Warum sind die Eingangsimpedanzen des Oszilloskops so niedrig?

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Meine Frage ist zweifach:

Woher kommt die Eingangsimpedanz?

Ich frage mich, woher die Eingangsimpedanz Ihres durchschnittlichen Multimeters oder Oszilloskops kommt. Ist es nur die Eingangsimpedanz der Eingangsstufe des Geräts (z. B. eines Verstärkers oder einer ADC-Eingangsstufe), oder ist es die Impedanz eines tatsächlichen Widerstands? Wenn es die Impedanz eines tatsächlichen Widerstands ist, warum gibt es dann überhaupt einen Widerstand? Warum nicht einfach die Eingangsschaltung?

Ich habe die Eingangsimpedanz meines Oszilloskops mit einem DMM gemessen. Beim Ausschalten des Oszilloskops maß das DMM etwa . Beim Einschalten des Oszilloskops maß das DMM jedoch ziemlich genau (ich konnte sogar den vom DMM angewendeten 1-V-Test auf dem Bildschirm des Oszilloskops sehen!). Dies lässt darauf schließen, dass an der Eingangsimpedanz des Oszilloskops eine aktive Schaltung beteiligt ist. Wenn dies zutrifft, wie kann die Eingangsimpedanz so genau gesteuert werden? Nach meinem Verständnis hängt die Eingangsimpedanz für aktive Schaltungen etwas von den genauen Transistoreigenschaften ab.1.2MΩ1MΩ

Warum kann die Eingangsimpedanz nicht viel höher sein?

Warum ist die Eingangsimpedanz eines Oszilloskops ein Standard ? Warum kann es nicht höher sein? FET-Eingangsstufen können Eingangsimpedanzen in der Größenordnung von Teraohm erreichen! Warum ist die Eingangsimpedanz so niedrig?1MΩ

Ich nehme an, ein Vorteil eines präzisen Standard- 1MΩ besteht darin, dass es 10-fache Tastköpfe und dergleichen zulässt, was nur funktionieren würde, wenn das Oszilloskop eine präzise Eingangsimpedanz hätte, die nicht unangemessen groß wäre (wie die eines FET-Eingangs) Bühne). Selbst wenn das Oszilloskop eine sehr hohe Eingangsimpedanz hätte (z. B. Teraohm), könnte man meines Erachtens immer noch 10X-Sonden haben, wenn man nur einen 10: 1-Spannungsteiler im Inneren der Sonde hätte, wobei das Oszilloskop über eine 1MΩ misst \ mathrm {M \ Omega} Widerstand in der Sonde. Wenn es eine Eingangsimpedanz in der Größenordnung von Teraohm hätte, scheint dies machbar zu sein.

Verstehe ich die Eingangsschaltung eines Oszilloskops falsch? Ist es komplizierter als ich es mir vorstelle? Was denkst du darüber?

Der Grund, warum ich daran gedacht habe, ist, dass ich kürzlich versucht habe, die Gleichtakteingangsimpedanz eines emittergekoppelten Differentialpaars zu messen, das viel größer ist als die Eingangsimpedanz des Oszilloskops. Deshalb habe ich mich gefragt, warum die Eingangsimpedanz dies kann nicht größer sein.

hddh
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Das Thema ist viel komplexer als Sie vielleicht denken. Sie scheinen nur die DC-Antwort zu berücksichtigen, aber tatsächlich muss ein Bereich eine flache Antwort bis zur angegebenen Bandbreite haben. Dies ist eine enorme Herausforderung, und die Standardisierung auf 1 MΩ / 50 Ω macht das Problem für Sondenhersteller zumindest einigermaßen lösbar.
Dave Tweed
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Möchten Sie mein altes Zielfernrohr verwenden? Es kann für eine Eingangsimpedanz von 100 Ohm konfiguriert werden. Auf der anderen Seite wurde es 1965 gebaut und ist standardmäßig mit einer Eingangsimpedanz von 1 MOhm ausgestattet. 1M scheint schon länger Standard zu sein.
JRE
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Vergessen Sie nicht, dass eine 10-Sonde eine Eingangsimpedanz von 10 ×Ω
D Duck hat.
@ DaveTweed Also ist es nicht machbar, eine FET-Eingangsstufe mit genügend Bandbreite zu haben? Wie sehen Eingabestufen von Gültigkeitsbereichen tatsächlich aus?
hddh
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Geht es direkt in den ADC? Nein, wie kann ein Oszilloskop 1 mV und 100 V messen? Übliche Konfiguration: BNC - Eingangsschutz + umschaltbare Dämpfung - Eingangsstufe (oft FET-basiert) - ADC. Also sind ja viele FET-basiert. Sie hätten kein aktives Gerät, das die Eingangsimpedanz definiert. Es gibt einen 1 M Widerstand , um es richtig einzustellen. Ich empfehle Ihnen nachdrücklich , zu untersuchen, wie die Dinge gemacht werden, und sich zu fragen, WARUM, bevor Sie davon ausgehen, dass es sein muss ... es kann nicht sein ... weil Sie sich selbst verwirren werden.
Bimpelrekkie

