Tastköpfe und Sensoren im Einsatz mit modularen Digitizern

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Der Einsatz eines kapazitätsarmen Tastkopfes

Hochfrequenzmessungen erfordern Tastköpfe mit einer sehr geringen Eingangskapazität. Die Eingangskapazität kann stark reduziert werden, wenn man das Koaxialkabel als Übertragungsleitung betrachtet. Wenn der Digitizer-Eingang mit 50 Ω terminiert ist, beträgt die Impedanz auf der Tastkopfseite des Kabels unabhängig von der Frequenz konstant 50 Ω. Dieser sehr geringe Belastungswiderstand kann durch den Einsatz eines Spannungsteilers vergrößert werden. Ein Reihenwiderstand von 450 Ω teilt die Amplitude im Verhältnis 10:1 und ermöglicht einen relativ konstanten Belastungswiderstand von 500 Ω. Bei einem kapazitätsarmen Tastkopf (Bild 1c) kommt eine terminierte Übertragungsleitung zum Einsatz.

Die Eingangskapazität eines solchen kapazitätsarmen Tastkopfs ist relativ gering und beträgt für gewöhnlich den Bruchteil eines Pikofarads. Der begrenzende Faktor bei diesem Tastkopf ist der geringe Eingangswiderstand. Bei einem 10:1-Tastkopf beträgt der Eingangswiderstand nur 500 Ω und kann Stromkreise zu stark belasten. Diese Tastköpfe werden vor allem bei Hochfrequenzdesigns eingesetzt, wo die Stromkreise meist über 50-Ω-Leiterbahnen laufen.

Bei einem aktiven Tastkopf kommt ein kompensierter Spannungsteiler zum Einsatz, der einen Verstärker ansteuert. Der gepufferte Ausgang des Verstärkers steuert ein Koaxialkabel an, das mit seinem Wellenwiderstand terminiert ist, genauso wie beim kapazitätsarmen Tastkopf. Hier isoliert es die Probe außerdem gegen die kapazitive Belastung des Kabels und der Eingangsbeschaltung des Digitizers. Diese Tastköpfe werden für gewöhnlich von einem Oszilloskop mit Leistung versorgt und gesteuert. Um diese Tastköpfe mit einem Digitizer einsetzen zu können, muss der Tastkopfhersteller eine selbstständige Leistungsversorgung und bei Bedarf auch eine Bedienoberfläche bereitstellen.

Die Auswahl eines passiven Tastkopfes

Hochohmige passive Tastköpfe sind mit verschiedenen Abschwächungsverhältnissen verfügbar. Abschwächungen von 10:1 und 100:1 sind gängig. Da sie gegen die 1-MΩ-Terminierung des Digitizers arbeiten, ermöglichen sie einen Eingangswiderstand von 10 oder 100 MΩ. Digitizer mit einer Auflösung von 14 bis 16 Bit eignen sich gut für den Einsatz mit 100:1-Tastköpfen, da sie über einen ausreichenden Dynamikbereich verfügen, um kleine Signale nach der Tastkopfabschwächung darzustellen. Die Tastköpfe müssen auf die Eingangskapazität des Digitizers abgestimmt werden. Für einen Digitizerkanal mit einer Eingangskapazität von 35 pF muss man einen Tastkopf mit einem Kompensationskapazitätsbereich auswählen, der diese Kapazität abdeckt.

Die meisten hochohmigen passiven Tastköpfe verfügen über BNC-Steckverbinder. Wenn der Digitizer BNC-Eingänge hat, ist dies zwar von Vorteil, allerdings benötigen BNC-Steckverbinder auch viel Platz, und die Frontplatte eines Digitizers ist oft sehr klein. In diesem Fall benötigen sie gegebenenfalls einen Adapter. Wenn der Digitizer beispielsweise über SMA-Buchsen verfügt, ist ein SMA-zu-BNC-Adapter nötig, um den Tastkopf anschließen zu können. Kapazitätsarme Tastköpfe arbeiten gegen die 50-Ω-Eingangsterminierung des Digitizers. Da die kapazitätsarmen Tastköpfe für gewöhnlich Bandbreiten im GHz-Bereich unterstützen, verfügen sie üblicherweise über SMA-Steckverbinder.

Sensoren oder Transducer reagieren auf eine physikalische Eigenschaft und wandeln diese in einen Spannungspegel um, der dem Wert der gemessenen Eigenschaft entspricht. Ein geläufiges Beispiel ist ein Stromtastkopf. Er verwandelt den elektrischen Strom in eine elektrische Spannung, wobei der Spannungspegel dem gemessenen Strom entspricht. Die Tabelle zeigt einige häufig verwendete Sensoren sowie die gemessene physikalische Eigenschaft und die Maßeinheit.

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