Oszilloskop Die Rolle von aktiven und passiven Tastköpfen für präzise Messungen

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Allein die Qualität eines Oszilloskops garantiert noch keine exakten Messergebnisse. Denn einen wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisse und die Signaltreue hat das Tastkopfsystem. Eine ungeeignete oder fehlerhafte Signalzuführung kann selbst die besten Oszilloskop-Spezifikationen zunichtemachen.

Beim Thema Messgenauigkeit konzentrieren sich viele auf Spezifikationen wie Abtastrate, Bandbreite sowie A/D-Wandler und damit die Auflösung eines Oszilloskops. Doch um wirklich präzise Messergebnisse zu erhalten, muss der gesamte Messaufbau betrachtet werden – insbesondere die Verbindung zwischen Oszilloskop und Prüfling (DUT). Ein oft unterschätzter, aber entscheidender Faktor für die Signaltreue ist die Qualität des Tastkopfs. Ein geeigneter Tastkopf gewährleistet, dass das am Oszilloskop ankommende Signal unverfälscht bleibt. Ohne eine saubere Signalaufbereitung können selbst hochauflösende Oszilloskope irreführende Ergebnisse liefern. Daher ist das Tastkopfsystem ein zentrales Glied in der Messkette und von entscheidender Bedeutung für verlässliche Messergebnisse.

Tastköpfe sind essenzielle Werkzeuge und müssen in Bezug auf Sicherheit, Präzision und Benutzerfreundlichkeit sorgfältig ausgewählt werden. Wichtige Auswahlkriterien sind unter anderem:

• Art des Tastkopfs (passiv oder aktiv),

• Bandbreite und Eingangswiderstand,

• Kapazitive und induktive Belastung und

• mechanische Eigenschaften wie Spitzenform und Befestigungsmöglichkeiten.

Ein breites Angebot an Tastköpfen für verschiedene Anwendungen sowie fundierte Ressourcen zur richtigen Auswahl und Handhabung sind entscheidend.

Von Tastköpfen und der notwendigen Signaltreue

Die Genauigkeit, mit der ein Oszilloskop ein Signal misst, wird nicht durch einen einzelnen Parameter bestimmt. Ein häufiges Missverständnis ist die Verwechslung der Genauigkeit mit der Auflösung des A/D-Wandlers des Oszilloskops. Eine höhere Auflösung bedeutet zwar eine genauere Darstellung eines Signals, berücksichtigt aber nicht Probleme wie Signalverzerrung oder Rauschen oder die Qualität des kritischen Signalpfads, der die Signale zum A/D-Wandler führt.

Eine Möglichkeit, diese Probleme zu berücksichtigen, besteht darin, die ENOB als Maß für die tatsächliche Auflösung eines A/D-Wandlers nach Berücksichtigung von Rauschen, Verzerrungen und anderen Schwachstellen in der Oszilloskop-Frontend-Messkette anzugeben. Eine Schlüsselkomponente dieser Messkette ist das Abtastsystem. Um eine höhere ENOB zu erreichen, müssen sowohl das Oszilloskop als auch das Tastkopfsystem optimiert werden. So kann die Kombination eines hochauflösenden Oszilloskops mit einem Tastkopf minderer Qualität zu weniger genauen Messungen führen als die Verwendung eines hochwertigen Tastkopfes. Mit einem hochwertigen Tastkopf bleibt die Signaltreue erhalten, so dass das Oszilloskop seine hohe Auflösung voll ausnutzen und genaue Messungen liefern kann.

Passive Tastköpfe bereits oft im Lieferumgang enthalten

Die gebräuchlichsten Tastköpfe für allgemeine Messungen sind passive Tastköpfe, die in der Regel mit dem Oszilloskop mitgeliefert werden. Passive Standard-Tastköpfe sind ein oft unterschätztes Werkzeug. Jedes Oszilloskop-Frontend hat eine maximale Eingangsspannung, die es verarbeiten kann, ohne das Signal durch Clipping zu beeinträchtigen oder das Oszilloskop durch zu lange oder zu starke Übersteuerung zu beschädigen.

