Messdaten erfassen Aktiv oder passiv – der Einfluss des Tastkopfes auf das Messsignal

Autor / Redakteur: Holger Asmussen * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der folgende Beitrag befasst sich mit dem Einfluss des Tastkopfes auf das zu messende Signal und zeigt, wann ein passiver oder aktiver Tastkopf sinnvoll ist.

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Tastkopf: Bei den langsamen seriellen Bussen reicht ein passiver Tastkopf
Tastkopf: Bei den langsamen seriellen Bussen reicht ein passiver Tastkopf

Beim Einsatz von Oszilloskopen wird oftmals die Bedeutung der Tastköpfe für die originalgetreue Darstellung des zu messenden Signales unterschätzt. Das spüren Messtechniker häufig dann, wenn sie die standardmäßig mitgelieferten, passiven Tastköpfe verwenden. Passive Tastköpfe haben dabei Vor- und Nachteile, nur wenn man diese kennt, erzielt man das Optimum bezüglich der Signalintegrität.

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Was oft verkannt wird ist, dass jeder Tastkopf das zu messende Signal mehr oder minder belastet und es somit verändert. Streng genommen entspricht damit das Signal, welches man mit dem Oszilloskop analysiert, nicht wirklich der Realität.

Um den Einfluss der verwendeten Tastköpfe so gering wie möglich zu halten, muss sich der Anwender vor der Messung eines Signals klar werden, welche Randbedingungen am Device under Test, kurz DUT, vorherrschen. Bei einer Vielzahl von möglichen Messungen reicht der Standard-Tastkopf völlig aus, in anderen Fällen muss aber die Wahl des Tastkopfes der Applikation angepasst werden.

Soll beispielsweise eine Betriebsspannung überprüft werden, spielen Bandbreite und Eingangskapazität des Tastkopfes eine untergeordnete Rolle. Werden hingegen CMOS-Bausteine mit beispielsweise Signalanstiegszeiten von wenigen Nanosekunden betrachtet, kann der Standard-Tastkopf schnell an seine Grenzen stoßen.

Passive Tastköpfe sind günstig - taugen sie auch?

Bei den meisten Oszilloskopen der Klasse bis zu 500 MHz werden standardmäßig passive Tastköpfe mit folgenden Eigenschaften mitgeliefert:

  • Bandbreite passend zur Bandbreite des Oszilloskops
  • Teilung 10:1
  • Eingangswiderstand 10 MOhm
  • Eingangskapazität von 10 bis 20 pF

Neben dem Vorteil, dass diese Tastköpfe günstig und robust sind, haben sie bereits eine akzeptable Impedanz und belasten das DUT nur mäßig. Dieser Sachverhalt ist aber nur bei langsamen Signalen im untersten MHz-Bereich gültig. Ein wesentlicher Nachteil von passiven Tastköpfen liegt bei Anwendungen mit höheren Frequenzen in Ihrer Kapazität, mit der sie den Prüfling belasten. In der Regel handelt es sich hier um Kapazitäten zwischen 10 und 20 pF. Bei Standard TTL-Logik sollten die Ausgänge nicht mit mehr als 100 pF belastet werden, womit bereits durch den Tastkopf 10 bis 20% der maximal zulässigen Last erreicht werden.

Allgemein betrachtet stellt ein Tastkopf mit seiner Eingangskapazität und der Standardmasseleitung einen Schwingkreis dar. Dieser Schwingkreis wird durch das zu messende Signal angeregt. Um die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises in höhere Frequenzbereiche jenseits der gemessenen Signalfrequenz zu verschieben, muss man die Kapazität und/oder Induktivität verringern. Da die Eingangskapazität eines gegebenen Tastkopfes nicht änderbar ist, kann man nur die Induktivität vermindern, indem man die Masseleitung kürzt.

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Tastköpfe in der Messtechnik: passiv oder aktiv?

In der Messtechnik wird zwischen aktiven und passiven Tastkopf unterschieden. Passive Tastköpfe gehören meist zum Lieferumfang und sind an die Bandbreite des Oszilloskops angepasst. Ihre Impedanz liegt in einem akzeptablen Rahmen und das DUT wird nur mäßig belastet. Solange nur langsame Signale im unteren MHz-Bereich gemessen werden sollen, sind sie zu empfehlen.

Ein aktiver Tastkopf verfügt über eine integrierte Signalverstärkung und benötigt eine externe Stromversorgung. Solch ein aktiver Tastkopf weist eine Eingangskapazität von typisch 1 pF bei einem Eingangswiderstand von 1 MOhm bei Gleichspannung auf und verfügt über höhere Bandbreiten.

Das ist der Grund, warum in fast allen Bedienungsanleitungen der Hinweis steht, die Masse der zu messenden Schaltung so kurz wie möglich mit dem Tastkopf zu verbinden. Manche Tastköpfe, wie zum Beispiel der HZ355 aus dem Bild 1, verfügen standardmäßig über umfangreiches Zubehör unter anderem auch über eine kleine Massefeder, die maximal 1 cm lang ist und damit eine deutlich kleinere Induktivität als das Massekabel mit einer Länge von 10 cm mit Krokodilklemme aufweist.

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