So wählen Sie den richtigen Tastkopf für Ihre Anwendung aus

Überblick

Ein Oszilloskop-Tastkopf ist ein wesentlicher Bestandteil eines analogen Messsystems. Ohne einen geeigneten Tastkopf ist das beste Oszilloskop nutzlos. Aus diesem Grund ist es wichtig, den richtigen Tastkopf auszuwählen, mit dem die zu testende Schaltung an Ihr Oszilloskop angeschlossen werden soll. Vor der Auswahl eines Tastkopfes ist es wichtig zu verstehen, wie Tastköpfe funktionieren und wie sie spezifiziert sind. Dämpfungsverhältnis, Bandbreite, Impedanz und Kapazität sind Spezifikationen, die alle Benutzer kennen sollten, bevor sie mit einem Oszilloskop arbeiten.

Inhalt

Was ist ein Oszilloskop-Tastkopf?

Ein Oszilloskop-Tastkopf berührt einen Testpunkt und überträgt elektrische Signaldaten von der zu testenden Schaltung an das Oszilloskop. Es gibt verschiedene Arten von Oszilloskop-Tastköpfen, die unterschiedliche Prüf- und Messanforderungen erfüllen, darunter Passiv-, Aktiv-, Differential- und Stromtastköpfe. Oszilloskop-Tastköpfe bestehen in der Regel aus einer leitfähigen Tastspitze, einem Tastkopf zur manuellen Justierung und einem Kabel, das mit einem Oszilloskop verbunden ist.

Aktiv- und Passivtastköpfe

Abbildung 1: Aktiv- und Passivtastköpfe sind für unterschiedliche Anwendungen vorgesehen und erfüllen unterschiedliche Messkriterien. Lesen Sie weiter für weitere Informationen.

Passivtastköpfe

Passivtastköpfe werden am häufigsten genutzt und bestehen nur aus passiven Schaltungselementen. Diese Tastköpfe können eine 1:1-Verbindung, also eine direkte Verbindung zum Oszilloskopeingang, oder eine Dämpfung eines bestimmten Werts mithilfe eines Spannungsteilers oder einer anderen Schaltung bereitstellen. Passivtastköpfe sind in der Regel kostengünstig, robust und flexibel. Sie werden zur Spannungsmessung eingesetzt und haben eine relativ geringe Bandbreite. Lesen Sie weiter, um mehr über die einzelnen Spezifikationen in Tabelle 1 zu erfahren.

PassivtastköpfeSP500XSP500CCP500XCP400X
Bandbreite500 MHz500 MHz500 MHz400 MHz
Dämpfungsverhältnis10:1100:110:110:1
Eingangswiderstand10 MΩ100 MΩ10 MΩ10 MΩ
Eingangskapazität11 pF4,6 pF10 pF13 pF
Kapazitätskompensationsbereich10–25 pF10–25 pF7–25 pF10–40 pF
Anstiegszeit0,9 ns0,9 ns0,7 ns0,9 ns
Maximale Eingangsspannung300 V
(DC + Peak AC)
300 V
(DC + Peak AC)
60 V
(DC + Peak AC)
60 V
(DC + Peak AC)
Oszilloskop-Eingangsimpedanz1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ
SteckverbinderBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-BNCBNC-auf-BNC
Kabellänge1,2 Meter1,2 Meter1,2 Meter2 Meter

 

Tabelle 1: NI bietet Passivtastköpfe, die ausgewählt wurden, um die Leistung von NI-Oszilloskopen zu optimieren.

Passivtastkopf (Kompatibilität mit Oszilloskopen von NI)

Nicht alle PXI-Oszilloskope können mit allen Tastköpfen verwendet werden. Der 1-MΩ-Eingangskapazitätsbereich eines Passivtastkopfes passt möglicherweise nicht zur 1-MΩ-Eingangskapazität eines bestimmten Oszilloskops. Alle Oszilloskop-Tastköpfe von NI sind mit BNC-Anschlüssen ausgestattet. Daher benötigen PXI-Oszilloskope mit SMA- oder SMB-Frontpanel-Anschlüssen Adapter (siehe folgende Tabelle).

NI-OszilloskopSP500XSP500CCP500XCP400X
PXIe-5105
PXIe-5110
PXIe-5111
PXIe-5113
PXIe-5114
PXIe-5122
PXI-5124
PXI-5142
PXI-5152
PXI-5153
PXI-5154
PXIe-5160
PXIe-5162
PXIe-5163
PXIe-5164
PXIe-5170
PXIe-5171
PXIe-51721111
PXI-5922

 

1 Erfordert SMB-auf-BNC-Adapter

Tabelle 2: Mit Passivtastköpfen kompatible PXI-Oszilloskope.

