Signale optimal erfassen Messfehlerminimierung durch richtigen Einsatz von passenden Tastköpfen

Beim Einsatz des meistgenutzten Messgerätes in der Elektronikentwicklung, dem Oszilloskop, wird häufig die Bedeutung der korrekten Signalerfassung unterschätzt. Diese Fehleinschätzung bringt Probleme mit sich: Nicht nur das Signal in der Schaltung kann so verfälscht werden, sondern auch die Signaldarstellung am Oszilloskop entspricht nicht mehr der Realität.

Dass es im Bereich der Hochgeschwindigkeits- Elektronik wie USB 3.0 mit einer Datenrate von 5 Gbit/s spezieller Tastköpfe und Techniken des Anschlusses bedarf, steht außer Frage. Die große Mehrheit der Entwickler hat es in ihren Designs aber mit deutlich moderateren Signalfrequenzen zu tun. Warum sollte man sich bei einem Prozessortakt von 30 MHz Gedanken über Signalintegritätsprobleme, Tastkopfkontaktiertechniken oder spezielle Tastköpfe machen?

Gemessen an der reinen Taktrate sind gute passive Tastköpfe mit einer Grenzfrequenz von 350 MHz sicher ausreichend. Schließt man einen Tastkopf an ein Signal an, so wird die Schaltung belastet und dadurch das zu messende Signal in seinem Verlauf verändert. Somit ist es auch Fakt, dass das auf dem Oszilloskop sichtbare Signal nie genau dem entspricht, welches wirklich in der Schaltung existiert.

Es geht also darum, die Rückwirkung des Tastkopfes auf die zu messende Schaltung so zu minimieren, dass die Anzeige so originalgetreu wie möglich erfolgt. Dazu müssen die Einflüsse auf die Schaltung durch Masseanschlüsse, induktive und kapazitive Lasten von passiven und aktiven Tastköpfen betrachtet werden.

Die meisten Signalverzerrungen durch Tastköpfe sind auf nicht optimale Massekontakte zurückzuführen. Die Grundregel lautet hier:

Nutzen Sie die kürzestmögliche Masseverbindung!

Der Hintergrund der Regel ist folgender: Der Tastkopf stellt einen Schwingkreis dar, der aus je einer Eingangskapazität und -induktivität besteht. Die Eingangskapazität liegt bei passiven Standardtastköpfen bei rund 10 bis 13 pF und ist praktisch nicht veränderbar. Die Induktivität wird hauptsächlich durch die Masseleitung bestimmt, d.h. je kürzer die Masseleitung, desto kleiner die Induktivität. Das Verringern der Induktivität führt zur Erhöhung der Resonanzfrequenz mit dem Ziel, diese in den Bereich außerhalb des interessierenden Signalfrequenzbandes zu verlegen.

Je kürzer, um so besser

Im folgenden Beispiel wird ein reales Signal am Ausgang eines FPGA untersucht. Bild 1 zeigt zum einen das Gesamtsignal im oberen Fenster, zum anderen auch eine Flanke – stark gezoomt. Das Signal selbst hat lediglich eine Frequenz von 2,23 kHz. Davon ausgehend wird kaum erwartet, dass die Signalintegrität durch den Tastkopf beeinflusst wird. Das Signal kommt aus einem modernen FPGA; aufgrund der großen Speichertiefe und Bandbreite des verwendeten Oszilloskopes kann man nun auch diese Flanke vermessen. Dabei wird eine Anstiegszeit von 3,2 ns festgestellt.

Aus dem Diagram in Bild 2 kann die resultierende Signalfrequenz aus der gemessenen Anstiegszeit ermittelt werden. Voraussetzung ist dabei, dass gilt: Frequenz = 0,35 / Anstiegszeit. Gültig ist diese Voraussetzung aber nur in bestimmten Grenzen. Das Beispielsignal mit einer Anstiegszeit von 3,2 ns hat also Frequenzanteile bis etwa 120 MHz.

Wenn man dieses Signal nun mit einem passiven Tastkopf aufnimmt und dabei die Masseanschlüsse variiert, bekommt man unterschiedliche Messergebnisse. Für einen besseren Vergleich sind in Bild 3 alle nacheinander ausgeführten Messungen mit unterschiedlichen Masseverbindungen zusammengefasst.

