Tastköpfe.

Ein Tastkopf – auch Probe, Sonde oder Messsonde genannt – verbindet beim Messaufbau das Oszilloskop mit dem Prüfling (DUT, device under test). Es gibt unterschiedliche Tastköpfe für verschiedene Testanwendungen: Mit einem Stromtastkopf (Stromsonde, Stromzange) wird beispielsweise Strom gemessen, während sich digitale Signale mit einem Logik-Tastkopf erfassen und darstellen lassen. Dies erfordert eine entsprechende Schnittstelle zu einem MSO (Mixed-Signal-Oszilloskop). Über die reine Kontaktierung zwischen Messgerät und Messobjekt hinaus hat der Tastkopf die Aufgabe, alle Signale mit einer möglichst hohen Genauigkeit zu messen.

Daher ist es wichtig, den zusätzlichen Einfluss, der naturgemäß durch jeden Tastkopf verursacht wird, so gering wie möglich zu halten und die Signalquelle, also das Messobjekt, nicht zu belasten. Aktive Tastköpfe belasten das Messobjekt typischerweise weniger stark als passive. Über einen hohen Messwiderstand wird vermieden, dass unerwünschte Störeinstrahlung oder Netzrauschen erfasst werden. Der hohe Widerstand ermöglicht eine ideale Spannungsaufnahme am Tastkopf und damit eine optimale Verbindung zum Oszilloskop.

Der Differenztastkopf (oder Differentialtastkopf) stellt eine Sonderform des aktiven Tastkopfes dar. Der Differenztastkopf misst die Differenz zweier Spannungspotentiale, ohne dabei die Oszilloskopmasse mit der zu untersuchenden Schaltung zu verbinden. Dies ist eine effektive Methode, die Masseproblematik bei Oszilloskopen zu umgehen, insbesondere bei Signalen, deren Bezugspotential nicht 0 V ist (z. B. die symmetrischen Hochgeschwindigkeitssignale eines Bussystems).

Differentialtastköpfe sind in der Lage, Gleichtaktrauschen von dem zu untersuchenden Signalanteil in schnellen Niederspannungsanwendungen zu trennen. Dies ist wichtig, da digitale Signale immer weiter unter die üblichen Rauschgrenzwerte in integrierten Schaltungen fallen.

Ein passiver Tastkopf enthält nur passive Komponenten und benötigt für den Betrieb keine Stromversorgung. Er eignet sich für die Messung von Signalen mit Bandbreiten unter 600 MHz. Für breitbandigere Signale benötigt man in der Regel einen aktiven Tastkopf. Passive Tastköpfe sind in der Regel preiswert, robust und einfach zu bedienen. Sie stellen eine relativ hohe kapazitive Last sowie eine relativ geringe resistive Last dar. Zu den passiven Sonden gehören zum Beispiel niederohmige Widerstandsteiler-Sonden oder Hochspannungssonden.

Passive Tastköpfe belasten das Messobjekt typischerweise stärker als aktive. Sie eignen sich sehr gut für qualitative Messungen, zum Beispiel zur Überprüfung von Taktsignalen oder für die Fehlersuche. Bei quantitativen Messungen wie die Ausgangsspannungswelligkeit oder Anstiegszeit erzielt man dagegen mit einem aktiven Tastkopf eine höhere Messgenauigkeit. Die Kombination aus passivem Spannungstastkopfs und Stromtastkopf stellt eine ideale Lösung für Leistungsmessungen dar.

Passive Tastköpfe haben meist einen Dämpfungsfaktor, zum Beispiel zehnfach (10X) oder hundertfach (100X), um die Schaltungsbelastung an der Tastkopfspitze zu reduzieren. Die Schaltungsbelastung nimmt mit der Frequenzhöhe und/oder bei Signalquellen mit höherer Impedanz zu. Der 10X-gedämpfte Tastkopf verbessert die Genauigkeit der Messungen, verringert jedoch die Amplitude des Signals am Oszilloskop-Eingang um den Faktor 10.

Passive Tastköpfe eigenen sich als Allzweck-Tastköpfe für universelle Anwendungen. Signale mit sehr schnellen Anstiegszeiten und hohen Signaltaktraten erfordern jedoch Tastköpfe für höhere Geschwindigkeiten und mit einer geringeren Schaltungsbelastung: aktive Tastköpfe und Differentialtastköpfe sind daher die bessere Lösung zum Messen von Hochgeschwindigkeits- und Differenzsignalen.

