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Messtechnik

Messtechnik Best of 2018 Scope-Tastköpfe in der Praxis Bild 1: Typischer Verlauf von Betrag des Blindwiderstands der Eingangskapazität und ohmschem Eingangswiderstand über der Frequenz für eine 1:10-Probe [2] „Die Kombination aus Oszilloskop und Tastkopf stellt bei Anwendung in Highspeed-Systemen für den Designer die wichtigste Entscheidung dar, die er fällen muss“, wusste man schon vor Jahrzehnten bei Linear Technology [1]. Und warnte: „Achten Sie auf das Verhalten ihres Scopes bezüglich Eingangsimpedanz, Rauschen, Übersteuerung, Darstellungs-Nichtlinearität, Triggerung, Kanal-zu-Kanal- Isolation und andere Eigenschaften! Das Übersehen der Tastkopfeigenheiten ist die häufigste Ursache von Oszilloskop- Fehlmessungen.“ Dieser Beitrag geht etwas näher auf solche Probleme ein und stellt beispielhaft einen modernen, hochwertigen Tastkopf vor. Alle Tastköpfe (engl. Probes) beeinflussen das Signal an dem Punkt, an dem sie angesetzt werden. Dabei wirken bei hohen Frequenzen bzw. Geschwindigkeiten und „hochohmigen“ Tastköpfen sowohl ein ohmscher Widerstand als auch eine beachtliche Kapazität. Hinzu kommt eine Induktivität durch die Masseverbindung. Berücksichtigt man diese Einflüsse nicht oder schätzt sie nicht richtig ein, ist ein Messfehler die Folge, der unvorstellbar groß sein kann. Falls möglich, sollte man daher „niederohmige“ Tastköpfe (Nennimpedanz 50 Ohm bis 2 kOhm) einsetzen; hier sind auch die Eingangskapazitäten mit 0,1 bis 1 pF sehr gering. Solche Werte trifft man auch bei aktiven Tastköpfen („FET Probes“) an, die zudem höhere ohmsche Eingangswiderstände aufweisen. Frequenzabhängiger Eingangswiderstand Bei allen „hochohmigen“ Tastköpfen fällt der ohmsche Eingangswiderstand ab etwa 10 bis 50 kHz mit zunehmender Frequenz, bei passiven Probes aufgrund der mit steigender Frequenz zunehmenden Verluste in den Kapazitäten, bei FET Probes zudem noch durch innere Rückwirkungen. Über dieses Verhalten wird oft nicht oder nicht ausreichend informiert, es kann je nach Qualität des Tastkopfes mehr oder minder ausgeprägt sein. Grobe und „griffige“ Richtwerte für passive Tastköpfe 1:1 und 1:10 (!) sind 100 kOhm bei 10 MHz bzw. 10 kOhm bei 100 MHz. Bild 1 zeigt typische Verläufe. Die 1:10- und 1:100-Tastköpfe beziehen ihre Berechtigung gegenüber den 1:1-Tastköpfen im Hochfrequenzbereich ab etwa 100 kHz vor allem durch ihre geringere Eingangskapazität, nicht aber durch den unwesentlich geringeren ohmschen Eingangswiderstand. Zu beobachten ist ein typisches Verhältnis der Kapazitäten von 5 beim Sprung um Faktor 10, Richtwerte: 1:1 50 pF, 1:10 10 pF, 1:100 2 pF. Die 1:100-Tastköpfe haben bei schnellen Digitalsignalen durchaus eine Berechtigung, etwa bei einem 5-V-H-Pegel liefern sie zwar nur 50 mV an das Scope, dieses kann einen solchen Pegel jedoch noch sehr gut darstellen (etwa mit 10 mV/div). Einen gewissen Ausweg bieten hier differentielle Tastköpfe. Diese kann man sich ja als Gegeneinanderschaltung zweier einfacher (unsymmetrischer) Tastköpfe vorstellen. Daher ist gegenüber diesen der doppelte ohmsche Eingangswiderstand und die halbe Eingangskapazität zu erwarten. Differentielle Tastköpfe weisen als weiteren Vorteil die Möglichkeit des beliebigen Anschlusses auf, können also auch in unsymmetrischen Systemen mit Gewinn genutzt werden. Dies soll Bild 2 illustrieren. Niedriger Eingangswiderstand Wird der ohmsche Eingangswiderstand von