So schließen Sie das zu messende Objekt an

Autor: Boris Adlung, Rigol Technologies Europe

„Wofür brauche ich eine Sonde? Kann ich mit der Sonde alle Messungen durchführen? Welche Vorteile bietet dieses Instrument?“ Dies sind einige Fragen, die sich viele Entwickler stellen, wenn sie ein neues Oszilloskop in Betrieb nehmen.

eine logische Verbindung

Die Tastköpfe helfen, das Oszilloskop bei der Messung mit dem zu entwickelnden Objekt zu verbinden. Es gibt verschiedene Sonden, um verschiedene Arten von Tests durchzuführen. So lassen sich beispielsweise Ströme mit einer Strommesszange messen, digitale Signale aufzeichnen und auf einem digitalen Speicheroszilloskop (MSO) mit Logiktastkopf und entsprechender Schnittstelle darstellen. Das Ziel von Instrumenten im Allgemeinen ist nicht nur, einen vereinfachten Kontakt zwischen dem Messgerät und dem zu messenden Objekt herzustellen, sondern auch, dass die Messungen eine sehr hohe Genauigkeit des Signals bieten.

Wichtig ist, dass der Einfluss jeder Sondenart so gering wie möglich ist, um die Signalquelle, also das Prüfobjekt, nicht zu beeinflussen. Bei einem Messaufbau ist es auch wichtig zu wissen, was man messen möchte; beispielsweise sollte die Detektion unerwünschter Strahlung minimiert oder vollständig eliminiert werden.

Im Gegensatz zu einer Messleitung stellen Tastköpfe eine hochwertige Verbindung mit einer einfachen Verbindung her. Ein hoher Messwiderstand verhindert die Erfassung unerwünschter Interferenzen oder Rauschen aus dem Netzwerk. Der hohe Messwiderstand ermöglicht es, eine ideale Spannung am Tastkopf abzugreifen und somit eine optimale Verbindung zum Oszilloskop herzustellen.

gemeinsamer Eingangswiderstand

Eine passive Sonde hat beispielsweise zwei Kontaktpunkte: den aktiven Anschluss und den Masseanschluss. Für den aktiven Anschluss haben die passiven Sonden einen Haken, der einfach am Stromkreis befestigt werden kann, und eine Verbindung zur Erde über ein kurzes Kabel mit Krokodilklemme. Neben dem praktischen Anschlusskopf besteht die Sonde aus einem Koaxialkabel mit BNC-Stecker. Zusammen mit dem Oszilloskop definiert der Tastkopf den Eingangswiderstand der Messung. Das Oszilloskop hat eine Eingangsimpedanz von 1 MÙ und eine geringe Kapazität für Bandbreiten bis 350 MHz bzw. 500 MHz, die bei direktem Anschluss das Messobjekt belastet, so dass der Tastkopf eine reduzierte hinzufügen sollte Kapazität, so dass diese Last noch klein ist.

Spannungsbereich und Bandbreite

Ein passiver Tastkopf hat auch zwei Einstellungen, die verwendet werden können, um einen Spannungsteiler zu erhalten. Bei der normalen x1-Einstellung wird das Signal mit dem Tastkopf ohne Spannungsteiler bei 1 MÙ an das Oszilloskop angelegt. Die Messwerte werden dann 1:1 an das Oszilloskop weitergegeben. Dabei ist nicht nur der maximale Spannungsbereich begrenzt, sondern auch die Bandbreite. Höhere Spannungs- und Bandbreitenwerte können mit einer 10:1-Konfiguration erreicht werden. Allerdings muss in einem solchen Fall auch das Oszilloskop auf 10:1 für den Höhenabgleich eingestellt werden, um die richtige Amplitude anzuzeigen. In der 1:1-Konfiguration zusammen mit dem Oszilloskop ergibt sich folgender gemessener Widerstand Z_M:

Formel 1: Widerstandsmessung der Sonde (x1) zusammen mit dem Oszilloskop.

Hier sieht man, dass die Masseleitung (GND) induktiv ist. Je länger dieser Draht ist, desto mehr Induktivität hat er. Aus der Formel ist ersichtlich, dass mit zunehmendem ù (also der Bandbreite) auch dieser Widerstand zunimmt und damit auch der Einfluss (siehe Abbildung 2). Aus Formel 1 ist auch ersichtlich, dass die Kapazität einen Resonator erzeugt. Infolgedessen zeigen Messungen mit höherer Bandbreite einen zu hohen Wert, der durch Kürzen der GND-Leitung reduziert werden kann.

Pro Millimeter GND-Kabel entsteht eine Induktion von ca. 1 nH. Je kürzer die Verbindung zur Masse bei hohen Frequenzen, desto besser. Kürzere Verbindungen können mit einer Erdungsfeder hergestellt werden, um diese Effekte zu minimieren. Der x1-Verstärkungsfaktor kann bei Messungen verwendet werden, die eine Aufzeichnung mit niedriger Bandbreite und niedriger Spannung erfordern. Daher erfordern die meisten Messungen innerhalb des normalen Spannungs-/Bandbreitenbereichs vorzugsweise den x10-Verstärkungsfaktor. Am Beispiel des PVP2350, dem Standardtastkopf der Oszilloskopserie MSO5000, können beide Verstärkungsfaktoren eingestellt werden. Dabei können Spannungen bis 30 V gemessen werden._RMS bis x1 und Spannungen bis 300 V_RMS im x10-Bereich. Daher wird die Spannung um den Faktor 10 erhöht.