Lasteffekte

Oszilloskop-Tastköpfe können Signale auf verschiedene Weise beeinflussen. Der Eingangswiderstand, die Kapazität und die Bandbreite eines Tastkopfes bestimmen, wie stark das Signal verändert wird, das an das Oszilloskop übertragen wird. In diesem Abschnitt werden die physikalischen Phänomene besprochen, die diese Veränderungen verursachen. Praktische Anwendungen dieser Effekte finden Sie im Abschnitt Beispiele für Lasteffekte.

Die Impedanz der Schaltung und die Eingangsimpedanz des Oszilloskops ergeben zusammen einen Tiefpassfilter. Bei sehr niedrigen Frequenzen wirkt der Kondensator als Leerlauf und hat keinen oder nur geringen Einfluss auf die Messung. Bei hohen Frequenzen wird die Impedanz des Kondensators signifikant und verringert die vom Oszilloskop angezeigte Spannung. Abbildung 2 zeigt diesen Effekt im Frequenzbereich. Bei einer Sinusschwingung im Eingang nimmt die Amplitude mit zunehmender Frequenz ab und die Phase verschiebt sich.

Frequenzgang eines Passivtastkopfes

Abbildung 2: Der Frequenzgang eines Passivtastkopfes fällt mit steigender Frequenz des gemessenen Signals ab.

Die Last beeinflusst auch das Ansprechverhalten des Oszilloskops auf einen Spannungssprung. Die Last durch die Eingangsimpedanz des Oszilloskops (und die Tastkopfkapazität) kann in zwei Teile zerlegt werden: ohmsche Last und kapazitive Last. Abbildung 3 zeigt die Last des Tastkopfes und des Oszilloskops aufgeteilt in ohmsche und kapazitive Last, die unabhängig voneinander analysiert werden können. Die ohmsche Last ist ausschließlich auf den Eingangswiderstand des Oszilloskops zurückzuführen, während die kapazitive Last auf die Tastkopfkapazität kombiniert mit der Oszilloskopeingangskapazität zurückzuführen ist.

Die Last einer Schaltung kann in eine ohmsche Last (a) und eine kapazitive Last (b) zerlegt werden.

Abbildung 3: Die Last einer Schaltung kann in eine ohmsche Last (a) und eine kapazitive Last (b) zerlegt werden.

Die Schaltung der ohmschen Last in Abbildung 3 ist ein weiteres Beispiel für die Spannungsteilerschaltung. Die am Oszilloskopeingang VIN anliegende Spannung ist somit eine Kopie von Vs, jedoch mit reduzierter Amplitude. Gleichung 1 zeigt die Formel für das Spannungsprodukt im Zeitverlauf bei vorgegebener VMAX.

Gleichung 1: Das Verhalten einer Spannungsteilerschaltung mit ohmscher Last wird durch diese Formel veranschaulicht.

Der Effekt der kapazitiven Last ist komplexer und führt zu einem exponentiellen Spannungsansprechverhalten. VIN ist ein Produkt des Spannungssprungs VS, der im Zeitverlauf von 0 Volt bis VMAX Volt reicht (vgl. Gleichung 2).

Kapazitive Lasteffekte führen zu einem logarithmischen Verhalten im Zeitverlauf

Gleichung 2: Kapazitive Lasteffekte führen zu einem logarithmischen Verhalten im Zeitverlauf.

Die Sprungansprechverhalten aufgrund der beiden Lasteffekte sind in Abbildung 4 dargestellt. Die ohmsche Last ändert die Größe des Spannungssprungs, aber nicht die Signalverlaufsform. Die kapazitive Last verlangsamt die Anstiegszeit des Sprungs, pendelt sich aber schließlich auf den gleichen Endwert ein wie das ideale Ansprechverhalten. Bandbreite und Anstiegszeit eines Systems sind umgekehrt proportional. Da die Bandbreite des Geräts effektiv verringert wird, erhöhen sich die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulseingänge.

