Messdaten aufnehmen Wie sich der Tastkopf-Flaschenhals bei einem Oszilloskop umgehen lässt

Bei einem Messsystem aus mehreren Komponenten sind die Tastköpfe und Messadapter die schwächsten Glieder. Abhilfe schafft die Frequenzgang- und Frequenzgangkompensation.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

dataTec AG

ISH Ingenieursozietät GmbH

Agilent Technologies Sales & Services GmbH & Co KG

Jedes Messsystem ist nur so gut wir sein schwächstes Glied. Die Bandbreite eines Oszilloskops ist eine wesentliche Spezifikation, aber ein Messsystem besteht aus mehr als dem Oszilloskop und das schwächste Glied ist oft nicht das Oszilloskop.

Ein Messsystem besteht aus Tastköpfen, Kabeln, Verbindern und Messadaptern – und alle können die Bandbreite mehr einschränken als das Oszilloskop. Kabel und Verbinder haben zwar typischerweise nur eine sehr geringe Dämpfung, Tastköpfe und Messadapter aber oft eine ganz erhebliche. Die Oszilloskophersteller tun sich schwer damit, dass das Zubehör mit der Bandbreite der Oszilloskope mithält. Echtzeitoszilloskope sind mittlerweile bei einer Bandbreite von 63 GHz angekommen, die Tastköpfe sind erst bei 30 GHz.

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Ein weiteres Problem mit der Bandbreite von Tastköpfen ergibt sich dadurch, dass verschiedene Hersteller unterschiedliche Methoden zur Frequenzgangkompensation einsetzen. Eine solche Kompensation ist schlicht ein Filter, das ein Oszilloskop zur Laufzeit anwendet und das den Frequenzgang eines Tastkopfes glättet. Ein flacherer Frequenzgang bedeutet genauere und besser reproduzierbare Messungen.

Weil es so schwierig ist, breitbandige Tastköpfe zu bauen, und weil es mehrere Methoden zur Frequenzgangkompensation gibt, ist es nicht unwahrscheinlich, dass die Tastköpfe das schwächste Glied des Messsystems darstellen. Hat man die Genauigkeit seiner Messung im Blick, reicht es daher nicht, sich auf die Bandbreite des Oszilloskops zu verlassen. Man muss vielmehr den Einfluss von Bandbreite und Frequenzgang der Tastköpfe auf die Messung kennen und richtig einschätzen.

Den Frequenzgang eines Tastkopfes ermitteln

Zur Messung des Frequenzgangs eines Tastkopfes arbeiten die Oszilloskophersteller typischerweise mit zwei Methoden, die man V_in/V_out und V_src/V_out nennt. Hierbei ist:

• V_in: Die Spannung am Eingang des Tastkopfes, wobei der Tastkopf das Messsignal belastet

• V_out: Die Spannung, wie sie das Oszilloskop am Ausgang des Tastkopfes sieht

• V_src: Die Spannung am Eingang eines idealen Tastkopfes oder auch das ursprüngliche Messsignal ohne Belastung durch einen Abgriff

Ziel einer Frequenzgangkorrektur ist ein ideal glatter Frequenzgang des Tastkopfes über die gesamte Bandbreite hinweg. Dazu korrigiert man V_out so, dass V_out = V_in (bzw. V_src) ist. Der Hauptunterschied zwischen beiden Verfahren liegt darin, dass V_in/V_out die Belastung des Messsignals durch den Tastkopf berücksichtigt, während dieser Effekt bei der Kompensation nach dem Verfahren bei V_src/V_out vernachlässigt wird.

Das Verfahren V_src/V_out funktioniert gut in einer 50-Ohm-Umgebung oder dann, wenn die Impedanz am betreffenden Messpunkt bei der Kompensation bekannt ist. Weicht die Impedanz des Messpunkts von 50 Ohm ab, werden die Ergebnisse mit wachsender Abweichung immer ungenauer, wenn man die Kompensation nicht nachführt.

Das Verfahren V_in/V_out berücksichtigt die Impedanz des Tastkopfes, daher ist die so erzielte Frequenzgangkompensation unabhängig von der Impedanz des Messpunkts. Die Unabhängigkeit von der Quellimpedanz ist somit ein grundsätzlicher Vorteil dieses Verfahrens.

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