Die geringere Kapazität des Tastkopfs erhöht auch die Bandbreite von 35 MHz auf 350 MHz.Abbildung 1 zeigt auch eine Verbindung für x10. Vernachlässigt man den Widerstand des Koaxialkabels (da dieser << R_O und R_P) entsteht nun der Spannungsteiler nach Formel 2, wenn die Zeitkonstante wie in Formel 3 ausgedrückt berücksichtigt wird.

Formel 2: Mit einem auf x10 eingestellten Spannungsteiler verringern sich die Kapazitäten mit der gleichen Zeitkonstante wie Formel 3.

Formel 3: Zeitkonstante für den Spannungsteiler bei x10.

In den meisten Anwendungen können Messungen mit dieser Bandbreite und Spannungswerten bei x10 durchgeführt werden. In diesem Fall müssen Sie auch am Oszilloskop für den vertikalen Abgleich x10 einstellen. Bei der Verwendung eines Tastkopfes mit einem Oszilloskop müssen Sie immer die Bandbreite beider Elemente (Tastkopf und Oszilloskop) berücksichtigen. Die 3dB-Bandbreite wird maßgeblich durch den Tastkopf beeinflusst und sollte daher beim Kauf des Oszilloskops berücksichtigt werden. Wenn die Systembandbreite für die Anwendung zu gering ist, sollte eine Sonde mit höherer Bandbreite verwendet werden.

In Abbildung 1 wurde eine Kompensation integriert. In diesem Fall ist an der Sonde eine einstellbare Kapazität angebracht, die beim PVP2350 mit dem mitgelieferten Schraubendreher zwischen 10 pF und 25 pF zurückgesetzt werden kann.

Messungen mit höherer Impedanz werden in Anwendungen mit höherer Bandbreite nicht mehr verwendet. Das Ziel ist hier, eine Schaltungsabstimmung (normalerweise 50 Ω) zu erreichen, um unerwünschte Reflexionen zu vermeiden. Wird ein Tastkopf für Hochfrequenzanwendungen benötigt, können anstelle von passiven auch aktive Tastköpfe verwendet werden. Um die richtige Entscheidung zu treffen, ist es wichtig, dass der Verstärkungsfaktor in einer bestimmten Bandbreite angewendet werden kann und gleichzeitig die Schaltung nicht zu sehr beeinflusst.

Verstärker und Strommesszangen

Aktive Sonden integrieren einen linearen Breitbandverstärker, der mit Strom versorgt werden muss. Neben der Bandbreite erreicht das aktive Gerät eine sehr hohe Signalgenauigkeit bei geringer Eingangskapazität. Sein Nachteil ist die Begrenzung der Eingangsspannung (z. B. die maximale Spannung, die mit dem PVA8000 gemessen werden kann, beträgt 30 V_pico).

Stromzangen bieten eine Anschlussmöglichkeit zur Messung von Strömen. Da ein Oszilloskop ein Spannungsmesser ist, müssen diese Ströme in einen Spannungswert umgerechnet werden. Da die Spannung/Strom-Umwandlung aus dem Zangendatenblatt bekannt ist, kann der Strom mit der Verstärkung und der Einheit [A] auf dem Oszilloskop angezeigt und gemessen werden.

Stromzangen basieren auf einem Transformator, bei dem die Messleitung die Primärwicklung und die Stromzange die Sekundärwicklung darstellt. So können Wechselströme gemessen werden. Gleichströme werden mit einer Hallsonde gemessen.

differentielle Sonden

Differenzmessungen sind erforderlich, wenn Messungen zwischen zwei Werten der potenziellen Spannung durchgeführt werden. Für deren Durchführung stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Einerseits wird für schnelle differentielle Datensignale wie Ethernet oder LVDS ein Hochfrequenz-Differentialtastkopf benötigt. Andererseits werden im Bereich der Hochspannungsmessung differenzielle Tastköpfe benötigt, wenn man Spannungsdifferenzen messen möchte, die nicht Erde als Bezug nehmen. Für niedrigere Frequenzen können diese Messwerte auch mit zwei passiven Tastköpfen (Kanal 1: Potential 1, Kanal 2: Potential 2) und einer mathematischen Funktion (Kanal 2 – Kanal 1) angezeigt werden. Diese Messungen enthalten jedoch Rauschen, während ihres Betriebs können Fehler zwischen den Tastköpfen auftreten und die maximale Eingangsspannung der passiven Tastköpfe muss eingehalten werden.

Ein wichtiger Punkt, der bei Differentialtastköpfen zu berücksichtigen ist, ist der Gleichtaktunterdrückungsfaktor (CMRR). Gleichtaktänderungen sind ungewollte gleichzeitige Änderungen der Potentiale 1 und 2 gegenüber Masse, die am Ausgang sichtbar sind, da nur die Änderung zwischen den Potentialen 1 und 2 gemessen wird.Damit ist der Verstärkungsfaktor des Gegentaktes gegenüber dem Gleichtakt gemeint, der sollte viel höher sein. Dieser Wert hängt von der Bandbreite ab. Der Hochspannungs-Differentialtastkopf PHA2150 hat eine Bandbreite von bis zu 200 MHz und die maximal messbare Differenzspannung beträgt 1500 V. CMRR_CC ist >80 dB und CMRR_1MHz ist >50dB.