Tastkopf

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passiver 1:1 / 10:1 Tastkopf

Der Tastkopf, auch Tastteiler, ist ein Messmittel in der Elektronik, hauptsächlich bei Messungen mit dem Oszilloskop. Der Tastkopf wird an den Prüfling angeschlossen und führt das Messsignal an das eigentliche Messgerät. Es gibt Tastköpfe zum Messen unterschiedlicher physikalischer Größen wie z.B. Spannung oder Strom. Ein Tastkopf enthält elektrische Komponenten zur Kompensation von Messfehlern.

Einfache Prüf- und Kontaktierhilfe ohne elektrische Komponenten ist die Prüfspitze (Nadel mit Bananenstecker-Buchse) und Prüf-Clips, die mechanisch betätigte Haken oder Krallen besitzt, um Bauteile zu umfassen. Sie werden vorrangig bei Spannungsmessungen und Logic Analyzern verwendet.

Die "längere" Ausführung für schwer erreichbare Stellen ist die Klemmprüfspitze.

Allgemeines[Bearbeiten]

Meist wird ein Tastkopf an einem Oszilloskop betrieben. Ein Oszilloskop hat in der Regel einen Eingangswiderstand von 1 MΩ und eine Eingangskapazität von 20 pF. Manche Oszilloskope können auf eine Impedanz von 50 Ω geschaltet werden. Die Eingangsspannung ist oft auf etwa 300 V beschränkt. Diese Eingangsparameter eignen sich nicht zum Messen in allen Situationen. Um den Messeingang des Oszilloskops auf die Messung anzupassen, werden Tastköpfe unterschiedlicher Eigenschaften benutzt.

Anforderungen[Bearbeiten]

Der Tastkopf soll das zu messende Signal nicht verändern, daher werden verschiedene Anforderungen gestellt:

Diese Forderungen können nicht miteinander vereint werden: entweder ist die Eingangsimpedanz gering und entspricht dem Wellenwiderstand des Kabels (Koaxialkabel, 50 Ω) oder es werden Kompromisse hinsichtlich der oberen Grenzfrequenz bzw. Impulstreue hingenommen.

Da die Kabellänge die Signallaufzeit bestimmt, müssen bei Messungen im Nanosekundenbereich bei der Verwendung mehrerer Kanäle des Oszilloskops identische Tastköpfe oder zumindest gleiche Kabellängen verwendet werden. Zusätzlich begrenzt die Kabellänge auch die Bandbreite des Tastkopfes.

Zum Verhindern von Ringing sollte die Masseleitung immer so kurz wie möglich sein.

Tastkopf-Arten[Bearbeiten]

Es gibt eine ganze Reihe unterschiedlicher Tastkopf-Arten. Je nach Anwendungsfall muss zur jeweiligen Messung der passende Tastkopf gewählt werden. Die verschiedenen Tastköpfe sind auch sehr unterschiedlich, was die Kosten betrifft. Hochwertige Tastköpfe sind in der Regel mechanisch und elektrisch wesentlich empfindlicher.

Passive Tastköpfe[Bearbeiten]

Prinzipschaltung eines passiven Tastkopfes
Abgleichschaltkreis

Die gebräuchlichste Bauform ist der passive Tastkopf mit einer 10:1 Teilung. Der Eingangswiderstand ist 10 MΩ.

Vorteile:

  • günstiger Preis.
  • keine aktiven Bauteile.
  • keine Stromversorgung nötig.
  • Mechanisch und elektrisch robust.
  • Tastkopf und Oszilloskop kann meistens (siehe Zusatzfunktionen) von verschiedenen Herstellern sein.
  • Eingangskapazität wird etwa um den Teilerfaktor kleiner.

Nachteile:

  • relativ hohe Eingangskapazität
  • Probleme beim Messen von kleinen Spannungen

Passive Tastköpfe bestehen im Wesentlichen aus einer Metallspitze, die mit einem kompensierten Spannungsteiler an die Zuleitung zum Messgerät angeschlossen ist.

