Messen mit dem Oszilloskop Den passiven Tastkopf ohne Probleme sicher einsetzen

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

Firmen zum Thema

Teledyne LeCroy GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

DMB Technics AG

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.

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 I_ground 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 V_c zur Spannungsquelle V_s. Sie berechnet sich aus der Impedanz des Kondensators geteilt durch die Summe aller Impedanzen.

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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