Praxistipp Messtechnik So wählen Sie Oszilloskop, Digitizer und DMM aus

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

Ist das geeignete Messverfahren gewählt und steht der Prüfaufbau fest, dann muss das Messgerät ausgewählt werden: Oszilloskop, Digitizer oder DMM. Wir geben Tipps bei der Auswahl der Geräte.

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Ob für eine eingebettete Schaltung oder im Automobilbau: Das geeignete Messverfahren hängt vom Prüfaufbau ab. Digitizer, Oszilloskop oder DMM – wir geben Tipps zur Auswahl.
Ob für eine eingebettete Schaltung oder im Automobilbau: Das geeignete Messverfahren hängt vom Prüfaufbau ab. Digitizer, Oszilloskop oder DMM – wir geben Tipps zur Auswahl.
(Bild: Clipedealer)

Die Aufgaben beim Test von elektronischen Baugruppen werden immer komplexer. Nach der Auswahl der geeigneten Messverfahren und des Prüfaufbaus ist die Auswahl des geeigneten Messgerätes eine der wichtigsten Aufgaben des Testingenieurs. In diesem Zusammenhang steigen auch die Anforderungen an die in Prüfsystemen eingesetzten Geräte. Das gilt für den Einsatz im Labor ebenso wie bei Produktions-Testsystemen.

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Hier spielt zusätzlich die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb sowie die Testgeschwindigkeit eine entscheidende Rolle. Die Kernkomponenten eines Prüfsystems lassen sich in zwei Grundtypen einteilen. Stimuli-Geräte generieren Signale für den Prüfling und elektrische Messgeräte erfassen die vom Prüfling gelieferten Signale. Für die Messgeräte sind Digital-Multi-Meter (DMM) und Oszilloskope die mit Abstand am weitesten verbreiteten Geräte.

Im Produktionstest finden sich häufig so genannte Digitizer, welche aufgrund der steigenden Testanforderungen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die weiteren Artikel dieser Artikelserie widmen sich speziell diesen drei Messgeräte-Typen. Sie geben dem Anwender eine Hilfestellung bei der Auswahl des für ihn optimalen Gerätes und zeigen möglich Maßnahmen zur Vermeidung von Messfehlern auf.

Das Problem der unterschiedlichen Spezifikationen

Der Anwender steht oft vor dem Problem, dass bereits bei scheinbar einfachen Geräten wie einem DMM, die Spezifikationen der einzelnen Hersteller so unterschiedlich aufgebaut sind, dass ein Vergleich nur mit relativ großem Aufwand möglich ist. Bei der Auswahl von Messgeräten, welche die Anforderungen der Prüfspezifikation erfüllen können, müssen sowohl die Messunsicherheiten aus der Messgerätespezifikation entnommen werden, als auch zusätzlich die Tatsache, wie ein Messgerät das zu messende Signal beeinflusst.

Relevante Auswirkungen hat beispielsweise die Eingangsimpedanz, deren ohmscher Anteil mit Gleichstromanteilen meistens 10 MOhm und mit Wechselstromanteilen sehr oft nur 1 MOhm beträgt. Ebenso sind die Eingangskapazitäten zu beachten, welche je nach Gerätetyp von 10 pF bis 300 pF variieren können. Diese bilden bei AC-Messungen zusammen mit dem Messobjekt einen Tiefpass und können damit das Messergebnis deutlich verfälschen. Bei den Bezeichnungen erdfrei, isoliert oder floating ist allerdings in mehrerlei Hinsicht Vorsicht geboten.

Messeingänge gegenüber Erde isoliert

Beim Einsatz eines solchen Gerätes ist unbedingt zu prüfen, bis zu welcher Spannung die Messeingänge gegenüber Erde isoliert sind. Möchte man an einer Hochvoltbatterie eine einzelne Zelle im Stack vermessen, muss das Messgerät auch bis zu dieser Spannung gegenüber Erde isoliert sein. Um hier eine Fehlbedienung und damit eine Gefährdung auszuschließen empfiehlt es sich, dass das ausgewählte Messgerät im gesamten verfügbaren Messbereich auch von Erde isoliert ist. Ist ein Gerät beispielsweise nur bis 40 V gegenüber Erde isoliert, können Zellen über einer Spannung von 40 V nicht mehr einzeln vermessen werden. Ein Gerät mit einer maximalen Eingangsspannung von 250 V sollte mit diesem Wert von Erde isoliert sein, um es uneingeschränkt verwenden zu können.