Hierzu befinden sich vorn im Tastkopf ein Widerstand und ein dazu parallel geschalteter Kondensator, deren Verhältnis demjenigen der Eingangsimpedanz des Oszilloskop gleichen muss. Dazu ist im Anschlussstecker des Tastkopfes ein verstellbarer zweiter Kondensator untergebracht, mit dessen Justage sich der Tastkopf an die Eingangskapazität des Oszilloskops anpassen lässt. Um die Signalquelle möglichst wenig zu belasten, also eine möglichst geringe Eingangskapazität zu haben, besitzen solche Tastköpfe meist ein Spannungsteilerverhältnis von 10:1.

Zum Abgleichen der Tastköpfe geben Oszilloskope in der Regel ein Rechtecksignal aus, mit dessen Hilfe man den Tastkopf so abgleichen kann, dass auch ein solches dargestellt wird. Mit dieser Tastkopfbauform ist in den allermeisten Messsituation ein brauchbares Ergebnis erzielbar.

Sobald die Signale aber schneller werden, verfälscht diese Tastkopfbauform das Signal.

Beispielrechnung:

Eine Kapazität von 2 pF stellt für ein 100 MHz-Signal einen Blindwiderstand von etwa 800 Ω dar. Der Blindwiderstand des Tastkopfes ist also bei einem ohmschen Eingangswiderstand von 10 MΩ etwa 10.000-mal kleiner. Die Schaltung wird bei 100 MHz 10.000-mal mehr belastet. Das Signal wird verfälscht.

Transmission-Line Tastköpfe[Bearbeiten]

Prinzipschaltung eines Tastkopfes nach dem Transmission-Line-Prinzip

Auch der Transmission-Line Tastkopf ist ein passiver Tastkopf. Bei einer 10:1-Teilung beträgt der Eingangswiderstand aber nur 500 Ω.

Vorteile:

  • Sehr geringe Eingangskapazität im Bereich von 0,2 pF bis 0,5 pF.
  • Speziell für die Messung hochfrequenter Signale.
  • Geringere Fehler bei schnellen Signalen.
  • Der Tastkopf stellt über einen größeren Bereich eine gleichbleibende Last dar.

Nachteile:

  • Geringer Eingangswiderstand (500 Ω bis 1000 Ω).
  • Nur für kleine Signalpegel nutzbar.
  • Starke Belastung der Signalquelle.
  • Das Oszilloskop muss eine hohe Leistung am Messeingang verarbeiten.

Bei einem Transmision-Line Tastkopf wird zwischen Tastkopfleitung und Oszilloskop Anpassung hergestellt. D.h. das Oszilloskop arbeitet mit einer Impedanz von 50 Ω, und die verwendete Zuleitung hat einen Wellenwiderstand von ebenfalls 50 Ω. Zwischen Messspitze und Zuleitung wird ein Widerstand von 450 Ω (bei 10:1-Teilung) bis etwa 950 Ω (bei 20:1-Teilung) geschaltet.

Wird die Eingangskapazität mit 0,5 pF angenommen (ein hoher Wert), so ist der kapazitive Widerstand und der ohmsche Widerstand erst bei einer Frequenz von über 600 MHz gleich groß. Die nutzbare Bandbreite ist also wesentlich höher als beim "normalen" passiven Tastkopf. Hochwertige Tastköpfe können also bis in den GHz-Bereich hinein genutzt werden.

Aktive Tastköpfe[Bearbeiten]

Prinzipschaltbild eines aktiven Tastkopfes

Bei aktiven Tastköpfen wird das Signal bereits im Tastkopf verstärkt. Der Tastkopf braucht eine Energieversorgung.

Vorteile:

  • Hoher Eingangswiderstand.
  • Geringe Eingangskapazität.
  • Hohe obere Grenzfrequenz/Bandbreite.

