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Modulare Messtechnik Tastköpfe und Sensoren im Einsatz mit modularen Digitizern

| Autor / Redakteur: Oliver Rovini * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wie lassen sich Tastköpfe und Sensoren mit modularen Digitizern korrekt verwenden? Wir betrachten verschiedene Arten von Tastköpfen und wie die Sensoren korrekt angeschlossen werden.

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Modulare Digitizer im Einsatz: Wir zeigen Ihnen den Einsatz von Tastköpfen und Sensoren.
Modulare Digitizer im Einsatz: Wir zeigen Ihnen den Einsatz von Tastköpfen und Sensoren.
(Bild: Spectrum Systementwicklung)

Tastköpfe wandeln Signalpegel um, passen Impedanzwerte an oder bieten praktische Verbindungsmethoden. Sensoren oder Transducer verwandeln physikalische Phänomene in elektrische Signale. Beispiele hierfür sind Stromtastköpfe, Beschleunigungssensoren und Photomultiplier. Digitizer von Spectrum unterstützen beide Arten von Eingangssignalen.

Die meisten passiven Oszilloskop-Tastköpfe sind mit den Eingängen des Digitizers kompatibel. Dennoch muss man die Auswirkungen der Tastköpfe auf den getesteten Stromkreis kennen. Man sollte auch wissen, wie die Daten zu skalieren sind. Im ersten Abschnitt des Beitrags beschreiben wir die Funktionsweise und die Auswirkung von Tastköpfen auf die Messung.

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Ein hochohmiger, passiver Tastkopf

Zuerst betrachten wir was passiert, wenn der Messpunkt über ein Koaxialkabel mit dem 1-MΩ-Eingang des Digitizers verbunden wird (Bild 1a). Ein Digitizer hat eine Eingangskapazität von ungefähr 35 pF. Das Koaxialkabel hat eine Kapazität von etwa 10 bis 30 pF pro Meter. Folglich liegt die Gesamtkapazität bei etwa 95 pF. Wenn man nun den kapazitiven Blindwiderstand (XC) für eine Kapazität von 95 pF bei 10 MHz errechnet, ergibt dies eine Impedanz von 168 Ω, die die zu messende Spannung deutlich abschwächen kann. Ein geschirmtes Kabel, das mit dem Digitizer verbunden ist, belastet den Stromkreis also mit dieser Kapazität.

Bei einem hochohmigen passiven Tastkopf kommt ein kapazitiv kompensierter Spannungsteiler zum Einsatz, der die Amplitude für gewöhnlich in einem Verhältnis von zehn zu eins (10:1) teilt. Ein solcher kompensierter Spannungsteiler würde eine Eingangskapazität von mindestens 10 pF mit zehnfacher Dämpfung ergeben, wodurch der Belastungswiderstand des Tastkopfs etwa um den Faktor 10 ansteigen würde (Bild 1b).

Die Eingangskapazität kann durch eine höhere Abschwächung des Tastkopfs weiter verringert werden, doch dies würde das beim Digitizer eingehende Signal abschwächen und die Messung von kleinen Signalen erschweren. In der Praxis ist eine Abschwächung von 10:1 in der Regel ein guter Kompromiss zwischen Signalamplitude und Belastungswiderstand.

Diese Art von Tastkopf kann über eine Bandbreite von bis zu 500 MHz verfügen. Doch kann bei höheren Frequenzen selbst diese niedrigere Tastkopf-Kapazität zu groß sein. Bei 500 MHz würde eine Tastkopf-Kapazität von 10 pF eine Impedanz von etwa 32 Ω ergeben, was die Spannung von allen Stromkreisen mit Ausnahme derer mit der niedrigsten Impedanz belasten würde. Bei niedrigeren Frequenzen ist dies weniger problematisch.

Der Tastkopf schwächt die Eingangsspannung außerdem um den Faktor 10 ab. Das muss beim Digitizer-Eingang berücksichtigt werden. Darauf wird weiter unten in diesem Artikel eingegangen.

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