vornherein niedrig (50 Ohm bis 2 kOhm) ausgelegt, so lässt er sich über den gesamten Einsatzfrequenzbereich des Tastkopfes konstant halten. Für Frequenzabhängigkeit der Impedanz sorgt dann praktisch nur noch die geringe Eingangskapazität. Man muss hier natürlich zwei Einschränkungen im Auge haben: Erstens die hohe Belastung, sodass die Probe- Eingangs impedanz möglicht anstelle einer sowieso vorhandenen Last platziert werden sollte. Und zweitens die möglichen Auswirkungen auf den Arbeitspunkt, falls keine DC- Trennung erfolgt. In Bild 3 ist dieses Problem beispielhaft anskizziert. Der Eingangswiderstand der Probe rechts leitet den gesamten Strom, der sonst durch den Transistor fließen würde, nach Masse ab. Der Transistor wird stromlos. Wirkung der Eingangskapazität Die Eingangskapazität hat zwei negative Wirkungen: Erstens verursacht sie einen Strom aus dem Testpunkt, belastet diesen 28 hf-praxis Best of 2018

Messtechnik Best of 2018 Bild 2: Ausblendung von störenden Einflüssen durch symmetrischen Messeingang [4] Bild 3: Einfluss einer hohen DC-Belastung auf den Arbeitspunkt [3] Bild 4: Sechs Beispiele für Verfälschungen durch unzureichende Masseverbindungen [2] also, obwohl die Kapazität selbst natürlich keine elektrische Leistung in Wärme umsetzt. Dieses Problem ist besonders bei analogen Messsignalen störend. Zweitens bewirkt die Eingangskapazität eine Verzögerung der Flanken. Es ergeben sich ja im Zusammenhang mit den ohmschen Widerständen (Innenwiderstand des Messpunkts und Eingangswiderstand der Probe) Zeitkonstanten. Bei der Darstellung digitaler Signale auf dem Scope-Bildschirm kommt es daher zu zeitlichen Fehlern (Verzögerungen). Nach [4] ist für die Anstiegszeit t rise auch der ohmsche Eingangswiderstand der Probe verantwortlich, ist dieser deutlich größer als der Quellen- Widerstand, kann man ihn vernachlässigen und rechnet [2]: t rise = 2,2 x R Quelle x C ein Mit 10 kOhm Quellen-Widerstand sowie 8 pF Eingangskapazität ergeben sich dann 176 ns. Ein Oszilloskop mit idealem Eingang oder ein einfacher RC-Tiefpass hätte dann nach der bekannten Formel f -3dB = 0,35/t rise eine Bandbreite von lediglich rund 2 MHz. Ein ohmscher Eingangswiderstand von 1 MOhm würde einen Anzeigefehler von 1% bei der Amplitude verursachen. Einfluss der Masseverbindung „Sie können sicher sein, dass die größte Quelle für Fehler die Masseverbindung (engl. Grounding) der Probe darstellt.» [1]. Schlechtes Grounding führt zu Welligkeit (engl. Ripple), insbesondere bei Signalen mit Flanken zu Schwingungen (Klingeln, engl. Ringing) und Diskontinuierlichkeiten bei der Wiedergabe der Signalform. Selbst Auswirkungen auf einen anderen Scope-Kanal können auftreten (Ursache: Masseschleife). Im schlimmsten Fall wird die Messung völlig verfälscht bzw. unmöglich. Bild 4 gibt verschiedene Beispiele für Verfälschungen durch unzureichende Masseverbindungen. Verantwortlich für diese Probleme ist die unerwünschte Induktivität der Masseleitung. Sie wird besonders dann kritisch, wenn es gilt, Highspeed- Signale zu messen. Man benötigt dann einen „schnellen“ Tastkopf (Fast Probe). Ein solcher ist an einem mitgelieferten Satz von Kontaktfedern/Federklemmen (Spring Clips) sowie eventuell weiterem Zubehör zu erkennen, welches es ermöglicht, die geringst mögliche Induktivität nach Masse herzustellen. Lesen sie den vollständigen Artikel ab Seite 30 unter: https://webkiosk.epaper-kiosk.beam-verlag.de/7-2018/60238935 hf-praxis Best of 2018 29