Das für diese Analyse verwendete Schaltungsmodell ist möglicherweise nicht für alle Arten praktischer Schaltungen genau. Der Ausgangswiderstand (Ansteuerbarkeit) digitaler Schaltungen kann mit der Ausgangsspannung variieren und zu unterschiedlichen Lasteffekten führen. Auch wenn dieses Modell für eine solche Schaltung nicht hundertprozentig genau ist, gilt das Grundprinzip der ohmschen und kapazitiven Last weiterhin. Dies bedeutet, dass die Lastkapazität die Anstiegszeit des Signals verlangsamt, während die ohmsche Last dazu neigt, die Ausgangsamplitude zu ändern. Erhöhte Anstiegszeit in einer digitalen Schaltung führt zu einer erhöhten Verzögerung, wenn das Signal das nächste Logikgatter erreicht. Dies liegt daran, dass es länger dauert, bis das Signal den logischen Schwellwert erreicht, wodurch das nächste Gatter später schaltet. Die 1-MW-Eingangsimpedanz des typischen Oszilloskops ist groß genug, um eine ohmsche Last der meisten digitalen Schaltungen zu verhindern. Die kapazitive Last eines 1:1-Tastkopfes führt jedoch zu einer erheblichen Verzögerung des Signals.

Die ohmsche Last (a) ändert den Spannungspegel eines Sprungs, während die kapazitive Last (b) ein exponentielles Ansprechverhalten verursacht.

Abbildung 4: Die ohmsche Last (a) ändert den Spannungspegel eines Sprungs, während die kapazitive Last (b) ein exponentielles Ansprechverhalten verursacht.

Beispiele für Ladeeffekte

In diesem Abschnitt werden zwei Beispiele für Lasteffekte durch Abtasten von Schaltungen veranschaulicht. In jedem Beispiel würden die durch das Abtasten der Schaltung entstehenden Effekte dazu führen, dass sich das Gerät grundlegend anders verhält oder nicht mehr vollständig funktioniert.

Kapazitive Last

Eine LC-Schaltung, auch Tankschaltung genannt, enthält einen Induktor und einen Kondensator in Parallelschaltung. Der Endeffekt dieser Schaltung besteht darin, dass die Induktionsspule bei einem bestimmten, durch Induktor und Kondensator festgelegten Wert eine Resonanzfrequenz abgibt. Die Frequenz richtet sich nach Gleichung 3.

Formel für die Resonanzfrequenz einer LC-Schaltung

Gleichung 3: Diese Gleichung bestimmt die Resonanzfrequenz einer LC-Schaltung.

Diese Schaltung wird in kommerziellen RFID-Tags verwendet, so dass dies das Beispiel für diesen Lasteffekt ist. Abbildung 5 zeigt eine sehr gängige LC-Schaltung in einem RFID-Chip.

Gängige RFID-LC-Schaltung

Abbildung 5: LC-Schaltungen werden in RFID-Tags verwendet. Dies ist eine sehr gängige RFID-LC-Schaltung.

Der Ingenieur, der diese Schaltung entwickelt oder testet, möchte möglicherweise die Leitung prüfen, an der sich der Kondensator befindet. Wenn ein SP500X-Tastkopf am Hochpotenzialpunkt dieser Schaltung angebracht wird, wird die Kapazität des Tastkopfes parallel zu C1 zwischen Hochpotenzial und Masse addiert (siehe Abbildung 6).

SP500X-Tastkopf am Hochpotenzialpunkt dieser Schaltung, die Kapazität des Tastkopfes wird parallel zu C1 zwischen Hochpotenzial und Masse addiert

Abbildung 6: Die Eingangskapazität des Tastkopfes wird der Schaltung hinzugefügt, wenn das Abtasten nicht so erfolgt, dass ein Stromfluss verhindert wird.

Durch die zusätzliche Kapazität des Tastkopfes ändert sich die Resonanzfrequenz der LC-Schaltung gemäß Gleichung 4.

Zusätzliche Kapazität, die vom SP500X-Tastkopf eingeführt wird, ändert die Resonanzfrequenz der LC-Schaltung auf das 0,93-Fache ihrer ursprünglichen Frequenz.

Gleichung 4: Zusätzliche Kapazität, die vom SP500X-Tastkopf eingeführt wird, ändert die Resonanzfrequenz der LC-Schaltung auf das 0,93-Fache ihrer ursprünglichen Frequenz.

Aufgrund dieser Frequenzänderung wird das RFID-Tag nun eine Frequenz aussenden, die sich stark von der vorgesehenen Senderfrequenz unterscheidet und nicht genügend Energie aufbaut, um vom Sensor erkannt oder funktionell für den korrekten Betrieb charakterisiert zu werden.

Ohmsche Last

Die Oszillatorschaltung in Abbildung 7 enthält einen Widerstand mit einem 10-Megohm-Wert parallel zu einem CMOS-Wechselrichter. Tastköpfe haben einen Eingangswiderstand von 10 Megohm, um einen signifikanten Stromfluss durch den Tastkopf zu verhindern und die zu testende Schaltung nicht zu beeinträchtigen. In diesem Fall enthält die zu testende Schaltung ein hochohmiges Element.