Antworten:

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Ich würde eine Kombination einiger Faktoren sagen.

  1. Die Eingangsstufen eines Oszilloskops sind ein schwieriger Kompromiss. Sie müssen einen weiten Bereich von Verstärkungen / Dämpfungen aufweisen, sie müssen tolerant gegenüber Benutzerfehlern sein und sie müssen hohe Bandbreiten durchlassen. Das Hinzufügen einer Anforderung für einen sehr hohen Gleichstromwiderstand würde die Sache nur noch komplizierter machen. Insbesondere Dämpfungsglieder, die für das obere Ende des Eingangspegelbereichs des Oszilloskops benötigt werden, würden viel komplexer / empfindlicher, wenn sie einen sehr hohen Gleichstromwiderstand benötigen.
  2. Es ist ein De-Facto-Standard, der Wechsel zu etwas anderem würde zu Inkompatibilitäten mit vorhandenen Sonden usw. führen.
  3. Es würde sowieso nicht viel Nutzen bringen.

Zur weiteren Erläuterung von Punkt 3 ist bei moderaten Frequenzen (ab einigen Kilohertz) der 1-Megaohm-Gleichstromwiderstand des Oszilloskopeingangs nicht der dominierende Faktor für die gesamte Eingangsimpedanz. Der dominierende Faktor ist die Kapazität, wobei das Kabel wahrscheinlich den größten Beitrag leistet.

(Tatsächlich ist es bei UHF- / Mikrowellenfrequenzen üblich, die Eingangsimpedanz des Oszilloskops auf 50 Ohm zu reduzieren, damit die Induktivität im Kabel die Kapazität ausgleichen kann und das Kabel zu einer richtig angepassten Übertragungsleitung wird.)

Dies bedeutet, wenn hohe Eingangsimpedanzen erwünscht sind, ist es viel besser, diese beim Prüfen zu behandeln als beim Umfang. Der typische Kompromiss zwischen Kosten, Flexibilität und Eingangsimpedanz für den allgemeinen Gebrauch ist eine passive x10-Sonde.

Wenn Sie einen wirklich hohen Gleichstromwiderstand benötigen, sollten Sie einen FET-basierten Verstärker vor dem Oszilloskop anbringen, vorzugsweise so nah wie möglich am Messpunkt.

Peter Green
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Entspricht die Eingangskapazität auch speziell der 1-Ohm-Eingangsimpedanz oder wird nur ein parasitäres Element gemessen? (Eine ungenaue Eingangskapazität wäre kein Problem, da Dämpfungssonden variable Kondensatoren haben.) Würde ich das richtig sagen: Wenn keine Dämpfungsschaltung benötigt würde und wir uns nicht um die Impedanzanpassung bei höheren Frequenzen (in In welchem ​​Fall könnten Sie einen umschaltbaren Eingang auf 50 Ohm haben? Dann wäre es in Ordnung, einen Eingang direkt in die hochohmige FET-Stufe zu haben. Ich versuche nur, die verschiedenen Gründe dafür in meinen Kopf zu bekommen.
hddh
Ich denke, auch dann müssen Sie sich noch um die Kapazität der Sonde / des Kabels Gedanken machen, aber in diesem Fall wird die Impedanz durch Hinzufügen von 1 Mega darüber nur noch weiter gesenkt. Und 10X-Sonden könnten parallel zum Sondenausgang einen eigenen 1-Megawiderstand haben. Im Grunde genommen: Ohne Berücksichtigung von Dämpfungssonden, Impedanzanpassung und Dämpfungsschaltungen sehe ich keine weiteren Gründe für einen Eingangswiderstand von nur 1meg, da hierdurch die Eingangsimpedanz aufgrund der Kapazität noch niedriger (und die Impedanzanpassung noch niedriger) würde Schiff wäre ohnehin schon mit 1meg Eingangsimpedanz gesegelt).
hddh
Mein bisheriges Verständnis: 1meg Eingangswiderstand ist vorzuziehen, da: (a) eine Dämpfungsschaltung erforderlich ist, (b) die Eingangsimpedanz ohnehin von der Kapazität dominiert wird, (c) das Design der Dämpfungssonde einfacher wird. Die Impedanzanpassung scheint kein Grund zu sein, da Sie in solchen Fällen ohnehin auf 50 Ohm abfallen würden. Ich wundere mich über die Eingangsimpedanzen des Multimeters (normalerweise 10meg), bei denen nur (a) zuzutreffen scheint.
hddh
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Ein weiteres Problem bei hochohmigen Eingängen sind "Phantomspannungen", wenn sie an nichts angeschlossen sind. Sogar bei 10 Meg. Kann dies manchmal bemerkbar sein. Einige High-End-Multimeter haben tatsächlich die Option, den 10-Megawiderstand auszuschalten. Ich habe Zugriff auf ein solches Messgerät, aber ich glaube nicht, dass ich jemals das Bedürfnis hatte, diese Funktion zu nutzen.
Peter Green
@PeterGreen Überprüfen Sie, ob Sie die 50/60-Hz-Unterdrückung auch deaktivieren können, und Sie haben einen Zufallszahlengenerator anstelle eines Voltmeters, wenn dieser nicht an etwas angeschlossen ist.
Rackandboneman
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Viele Dinge sind aufgrund der Geschichte und der tatsächlichen Standardisierung so, wie sie sind .