Der oberste Kurvenzug wurde ohne Anschluss eines Massekabels an den Tastkopf aufgenommen – das Messobjekt und das Oszilloskop waren nur über die Gerätemasse auf demselben Potential. Die zweite Kurve zeigt dasselbe Signal mit einem 20 cm langen Massekabel, die dritte mit einem 10 cm langen Massekabel, und bei der untersten Aufnahme wurde ein 2 cm langer Draht zum nächstmöglichen Massepunkt genutzt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die kürzeren Masseleitungen zu geringerem Eigenschwingen und damit zu realistischeren Messergebnissen führen.

Wahl des Tastkopfes entscheidend

Neben den Effekten durch die Masseverbindung sind sowohl der Einfluss durch eine Bandbreitengrenze des Tastkopfes als auch der Einfluss auf die zu messende Schaltung durch seine kapazitive Last zu berücksichtigen. Sind z.B. in der zu messenden Schaltung Schaltkreise in stromsparender CMOS-Technologie enthalten, so muss insbesondere die kapazitive Last betrachtet werden, die ein passiver Tastkopf darstellt.

Eine solche Kapazität von rund 13 pF ist für eine Technologie mit vergleichsweise kleinen Ausgangstreiberleistungen eine erhebliche Belastung und führt zu vergrößerten Signalanstiegszeiten und einer deutlich höheren Signallaufzeit.

Dieses Verhalten wurde in den letzten Jahren mit den modernen Halbleitertechnologien weiter verstärkt. Beeinflusst die Kapazität des passiven Tastkopfes das Signal zu stark, empfiehlt es sich, einen aktiven Tastkopf zu verwenden.

Im Bild 4 sind drei Kurven zu sehen: Die weiße Referenzkurve wurde mit einem aktiven Tastkopf mit einer Eingangskapazität von 0,9 pF und kürzestmöglicher Masseverbindung zum Signal aufgenommen. Die gelbe Kurve (Kanal 1) wurde danach mit demselben aktiven Tastkopf aufgenommen, jedoch wurde der Messpunkt mit einem zusätzlichen passiven Tastkopf belastet. Dieser ist an Kanal 2 (blaue Kurve) angeschlossen.

Die weiße Kurve zeigt die beste Repräsentation des wirklichen Signals mit der geringsten Anstiegszeit. Im Vergleich zwischen weißer und gelber Kurve ist deutlich zu erkennen, wie der Anschluss eines passiven Tastkopfes das Signal beeinflusst. Die damit verbundene Änderung der Signalanstiegszeit von 1,84 ns auf 2,64 ns – ein Anstieg um 43 % – ist erheblich und kann bei manchen Schaltungen zu Funktionsfehlern führen. Betrachtet man nun die blaue Kurve, so ist ganz klar, dass nicht nur das Signal in der Schaltung verändert wird, sondern dass auch die Darstellung am Oszilloskop durch die Eigenschaften des passiven Tastkopfes nicht der Realität entspricht. Zusammenfassend lässt sich, bezogen auf die Effekte des Tastkopfes auf das Signal, die folgende Grundregel aufstellen:

Ein aktiver Tastkopf liefert Ergebnisse, die dem unbelasteten Ausgang am nächsten kommen – kaum Signalverfälschungen. Dies gilt um so mehr, je schneller das Signal ist und je empfindlicher die Halbleitertechnologie auf kapazitive Lasten reagiert.

Wie aufgezeigt, stellen passive Tastköpfe den Anwender beim korrekten Messen vor verschiedene Probleme. Eine kürzestmögliche Masseverbindung ist Voraussetzung für gute Messergebnisse. Dazu werden bei vielen Tastköpfen wie dem HZ355 spezielle Massefedern mitgeliefert, welche das physikalische Kontaktieren des Signals mit kurzen Massekontakten ermöglichen. Oftmals kann man sich auch mit einem einfachen kurzen Draht helfen.

Außerdem wurde gezeigt, dass heutige Standardschaltkreise Signale mit Anstiegszeiten von 1 bis 2 ns generieren. Diese Signale werden stark verfälscht, wenn ein passiver Tastkopf verwendet wird. Daher sollte hier ein aktiver Tastkopf mit einer Eingangskapazität kleiner 1 pF und entsprechender Bandbreite – größer als die vom verwendeten Oszilloskop – verwendet werden. Es gibt heute aktive Tastköpfe mit solchen Eigenschaften, z.B. den HZO30. Sie liefern mit 0,9 pF, 1 MΩ Eingangswiderstand sehr gute Ergebnisse.

 

Der Autor:

Andreas Grimm
ist Leiter des Produktmanagements der HAMEG Instruments GmbH. Er hat langjährige Erfahrung in der Oszilloskop-Praxis in verschiedenen beruflichen Funktionen.
Andreas.Grimm@hameg.com