Eine Uhr-Oszillator-Schaltung kann funktional vereinfacht dargestellt werden, um zu zeigen, wie sich die ohmsche Last auf ihre Funktion auswirken kann.     

Abbildung 7: Eine Uhr-Oszillator-Schaltung kann funktional vereinfacht dargestellt werden, um zu zeigen, wie sich die ohmsche Last auf ihre Funktion auswirken kann.

Ein Ingenieur interessiert sich möglicherweise für das Potential am Verbindungspunkt von CTRA In, dem 10-Megohm-Widerstand und der Stromversorgung des Quarzoszillators (siehe Abbildung 8). Dieser Tastkopfpunkt würde den 10-Megohm-Eingangswiderstand des Tastkopfes parallel zum 10-Megohm-Widerstand legen, wodurch ein Spannungsteiler entsteht. Der Quarzoszillator in dieser Schaltung erwartet eine vorgegebene Spannung. Wenn am Oszillator nur die Hälfte der erwarteten Spannung anliegt, könnte er nur sporadisch oder gar nicht funktionieren.

Ein paralleler Tastkopf mit dem 10-Megohm-Widerstand in der Quarzoszillatorschaltung erzeugt einen Spannungsteiler, der zu einem Funktionsausfall führen kann

Abbildung 8: Ein paralleler Tastkopf mit dem 10-Megohm-Widerstand in der Quarzoszillatorschaltung erzeugt einen Spannungsteiler, der zu einem Funktionsausfall führen kann.

1:1-Tastköpfe

1:1(Eins-zu-eins)-Tastköpfe, auch 1x-Tastköpfe genannt, verbinden den 1-MΩ-Impedanzeingang des Oszilloskops mit der zu messenden Schaltung. Sie sind auf minimalen Verlust und einfachen Anschluss ausgelegt, aber ansonsten entsprechen sie der Nutzung eines Kabels zum Anschluss des Oszilloskops. Abbildung 4 zeigt das Schaltbild für einen hochohmigen Oszilloskopeingang, der mit einer zu testenden Schaltung verbunden ist. Die zu testende Schaltung ist als Spannungsquelle mit einem Serienwiderstand modelliert. Der 1:1-Tastkopf (oder das Kabel) führt eine erhebliche Kapazität ein, die parallel mit dem Eingang des Oszilloskops angezeigt wird. Ein 1:1-Tastkopf kann eine Kapazität von etwa 40 bis 60 pF aufweisen, die üblicherweise größer ist als die Oszilloskop-Eingangskapazität.

Die Konstruktion von 1:1-Tastköpfen ermöglicht nicht die Leistung, die Sie von einem Dämpfungstastkopf erwarten würden, wie im Abschnitt über den 10:1-Tastkopf erläutert wird.

10:1-Tastköpfe

10:1-Tastköpfe (auch 10x-Tastköpfe, Teilertastköpfe oder Dämpfungstastköpfe genannt) haben einen Widerstand und einen Kondensator (parallel). Abbildung 8 zeigt die Schaltung für den 10:1-Tastkopf, der mit einem hochohmigen Eingang eines Oszilloskops verbunden ist. Wenn R1C1 = R2C2 ist, dann hat diese Schaltung das erstaunliche Ergebnis, dass der Effekt beider Kondensatoren genau aufgehoben wird. In der Praxis ist diese Bedingung möglicherweise nicht genau erfüllt, aber angenähert. Der Kondensator ist in der Regel einstellbar und kann für eine nahezu perfekte Übereinstimmung angepasst werden. Gleichung 5 zeigt das Verhältnis von Vs zu VIN unter diesen Bedingungen.

Beziehung von Vs zu VIN

Gleichung 5: Dämpfungstastköpfe wie 10x-Tastköpfe verwenden das in dieser Gleichung beschriebene Spannungsteilerprinzip.

Diese Gleichung erinnert an die Spannungsteilergleichung. R2 ist der Eingangswiderstand der hohen Eingangsimpedanz des Oszilloskops (1 MW) und R1 = 9R2. Gleichung 6 zeigt das Ergebnis von Gleichung 5 mit einem 10x-Tastkopf.

Ein 10x-Tastkopf ergibt ein Zehntel der Spannung am Oszilloskopeingang.

Gleichung 6: Ein 10x-Tastkopf ergibt ein Zehntel der Spannung am Oszilloskopeingang.