Ein Allzweck-Oszilloskopeingang ist ein schwieriger Kompromiss zwischen dem Nichtladen der Schaltung, der Nichtbeschädigung durch Hochspannung, einem angemessen niedrigen Rauschen und der Aufrechterhaltung einer angemessenen Bandbreite.

1Mohm parallel zu 15pF bis 30pF befriedigt viele Menschen für viele Anwendungen. Hersteller haben wenig Anreiz, ein Universaloszilloskop mit einem anderen Eingang zu bauen, um winzige Teile des Marktes anzusprechen.

Wenn Sie ein besseres Rauschen oder einen differenziellen Eingang oder eine höhere Eingangsimpedanz benötigen, verwenden Sie einen benutzerdefinierten Vorverstärker. Wenn Sie eine größere Bandbreite benötigen, wechseln Sie zu einer Eingangsimpedanz von 50 Ohm.

Es gibt spezielle Oszilloskope, die zu hohen Preisen hergestellt werden und Nischenanwendungen adressieren.

Neil_UK
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Meinetwegen. Die Eingangsimpedanz (für ein Oszilloskop oder ein Messgerät) stammt also nicht von einem tatsächlichen Widerstand, sondern von einer aktiven Schaltung? (Bin ich verrückt, wenn ich mir nicht sicher bin?) Ich frage mich, wie sie das genau kontrollieren können. Ich frage mich, ob es irgendwelche Schaltpläne von Scope-Eingabestufen / Frontends im Internet gibt, die ich mir ansehen könnte.
hddh
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@hddh Ich finde es immer noch überraschend, dass eine FET-Eingangsstufe mit ausreichender Bandbreite nicht konstruiert werden kann. Sagt wer? Es gibt FET-Sonden mit mehr als 1 GHz BW, zum Beispiel: keysight.com/main/…. Sie möchten, dass diese Sonden innerhalb des Bereichs liegen. Das könnte man doch machen, es wäre so unbrauchbar ! Sie benötigen ein Kabel, um Ihren Testpunkt mit Ihrem Oszilloskop zu verbinden. Das Kabel hat Kapazität . Der springende Punkt der FET-Sonde ist, dass sie eine niedrige Kapazität hat .
Bimpelrekkie
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Zeiger: EEVBlog! Außerdem finden Sie zahlreiche Schaltpläne in den Servicehandbüchern von beispielsweise älteren Tektronix-Oszilloskopen. Es kann eindeutig kein FET mit einer Eingangsimpedanz von 1 Ohm sein (richtig?). Keine falsch , er Eingangsimpedanz wird durch einen Satz Widerstand dann (häufig) ein FET - Verstärker verwendet wird , um die Spannung über diesen Widerstand zu verstärken. Die 1 M wird benötigt, um eine richtig definierte Impedanz zu haben. Hier ist Dave Reverse Engineering des beliebten Rigol DS1054Z-Oszilloskops: youtube.com/watch?v=lJVrTV_BeGg&t=989s Das Design ist typisch für viele moderne
Oszilloskope
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Und hier ist ein Servicehandbuch eines analogen Tektronix 2215-Oszilloskops, das ein Blockdiagramm und alle Schaltkreise enthält. Ja, es ist ein altes Design, aber die Eingabestufe wird vielen modernen Bereichen sehr ähnlich sein: tek.com/manual/2215 für Studienzwecke ist dies sehr nützlich.
Bimpelrekkie
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..ADC w / FET Eingangsstufe ist wegen der Dämpfung nicht realisierbar, bevor er den gewünschten Dynamikbereich erreicht? Ja, der Dynamikumfang ist in der Tat die Antwort. Ein variables Dämpfungsglied hilft dabei, das Signal in einen Bereich zu bringen, der sowohl für den Eingangsverstärker als auch für den ADC geeignet ist.
Bimpelrekkie
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Tatsächlich ist es für einen Breitbandeingang lächerlich hoch.

