourquoi ne peut-il pas être plus élevé que cela? Les étages d'entrée FET peuvent atteindre des impédances d'entrée de l'ordre des téraohms! Pourquoi une impédance d'entrée aussi faible?1MΩ

Je suppose qu'un avantage d'un standard est qu'il permet des sondes 10X et similaires, ce qui ne fonctionnerait que si la portée avait une impédance d'entrée précise qui n'était pas déraisonnablement grande (comme celle d'une entrée FET étape). Cependant, même si l'oscilloscope avait une impédance d'entrée vraiment élevée (par exemple, téraohms), il me semble que vous pourriez toujours avoir des sondes 10X simplement en ayant un diviseur de tension 10: 1 à l'intérieur de la sonde elle-même, l'oscilloscope mesurant sur un Résistance à l'intérieur de la sonde. S'il avait une impédance d'entrée de l'ordre des téraohms, cela semblerait faisable.1MΩ1MΩ

Suis-je en train de mal comprendre le circuit d'entrée d'un oscilloscope? Est-ce plus compliqué que je ne le prétends? Que pensez-vous de ceci?

La raison pour laquelle j'ai pensé à cela est que j'ai récemment essayé de mesurer l'impédance d'entrée en mode commun d'une paire différentielle couplée à un émetteur, qui est beaucoup plus grande que l'impédance d'entrée de l'oscilloscope, donc je me suis demandé pourquoi l'impédance d'entrée peut pas plus gros.

hddh
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Le sujet est beaucoup plus complexe que vous ne le pensez. Vous semblez considérer uniquement la réponse DC, mais en fait, un oscilloscope doit avoir une réponse plate jusqu'à sa bande passante spécifiée. C'est un énorme défi, et la standardisation sur 1MΩ / 50Ω rend le problème au moins quelque peu traitable pour les fabricants de sondes.
Dave Tweed
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Souhaitez-vous utiliser mon ancienne lunette? Il peut être configuré pour une impédance d'entrée de 100 ohms. D'autre part, il a été construit en 1965, et la configuration standard est une impédance d'entrée de 1 MOhm. 1M semble avoir été standard pendant un bon moment.
JRE
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N'oubliez pas qu'une sonde 10 a une impédance d'entrée de 10 M Ω×Ω
D Duck
@DaveTweed Il n'est donc pas possible d'avoir un étage d'entrée FET avec une bande passante suffisamment élevée? À quoi ressemblent réellement les étapes de saisie des étendues?
hddh
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Est-ce directement dans l'ADC? Non, comment un oscilloscope pourrait-il mesurer 1 mV et 100 V? Configuration habituelle: BNC - protection d'entrée + atténuation commutable - étage d'entrée (souvent basé sur FET) - ADC. Alors oui, beaucoup sont basés sur le FET. Aucun appareil actif ne définirait l'impédance d'entrée. Il y a une résistance de 1 M pour le régler correctement. Je recommande fortement que vous étudiez comment les choses sont faites et vous vous demandez POURQUOI avant d' assumer: il doit être ... il ne peut pas être ... Parce que vous allez vous confondre.
Bimpelrekkie

Réponses:

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Je dirais une combinaison de quelques facteurs.

  1. Les étapes d'entrée d'un osciloscope sont un compromis difficile. Ils doivent avoir un large éventail de gains / d'atténuations, ils doivent être tolérants aux erreurs des utilisateurs et ils doivent passer des bandes passantes élevées. L'ajout d'une exigence pour une résistance CC très élevée ne ferait que compliquer encore les choses. En particulier, les atténuateurs nécessaires pour gérer l'extrémité supérieure de la plage de niveau d'entrée des oscilloscopes deviendraient beaucoup plus complexes / sensibles s'ils devaient avoir une résistance CC très élevée.
  2. C'est une norme de facto, passer à autre chose entraînerait des incompatibilités avec les sondes existantes, etc.
  3. De toute façon, il n'y aurait pas beaucoup d'avantages.

Pour expliquer davantage le point 3, à des fréquences modérées (de quelques kilohertz vers le haut), la résistance CC de 1 mégohm de l'entrée de l'oscilloscope n'est pas le facteur dominant de l'impédance d'entrée globale. Le facteur dominant est la capacité, le câble apportant probablement la plus grande contribution.

(en fait, aux fréquences UHF / micro-ondes, il est courant de réduire l'impédance d'entrée de l'oscilloscope à 50 ohms, de sorte que l'inductance dans le câble peut équilibrer la capacité et le câble devient une ligne de transmission correctement adaptée)

Cela signifie que si des impédances d'entrée élevées sont souhaitables, il est préférable de traiter cela au point de sondage plutôt qu'à la portée. Le compromis typique de coût / flexibilité / impédance d'entrée pour une utilisation générale est une sonde passive x10.

Si vous avez besoin d'une résistance CC vraiment élevée, la solution consiste à ajouter un amplificateur à base de FET devant l'oscilloscope, de préférence le plus près possible du point de mesure.

Peter Green
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La capacité d'entrée est-elle également spécifiquement conçue comme l'impédance d'entrée 1Mohm, ou s'agit-il simplement d'un élément parasite qui est mesuré? (Une capacité d'entrée non précise ne serait pas un problème car les sondes d'atténuation ont des condensateurs variables.) Aurais-je raison de dire que: si les circuits d'atténuation n'étaient pas nécessaires, et nous ne nous inquiétions pas de l'adaptation d'impédance à des fréquences plus élevées (dans Dans ce cas, vous pourriez avoir une entrée commutable à 50 ohms), alors ce serait bien d'avoir une entrée directement dans l'étage FET à haute impédance? J'essaie juste de comprendre les différentes raisons de cela directement dans ma tête.
hddh
Je suppose que même dans ce cas, vous auriez toujours une capacité de sonde / câble à vous soucier, mais dans ce cas, ajouter 1 meg à travers cela va juste réduire l'impédance. Et les sondes 10X pourraient simplement avoir leur propre résistance 1 meg en parallèle avec la sortie de la sonde. Donc, fondamentalement: en ignorant les sondes d'atténuation, l'adaptation d'impédance et les circuits d'atténuation, je ne vois pas d'autres raisons pour une résistance d'entrée aussi faible que 1 meg, car cela rendrait juste l'impédance d'entrée due à la capacité encore plus faible (et l'adaptation d'impédance) navire aurait déjà navigué à une impédance d'entrée de 1 meg de toute façon).
hddh
Donc, ma compréhension jusqu'à présent: une résistance d'entrée de 1 meg est préférable en raison de: (a) les circuits d'atténuation requis, (b) l'impédance d'entrée est de toute façon dominée par la capacité, (c) cela rend la conception de la sonde d'atténuation plus simple. L'appariement d'impédance ne semble pas être une raison puisque vous descendriez à 50 ohms dans de tels cas de toute façon. Me fait me poser des questions sur les impédances d'entrée du multimètre (normalement 10 meg), où seul (a) semble s'appliquer.
hddh
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Un autre problème avec les entrées à haute impédance ce sont les tensions "fantômes" quand elles ne sont connectées à rien. Même à 10 Mo, cela peut parfois être perceptible. Certains multimètres haut de gamme ont en fait la possibilité de désactiver la résistance de 10 mégapixels, j'ai accès à un tel compteur, mais je ne pense pas avoir jamais ressenti le besoin d'utiliser cette fonctionnalité.
Peter Green
@PeterGreen voyez si vous pouvez également désactiver la suppression 50 / 60Hz, et vous avez un générateur de nombres aléatoires au lieu d'un voltmètre alors qu'il n'est pas connecté à quelque chose.
rackandboneman
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Beaucoup de choses sont comme elles sont à cause de l'histoire et de la standardisation de fait .

Une entrée d'oscilloscope à usage général est un compromis difficile entre ne pas charger le circuit, ne pas être endommagé par une haute tension, avoir un bruit raisonnablement faible et être capable de maintenir une bande passante décente.

1Mohm en parallèle avec 15pF à 30pF satisfait beaucoup de gens pour beaucoup d'applications. Les fabricants sont peu incités à construire un oscilloscope à usage général avec une entrée différente, pour répondre à de minuscules parties du marché.

Lorsque vous avez besoin d'un meilleur bruit, d'une entrée différentielle ou d'une impédance d'entrée plus élevée, vous utilisez un préamplificateur personnalisé. Lorsque vous avez besoin d'une bande passante plus large, vous passez à une impédance d'entrée de 50 ohms.

Il existe des oscilloscopes à usage spécial fabriqués à des prix élevés qui répondent à des applications de niche.

