Grundlagen eines Oszilloskops Verlässliche Signalaufnahme mit dem Oszilloskop, Teil 2

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

Der Tastkopf ist der Flaschenhals bei einer Messung mit dem Oszilloskop. Im zweiten Teil stellen wir Ihnen weitere 4 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)

Der Messtechniker muss sich auf seine Messergebnisse verlassen können: Die abgegriffenen Signale sollen das zeigen, wie sie in einer Testschaltung tatsächlich sind. Ohne die passenden Tastköpfe wird das Signal verzerrt oder die Messergebnisse sind irreführend.

Im zweiten Teil unseres Messtechnik-Tipps stellen wir Ihnen die restlichen 4 der 8 Grundregeln vor, um zuverlässige Messwerte mit einem Oszilloskop und dem entsprechenden Tastkopf zu erhalten. Den ersten Teil lesen Sie in unserer Ausgabe 8 oder online:

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.

Tipp 5: Potenzialfreies messen mit differenziellen Tastköpfen

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 (siehe Bild 1).

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 10/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

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.

Neben dem Problem des potenzialfreien messen mit einem differenziellen Tastkopf ist ein weiterer meist falsch verstandener Aspekte, dass die Gleichtaktunterdrückung die Genauigkeit einer Messung limitiert.

Tipp 6: Test auf Gleichtaktsignal-Unterdrückung

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 ein Signal auf dem Display des Oszilloskops sichtbar wird. Werden Signale erkannt, so sind sie Fehlsignale, die von einer nicht genügend starken Gleichtaktunterdrückung herrühren.

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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 (Bild 2).

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 (Bild 3) 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.

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Wird aufgrund sehr enger Boardverhältnisse eine Kabelverlängerung an der Tastspitze angebracht, so sollte in den Signalweg ein Widerstand eingebaut werden, der Resonanzeffekte wirkungsvoll dämpft (Bilder 4 und 5). Sind auf dicht bestückten Boards die Testpunkte nicht zugänglich, so können dünne Messkabel angelötet werden, um die Testsignale an die Tastspitze zu führen. Hier sollte der Widerstand die möglicherweise entstehenden Resonanzeffekte dämpfen.

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 ist der Widerstand in den signalführenden Pfaden einzubinden und die beiden zusätzlichen Kabellängen sollten gleich lang sein. Die Größe des Widerstandes kann durch einen Vergleich festgestellt werden. Ein bekannter Puls wird über einen Widerstand mit einem Scopekanal gemessen. Hat der Widerstand den richtigen Wert, sollte der Puls ohne Überschwingen und Ringing angezeigt werden. Ist das nicht der Fall, muss der Widerstandswert erhöht werden.

Das Tastkopf-Zubehör bietet eine flexible Möglichkeit und bietet dabei geringe kapazitive und induktive Belastung des Messpunktes sowie einen flachen Frequenzgang über den spezifizierten Frequenzbereich des Tastkopfes. Eine wiederholbare Messung beginnt immer mit der Wahl des richtigen Tastkopfes. Um das beste Ergebnis zu bekommen, müssen die entsprechenden Tastköpfe mit ihrem jeweiligen Zubehör gewählt werden.

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

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