Выбор входного импеданса осциллографа: 50 Ом или 1 МОм?

Используйте вход 1 МОм при работе с пробником 10×

Для использования осциллографического пробника с коэффициентом ослабления 10× единственной настройкой входного канала может быть только выбор высокоомного импеданса 1 МОм — у пользователя нет другого варианта.

Если полоса частот исследуемого сигнала ниже ~200 МГц, то для всех приложений общего назначения пробник 10× будет наиболее оптимальным для использования с прибором. К недостаткам пробника с ослаблением 10× следует отнести то, что он уменьшает соотношение сигнал-шум на 20 дБ, так как снижает полезный информационный сигнал в 10 раз.

В осциллографах с 12‑битным разрешением АЦП шум входного тракта составляет около 1 мВ_п-п. Это напряжение соответствует чувствительности на входе щупа пробника в положении 10 мВ/дел., как наиболее чувствительной настройки коэффициента вертикального усиления. Если возникает задача измерить низкоуровневые сигналы, которые по амплитуде меньше, чем ~100 мВ, то пробник 10× будет ограничивать чувствительность измерительной системы. В этом случае лучше рассмотреть возможность подключить к исследуемому устройству (ИУ) напрямую (1×) или использовать активный осциллографический пробник для тестирования.

Используйте 1 МОм для сигналов малых уровней с подключением по кабельному соединению

Если тестовое приложение связано с измерением сигналов очень низкого уровня, рекомендуется использовать непосредственное подключение ИУ к осциллографу с помощью коаксиального РЧ-кабеля с входным сопротивлением 1 МОм. При этом вы будете располагать оптимальной чувствительностью усилителя входного тракта во всем диапазоне частот. При выборе 1 МОм можно измерять входное напряжение до 50 В с большим динамическим диапазоном смещения (offset) и настройкой связи по каналу AC (закрытый вход).

Недостатком прямого кабельного соединения при R_вх =1 МОм является то, что в наблюдаемом сигнале пользователь может получить проявления эффекта отражения из-за неоднородности, как это показано на рисунке.

Рисунок. Один и тот же входной сигнал из буферной памяти на экране осциллографа:
а) измеренный при помощи 50 Ом кабеля и входном сопротивлении 1 МОм;
б) при согласованном подключении (50 Ом кабель при 50 Ом на входе)

Отражения и выбросы всегда случаются, когда сигнал в цепи передачи сталкивается с мгновенным изменением импеданса (неоднородностью тракта). Если время нарастания источника сигнала примерно в 4 раза больше, чем показателя временнóй задержки в соединительном кабеле, то отражения будут распределены во времени при нарастании фронта или на спаде сигнала. Тем самым проявление артефактов отражения будет незначительным.

В случае сигналов с небыстрым временем нарастания (малая крутизна фронта) или при подключении с помощью короткого кабеля это не приведет к возникновению отражений, так как при 1 МОм входного импеданса осциллографа согласование будет наиболее оптимальным. Это позволит наблюдать сигналы высокого и низкого напряжения, применять большее постоянное смещение (DC offset), а также использовать канал осциллографа в режиме типа связи по входу «закрыт» (AC coupling).

Входное сопротивление 1 МОм — это предпочтительный параметр для сигналов с относительно длительным временем нарастания или сигнала в невысокой полосе частот.

В насколько низком диапазоне? Если типичная длина соединительного РЧ-кабеля равна 1 м, то временнáя задержка в кабеле при распространении сигнала составляет ~5 нс. Это означает, что для анализа фронта сигнала с временем нарастания в 4 раза большим, ~20 нс (4×5 нс), входное сопротивление 1 МОм будет просто отличным. Эти физические характеристики и определяют полосу пропускания сигнала как отношение 0,35/20 нс = 17 МГц. Если сигналы измерительного приложения имеют максимальную частоту ниже 20 МГц, то при анализе можно не опасаться использования входного импеданса 1 МОм.

Используйте 50‑Ом соединительные кабели и вход 50 Ом для исключения отражений

Реальная причина, почему все современные осциллографы имеют вариант выбора входного импеданса 50 Ом, — необходимость максимального снижения отражений от источника сигнала, подключаемого ко входу прибора с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением также 50 Ом — например, таких типов, как кабель RG58 или RG174.

Если при соединении используется кабель 50 Ом, то каждый отсчет сигнала будет отображаться на экране как истинное мгновенное значение на согласованной нагрузке 50 Ом. Когда сигнал во входном тракте прибора поступает при таких условиях, это позволяет выполнить сохранение мгновенных значений напряжения при неизменном импедансе без отражения, что гарантирует точность и чистоту сигнала. Оператор наблюдает на экране форму фактического напряжения, поступившего во входной тракт осциллографа по соединительному кабелю от источника.

Во всех осциллографах Teledyne LeCroy специально добавлен вариант входного импеданса 50 Ом, поскольку компания предполагала, что клиенты будут использовать для подключений сигналов 50‑Ом кабели. Это означает, что для сигналов в верхней части диапазона осциллографа, вплоть до максимального значения полосы пропускания, следует использовать настройку входного импеданса 50 Ом, что обеспечит максимальную частоту анализа входного сигнала при сохранении минимального уровня шума.

Осторожно!

Однако если выбраны настройки канала: «открытый» вход (DC) или уровень с.к.з. анализируемого напряжения близок к значению 5 В или превышает его, то при таких условиях входной импеданс 50 Ом использовать в осциллографе нельзя!

Резистор 50 Ом находится внутри осциллографа в цепи входного тракта, перед усилителем АЦП. Он способен рассеивать только 0,5 Вт поступающей мощности. Если на него подать уровень ≥0,5 Вт, то резистор будет сильно нагреваться и даже подвержен переходу в режим перегрева. В крайнем случае при значительном превышении мощности резистор может быть термически поврежден, то есть сгореть (в буквальном смысле «слететь с платы»).

Ограничение на уровень рассеиваемой мощности 0,5 Вт распространяется и на входные сигналы с уровнем напряжения 5 В_с.к.з. Это допустимо при анализе, например, сигнала с уровнем постоянного напряжения 5 В или сигнала 10 В_п-п с коэффициентом заполнения 50% (duty cycle). Если необходимо подключиться к сигналам более высокого напряжения (>5 В), особенно на шинах различных номиналов электропитания, следует рассмотреть вопрос об использовании прикладного осциллографического пробника, такого как RP4030, предназначенного для анализа шин и выводов питания постоянного напряжения до 30 В.