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 bis 50 pF. Oszilloskope mit höheren Bandbreiten verfügen meist über 50 Ω Eingänge oder können eine entsprechende Terminierung zuschalten. Die Eingangsspannung ist bei 1 MΩ oft auf etwa 300 VSpitze 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 die zu untersuchende Schaltung möglichst wenig beeinflussen und das anliegende Signal unverfälscht wiedergeben. Daraus ergeben sich folgende Anforderungen:

Diese Forderungen können nicht miteinander vereint werden: entweder ist die Eingangsimpedanz gering und entspricht dem Wellenwiderstand des Kabels (Koaxialkabel, z.B. 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 sehr unterschiedlich, was Eingangsverhalten und Kosten betrifft, sodass oft nicht nur technische Erwägungen, sondern auch wirtschaftliche bei der Auswahl von Tastköpfen eine Rolle spielen.

Tastköpfe mit hohen Bandbreiten oder aktiven Komponenten sind meist mechanisch und elektrisch wesentlich empfindlicher als einfachere Tastköpfe für niedrigere Frequenzen.

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:

  • hohe Eingangskapazität (typ. 12-25 pF), daher ungeeignet für hochohmige Schaltungsknoten
  • Durch die Eingangskapazität eine relativ niedrige in der Praxis nutzbare Bandbreite
  • Kleine Spannungen sind schwerer zu messen, da das Signal durch den Teilerfaktor geteilt wird

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. Typische Teilungsverhältnisse sind 10:1 und 100:1.

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 häufig anzutreffenden Messsituationen ein brauchbares Ergebnis erzielbar.

Beispielrechnung: Eine Kapazität von 14 pF stellt für ein 100 MHz-Signal einen Blindwiderstand von etwa 110 Ω dar. Der Blindwiderstand des Tastkopfes ist also bei einem ohmschen Eingangswiderstand von 10 MΩ fast 90.000-mal kleiner. Die Schaltung wird bei 100 MHz entsprechend 90.000-mal stärker belastet als bei Gleichspannung, was das Signal verfälschen kann und häufig die Schaltung beeinflusst.

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 allerdings nur 500 Ω, ist durch die geringe Eingangskapazität bei hohen Frequenzen jedoch deutlich größer als bei hochohmigen Tastköpfen (s.o.).

Vorteile:

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

Nachteile:

  • Geringer Eingangswiderstand (500 Ω bis 1000 Ω).
  • Nur für kleine Signalpegel nutzbar.
  • Starke DC-Belastung der Signalquelle.
  • Es wird eine qualitativ hochwertige 50 Ω-Terminierung am Oszilloskop benötigt

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 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 und birgt in der Regel das Risiko eines Stromschlages oder Zerstörung des Oszilloskops.
  • Das Prüfobjekt hat keinen Massebezug (Trenntrafo). Für niedrigere Frequenzen und niedrige Quellimpedanzen eine brauchbare Alternative zu einem Differentialtastkopf, sonst unbrauchbar.
  • Messung mit zwei Kanälen, deren Differenz vom Oszilloskop angezeigt wird.
  • 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 Gleichtaktsignal 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

Ein Strom-Tastkopf bzw. Stromzange kann passiv und aktiv sein; er dient zur Messung von Gleich- und Wechselströmen. Gleichstrom-Tastköpfe sind immer - sofern es sich nicht um einen einfachen Shunt handelt - aktiv. Reine Wechselstrom-Tastköpfe sind meist passiv. Die Funktion beruht auf dem Trafoeffekt und/oder dem Hall-Effekt. Der Leiter, in dem der zu messende Strom fließt, wird durch einen Ferritkern 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 u.U. 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.

Demodulatortastköpfe[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 - ein Hüllkurvendemodulator, daher der Name.

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 genauso gut 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.

Weblinks[Bearbeiten]