Messtechnik Widrigen Umständen gewachsen

Zuverlässigkeitstests sind ein wichtiger Teil des Entwicklungsprozesses. Mit ihnen kann man Schwachstellen eines Geräts erkennen, sinnvolle Kalibrierintervalle festlegen und das Langzeitverhalten unter ungünstigen Klimabedingungen erkennen. Doch nicht nur die Prüflinge, sondern auch die Messinstrumente müssen den widrigen Umständen gewachsen sein.

Die Zuverlässigkeit wird mit den Parametern »durchschnittliche Zeit bis zum Ausfall« (MTTF, Mean Time To Failure), »durchschnittliche Zeit zwischen zwei Ausfällen« (MTBF, Mean Time Between Failures) und »Lebenserwartung« ausgedrückt. Man berechnet diese Parameter mit statistischen Methoden anhand von Testexemplaren, die man im Labor streng kontrolliert bestimmten Klimabedingungen aussetzt. Als gängige Vorgehensweise für solche Tests haben sich der IEC- und der MIL-Standard etabliert.

Führt man Klimatests mit elektronischen Geräten durch, steht der Messingenieur oft vor dem Problem, dass die Tastköpfe dabei den gleichen widrigen Bedingungen ausgesetzt sind wie das Testobjekt, diese Bedingungen also aushalten und unter ihnen korrekt arbeiten müssen.

Bei Alterungstests beispielsweise arbeitet man mit Temperaturwechseln, im Extrem mit Temperaturen von -50 °C und +150 °C. Ein normaler Tastkopf übersteht das nicht: Die thermische Expansion des Dielektrikums würde das Messkabel beschädigen, Plastikgehäuse beginnen sich ab +60 °C zu verformen. Der Frequenzgang eines aktiven Tastkopfs verschlechtert sich, wenn die Temperatur extrem steigt oder sinkt. Bild 1 zeigt einen Defekt am Mantel eines normalen Koaxialkabels nach einem Alterungstest mit hoher Temperatur.

In Bild 2 ist ein Röntgenbild einer Steckverbindung eines Tastkopfes nach häufigen Temperaturwechseln in einer Klimakammer zu sehen. Das Dielektrikum des Koaxialkabels ist geschrumpft und hat so den Steckerstift ein Stück aus der Buchse gezogen. Wenn dieser Vorgang weitergeht, besteht möglicherweise irgendwann kein Kontakt mehr.

Eine lange Leitung ist keine Alternative 

Messingenieure versuchen, diesen Problemen auszuweichen. Statt die empfindlichen Tastköpfe den Bedingungen der Klimakammer auszusetzen, schließen sie das Testobjekt über lange Messleitungen an ihre Messgeräte an. Dieser Ansatz stößt allerdings schnell an enge Grenzen, weil Induktivität und Kapazität der langen Messleitungen die Bandbreite massiv einschränken. Ein einzelner Draht hat einen Induktivitätsbelag von überschlägig 1 nH/mm, eine Messleitung von einem Meter hat somit eine Induktivität von etwa 1 µH. Damit erreicht man allenfalls Bandbreiten im Kilohertzbereich.

Das zweite Problem ist die Verzerrung des Messsignals durch elektromagnetische Einkopplung, die mit zunehmender Leitungslänge immer größer werden. Je komplexer ein elektronisches Gerät ist, desto mehr verschiedene Signale strahlt es ab. Die lange Messleitung wirkt als Antenne und koppelt diese Störsignale in den Messpfad ein.

Zuletzt stellt das lange Kabel für das Testobjekt eine zusätzliche, manchmal zu große Last dar. Ein übliches 50-Ω-Koaxialkabel an FR4 belastet den Messpunkt mit 120 pF/m. Bei Schaltungen mit niedriger Impedanz kann die Belastung durch die Messleitung das abgegriffene Signal so stark verformen, dass die Schaltung nicht mehr funktioniert.

Leider hilft auch der Griff zum preiswerten, robusten passiven Tastkopf nicht weiter. Passive Tastköpfe haben üblicherweise eine Eingangsimpedanz von etwa 10 MΩ parallel zu 10 pF bis 15 pF. Ein solcher Tastkopf belastet den Messpunkt erheblich geringer als eine lange Messleitung. Wird der Tastkopf an einen Oszilloskop-Eingang von 1 MΩ angeschlossen, kommt man trotzdem nicht über eine Bandbreite von etwa 500 MHz, was für viele aktuelle Anwendungen zu wenig ist. Weiter arbeitet ein herkömmlicher passiver Tastkopf nur im Temperaturbereich von 0 °C bis +50 °C und ist somit nicht für den Einsatz bei Alterungstests mit erheblich größerem Temperaturbereich geeignet.

Extremer abtasten

Man kann das Problem mit einem geeigneten aktiven Tastkopf lösen, der sowohl die nötige Bandbreite bietet als auch mit den Testbedingungen zurechtkommt. Agilent bietet einen vergleichsweise preiswerten, robusten Aktivtastkopf an, der diese Voraussetzung erfüllt: Der unsymmetrische Tastkopf für Extremtemperaturen »N2797A« kann direkt in der Klimakammer eingesetzt werden.

Damit erreicht er einen minimalen Abstand zwischen Messpunkt und erster Verstärkerstufe. Parasitärinduktivität (typisch geringer als einige Nanohenry) und kapazitive Belastung (typisch kleiner als 1 pF) sind gering, daher bietet der Tastkopf eine Bandbreite von 1,5 GHz.

Die Messleitung ist ein spezielles Hochtemperatur-Koaxialkabel, der 
Tastkopf ist mit Hochtemperatursilikon ummantelt und enthält 
einen robusten Verstärker. Das Instrument ist für den Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C ausgelegt und erfüllt damit die meisten Anforderungen von Klimatests an elektronischen Geräten.

Bild 3 zeigt den Frequenzgang bei unterschiedlichen Temperaturen, Bild 4 die Langzeitstabilität des Tastkopfes bei +90 °C über einen Zeitraum von sechs Monaten.

Um die ohmsche Belastung zu verringern, hat das Gerät eine Eingangsimpedanz von 1 MΩ, eine zwei Meter lange Messleitung, die auch bis in die Klimakammer reicht, sowie allerlei robustes Zubehör, das verschiedene Anwendungen abdeckt. Angebunden ist er über die »AutoProbe«-Schnittstelle, die den Einsatz vereinfacht.

Über den Autor:

Andreas Siegert ist Business Development Specialist Oscilloscopes bei Agilent Technologies.