Nachteile:

  • Energieversorgung ist notwendig.
  • Hohe Anschaffungskosten
  • Mechanisch und elektrisch wesentlich empfindlicher als passive Tastköpfe.
  • Aktive Tastköpfe sind oft proprietär, das heißt sie passen nur zu den Oszilloskopen der Hersteller.
  • Durch den Verstärker ist die maximale Signalamplitude begrenzt.

Aktive Tastköpfe kommen zum Einsatz, wenn schnelle Signale mit geringem Spannungshub vermessen werden sollen. Die Verwendung erfordert tiefergehende Kenntnisse der Messtechnik, um den Tastkopf nicht zu zerstören und um ein aussagekräftiges Messergebnis zu bekommen. Aktive Tastköpfe werden in den meisten Fällen vom Oszilloskop mit Energie versorgt, es existieren aber auch Lösungen, die ein externes Netzteil benutzen.

Differentielle Tastköpfe[Bearbeiten]

Prinzipschaltbild eines differentiellen Tastkopfes

Die bisher beschriebenen Tastköpfe messen immer gegen Masse bzw. Erde. Meist ist in der Schaltung die Erde mit 0 V verbunden. Will man Signale messen, deren Bezugspotential nicht 0 V sind (z.B. ein symmetrisches Signal) gibt es verschiedene Vorgehensweisen:

  • Das Oszilloskop hat keinen Massebezug (Trenntrafo). Das ist extrem selten. Die Masseklemme des Tastkopfes an einem Potential ungleich Masse führt u.U. zur Zerstörung des Oszilloskops.
  • Messung mit zwei Kanälen. Das Oszilloskop bildet die Differenz.
  • Verwendung eines differentiellen Tastkopfes.

Die Messung mit zwei Kanälen des Oszilloskops hat mehrere Nachteile:

  • Es werden für ein differentielles Signal zwei Kanäle benötigt.
  • Schnelle Signale werden nur ungenügend genau dargestellt.
  • bei kleinen differentiellen Signalen und großem DC-Offset wird die Messung sehr ungenau.

Für schnelle symmetrische Signale gibt es deshalb den differentiellen Tastkopf. Ein differentieller Tastkopf zählt zu den speziellen aktiven Tastköpfen. Der differentielle Tastkopf hat meist drei Anschlüsse: Ground, A, B.

Ground ist an die Masse der Schaltung anzuschließen. Dieser Massepunkt legt den Arbeitsbereich des Tastkopfes fest. Die anderen beiden Anschlüsse sind an das differentielle Leitungspaar anzuschließen.

Vorteile:

  • Es wird nur ein Oszilloskop-Kanal benötigt.
  • Hohe Impedanz.
  • Geringe Eingangskapazität.
  • hohe Gleichtaktunterdrückung.

Nachteile:

  • Preis.
  • Eingeschränkter Arbeitsbereich.

Differentielle Tastköpfe gewinnen zunehmend an Bedeutung, da viele robuste Systeme und vor allem neue Bussysteme mit symmetrischer Übertragung hoher Geschwindigkeit arbeiten. Vertreter langsamer Übertragungsrate sind professionelle Audiosysteme, CAN und RS485. Symmetrische Hochgeschwindigkeitsübertragung wird z.B. bei USB, PCI Express und diversen Graphikschnittstellen (LVDS) benutzt.

Einige aktive differentielle Tastköpfe können zwischen den Betriebszuständen Kanal A, Kanal B, Kanal A-B (differentieller Anteil), 0,5·(A+B) (Gleichtaktanteil) umgeschaltet werden.

