Grundlagen eines Oszilloskops Die verlässliche Signalaufnahme mit dem Oszilloskop

Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Tastkopf ist der Flaschenhals bei einer Messung mit dem Oszilloskop.In unserem Beitrag stellen wir Ihnen 8 Grundregeln vor, um zuverlässige Messwerte zu erhalten.

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Der Tastkopf ist für die Arbeit mit dem Oszilloskop ein wesentliches Werkzeug: Wir geben Ihnen insgesamt acht Tipps, um möglichst zuverlässige Messwerte zu erhalten.
Der Tastkopf ist für die Arbeit mit dem Oszilloskop ein wesentliches Werkzeug: Wir geben Ihnen insgesamt acht Tipps, um möglichst zuverlässige Messwerte zu erhalten.
(dataTec)

Für verlässliche Messergebnisse entscheidet nicht nur die Wahl des Oszilloskops. Auch die passenden Tastköpfe sind wichtig. Ansonsten kommt es zu verzerrten oder irreführenden Messergebnissen. Wir stellen Ihnen 8 Grundregeln vor, um möglichst zuverlässige Messwerte mit einem Oszilloskop und dem passenden Tastkopf zu erhalten.

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Tipp 1: Ein Passiver oder aktiver Tastkopf?

Für allgemeine Anwendungen im unteren Frequenzbereich bis ca. 600 MHz sind passive Hochimpedanz-Tastköpfe mit ohmschen Eingangsteilern die Wahl. Die robusten und kostengünstigen Tastköpfe bieten einen weiten Dynamikbereich >300 V bei einem hohen Eingangswiderstand, um auch eine Anpassung an den hohen Eingangswiderstand des Oszilloskops zu erreichen. Sie haben zwar eine höhere kapazitive Last und bieten daher eine geringere Bandbreite wie die passiven Tastköpfe mit niederer Impedanz oder gar wie die aktiven Tastköpfe. Über alles betrachtet sind die hochohmigen passiven Tastköpfe für die meisten analogen und digitalen Signalen bis ca. 600 MHz zur Fehlersuche geeignet, sofern die zu betrachtenden Frequenzanteile <600 MHz liegen.

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Zusammen mit dem Messtechnik-Distributor dataTec aus Reutlingen präsentieren wir eine Serie über Oszilloskope, bei der messtechnische Probleme in den Vordergrund gestellt werden. Wir wollen Ihnen, liebe Leser, mit dieser Serie neben Grundlagenwissen auch Problemstellungen aufzeigen. Sie dürfen gespannt sein!

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Für Anwendungen mit mehr als 600 MHz und einer höheren Messgenauigkeit sind aktive Tastköpfe vorzuziehen. Sie sind in der Anschaffung teurer als passive Tastköpe und ihre maximale Eingangsspannung ist limitiert. Durch die geringere Eingangskapazität lassen sich genauere Messungen durchführen und sie geben daher bei schnellen Signalen mit hohen Frequenzanteilen ein genaueres Bild der Signalrealität wieder. Für die Signalaufnahme wurde im linken Teil des Bildes 1 der passive Tastkopf N2873A mit einer Bandbreite von 500 MHz verwendet, im rechten Bild ein Single-ended aktiver Tastkopf N2796A mit einer Bandbreite von 2 GHz.

Die gelben Kurven geben in beiden Bildern jeweils das originale Generator-Signal wieder. Beide Kurven sehen gleich aus. Die grünen Kurven geben das Testpunkt-Signal wieder, wenn der jeweilige Tastkopf angeschlossen ist. In der linken Bildhälfte ist bereits die kapazitive Belastung spürbar. Die violette Kurve zeigt das mit den jeweiligen Tastköpfen gemessene Signal. Die Eingangsimpedanz (Widerstand, Kapazität und Induktivität) des passiven Tastkopfs belastet das Signal.

Auch wenn es den Anschein hat, dass der passive Tastkopf das zu messende Signal originalgetreu wiedergibt, so ist das Gegenteil der Fall: Die Anstiegszeit vergrößert sich auf 4 ns anstatt der erwarteten 600 ps. Hintergrund ist, dass durch die Eingangsimpedanz und die Bandbreite von 500 MHz des passiven Tastkopfs auf ein 583-MHz-Signal (=0,35 / 600 ps) [1] reduziert wird. Die parasitäre Kapazität und Induktivität führt am Tastkopfausgang zu Überschwingen und Einschwingeffekten (violette Kurven).

Das Messsignal wird nicht verfälscht, wenn man einen aktiven Tastkopf mit 2 GHz an den Testpunkt bringt. Die Signalkurve ist nahezu identisch mit der ohne den angeschlossenen aktiven Tastkopf. Ebenso sind die Messwerte für die Anstiegszeit mit Tastkopf bei 600 ps (grüne Kurve). Beim passiven Tastkopf mit einer Bandbreite von 3 MHz mit einer 15 cm langen Masseleitung und Krokodilklemmen hat sich die Anstiegszeit auf 740 ps vergrößert und das Ausgangssignal des passiven Tastkopfes auf bis zu 1,4 ns.