Ein Hochspannungstastkopf kommt für Messungen an Geräten oder Systemen zum Einsatz, die mit Spannungswerten von bis zu 20.000 Volt arbeiten, zum Beispiel in der Energieerzeugung und -verteilung, bei Elektromotoren, Leistungswandlern, Schaltnetzteilen oder in der Telekommunikation. Ein symmetrischer Hochspannungstastkopf verfügt über zwei Messleitungen, während ein unsymmetrischer Hochspannungstastkopf nur eine Messleitung verwendet. Er misst die Spannung, indem das Spannungspotential zwischen zwei Punkten gemessen und der Differenzwert an das Oszilloskop übertragen wird.

Ein Stromtastkopf stellt eine einfache Möglichkeit dar, um mit dem Oszilloskop einen AC/DC-Strom zu messen. Der Stromtastkopf erfasst den durch einen Leiter fließenden Strom und wandelt ihn in eine Spannung um, die vom Oszilloskop gemessen und angezeigt wird. Am geläufigsten ist die Messung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters. Je nach Anwendung kommen weitere Messtechniken für die Strommessung zum Einsatz, u. a. mit einer Rogowski-Spule.

Ein Stromtastkopf bietet den Vorteil einer galvanischen Isolierung zwischen Sonde und Prüfling. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit lassen sich auch kleine Ströme mit großem Dynamikbereich messen. Der Tastkopf kann überall im Strompfad platziert werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Die niedrige Einfügungsimpedanz gewährleistet präzise Messungen.

Eine Rogowski-Spule bzw. Rogowski-Sonde ist in der Lage, große Wechselströme in einem weiten Bereich von mA bis kA zu messen. Der obere Bereich des messbaren Stroms wird entweder durch die maximale Eingangsspannung des Oszilloskops oder durch die Spannungs-Durchbruchsgrenze der Spule begrenzt. Die Rogowski-Spule ist damit sehr flexibel in der Anwendung. Die hohe Bandbreite macht es möglich, auch sich schnell ändernde Stromsignale zu messen. So lassen sich Oberschwingungen höherer Ordnung in Systemen mit hohen Schaltfrequenzen oder auch Signalformen mit schnellen Anstiegs-/Abfallzeiten analysieren. Eine Hauptanwendung von Rogowski-Spulen liegt in der nichtinvasiven Messung von hohen AC-Strömen, beispielsweise in elektrischen Antrieben.

Ein Stromtastkopf (auch Stromsonde, Stromzange) wird zusammen mit einem Oszilloskop verwendet, um den durch einen Leiter fließenden Strom zu messen. Dr Stromtastkopf wandelt den Strom in eine Spannung um, die vom Oszilloskop gemessen und angezeigt wird. Am geläufigsten ist die Messung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters. Je nach Anwendung kommen auch andere Messtechniken für die Strommessung zum Einsatz, zum Beispiel die Rogowski-Spule. Gleichstrom-Tastköpfe sind immer aktiv. Reine Wechselstrom-Tastköpfe sind in der Regel passiv. Ihre Funktion beruht auf dem Trafoeffekt oder dem Hall-Effekt.

Da jede Messaufgabe und jeder Prüfling spezifische Anforderungen stellen, kann die richtige Tastkopf-Auswahl nur anwendungsbezogen erfolgen. Die Bandbreite des Tastkopfes gehört zu den grundlegenden Eigenschaften, die man hierbei berücksichtigen muss. Die Bandbreite gibt an, bis zu welcher maximalen Signalfrequenz der Tastkopf verwendbar ist. Sie sollte mindestens das 3- bis 5-Fache der obersten Signalfrequenz betragen, die man sehen möchte.

Tastköpfe mit Spannungsteiler ermöglichen es, Signale mit höheren Spannungen zu messen, beispielsweise mit einem Teilerverhältnis von 10:1 oder 100:1. Es gibt auch Modelle mit umschaltbarem Teilerverhältnis. Es ist zu beachten, dass sich das Eigenrauschen des Oszilloskops mit zunehmenden Teilerverhältnis stärker auf die Messung auswirkt. Andererseits sieht man bei einem kleineren Teilerverhältnis zwar weniger Rauschen, jedoch wird hier der Messpunkt stärker belastet, wodurch das Messsignal verzerrt werden kann.