Es gibt keinen praktischen Stecker oder Kabel mit einer Impedanz (aus Sicht der Übertragungsleitung. Widerstand, aber für Koaxialkabel, Goldplatten und Wellenleiter. HF-Typen.) Von 1 Megaohm, so dass der Eingang völlig unpassend ist - noch schlimmer. Ein 15-45pf-Kondensator über einem 1-Megaohm-Eingang (Übertragungsleitungsimpedanz) würde nicht mit dem Vergessen übereinstimmen.

Der Grund dafür ist, dass 1 Megaohm für die Unterstützung von Standard 10: 1-Sonden verwendet wird. Sie müssen in der Tat die Art von Schaltung, die hochohmige Audiofrequenzsignale mit hohem Gleichspannungsoffset überträgt, nicht überlasten nur diese Ära).

Sobald Sie sich jedoch mit HF- oder schnellen digitalen Schaltkreisen befassen, dominiert die Parallelkapazität des Oszilloskop-Eingangs (die Sie aufgrund von Sonden, Kabeln, Anschlüssen nicht zu klein machen können) und bringt den tatsächlichen Eingangswiderstand von diesem Eingang bis zu 5 bis 10 Kiloohm, sobald Sie einen Megahertz erreichen, 500 bis 1000 Ohm, sobald Sie 10 Megahertz erreichen. Erreichen Sie VHF (Hinweis: ACMOS- oder F-TTL-Schaltkreise sind VHF-Geräte, auch wenn Sie sie nicht mit VHF takten), und Sie sind mit einem passenden 50-Ohm-Eingang besser dran, da Sie einen (in Grenzen) langen 50-Ohm-Anschluss anschließen könnten Kabel und haben immer noch einen 50 Ohm Eingang am Schaltkreisende, anstatt einer noch größeren kapazitiven Belastung.

Mit der herkömmlichen Art von Sonde und Eingang überlasten Sie HF-Schaltkreise leicht. HF-optimierte Oszilloskope verfügen in der Regel über Eingänge, die auf eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm geschaltet werden können (jeder Oszilloskopeingang kann einen Parallel- / Durchgangskontakt haben) - was interessanterweise besser geeignet ist, da Sie jetzt Tastköpfe verwenden können (z. B. Z0-Tastköpfe oder aktive Tastköpfe) FET-Sonden), die tatsächlich so ausgelegt werden können, dass sie am Sondenpunkt viel höhere effektive Eingangsimpedanzen aufweisen. Oder stellen Sie mit jedem alten RG58-Kabel eine zuverlässige 50-Ohm-Verbindung zu Ihrer Schaltung her.

Rackandboneman
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Wenn ich das richtig verstehe: Sie sagen also, dass 1 Megaohm bei der Impedanzanpassung nicht hilft, und Sie wären in diesen Fällen besser mit 50 Ohm Eingängen. Also, wenn das Schiff mit Impedanzanpassung mit 1meg gesegelt ist, warum ist dann eine niedrige Eingangsimpedanz von 1meg notwendig? Der Grund, warum ich dies aus anderen Antworten zusammengetragen habe, ist, dass die erforderliche Eingangsdämpfungsschaltung dies unmöglich macht. Gibt es noch andere Gründe? (Ist die Eingangskapazität des Oszilloskops auch absichtlich so wie bei 1meg oder ist sie parasitär? - Könnte sie also leicht reduziert werden?)
hddh
@hddh es war einmal parasitär, dann wurde es wahrscheinlich absichtlich :)
Rackandboneman