Tipp 2: Belastungscheck mit einem zweiten Tastkopf

Bevor mit dem Messen eines Testpunktes begonnen wird, sollte ein gleicher zweiter Tastkopf mit demselben Testpunkt verbunden werden. Dabei sollte kein Unterschied der beiden Messkurven sichtbar werden. Falls doch, ist das auf die Belastung durch den zweiten Tastkopf zurückzuführen. Im Idealfall würde ein Tastkopf eine 100-prozentig genaue Wiedergabe des Signals am Testpunkt ermöglichen. Grund: Der Tastkopf bietet einen unendlichen Widerstand, keine Kapazität und keine Induktivität. In der Realität ist der Tastkopf ein Teil der Schaltung und bringt eine zusätzliche Last und Impedanz an den Testpunkt.

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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!

Um den Einfluss einer Tastspitze auf das Signal am Testpunkt zu erhalten, wird eine zweite Tastspitze desselben Typs verwendet. Diese wird einmal mit dem Testpunkt kontaktiert. Das Signal wird auf einem zweiten Oszilloskopkanal dargestellt. Beide Kurven sind bei gleicher Skalierungs- und Offset-Einstellung deckungsgleich. Jetzt speichert man eine der beiden Kurven ab, löst die Verbindung eines Tastköpfes und vergleicht die gespeicherte Kurve mit der Kurve, bei der das Testpunkt-Signal mit nur einem Tastkopf belastet wurde.

Aus dem Vergleich lässt sich der Einfluss einer Tastspitze auf das Signal sehr gut erkennen. Die Konsequenzen: Entweder man verwendet einen Tastkopf, der eine deutlich geringere Belastung darstellt oder der verwendete Tastkopf wird besser abgeglichen. Im Beispiel wurde der Masse-Anschluss des Tastkopfes verkürzt und damit eine deutliche Verbesserung erreicht.

Tipp 3: Kompensation des Tastkopfes vor Einsatz

Die meisten Tastköpfe treffen die Eingangscharakteristik eines spezifischen Oszilloskopmodells. Kleine Varianzen von einem Scope zum anderen, desselben Modells oder von den unterschiedlichen Kanälen ein und desselben Oszilloskops können dazu führen, dass vor einer Messung der verwendete Tastkopf kompensiert werden muss.Dabei handelt es sich eher um einen Abgleich, der unbedingt vor einer Messung erfolgen muss, wenn der Tastkopf an einen anderen Kanal angeschlossen oder das Oszilloskop gewechselt wird.

Die meisten passiven Tastköpfe haben ein abgleichbares integriertes RC-Netzwerk, wobei der Abschwächungsfaktor über den gesamten Frequenzbereich des Oszilloskops gleich bleibt. Führt das verwendete Oszilloskop den Abgleich automatisch durch, dann sollte dieser Weg bevorzugt werden. Ansonsten muss manuell kompensiert werden.

Viele Oszilloskope verfügen über einen Rechtecksignalausgang, um einen Abgleich der Tastköpfe leichter durchzuführen. Die Tastspitze wird mit dem Rechtecksignalausgang verbunden und auf einen der Oszilloskopkanäle gegeben. Mit einem kleinen Schraubendreher lässt sich die Kurvenform genau zu einem Rechteck abgleichen. Wird der Abgleich nicht gemacht, können Messwerte und Messkurven völlig verfälscht wiedergegeben werden, da hohe Frequenzanteile unter- bzw. überbewertet werden.

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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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.

Tipp 6: Test auf Gleichtaktsignal-Unterdrückung

Eine der meist falsch verstandenen Aspekte ist, dass die Gleichtaktunterdrückung die Genauigkeit einer Messung limitiert. Ob mit einem Single-Ended oder einem differenziellen Tastkopf ist es immer lohnend beide Tastköpfe auf die Masse des DUT (Device under Test) zu legen, um herauszufinden, ob irgendein Signal auf dem Display des Oszilloskops sichtbar wird. Werden Signale erkannt, so sind sie Fehlsignale, die von einer nicht genügend starken Gleichtaktunterdrückung herrühren.

Gleichtaktrausch-Ströme können durch andere Quellen als der zu messenden Signalquelle hervorgerufen werden, die dann durch den Schirmmantel des Tastkopfkabels vom DUT zum Oszilloskop fließen. Quellen dieser Gleichtaktrausch-Ströme können sowohl innerhalb des DUT erzeugt oder extern durch Versorgungsspannungsrauschen (EMI oder ESD) hervorgerufen werden. Ein langes Massekabel bei einem Single-Ended-Tastkopf kann dieses Problem sehr signifikant verschlechtern. Aktive differenzielle Tastköpfe bieten eine wesentlich höhere Gleichtaktunterdrückung im Bereich von 80 dB und können dadurch Gleichtakt-Rauschsignale deutlich besser unterdrücken.