Grundsätzlich gilt: Das Oszilloskop macht nur einen Teil des Messsystems aus. Der angeschlossene Tastkopf hat einen entscheidenden Einfluss auf die Signalintegrität. Verwendet man ein 1-GHz-Oszilloskop in Verbindung mit einem Tastkopf, der eine Bandbreite von 500 MHz unterstützt, wird die Oszilloskop-Bandbreite nicht vollständig genutzt. Präzisionsmessungen beginnen an der Tastkopfspitze. Der „richtige“ Tastkopf ist optimal auf das Oszilloskop und den Prüfling abgestimmt und ermöglicht ein sauberes Einspeisen des Signals in das Oszilloskop. Zudem soll er das Signal nicht verändern, um höchste Signalintegrität und Messgenauigkeit zu gewährleisten. Um präzise Ergebnisse zu erhalten, sollte ein Tastkopf mit möglichst geringer Last ausgewählt werden.

Ein weiteres Auswahlkriterium ist der Formfaktor: Tastköpfe mit kleinem Formfaktor gewähren leichteren Zugang zu den dicht gepackten Schaltungen von heute.

Sobald man einen Tastkopf an das Messobjekt anschließt, wird er zu einem Teil der Schaltung, da ein Teil der elektrischen Energie des Stromkreises durch den Tastkopf fließt. Deshalb kann kein Tastkopf ein Signal völlig rückwirkungsfrei abgreifen. Dieses Phänomen wird als Belastung bezeichnet. Es gibt drei Arten der Belastung: die resistive (ohmsche), kapazitive und induktive Belastung. Wird das Messobjekt zu stark belastet, können Amplitudenmessfehler auftreten und die Signalform verfälscht werden.

Resistive Belastung: Der Eingangswiderstand des Tastkopfs sollte mindestens zehnmal so hoch sein wie der Ausgangswiderstand der Signalquelle, damit die Amplitude um weniger als 10 % reduziert wird. Kapazitive Belastung: Diese führt zu verlängerten Anstiegszeiten und zu einer geringeren Bandbreite. Um die kapazitive Belastung zu verringern, wählen Sie eine Sonde mit mindestens der fünffachen Bandbreite des Signals. Die induktive Belastung entsteht durch Effekte der Erdungsleitung und erscheint als Klingeln/Überschwingen im Signal. Verwenden Sie daher möglichst kurze Messleitungen.

Schaltbare Tastköpfe sind spezielle Tastköpfe für Oszilloskope, die über eine Funktion zum Ändern des Abschwächungsfaktors verfügen. Über einen Schalter kann beispielsweise zwischen den Stufen 1:1 und 10:1 gewechselt werden. Schaltbare Tastköpfe sind besonders nützlich in Anwendungen, bei denen häufig zwischen unterschiedlichen Signalpegeln gewechselt werden muss, oder wenn vielseitige Messmöglichkeiten gewünscht sind, ohne dass mehrere Tastköpfe verwendet werden müssen. Erkennt das Oszilloskop die Tastkopfteilung nicht automatisch, muss der Benutzer die entsprechenden Einstellungen am Oszilloskop manuell vornehmen.

Eine automatische Tastkopferkennung ist eine Funktion moderner Oszilloskope, die es dem Gerät ermöglicht, automatisch zu erkennen, welcher Tastkopf angeschlossen ist. Indem es den Typ des angeschlossenen Tastkopfes (z. B. 1:1, 10:1, aktiver Tastkopf) identifiziert, passt das Oszilloskop seine Einstellungen wie den konkreten Abschwächungsfaktor entsprechend an. Dies reduziert die Fehlerquote und vereinfacht die Bedienung. Neben dem Abschwächungsfaktor können auch andere Informationen wie Bandbreite, Impedanz und maximale Eingangsspannung automatisch erkannt und berücksichtigt werden. Einige Systeme führen zudem automatische Kalibrierungen und Kompensationen durch, um sicherzustellen, dass die Messungen präzise sind und die Signalqualität optimal ist.