Das Ergebnis ist also eine Kombination aus Tastkopf und Oszilloskopeingang, die aufgrund der effektiven Aufhebung der beiden Kondensatoren eine viel breitere Bandbreite als der 1:1-Tastkopf hat. Der resultierende Nachteil ist der Spannungsverlust. Das Oszilloskop erkennt nur noch ein Zehntel der ursprünglichen Spannung (daher der Name 10:1-Tastkopf). Beachten Sie auch, dass die zu messende Schaltung eine Lastimpedanz von R1 + R2 = 10 MW aufweist, was viel höher ist als beim 1:1-Tastkopf. Einige Tastköpfe sind so konzipiert, dass sie problemlos zwischen 1:1 und 10:1 geschaltet werden können.

Die Wirkung der Kondensatoren in einem Passivtastkopf wird bei richtiger Einstellung von C1 aufgehoben.

Abbildung 9: Die Wirkung der Kondensatoren in einem Passivtastkopf wird bei richtiger Einstellung von C1 aufgehoben.

Bei einem 10:1-Tastkopf werden sowohl die ohmschen als auch die kapazitiven Lasteffekte reduziert (im Verhältnis zu einem 1:1-Tastkopf). Obwohl die Eingangskapazität des Oszilloskops idealerweise aufgehoben wird, verbleibt eine Restkapazität aufgrund des Tastkopfes, CPROBE. Diese vom Hersteller angegebene Kapazität belastet die zu testende Schaltung.

Der Spannungsverlust mit Faktor 10 ist kein Problem, solange die gemessene Spannung nicht so klein ist, dass eine Division durch 10 sie für das Oszilloskop nicht mehr erkennbar macht. Dies bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Oszilloskops und die Signalspannung bei der Entscheidung wichtig sein können, ob ein 10:1-Tastkopf verwendet wird. Bei den meisten Oszilloskopen muss der Benutzer beachten, dass ein 10:1-Tastkopf verwendet wird, und die resultierenden Messungen mit dem Faktor 10 multiplizieren. Dies ist ein Ärgernis, daher enthalten einige Oszilloskope zwei Skalenmarkierungen: eine gültig für einen 1:1-Tastkopf und die andere gültig für einen 10:1-Tastkopf. Andere Oszilloskope sind noch einen Schritt weiter gegangen und passen die Messwerte automatisch um den richtigen Betrag an, wenn ein Dämpfungstastkopf verwendet wird.

Beachten Sie, dass einige 10:1-Tastköpfe einen Widerstand am Tastkopfeingang haben, so dass die ohmsche Last 1 Megohm beträgt. Diese Tastköpfe stellen keine Verbesserung bei der ohmschen Last gegenüber dem 1:1-Tastkopf dar, weisen jedoch eine geringere kapazitive Last auf.

Sonstige Dämpfungstastköpfe

Dämpfungstastköpfe gibt es in einer Vielzahl von Werten, wie 50: 1- und 100: 1-Tastköpfe. Die allgemeinen Prinzipien dieser Tastköpfe sind die gleichen wie beim 10:1-Teilertastkopf: Spannungspegel und Bandbreite werden gegeneinander abgewogen, um eine größere Bandbreite zu erhalten, mehr Verlust entsteht im Tastkopf und weniger Spannung wird dem Eingang des Oszilloskops zugeführt. Dies erfordert möglicherweise einen sensibleren Bereich für sehr genaue Messungen. Es gibt auch einige Passivtastköpfe mit 50-Ω-Impedanz, die größere Bandbreiten, aber begrenzte Anwendungen haben.

Tastkopfkompensation

Um die Bandbreite eines Dämpfungstastkopfes zu maximieren, muss der Tastkopfkondensator exakt so eingestellt werden, dass die Eingangskapazität des Oszilloskops aufgehoben wird. Dies wird durch eine sogenannte Kompensation erreicht.

Der Oszilloskoptastkopf ist mit einer Rechteckschwingungsquelle verbunden, der Kalibriereinrichtung, die in das Oszilloskop integriert ist. Der Tastkopf wird dann so eingestellt, dass die Rechteckschwingung so flach wie möglich verläuft.

Tastkopfkompensation

Abbildung 10: Zur Tastkopfkompensation wird ein Referenzsignal benötigt. Mit den PFI-Leitungen von NI-Oszilloskopen kann eine Rechteckschwingungsreferenz erzeugt werden.

1. Verbinden Sie das BNC-Ende des Tastkopfes mit CH0 des Oszilloskops. Wenn der Tastkopf mehrere Dämpfungseinstellungen hat, wählen Sie die Einstellung aus, mit der Sie die Kapazität kompensieren können.

