Oszilloskop-Sondenrauschen
Ich versuche ein Gleichstromsignal im mV-Bereich zu messen.
Unten ist die Wellenform, die ich erhalte, nachdem ich das Oszilloskop an seine Sonde angeschlossen habe und ohne es an irgendetwas anzuschließen:
Ich bekomme eine wellige Wellenform von 50 mV Spitze zu Spitze. Warum und von wo bekomme ich dieses unerwünschte 50-mV-Welligkeitsrauschen von Spitze zu Spitze, selbst wenn das Zielfernrohr und seine Sonde an nichts angeschlossen sind?
Warum gibt es dieses Rauschen und wie kann diese Rauschwelligkeit für korrekte und genaue Messungen beseitigt werden?
Antworten
Warum und von wo bekomme ich diese unerwünschte 50-mV-Welligkeit von Spitze zu Spitze?
Denken Sie zunächst an 220 Volt (wenn dies Ihre Wechselstromversorgung in Ihrem Gebäude ist). Da es in zwei Drähten verläuft, von denen einer grundsätzlich geerdet ist (0 Volt), beträgt die Netto-Nahfeldspannung 50% oder 110 Volt, und dieses Feld verteilt sich und verringert seinen Wert, je weiter Sie von der Verkabelung entfernt sind. Wir können aber auch sagen, dass die Spitze Ihrer Oszilloskopsonde über die Kapazität kapazitiv mit den 110 Volt gekoppelt ist, aber wie viel Kapazität.
Ich habe das vorher noch nicht berechnet, also interessiert mich auch, was es sein könnte.
Es sieht so aus, als ob Ihr O-Scope ungefähr 40 mVp-p anzeigt und es definitiv bei 50 Hz liegt: -
Dies ist eine RMS-Amplitude von ungefähr 14 mV.
Dies bedeutet, dass Ihre O-Scope-Sonde, wenn sie 10 Mohm hat, einen Strom von 1,4 nA RMS empfängt. Dieser Strom fließt durch die Kapazität, die zwischen Ihrer Wandverkabelung und Ihrer Sondenspitze besteht. Berechnen Sie also die kapazitive Reaktanz: -
$$X_C = \dfrac{\text{voltage}}{\text{current}} = \dfrac{110 \text{ volts} - 14 \text{ mV}}{1.4 \text{nA}} = 78.57 \text{ Gohm}$$
Wie viel Kapazität ist das: -
$$C = \dfrac{1}{2\pi f X_C} = 0.04\text{ pF}$$
Wenn Sie also eine Spannungsversorgung von 110 Volt (und 50 Hz) haben, die einen 10-Mohm-Widerstand über einen 0,04-pF-Kondensator speist, sehen Sie 14 mV RMS (40 Volt-p) über dem 10-Mohm-Widerstand.
Wenn die Eingangsimpedanz Ihres Oszilloskops 1 Mohm beträgt, beträgt der in Ihre Sondenspitze fließende Strom 14 nA. Der Anstoßeffekt besteht darin, dass die Kapazität zwischen Wandverdrahtung und Sondenspitze bei 0,4 pF zehnmal höher ist.
Wenn Sie wirklich eine genauere Antwort wünschen, sollten Sie die Kapazität der Sondenspitze gegen Masse modellieren / faktorisieren - dies entspricht Ihrer Widerstandsimpedanz von 10 oder 1 Mohm. Es könnte im Bereich von 10 pF liegen und Sie können sich sofort vorstellen, dass dies einen ernsthaften zusätzlichen Abschwächer mit den zuvor vorhergesagten 0,4 pF von etwa 25: 1 bildet. Wenn ich an diesem Punkt wirklich den kapazitiven Wert zwischen Wandverkabelung und O-Scope-Spitze wissen wollte, würde ich die Schaltung an einen Simulator anschließen und den faulen Weg gehen.
Kurze Antwort - es sind ein paar pF.
Warum gibt es dieses Rauschen und wie kann diese Rauschwelligkeit für korrekte und genaue Messungen beseitigt werden?
Sobald Sie Ihre Sonde an einen realen Schaltungsknoten anschließen, fällt die Impedanz massiv ab und Sie werden diesen Effekt nicht sehen.
Wie Andy berechnet hat, gibt es eine Spannungsteilerwirkung zwischen der Wandstromverkabelung und der Sondenspitze.
Legen Sie ein Stück flaches Metall unter Ihre Sonde, das groß genug ist, um die elektrischen Feldflusslinien so zu zwingen, dass sie orthogonal zur Metalloberfläche ankommen.
Erden Sie dieses Metallstück am Zielfernrohrgehäuse (Zielfernrohre haben normalerweise Bare-Metal-Anschlüsse an der Frontplatte).
Dies ermöglicht es dem Flachmetall, den Verschiebungsstrom des elektrischen Feldes maximal (fast vollständig) zu sammeln und die Verschiebungsströme von scope_probe etwas zu reduzieren.
Hier sind einige natural_log-Koeffizienten beteiligt. Überprüfen Sie die Draht / Draht-Kupplung, die Platte / Draht-Kupplung und die Platte / Platte-Kupplung auf Mathematik. Obwohl hyperbolischer Trigger in den Gleichungen vorkommt, können Sie diese in äquivalentes natural_log konvertieren, was ein einfacheres Kausalitätsdenken im Vergleich zu Formen / Ebenheit / Rundheit ermöglicht.