Passive Tastköpfe dämpfen die Amplitude des Signals, bevor es das Oszilloskop erreicht. Das stellt sicher, dass das Oszilloskop das Signal verarbeiten kann, was die Tastköpfe zu einem sehr wichtigen Werkzeug für die Signaltreue macht. Passive Tastköpfe bieten heute eine sehr große Bandbreite von bis zu 1 GHz und eine sehr geringe kapazitive Last, um die Signaltreue bei Anwendungen mit hohen Impedanzen zu erhalten. Passive Tastköpfe werden verwendet, um Signale von Schaltungen mit hoher Impedanz zu messen, ohne die Schaltung selbst stark zu beeinflussen. Um eine Beeinflussung der Schaltung zu vermeiden, müssen die Tastköpfe daher eine sehr geringe Kapazität und eine ausreichend große Bandbreite aufweisen, um einen großen Frequenzbereich genau erfassen zu können.

Aktive Tastköpfe speziell für Hochgeschwindigkeitssignale

Eine weitere Kategorie von Tastköpfen sind die aktiven Tastköpfe. Mit ihnen lassen sich digitale Signale mit hoher Geschwindigkeit messen. Die Verwendung passiver Tastköpfe in solchen Anwendungen würde die Schaltung überlasten und die Signalbandbreite einschränken. Aktive Tastköpfe verfügen über präzise integrierte Verstärker und belasten die Schaltung nur minimal, um die Signaltreue zu erhalten. Damit entsprechen sie den tatsächlichen Anforderungen viel besser.

In einigen Fällen, wie bei schnell schaltender Leistungselektronik, werden Tastköpfe benötigt, die einen großen Bereich von Signalgeschwindigkeiten und sehr hohe Spannungen verarbeiten können. In diesen Fällen werden hochwertige differentielle Tastköpfe verwendet, die über eine große Bandbreite verfügen und hohe Spannungen tolerieren können.

Tastköpfe in der Leistungselektronik

In der Leistungselektronik erfordert das Messen schnell schaltender Bauteile häufig eine galvanische Trennung, um eine effektive Gleichtaktunterdrückung über eine breite Frequenzspanne zu gewährleisten. Dies ist besonders wichtig bei Messungen an erdfrei schaltenden MOSFETs. In solchen Anwendungen spielt die Isolation eine zentrale Rolle, da eine zuverlässige Unterdrückung von Störungen und Rauschen aus der Umgebung entscheidend ist. Gerade bei der Verarbeitung kleiner Differenzsignale, die von starkem Gleichtaktrauschen überlagert werden, ist eine präzise Messung nur mit einer durchdachten Isolationsstrategie möglich.

Ein hochwertiges Tastkopfsystem trägt entscheidend zur Signaltreue bei, indem es durch sorgfältig abgestimmte Kabel, Adapter und Tastköpfe eine wirksame Abschirmung und Isolierung gewährleistet. Dadurch werden Masseschleifen und Gleichtaktstörungen minimiert, die das Messergebnis verfälschen könnten. Besonders wichtig sind speziell entwickelte Spitzen und Adapter, die für unterschiedliche Testpunkte wie Fine-Pitch-Leitungen, Testpads oder Durchkontaktierungen optimiert sind. Die Wahl der passenden Spitze stellt sicher, dass das Signal unverfälscht erfasst wird – frei von zusätzlichen Widerständen, Kapazitäten oder Induktivitäten, welche die Signaltreue beeinträchtigen könnten.

Ein präzise abgestimmtes Tastkopfsystem

Selbst ein Oszilloskop mit einem A/D-Wandler und hoher Auflösung kann keine präzisen Messungen liefern, wenn minderwertige Tastköpfe die Signalqualität bereits vor der Erfassung beeinträchtigen. Verzerrungen, Rauschen oder unerwünschte Belastungseffekte können die Messergebnisse verfälschen und die tatsächlichen Vorgänge im Prüfling ungenau widerspiegeln. Eine hochwertige Signalkonditionierung beginnt mit der richtigen Wahl des Tastkopfs. Nur ein präzise abgestimmtes Tastkopfsystem gewährleistet, dass das Signal unverfälscht vom Prüfling zum Oszilloskop gelangt. Ein erstklassiger Tastkopf erhält Amplitude, Frequenzgang und Phasencharakteristik des Signals, ohne störende Einflüsse hinzuzufügen. Wenn höchste Messgenauigkeit gefragt ist, muss die Signaltreue von der Quelle bis zur Anzeige oberste Priorität haben. (heh)

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* Misba Dhuca ist Technical Marketing Manager bei Tektronix.

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