2. Befestigen Sie einen Anschlussadapter an der Spitze des Tastkopfes, der Ihnen die Schnittstelle zur Kalibriereinrichtung ermöglicht.

3. Schließen Sie die Tastkopfspitze an die Kalibrierquelle an. Bei PXI-Oszilloskopen von NI ist die Kalibriereinrichtung PFI1.

4. Wenn Sie eine vom Übertragungskabel getrennte Tastkopfspitze verwenden, befestigen Sie diese an dieser Stelle, um die Messschaltung zu vervollständigen. Tastkopfspitzen, die auf diese Weise funktionieren, werden in der Regel mit BNC- oder SMB-Konnektivität verbunden.

5a. Öffnen Sie das Soft-Frontpanel des Oszilloskops (Startmenü->Programme->National Instruments->NI-SCOPE->NI-SCOPE Soft-Frontpanel). Wenn Sie mehrere Oszilloskope oder Digitalisierer im PXI-System haben, wählen Sie das entsprechende Oszilloskop für die Tastkopfkompensation aus. Aktivieren Sie das Tastkopfkompensationssignal im Menü Utility in der Soft-Frontpanel-Symbolleiste des Oszilloskops. Das Tastkopfkompensationssignal kann auch programmatisch mit dem NI-SCOPE Gerätetreiber aktiviert werden.


Das NI-SCOPE Soft-Frontpanel verfügt über ein integriertes Tastkopfkompensationsprogramm.

Abbildung 11: Das NI-SCOPE Soft-Frontpanel verfügt über ein integriertes Tastkopfkompensationsprogramm.

5b. Bei Verwendung eines herkömmlichen Tisch- oder Benchtop-Oszilloskops sollte das Kalibriersignal nun auf dem Frontpanel des Geräts angezeigt werden.

6. Stellen Sie den abstimmbaren Kondensator so ein, dass der Signalverlauf so quadratisch wie möglich wird. In Abbildungen 12a und 12b sehen Sie die Oszilloskopanzeige bei Kompensation mit über- und unterkompensiertem Tastkopf. In Abbildung 12c sehen Sie die Anzeige, wenn der Tastkopf korrekt kompensiert ist.

Überkompensierte Tastköpfe (a) und unterkompensierte Tastköpfe (b) stellen Signale schlecht dar und führen zu falschen Messungen. Richtig kompensierte Tastköpfe (c) stellen das Signal korrekt dar.

Abbildung 12: Überkompensierte Tastköpfe (a) und unterkompensierte Tastköpfe (b) stellen Signale schlecht dar und führen zu falschen Messungen. Richtig kompensierte Tastköpfe (c) stellen das Signal korrekt dar.

7. Wiederholen Sie die Schritte 1–6 für zusätzliche Kanäle und Tastköpfe. Beachten Sie, dass Oszilloskopkanäle sehr ähnlich ausgelegt sind, aber kleine Änderungen an den Komponenten die Eingangskapazität geringfügig verändern können. Kleine Unterschiede gibt es auch in der Nennkapazität von Tastköpfen. Aus diesen Gründen sollte jeder Oszilloskopkanal und jede Tastkopfkombination einzeln kompensiert werden.

Aktivtastköpfe

Bisher wurden lediglich einfache passive Schaltungen ohne aktive Komponenten wie Transistoren und Verstärker besprochen. Aktivtastköpfe sind ideal, wenn für Hochfrequenzmessungen extrem geringe Kapazitäten erforderlich sind oder eine Messung von einem gegebenen Erdanschluss isoliert werden muss. Ein Aktivtastkopf verwendet einen Verstärker, dessen Eingangskapazität sehr gering ist. Der Ausgang des Verstärkers ist in der Regel auf den 50-Ohm-Eingang des Oszilloskops abgestimmt. Dadurch kann eine Länge eines 50-Ohm-Kabels zwischen Tastkopf und Oszilloskop ohne zusätzliche kapazitive Lasteffekte verwendet werden.

In Tabelle 3 sind die typischen Spezifikationen der verschiedenen Typen von aktiven Spannungsmessgeräten zusammengefasst, die besprochen wurden. Die tatsächlichen Eigenschaften variieren je nach Hersteller und Modell.