Neil_UK
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C'est suffisant. Donc, l'impédance d'entrée (vers un oscilloscope ou un compteur) ne provient pas d'une résistance réelle, mais plutôt d'un circuit actif? (Suis-je fou de ne pas en être sûr?) Me fait me demander comment ils peuvent le contrôler précisément. Je me demande s'il existe des schémas d'étages d'entrée / portées flottants sur Internet que je pourrais jeter un œil.
hddh
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@hddh Je trouve toujours surprenant qu'un étage d'entrée FET d'une bande passante suffisante ne puisse pas être conçu Dit qui? Il existe des sondes FET avec plus de 1 GHz BW, par exemple: keysight.com/main/… Peut-être que vous voulez dire que vous le voulez à l' intérieur de la portée. Cela pourrait être fait, mais ce serait inutilisable de cette façon! Vous avez besoin d'un câble pour connecter votre testpoint à votre oscilloscope. Ce câble a une capacité . Le point entier de la sonde FET est qu'il a une faible capacité .
Bimpelrekkie
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Pointeurs: EEVBlog! Il existe également de nombreux schémas dans les manuels de maintenance, par exemple des oscilloscopes Tektronix plus anciens. Il ne peut clairement pas s'agir d'un FET avec une impédance d'entrée de 1Mohm (non?). Pas de problème , l'impédance d'entrée est réglée par une résistance puis (souvent) un amplificateur FET est utilisé pour amplifier la tension aux bornes de cette résistance. Le 1 M est nécessaire pour avoir une impédance correctement définie . Voici Dave reverse engineering de la portée populaire Rigol DS1054Z: youtube.com/watch?v=lJVrTV_BeGg&t=989s Sa conception est typique de nombreuses
lunettes
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Et voici un manuel de service d'un oscilloscope analogique Tektronix 2215, il a un schéma de principe et tous les circuits. Oui, c'est une conception ancienne, mais l'étape d'entrée sera très similaire à de nombreuses étendues modernes: tek.com/manual/2215 à des fins d'étude, c'est très utile.
Bimpelrekkie
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L'étage d'entrée ADC w / FET n'est pas réalisable en raison de l'atténuation requise avant d'atteindre la plage dynamique souhaitée? Oui, la plage dynamique est en effet la réponse. Un atténuateur variable permet d'amener le signal dans une plage appropriée à la fois à l'amplificateur d'entrée et au CAN.
Bimpelrekkie
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En fait, il est ridiculement élevé pour une entrée large bande.

Il n'y a pas de connecteur ou de câble pratique qui a réellement une impédance (du point de vue de la ligne de transmission. Résistance, mais pour les câbles coaxiaux, les plaqueurs d'or et les plombiers de guides d'ondes. Mecs RF.) De 1 mégohms, laissant l'entrée totalement incohérente - encore pire, un condensateur de 15 à 45pf sur une entrée de 1 mégohm (impédance de ligne de transmission) le ferait disparaître.

La raison pour laquelle il est de 1 mégohm est pour prendre en charge les sondes standard 10: 1, dont vous avez en effet besoin pour ne pas surcharger le type de circuit transportant des signaux de fréquence audio à haute impédance et avec un décalage CC élevé (pensez aux circuits de tubes à vide audio, les conceptions des sondes sont de juste cette époque).

Cependant, une fois que vous avez affaire à des circuits RF ou numériques rapides, la capacité parallèle de l'entrée de l'oscilloscope (que vous ne pouvez pas faire trop petite, encore une fois à cause des sondes, des câbles, des connecteurs) dominera ... et apportera la résistance d'entrée réelle de cette entrée jusqu'à 5 à 10 kiloohms une fois que vous atteignez un mégahertz, 500 à 1000 ohms une fois que vous atteignez 10 mégahertz. Atteignez la VHF (indice: les circuits ACMOS ou F-TTL sont des trucs VHF même si vous ne les synchronisez pas en VHF) et vous feriez mieux avec une entrée de 50 Ohm adaptée, puisque vous pouvez connecter une (dans des limites raisonnables) longue 50 Ohm câble et ont toujours une entrée de 50 Ohms à l'extrémité du circuit, au lieu d'une charge capacitive encore plus grande.

Avec le type conventionnel de sonde et d'entrée, vous surchargerez facilement les circuits RF. Les oscilloscopes optimisés RF ont tendance à avoir des entrées pouvant être commutées sur une impédance d'entrée de 50 Ohms (toute entrée d'oscilloscope peut, avec une terminaison parallèle / traversante) - ce qui est, ce qui est intéressant, mieux adapté, car vous pouvez maintenant utiliser des sondes (par exemple des sondes Z0 ou actives Sondes FET) qui peuvent réellement être faites pour présenter des impédances d'entrée efficaces beaucoup plus élevées au point de sonde. Ou fournissez simplement une connexion fiable de 50 Ohms à votre circuit avec n'importe quel vieux câble RG58.

rackandboneman
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Si je comprends bien: vous dites donc que 1 mégohm n'aide pas à l'adaptation d'impédance, et vous seriez mieux avec des entrées de 50 ohms dans ces cas. Donc, si le navire d'adaptation d'impédance a navigué avec 1 meg, alors pourquoi une faible impédance d'entrée de 1 meg est-elle nécessaire? La raison pour laquelle j'ai rassemblé cela à partir d'autres réponses est que le circuit d'atténuation d'entrée requis rend cela impossible. Y a-t-il d'autres raisons? (La capacité d'entrée de l'oscilloscope est-elle également intentionnelle comme le 1meg, ou est-elle parasite? - c'est-à-dire, pourrait-elle être facilement réduite?)
hddh
@hddh c'était parasite une fois, puis c'est probablement devenu intentionnel :)
rackandboneman