Grundlagen eines Oszilloskops

Die verlässliche Signalaufnahme mit dem Oszilloskop

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Tipp 4: Wie sich kleine Ströme messen lassen

Nachdem moderne Geräte immer mehr mit Batterien bzw. Akkus ausgestattet werden und die Betriebsdauer durch verbesserte Effizienz verlängert wird, kommt der Messung kleiner Ströme bei hoher Mess-Empfindlichkeit wachsende Bedeutung zu. Der Schlüssel für die effiziente Energienutzung liegt darin, den durchschnittlichen Stromverbrauch bei gegebener Versorgungsspannung zu reduzieren, um die Batterie- oder Akku-Nutzungsdauer zu verlängern. Der Nachteil ist, dass der Strom einen weiten Dynamikbereich umfasst – vom Einschaltstrom zum Aktiv-Status bis hin zum Standby eines Mobilteiles. In der aktiven Phase erreicht der Strom in der Spitze 2 A und während der inaktiven Zeit ist der Strom extrem klein.

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Die meisten Stromzangen sind nicht geeignet, sehr kleine Ströme bzw. den schnellen Wechsel von hohen Strömen im Ampere-Bereich zu sehr kleinen Strömen im Submilli-Ampere-Bereich exakt zu messen. Mit einem speziellen Tastkopf von Keysight (Bild 3) lassen sich drastische Stromänderungen von 50 µA bis 5 A bei bis zu einer Bandbreite von 3 MHz messen. Der Oszilloskop-Strom-Tastkopf bietet zwei Signalpfade und beinhaltet zwei parallele Differenz-Verstärker mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren. Sie ermöglichen sowohl hohe Ströme mit dem einen Differenzverstärker und kleine Ströme mit dem anderen Differenzverstärker zu erfassen.

Mit der entsprechenden Software der Infiniium-Oszilloskope lassen sich die Flächen unter den jeweiligen Stromkurven bilden, um den Durchschnittsstrom über der Zeit zu errechnen. Mit den beiden Strom-Tastköpfen lässt sich dynamisch der Energieverbrauch von Mobilgeräten erfassen, um daraus das Einsparpotenzial zu erkennen.

Tipp 5: Sichere potenzialfreie Messungen mit differenziellen Tastköpfen

Zuweilen müssen Messungen durchgeführt werden, bei denen keiner der beiden Messpunkte direkt auf Masse liegt. Die direkte Messung der Spannung über den Serienregler U1 eines linearen Netzteiles. Bei den meisten Oszilloskopen ist die Tastspitze am Messpunkt und am Eingangsverstärker, wobei der andere Pol der Tastspitze mit der Masse des Oszilloskops verbunden ist. Die Messung ist also eine Differenzmessung zwischen dem Messpunkt und Masse.

Wird die Tastkopfmasse an einen anderen Pegel als Masse verbunden, wird dieser Punkt auf Masse gezogen (Kurzschluss). Wie kann dieses umgangen werden? – Indem man zwei Tastköpfe gleichen Typs verwendet und die beiden Signale auf zwei Kanäle des Oszilloskops führt. Die meisten Oszilloskope verfügen über eine Subtraktions-Funktion A-B, wodurch die Differenz dieser beiden Signale dargestellt werden kann. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die beiden Tastköpfe kompensiert sind.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 8/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar. Oder: Bestellen sie das Probeabo mit drei kostenlosen Ausgaben!

Bei dieser Methode liegt die Gleichtaktunterdrückung bei weniger als -20 dB (im 10:1 Modus). Ist das Gleichtaktsignal bei beiden Kanälen sehr groß aber das Differenzsignal klein, wird jeder Verstärkungsunterschied zwischen den beiden Kanälen die Differenz oder das A-B-Ergebnis signifikant beeinflussen. Eine plausible Prüfung ergibt den A-B-Fehler der beiden Kanäle zueinander, wenn mit beiden Oszilloskoptastköpfen dasselbe Signal aufgenommen wird.

Die Nutzung des differenziellen Hochvolt-Tastkopfes, wie die N2790A, ist die weitaus beste Methode, um sichere und genauere differenzielle Messungen durchzuführen. Mit einem differenziellen Verstärker in der Tastkopfspitze ist der N2790A in der Lage bis zu einer differenziellen Spannung von 1400 V Gleichspannung oder Spitzenwert einer Wechselspannung bei einer Gleichtaktunterdrückung von bis zu -70 dB bei 10 MHz zu messen. Ein differenzieller Tastkopf mit genügendem Dynamikbereich und Bandbreite ist Voraussetzung für „floating“ Messungen.

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