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Messen mit dem Oszilloskop Den passiven Tastkopf ohne Probleme sicher einsetzen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der passive Tastkopf gehört standardmäßig zum Lieferumfang eines modernen Oszilloskops. Doch Einflüsse wie verschiedene Masseverbindungen und Geräteimpedanzen beeinflussen das Messsignal.

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Messdaten mit passiven Probes erfassen: Was muss ich beim messen beachten, damit die Messwerte nicht verfälscht werden? (Im Bild das HDO-MS-Oszilloskop von Teledyne LeCroy)
Messdaten mit passiven Probes erfassen: Was muss ich beim messen beachten, damit die Messwerte nicht verfälscht werden? (Im Bild das HDO-MS-Oszilloskop von Teledyne LeCroy)
(Teledyne LeCroy)

Die meisten Ingenieure nutzen für ihre messtechnischen Aufgaben einen passiven Tastkopf mit einer Teilung von 10:1. Denn so ein Tastkopf gehört zum Standardzubehör der meisten Oszilloskope. Auch Teledyne LeCroy bietet seine Oszilloskope mit 500-MHz-Tastköpfen an, die über eine breite Auswahl an Messspitzen und Masseanschlüssen verfügen. Im folgenden Text sollen die Auswirkungen von verschiedenen Masseverbindungen und Geräteimpedanzen auf das Messsignal untersucht werden.

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Der Eingangswiderstand und die Kapazität für jeden passiven Tastkopf kann aus dem Datenblatt entnommen werden. Typische Werte für einen 500-MHz-Tastkopf sind C = 9,5 pF und R = 10 MOhm. Nicht im Datenblatt zu finden ist die Leitungsinduktivität der Masseverbindung, da es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, wie der Anwender die Tastköpfe mit der Signalmasse verbinden kann. Typisch ist eine lange Masseleitung mit Krokodilklemmen. Doch das kann zu einer Masseschleife mit einer Induktivität größer als 200 nH führen, was die Leistung des Tastkopfes erheblich beeinträchtigt. Im Bild 1 ist ein Ersatzschaltbild für einen solchen Tastkopf dargestellt.

Ergänzendes zum Thema
Teledyne LeCroy auf dem Anwenderforum Oszilloskope

Thema: Signale richtig messen, analysieren und auswerten mit modernen Oszilloskopen.

Oszilloskope sind das meistgenutzte Arbeitsmittel von Ingenieuren in der Hardwareentwicklung. Diese Oszilloskope können heute nicht nur Signale erfassen und darstellen. sonder vielfältige Analysen, Auswertungen und auch Dekodierfunktionen übernehmen.

Trotz immer vielfältigerer und ausgeklügelter Software in den Geräten ist die Kenntnis der Grundlagen ein wichtiger Faktor um Messfehler zu verhindern. In diesem Vortag lernen Sie neben wichtigen Grundlagen, die bei der täglichen Arbeit oft vernachlässigt werden, Tipps und Tricks, wie Sie effektiv die volle Bandbreite der Möglichkeiten moderner Oszilloskope ausnutzen.

Weitere Details zum Anwenderforum Oszilloskope finden Sie hier

Was die Übertragungsfunktion genau aussagt

Der Eingangswiderstand von 10 MOhm ist so groß, dass er in den meisten Fällen vernachlässigt werden kann. Betrachten wir die Stromschleife Iground und schauen, welche Auswirkungen unterschiedliche Induktivitäten auf diese Schaltung haben und wie Messungen von so einem Tastkopf beeinflusst werden. Die Spannung über dem Kondensator ist der Wert, der vom Oszilloskop gemessen wird, und die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle ist das tatsächlich zu messende Signal. Um eine Vorstellung der unterschiedlichen Spannungen zu bekommen, muss man sich die Übertragungsfunktion der RLC-Schaltung anschauen. Die Übertragungsfunktion ist das Verhältnis der Spannung über den Kondensator Vc zur Spannungsquelle Vs. Sie berechnet sich aus der Impedanz des Kondensators geteilt durch die Summe aller Impedanzen.

Formel 1
Formel 1
(VBM)
Durch Auswählen einiger optimaler Werte für R und L sieht man die Bandbreite von 500 MHz, die mit dem Tastkopf im Idealfall erreicht werden kann. Ähnliche Ergebnisse können mit der Ground Plane von Teledyne LeCroy oder mit der Massefeder aus dem Tastkopfzubehör erreicht werden. Beide verfügen über eine Induktivität von 10 bis 20 nH. Dabei muss die ganze Masseschleife betrachtet werden und eine Verbindung zu einem nahe gelegenen Massepunkt am Messobjekt mit möglichst niedriger Induktivität hergestellt werden. Wird eine Kupferfolie auf einem IC aufgeklebt, lässt sich eine Masseverbindung herstellen, damit Länge und Induktivität möglichst klein bleiben.

Eine zusätzliche Induktivität auf das System

Oft wird aber als Masseverbindung die lange Krokodilklemme verwendet. Doch welche Auswirkung hat diese Masseleitung auf die Bandbreite und den Frequenzgang des Tastkopfes? Mit dieser Masseleitung hat die Masseschleife eine Länge von mindestens 25 cm. Mit 20 nH pro 2,5 cm als Faustregel lässt sich hier eine Induktivität mit rund 200 nH annehmen. Als Beispiel dient das Ausgangssignal eines ArbStudio-Funktionsgenerators, der eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm hat. Die zusätzliche Induktivität hat die Bandbreite von -3 dB des Tastkopfes von über 500 MHz auf 175 MHz reduziert. Zusätzlich wird die Resonanzfrequenz in den Bandbreitenbereich der Sonde auf 115 MHz verschoben. Bei einer Frequenz von 65 MHz ist immer noch ein Fehler von 40 Prozent zu sehen.

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