Bei DMMs gehen viele Anwender automatisch davon aus, dass die Geräte erdfrei, also gegenüber dem Schutzleiter isoliert aufgebaut sind. Das ist üblicherweise auch der Fall, wenn man rein den ohmschen Widerstand zwischen Messmasse und Schutzleiter betrachtet. Die ohmsche Isolation liegt bei mehreren Gigaohm und kann damit unberücksichtigt bleiben. Manche DMMs weisen aber zwischen Messmasse und Schutzleiter zusätzlich eine erhebliche Kapazität auf, welche mehrere Nanofarad annehmen kann (parasitäre Kopplung). Obwohl Kapazitäten mit Nanofarad klein erscheinen, muss geprüft werden, ob das Messobjekt dadurch zu stark belastet und somit ein weiterer relevanter Messfehler verursacht wird. Das geschieht aufgrund der Belastung des Messsignals durch die Eingangsimpedanz des Messgerätes.

Die verschiedenen Parameter bei der Messgeräteauswahl

Auch Größen wie die Messdauer sind von zunehmender Bedeutung, da sie den Durchsatz in Testsystemen deutlich beeinflussen. Zu beachten ist hierbei, dass die bei der Messung auftretende Messungenauigkeit mit steigender Messgeschwindigkeit stark zunimmt. Um effizient und schnell zu testen, muss neben der reinen Messdauer auch die Zeit für das Geräte-Setup, die im Testverlauf notwendigen Messbereichswechsel und die Datenübertragungszeit vom Messgerät zum PC berücksichtigt werden.

Erschwerend für die Planung des Testablaufes kommt hinzu, dass diese Zeiten in der Regel nicht in Datenblättern angegeben werden und somit experimentell für jedes Gerät bestimmt werden müssen. Das zeigt, dass bereits die Auswahl eines scheinbar so einfachen Gerätes wie eines DMMs bereits eine große Menge an Fragen aufwerfen kann. Bei Oszilloskopen und Digitizern sind die Parameter noch etwas vielfältiger.

Zudem beginnen die Grenzen zwischen DMM, Oszilloskop und Digitizer immer mehr zu verschwimmen: Früher wurden mit einem DMM Gleich-/Wechsel-Spannungen und -Ströme, sowie Widerstände gemessen. Die Integrationszeiten lagen typischerweise bei einer Sekunde. Mittlerweile können DMMs auch Signale abtasten, jedoch mit weitaus niedrigerer Samplerate als bei einem Oszilloskop.

Im Gegenzug lassen sich mit einem Oszilloskop DC-Mittelwerte und AC-Effektivwerte messen. Jedoch sind die Ergebnisse von geringerer Genauigkeit, da sie meist mit 8- bis 12-Bit-A/D-Wandlern ausgestattet sind. Außerdem ist die Messmasse eines Oszilloskops nicht erdfrei, sondern direkt mit dem Schutzleiter verbunden. Dadurch ist der Einsatz für viele Arten von Messungen, wie beispielsweise bei In-Circuit-Tests, deutlich einschränkt oder verursacht weitere Messfehler durch Masseschleifen. Eine Aufstellung von wichtigen Größen und ihren typischen Werten für die dargestellten Gerätegruppen zeigt die Tabelle in der Gallerie.

Testfall und Anforderungen genau kennen

Mittlerweile sind hochauflösende und gleichzeitig isoliert aufgebaute Digitizer mit einer Auflösung von bis zu 20 Bit verfügbar. Je nach Messaufgabe stellen sie eine Alternative zu DMMs und Oszilloskopen dar. Dass die Grenzen zwischen diesen Geräten noch weiter verschwimmen werden, zeigt ein neues Gerät, das demnächst auf den Markt kommen wird. Das Multi Measurement Device, kurz MMD, von VX Instruments vereint die folgenden Funktionen:

  • Digitizer 40 MS/s, 16 Bit, 250 V,
  • 24-Bit-DMM für DC-Spannung und -Strom, AC-Spannung und -Strom, Widerstand und LCR,
  • Timer/Counter mit verschiedenen Messfunktionen mit einer Auflösung von 25 ns und Spannungen bis 250 V,
  • Hochkonfigurierbare Triggereinheit und
  • voll-isoliert bis 250 V

Wichtig für den Anwender ist nach wie vor, seinen Testfall und die Anforderungen, sowie die Auswirkungen des Messgerätes auf die zu messende Größe genau zu kennen, um das richtige Messgerät zu wählen. Weiterhin ist der Aufbau und die Integration des Testsystems in die Produktion zu beachten. Die parasitären Kapazitäten und Induktivitäten sowie eingekoppelten Störungen, die beispielsweise durch lange Verkabelung entstehen, sollte der Entwickler besonders im Auge behalten.

In zwei weiteren Beiträgen werden zum einen ein Vergleich zwischen isolierter und erdbezogener Messtechnik, zum anderen mögliche Ursachen der Messwertbeeinflussung durch das Messgerät dargestellt und Hilfestellungen zur Bewertung und Minimierung gegeben.

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