AktivtastköpfeSA1000X1SA1500X1SA2500X1DA200025X1
Bandbreite1.000 MHz1.500 MHz2.500 MHz2 GHz
SchaltungsartGegen Bezugspotenzial geschaltetGegen Bezugspotenzial geschaltetGegen Bezugspotenzial geschaltetDifferentiell
Dämpfungsverhältnis10:110:110:125:1
Maximale Eingangsspannung20 V20 V20 V± 60 V (DC + Peak AC)
Gleichtakteingangsspannung± 8 V± 8 V± 8 V± 60 V (DC + Peak AC)
Differentielle Eingangsspannung±​ 20 V (DC + Peak AC)
Eingangswiderstand1 MΩ1 MΩ1 MΩ500 kΩ
Eingangskapazität0,9 pF0,9 pF0,9 pF1,2 pF
Oszilloskop-Eingangsimpedanz50 Ω50 Ω50 Ω50 Ω
SteckverbinderBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-Tastkopfspitze

 

1 Erfordert die Verwendung der mitgelieferten Hilfsstromversorgung. 

Tabelle 3: NI bietet Aktivtastköpfe zur Erweiterung der Messfunktionen von PXI-Oszilloskopen.

Aktivtastkopf (Kompatibilität mit Oszilloskopen von NI)

Mit diesen geringen Lasteffekten sind alle von NI angebotenen aktiven Spannungstastköpfe mit allen PXI-Oszilloskopen kompatibel, mit folgenden zusätzlichen Hinweisen:

  • Die Verwendung von SA1000X, SA1500X, SA2500X oder DA200025X an benachbarten BNC-Oszilloskopkanälen kann aufgrund der räumlichen Nähe die Verwendung eines kurzen BNC-auf-BNC-Adapters erfordern.
  • PXIe-5105 und PXIe-5172 erfordern einen SMB-auf-BNC-Adapter.
  • PXIe-5170 und PXIe-5171 erfordern einen SMA-auf-BNC-Adapter.

Differentialtastköpfe

Einige Oszilloskope haben erdfreie oder differentielle Eingänge, bei denen beide Leitungen des Eingangs ohne Erdung verbunden werden können. In diesem Fall wird das Erdungsproblem vermieden.

Ein Zweikanal-Oszilloskop mit der Möglichkeit, Kanal 1–2 (den Unterschied zwischen den beiden Kanälen) anzuzeigen, kann als erdfreies Ein-Kanal-Oszilloskop verwendet werden. Das Oszilloskop zeigt 1–2 an. Kanal 1 ist mit dem Punkt in der Schaltung verbunden, an dem die positivere Spannung angenommen wird. Kanal 2 ist mit dem anderen Spannungspunkt und die Masse des Oszilloskops mit der Schaltungsmasse verbunden. Somit zeigt das Oszilloskop den Unterschied zwischen den beiden Spannungspunkten an, wobei keiner der Spannungspunkte an Masse liegen muss.

Ein Differentialtastkopf beseitigt dieses Problem, indem er zwei Oszilloskoptastkopfeingänge bereitstellt, die relativ zur Masse des Oszilloskops erdfrei sind. Die Ausgangsspannung des Tastkopfes ist die Differenz zwischen den Spannungen an den beiden Eingangsanschlüssen, wodurch der geerdete Eingang eines Oszilloskops angesteuert werden kann. Die differentielle Verstärkung ist nicht perfekt und der Fehler wird als Gleichtaktunterdrückung (CMRR) angegeben. Zur Messung der CMRR werden beide Eingänge mit demselben Signal angesteuert. Idealerweise ist der Ausgang (der Unterschied zwischen den beiden Eingängen) immer 0. Aber in einem echten Tastkopf gibt es eine kleine Ausgangsspannung.

CMRR-Formel

Gleichung 7: Ein Differentialtastkopf hat einen Fehler zwischen den Aktiv- und Bezugskanälen, der durch Überwachen der Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung des Tastkopfes gemessen werden kann.

In der Regel ist die CMRR eines Differentialtastkopfes am besten bei niedrigen Frequenzen und verschlechtert sich bei höheren Frequenzen. Die CMRR wird oft in dB angegeben.

Hochspannungstastköpfe

Hochspannungsaktivtastköpfe werden für Messungen mit hohen DC-Offsets oder Gleichtaktmodi oder großen Spannungsbereichen verwendet. Einige Hochspannungstastköpfe werden verwendet, um kleine Änderungen in Signalen mit sehr hohen Gleichtaktmodi zu überwachen. Ein Beispiel dafür wäre das Messen kleiner Signalschwankungen an Stromübertragungsleitungen. Der andere Anwendungsfall für Hochspannungsaktivtastköpfe besteht darin, einen sehr großen Spannungsbereich zu erreichen. Einige Aktivtastköpfe können Signale bis zu mehreren Kilovolt übertragen.

Stromtastköpfe

Stromtastköpfe verwenden in der Regel eine von zwei Technologien. Am einfachsten wird das Prinzip eines Transformators verwendet, wobei eine Wicklung des Transformators der gemessene Draht ist. Da Transformatoren nur mit Wechselspannungen und -strömen arbeiten, messen derartige Stromtastköpfe keinen Gleichstrom.

Der andere Typ des Stromtastkopfes (der von NI verkaufte Typ) nutzt das Prinzip des Hall-Effekts. Der Hall-Effekt erzeugt ein elektrisches Feld als Reaktion auf einen in einem angelegten Magnetfeld vorhandenen Strom. Dieses Verfahren erfordert die Verwendung einer externen Stromversorgung, misst jedoch sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom (AC und DC).

Da Stromtestköpfe den von ihren Backen eingeschlossenen Strom messen, können mehrere für den Stromtastkopf einzigartige Verfahren verwendet werden. Wenn die Empfindlichkeit der Kombination aus Tastkopf und Oszilloskop für eine bestimmte Messung zu gering ist, können mehrere Windungen des Stromführungsdrahtes in die Backen eingeführt werden. Der Tastkopf hat effektiv einen größeren zu messenden Strom (der ursprüngliche Strom mal die Anzahl der Windungen). In ähnlicher Weise kann die Differenz zweier Ströme gemessen werden, wenn die beiden betreffenden Drähte eingeführt werden, jedoch mit den Strömen in entgegengesetzter Richtung (die Summe wird gemessen, wenn die Ströme in derselben Richtung fließen). Die physikalische Größe der Drähte und des Stromtastkopfes bestimmen natürlich, wie viele Drähte eingefügt werden können. Obwohl der Strom keine direkte elektrische Verbindung erfordert, entzieht er der zu testenden Schaltung dennoch Energie. Normalerweise stört dieser geringe Energieverlust die Schaltung nicht, kann aber in einigen Fällen ein Faktor sein.

Stromtastköpfe1CC0550XCC05120XCC3050XCC30100XCC15010XCC5002X
Maximaler kontinuierlicher Strom5 Aeff5 Aeff30 Aeff30 Aeff150 A500 A
Ausgangsspannungsrate (Volt pro Ampere)1 V/A1 V/A0,1 V/A0,1 V/A0,01 V/A0,01 V/A
Bandbreite50 MHz120 MHz50 MHz100 MHz10 MHz2 MHz
Anstiegszeit7 ns2,9 ns7 ns3,5 ns35 ns175 ns
Oszilloskop-Eingangsimpedanz1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ
SteckverbinderBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-TastkopfspitzeBNC-auf-Tastkopfspitze

 

1 Erfordert die Verwendung des zweikanaligen PS-OP01-Netzteils oder des vierkanaligen PS-OP02-Netzteils.

Tabelle 4: NI verkauft mehrere Hioki-Stromtastköpfe weiter, von denen jeder eine Hioki-Stromversorgung benötigt.

Hioki-Stromtastkopf angeschlossen an eine 4-Kanal-Stromversorgung

Abbildung 13. Hioki-Stromtastkopf angeschlossen an eine 4-Kanal-Stromversorgung.

Stromtastkopf (Kompatibilität mit Oszilloskopen von NI)

Nicht alle PXI-Oszilloskope können mit allen Tastköpfen verwendet werden. Hioki-Stromtastköpfe sind nur mit PXI-Oszilloskopen kompatibel, die einen 1-MΩ-Eingang haben. Die Verwendung von Stromtastköpfen an benachbarten BNC-Oszilloskopkanälen erfordert möglicherweise aufgrund der Nähe einen kurzen BNC-auf-BNC-Adapter.

NI-OszilloskopAlle Modelle von Hioki-Stromtastköpfen
PXIe-51051
PXIe-5110
PXIe-5111
PXIe-5113
PXIe-5114
PXIe-5122
PXI-5124
PXI-5142
PXI-5152
PXI-5153
PXI-5154
PXIe-5160
PXIe-5162
PXIe-5163
PXIe-5164
PXIe-5170
PXIe-5171
PXIe-51721
PXI-5922

 

1 Erfordert SMB-auf-BNC-Adapter

Tabelle 5: Mit Stromtastköpfen kompatible PXI-Oszilloskope.

Hioki-Stromtastköpfe erfordern möglicherweise kurze BNC-Adapter, wenn sie mit eng benachbarten Oszilloskopkanälen verwendet werden

Abbildung 14: Hioki-Stromtastköpfe erfordern möglicherweise kurze BNC-Adapter, wenn sie mit eng benachbarten Oszilloskopkanälen verwendet werden.

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