Messen mit dem Oszilloskop Der richtige Tastkopf

Der erste Schritt hin zu verlässlichen Messungen mit dem Oszilloskop ist die Auswahl des richtigen Tastkopfs. Es gibt verschiedene Typen von Tastköpfen, hauptsächlich unterscheidet man aber zwei Kategorien, nämlich passive und aktive. Aktive Tastköpfe brauchen eine externe Stromzufuhr zur Versorgung der aktiven Komponenten, etwa eines eingebauten Verstärkers. Sie bieten größere Bandbreiten als passive Tastköpfe, die dafür keine externe Stromversorgung brauchen. In beiden Kategorien gibt es verschiedene Typen, und jeder Tastkopf hat seinen Bereich, in dem er die beste Leistung bringt.

Bei der Auswahl der richtigen Messwerkzeuge für eine Messung mit dem Oszilloskop legen viele Anwender nicht genügend Augenmerk auf den geeigneten Tastkopf.

Sie achten zuerst nur auf das Oszilloskop selbst und wählen es nach Bandbreitenbedarf, Abtastrate und Zahl der Messkanäle aus. Erst hinterher machen sie sich Gedanken darüber, wie sie die Messsignale in das Oszilloskop hineinbekommen.

Die Auswahl des richtigen Tastkopfs für die betreffende Anwendung und sein korrekter Einsatz ist aber der erste Schritt zu verlässlichen Oszilloskop-Messungen. Ein passiver Tastkopf ist eine sichere Wahl für alltägliche Messungen und Fehlersuche. In höheren Frequenzbereichen aber bringt ein aktiver Tastkopf erhebliche genauere Einblicke in schnelle Messsignale. Viele aktive Tastköpfe auf dem Markt weisen auf dem Papier eine eindrucksvolle Bandbreitespezifikation auf.

Man darf im tatsächlichen Einsatz aber nicht vergessen, dass die Leistung eines aktiven Tastkopfs ganz wesentlich von der Verbindung des Tastkopfs zum Messobjekt bestimmt wird. Eine einfache Regel, die man für genaue Messungen immer im Kopf behalten sollte, lautet: Je kürzer die Verbindung zum Testobjekt, desto besser. Heutzutage sind passive Tastköpfe am gängigsten.

Sie lassen sich in solche mit hoher Eingangsimpedanz und solche mit niedriger einteilen. Am gängigsten sind passive Tastköpfe mit hoher Eingangs-impedanz und einem Eingangsteiler von 10:1. Solche Probes werden heute mit den meisten Einstiegs- bis Mittelklasse-Oszilloskopen mitgeliefert (Bild 1). Der Eingangswiderstand der Tastkopfspitze beträgt typischerweise 9 MΩ.

Wenn man einen solchen Tastkopf mit einem 1-MΩ-Eingang eines Oszilloskops verbindet, erhält man einen Spannungsteiler mit Teilverhältnis 10:1. Der gesamte Eingangswiderstand an der Tastkopfspitze beträgt dann 10 MΩ. Die Spannung am Eingang des Oszilloskops beträgt 1/10 der Spannung an der Tastkopfspitze, was folgende Formel beschreibt:

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Verglichen mit aktiven Tastköpfen sind passive Tastköpfe billiger und robuster. Sie weisen einen großen Dynamikbereich auf (>300 V für einen typischen 10:1-Tastkopf) und einen hohen Eingangswiderstand passend zur Eingangsimpedanz des Oszilloskopeingangs. Allerdings stellen sie eine größere kapazitive Last dar als aktive Tastköpfe oder niederohmige passive Tastköpfe, und sie haben auch eine geringere Bandbreite als diese.

Ein niederohmiger Tastkopf mit Widerstandsteiler (Bild 2) besitzt einen Eingangswiderstand von entweder 450 Ω oder 950 Ω. Zusammen mit dem Eingangswiderstand des Oszilloskops von 50 Ω ergibt das ein Teilverhältnis von 10:1 oder 20:1. Dem Eingangswiderstand folgt ein 50-Ω-Messkabel, das an einem 50-Ω-Eingang des Oszilloskops endet und hier korrekt terminiert wird.

Der Hauptvorteil eines solchen Tastkopfes ist die niedrige kapazitive Last und eine sehr große Bandbreite (einige GHz). Dies ist hilfreich für genaue Zeitmessungen. Ein weiterer Vorteil ist der niedrige Preis im Vergleich zu einem aktiven Tastkopf mit gleicher Bandbreite. Solche Tastköpfe kommen beispielsweise in ECL-Schaltungen (emittergekoppelte Schaltung) zum Einsatz, in Mikrowellenanwendungen oder Messungen an 50-Ω-Leitungen. Der einzige Nachteil dieses Tastkopftyps ist die relativ hohe ohmsche Last, welche die Amplitude des gemessenen Signals beeinträchtigen kann.

Aktive Tastköpfe

Besitzt das Oszilloskop eine Bandbreite von 500 MHz oder mehr, sind aktive Tastköpfe sinnvoll. Trotz des hohen Preises ist ein aktiver Tastkopf bei hohem Bandbreitenbedarf das Mittel der Wahl.

Aktive Tastköpfe sind teurer als passive, und sie weisen einen kleinen Eingangsspannungsbereich auf, aber aufgrund ihrer erheblich geringeren kapazitiven Last bieten sie einen genaueren Einblick in schnelle Signale. Sie brauchen immer eine externe Stromversorgung.

Viele moderne aktive Tastköpfe kommen an »intelligente« Schnittstellen, die als Kommunikationsverbindung zwischen dem Oszilloskop und kompatiblen Tastköpfen dienen und auch die Stromversorgung bereitstellen (Bild 3).

Typischerweise erkennt die Tastkopfschnittstelle den Typ des angeschlossenen Tastkopfes und stellt Eingangsimpedanz, Teilerfaktor, Versorgungsspannung und Offsetbereich passend ein.

Die höhere Bandbreite eines aktiven Tastkopfs ist ein klarer Vorteil gegenüber seinem passiven Gegenstück.

Häufig übersehen Anwender allerdings die Auswirkung der Verbindung zum Messobjekt, also den Faktor, den man »Bandbreite der Verbindung« nennt.

Obwohl im Datenblatt eines bestimmten aktiven Tastkopfs eine beeindruckende Bandbreite spezifiziert sein mag, gilt diese nur unter idealen Bedingungen.

Im realen Einsatz, in dem der Anwender irgendwelche Hilfsteile an die Tastkopfspitze anschließt, kann die reale Leistung des Tastkopfs erheblich schlechter sein als die Spezifikation angibt.

Die Leistung eines aktiven Tastkopfs ist in der Praxis von der Verbindung zum Testobjekt dominiert.

Parasitäre Komponenten links des Punktes Vatn in Bild 4 bestimmen im tatsächlichen Einsatz in Hochfrequenzanwendungen ganz wesentlich die Leistung eines Tastkopfsystems.

Beispielsweise bietet der unsymmetrische aktive Tastkopf »N2796A« von Agilent mit Tastspitze und 2 cm langer Verbindung nach Masse eine Bandbreite von 2 GHz.

Ersetzt der Anwender die Tastspitze und die Masseverbindung durch einen zweipoligen Adapter von 10 cm Länge, so verringert sich die Bandbreite des Tastkopfs auf 1 GHz.

Mit zusätzlichen Abgreifklemmen fällt die Bandbreite weiter auf nur noch 500 MHz.

Wer also auf maximale Leistung des Tastkopfs Wert legt, muss die Verbindung zum Eingang des Tastkopfes so kurz wie irgend möglich halten (Bild 5).