Tipp 7: Testen der Tastkopf-Kopplung

Wird der Tastkopf an den Testpunkt angeschlossen, sollte man anschließend das Kabel bewegen und in engen Schlaufen zusammendrücken. Beobachtet man eine deutliche Signaländerung am Oszilloskop, so wird wohl Energie auf die Schirmung des Kabels eingekoppelt, die zu dieser Variation des Messergebnisses führt. Wird zur Unterdrückung das Kabel durch einen Ferritkern geführt, so kann dieser Effekt beseitigt bzw. deutlich reduziert werden.

Der Ferritkern erzeugt auf dem Kabel eine zusätzliche Serienimpedanz zu dem Widerstandsbelag des inneren Leiterkabels. Der zusätzliche Ferritkern am Tastkopfkabel beeinflusst das zu messende Signal kaum, denn es wird durch den Innenleiter zum Oszilloskop geführt und fließt über den Außenleiter zurück, wobei durch den Ferritkern der durch Störungen induzierte Strom, der durch den Innenleiter fließen würde reduziert wird. Dabei ist die Positionierung des Ferritkerns auf dem Kabel von entscheidender Bedeutung. Wegen des Gewichts und zur leichteren Handhabung wird der Ferritkern meist am scopeseitgen Ende des Tastkopfkabels positioniert. Jedoch wird die Effektivität durch diese Positionierung deutlich reduziert.

Ein Verkürzen der Masseleitung bei einem Single-Ended-Tastkopf führt ebenfalls zu einer vorteilhaften Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung. Der Wechsel auf einen aktiven differenziellen Tastkopf ist die beste Wahl. Viele Anwender unterschätzen den Einfluss des Kabels auf die Variation in der Qualität und Wiederholbarkeit der Messungen – speziell bei höheren Frequenzen.

Tipp 8: Dämpfen der Resonanzeffekte

Die Messperformance wird wesentlich durch die Verbindung des Tastkopfes mit dem Oszilloskop beeinflusst. Nimmt die Geschwindigkeit in der Schaltung zu, wird man mehr Überschwingen, Ringing und andere Signalveränderungen feststellen, wenn ein Tastkopf angeschlossen wird. Tastköpfe bilden einen möglichen Resonanzkreis wenn sie an einen Testpunkt angeschlossen werden. Liegt die Resonanz in der Bandbreite des Oszilloskop-Tastkopfes, so lässt sich nicht eindeutig klären ob die Störung von der Schaltung herrührt oder erst durch den Tastkopf gebildet wurde.

Wird aufgrund sehr enger Boardverhältnisse eine Kabelverlängerung an der Tastspitze angebracht, so sollte in den Signalweg ein Widerstand eingebaut werden, der Resonanzeffekte wirkungsvoll dämpft. Sind auf dicht bestückten Boards die Testpunkte nicht zugänglich, so können dünne Messkabel angelötet werden, um die Testsignale an die Tastspitze zu führen. Allerdings sollte dann auch ein Widerstand eingesetzt werden, der die möglicherweise entstehenden Resonanzeffekte dämpft.

Bei einem Single-Ended-Tastkopf sollte der Widerstand nur in den Signalpfad eingebunden werden, wobei die Masseverbindung so kurz als möglich gehalten werden sollte. Bei einem differenziellen Tastkopf sollte je ein Widerstand in den signalführenden Pfaden eingebunden werden, wobei die beiden zusätzlichen Kabellängen gleich lang sein sollten. Die Größe des Widerstandes kann durch einen Vergleich festgestellt werden.

Zuerst wird ein bekannter Puls über einen Widerstand mit einem Scopekanal gemessen. Hat der Widerstand den richtigen Wert, sollte man einen Puls sehen, der ohne Überschwingen und Ringing auf dem Bildschirm des Scopes angezeigt wird. Ist dieses nicht der Fall, muss der Widerstandswert erhöht werden.

Das Zubehör zu den Tastköpfen bietet eine flexible Möglichkeit und bietet dabei geringste kapazitive und induktive Belastung des Messpunktes sowie einen flachen Frequenzgang über den spezifizierten Frequenzbereich des Tastkopfes. Wiederholbare Messungen beginnen immer mit der Verwendung des richtigen Tastkopfes. Um das beste Ergebnis mit dem Oszilloskop zu bekommen, müssen die richtigen Tastköpfe mit ihrem entsprechenden Zubehör gewählt werden.

Referenzen

[1] ELEKTRONIKPRAXIS, Heft 24, 2014, S. 32 u. 33

* Klaus Höing ist für die Öffentlichkeitsarbeit bei dem Messtechnik-Distributor dataTec in Reutlingen zuständig.

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