Strom-Tastköpfe[Bearbeiten]

Stromwandler Zeichnung.svg

Der Strom-Tastkopf gehört ebenfalls zu den aktiven Tastköpfen. Er dient zur Messung von Gleich- und Wechselströmen. Die Funktion beruht auf dem Trafoeffekt und dem Hall-Effekt. Der Leiter, in dem der zu messende Strom fließt, wird durch einen Ringkern aus Ferrit geführt. Das an der Auskoppelspule gemessene Signal wird nach der Aufbereitung an das Oszilloskop geführt. Da es in der Praxis oftmals nicht möglich ist den Strompfad aufzutrennen werden Klappsysteme eingesetzt. Der Leiter wird z.B. in ein U-förmiges Ferritteil eingelegt, über das dann ein I-förmiges Ferritteil geschoben wird.

Die Systeme benötigen meistens einen Abgleich vor jeder Messung (veränderter Luftspalt beim Öffnen etc.). Die Aufbereitung des Messwertes bedarf, bedingt durch Nichtlinearitäten, einer etwas aufwendigeren Auswerteschaltung. Durch das Wirkprinzip ist die Bandbreite je nach Tastkopf meist auf einige hundert kHz beschränkt.

Hochspannungstastköpfe[Bearbeiten]

Zur Messung höherer Spannungen als etwa 500 V gibt es kompensierte Tastköpfe auch mit Teilerverhältnissen von 100:1 und 1000:1.

Hochfrequenztastköpfe[Bearbeiten]

Zur Messung des Pegels sehr hoher Frequenzen gibt es Hochfrequenz-Tastköpfe. Sie besitzen hinter der Spitze eine Diode und liefern den Gleichrichtwert der hochfrequenten Spannung.

Zusatzfunktionen[Bearbeiten]

Teilerfaktor übergeben[Bearbeiten]

Passiver 10:1-Tastkopf, der das Oszilloskop per Kontakt-code konfiguriert

Der abgebildete Tektronix-Tastkopf ist passiv, er ist jedoch durch Kontaktstifte in der Lage, dem Oszilloskop mitzuteilen, dass eine 10:1-Teilung angeschlossen ist. Das Oszilloskop besitzt am BNC-Eingang einen Metallring, welcher durch den Kontaktstift berührt wird. In Folge wird die vertikale Skala korrekt eingestellt. Diese Funktion steht in der Regel nur zur Verfügung, wenn Tastkopf und Messgerät vom gleichen Hersteller sind und beide Geräte die Funktion unterstützen. Für hochwertige Tastköpfe sind Adapter erhältlich, um z.B. einen Tektronix-Tastkopf an ein Agilent-Oszilloskop anschließen zu können.

Energieversorgung aktiver Tastköpfe[Bearbeiten]

Wenn der Hersteller von Messgerät und Tastkopf identisch ist, kann die Energieversorgung von aktiven Tastköpfen über Zusatzkontakte erfolgen. Aktive Tastköpfe können aber genausogut über eine externe Energiequelle versorgt werden. Viele Strom-Tastköpfe arbeiten mit externer Versorgung.

Zubehör[Bearbeiten]

Zubehör für Tastköpfe

Um die tägliche Arbeit zu erleichtern, wurde im Laufe der Zeit eine Reihe von Zubehör für Tastköpfe entwickelt. Hierzu zählen:

  • Erdklammer
  • Tastkopfablage
  • flexibler Adapter
  • Lötfahnen
  • gefederter Kontakthaken
  • Farbringe
  • Isolationskappe für den Tastkopf
  • Tastspitzenkappe

Insbesondere die Erdklammer ist bei Schaltungen, deren Spannungsreferenz von der des Messgerätes abweicht, notwendig, um sinnvolle Signale zu erhalten. Es ist dabei aber zu beachten, dass bei unterschiedlichen Potentialen Ausgleichsströme auftreten, welche Sicherungen oder Schutzschaltungen zerstören können. Für bedrahtete integrierte Schaltungen empfiehlt sich der Kontakthaken, welcher an den Anschlüssen sehr einfach montiert werden kann.

Quellen[Bearbeiten]

  • Tektronix: ABCs of Probes: Primer

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Oscilloscope probes – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien