dataTec Applikationsbericht | Feuerprobe bei Oszilloskop-Probes

Applikationsschrift Oszilloskope :: Feuerprobe bei Oszilloskop-Probes.

Zuverlässigkeitstests sind ein wichtiger Teil des Entwicklungsprozesses elektronischer Geräte. Mit ihnen kann man zu einem frühen Zeitpunkt Schwachstellen eines Geräts erkennen, sinnvolle kalibrierintervalle und Garantiezeiten festlegen und das Langzeitverhalten des Geräts unter ungünstigen klimabedingungen erkennen. Doch nicht nur die Prüflinge, sondern auch die Messinstrumente müssen den widrigen Umständen gewachsen sein.

Die Zuverlässigkeit wird mit den Parametern »durchschnittliche Zeit bis zum Ausfall« (MTTF, Mean Time To Failure), »durchschnittliche Zeit zwischen zwei Ausfällen« (MTBF, Mean Time Between Failures) und »Lebenserwartung« ausgedrückt. Man berechnet diese Parameter mit statistischen Methoden anhand von Testexemplaren, die man im Labor streng kontrolliert bestimmten Klimabedingungen aussetzt. Als gängige Vorgehensweise für solche Tests haben sich der IEC- [1] und der MIL-Standard [2] etabliert.

Führt man Klimatests mit elektronischen Geräten durch, steht der Messingenieur oft vor dem Problem, dass die Tastköpfe dabei den gleichen widrigen Bedingungen ausgesetzt sind wie das Testobjekt, diese Bedingungen also aushalten und unter ihnen korrekt arbeiten müssen. Bei Alterungstests beispielsweise arbeitet man mit Temperaturwechseln, im Extrem mit Temperaturen von -50 °C und +150 °C. Ein normaler Tastkopf übersteht das nicht: Die thermische Expansion des Dielektrikums würde das Messkabel beschädigen, Plastikgehäuse beginnen sich ab +60 °C zu verformen.

Der Frequenzgang eines aktiven Tastkopfs verschlechtert sich, wenn die Temperatur extrem steigt oder sinkt. Bild 1 zeigt einen Defekt am Mantel eines normalen Koaxialkabels nach einem Alterungstest mit hoher Temperatur. In Bild 2 ist ein Röntgenbild einer Steckverbindung eines Tastkopfes nach häufigen Temperaturwechseln in einer Klimakammer zu sehen. Das Dielektrikum des Koaxialkabels ist geschrumpft und hat so den Steckerstift ein Stück aus der Buchse gezogen. Wenn dieser Vorgang weitergeht, besteht möglicherweise irgendwann kein Kontakt mehr.
Eine lange Leitung ist keine Alternative, Messingenieure versuchen, diesen Problemen auszuweichen. Statt die empfindlichen Tastköpfe den Bedingungen der Klimakammer auszusetzen, schließen sie das Testobjekt über lange Messleitungen an ihre Messgeräte an.

Dieser Ansatz stößt allerdings schnell an enge Grenzen, weil Induktivität und Kapazität der langen Messleitungen die Bandbreite massiv einschränken. Ein einzelner Draht hat einen Induktivitätsbelag von überschlägig 1 nH/mm, eine Messleitung von einem Meter hat somit eine Induktivität von etwa 1 μH. Damit erreicht man allenfalls Bandbreiten im Kilohertzbereich.

Das zweite Problem ist die Verzerrung des Messsignals durch elektromagnetische Einkopplung, die mit zunehmender Leitungslänge immer größer werden. Je komplexer ein elektronisches Gerät ist, desto mehr verschiedene Signale strahlt es ab. Die lange Messleitung wirkt als Antenne und koppelt diese Störsignale in den Messpfad ein.

Zuletzt stellt das lange Kabel für das Testobjekt eine zusätzliche, manchmal zu große Last dar. Ein übliches 50-Ω-Koaxialkabel an FR4 belastet den Messpunkt mit 120 pF/m. Bei Schaltungen mit niedriger Impedanz kann die Belastung durch die Messleitung das abgegriffene Signal so stark verformen, dass die Schaltung nicht mehr funktioniert....

Erschienen: Design & Elektronik | März 2014
Autor: Andreas Siegert | Keysight Technologies (vormals Agilent)