Die Auswahl eines Ersatz-Oszilloskoptastkopfes ist einfach

Zu Beginn meiner Laufbahn leitete ich eine Testabteilung mit 22 Ingenieuren und Technikern, und wir hatten etwa 35 Oszilloskope. Der häufigste Fehler bei den Oszilloskopen waren defekte Tastköpfe. Gebrochene Tastkopfstifte, unterbrochene Anschlüsse, beschädigte Kabel - es gibt buchstäblich kein Ende der Dinge, die mit einem Oszilloskop-Tastkopf passieren können. Wir haben also wahrscheinlich über drei Dutzend Sonden pro Jahr ersetzt.

Bei der Suche nach Ersatzsonden benötigt man nicht viel, außer dem Wissen, wie Sonden funktionieren und wie sie spezifiziert sind. Fast alle Oszilloskope werden mit einem passiven Tastkopf pro Kanal ausgeliefert, was den Tastkopf zu einem weit verbreiteten Prüfzubehör macht. In den passiven Sonden stecken achtzig Jahre technologische Entwicklung, aber die Grundidee ist immer noch sehr einfach. Nach Abbildung 1 ist der passive 10:1-Tastkopf im Grunde ein kompensiertes Dämpfungsglied, das an den 1-Megohm-Eingangsanschluss des Oszilloskops angeschlossen werden soll. Der 1MΩ-Eingang eines Oszilloskops kann als 1MΩ-Widerstand mit einer kleinen Parallelkapazität modelliert werden.

Abbildung 1: Schaltungsmodell für einen passiven 10:1-Tastkopf mit hoher Impedanz, der mit dem 1MΩ-Eingang des Oszilloskops zusammenarbeitet. (Bildquelle: Art Pini)

Die 10:1-Dämpfung wird erreicht, indem ein 9MΩ-Widerstand in Reihe mit dem Oszilloskopeingang (R_IN in Abbildung 1) geschaltet wird. Diese Kombination dämpft niederfrequente Signale am Tastkopfeingang um den Faktor zehn am Oszilloskopeingang. Bei höherfrequenten Signalen wirkt die Nebenschlusskapazität des Oszilloskopeingangs (C_in), die zur Kapazität des Koaxialkabels hinzukommt, als Tiefpassfilter für die Eingangssignale.

Um einen flachen Frequenzgang zu erreichen, ist eine Entzerrung erforderlich. Durch Hinzufügen eines seriellen Hochpassfilters mit einer Unterbrechungsfrequenz, die mit der des Tiefpassfilters übereinstimmt, wird der Frequenzgang der Sonden-Oszilloskop-Kombination abgeflacht. Dies wird erreicht, indem die Zeitkonstante R_IN x C_IN gleich der Zeitkonstante von Ro x (C_{SCOPE in}+C_CABLE+C_COMP) gemacht wird. Da die Eingangskapazität des Oszilloskops leicht schwankt, wird der variable Kondensator C_COMP hinzugefügt, um die Zeitkonstante des Tiefpasses anzupassen. Dieser Kondensator wird zur Einstellung der Niederfrequenzkompensation gemäß den Anweisungen in jedem Oszilloskop-Handbuch eingestellt.

Schauen wir uns ein Beispiel für die Suche nach einer Ersatzsonde an. Angenommen, wir suchen einen Ersatzmesskopf für ein 1 Gigahertz (GHz) Vierkanal-Oszilloskop HDO4104A von Teledyne LeCroy. Dieses Oszilloskop wird normalerweise mit vier 500-Megahertz(MHz)-Tastköpfen PP018 geliefert. Eine Information, die wir über das Oszilloskop benötigen, ist die Eingangskapazität, C_{SCOPE in}, die auf dem Datenblatt zu finden ist. Im Datenblatt ist die Eingangskapazität mit 16 Picofarad (pF) angegeben; wenn sie nicht explizit aufgeführt ist, können Sie von einer Toleranz von ±20% ausgehen.

Beginnen Sie mit der Suche auf der DigiKey-Website nach Oszilloskop-Tastköpfen. Eines der Suchergebnisse ist „Messleitungen - Oszilloskop-Tastköpfe“, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Wählen Sie auf der DigiKey-Website „Messleitungen - Oszilloskop-Tastköpfe“ die folgenden Suchkriterien: Passiver Tastkopf, 10:1 Dämpfung, 500 MHz Bandbreite und einen Tastkopf-Eingangswiderstand von 10 MΩ. (Bildquelle: Art Pini)

Die Suche ergibt die 16 Produktangebote in Abbildung 3.

Abbildung 3: Die Suchergebnisse listen 16 Tastköpfe auf, von denen die ersten acht auf Lager sind. Eine der ausgewählten Sonden ist ein exakter Ersatz, die PP018, aber es gibt auch passende Sonden von anderen Herstellern. (Bildquelle: Art Pini)

Von den ersten acht Suchergebnissen sind sechs Tastköpfe von Teledyne LeCroy, einschließlich des PP018-Tastkopfes, der mit dem Oszilloskop geliefert wird. Darüber hinaus gibt es Tastköpfe von zwei anderen Herstellern: den CT4203 von Cal Test Electronics und den P500-010 von Carlisle Interconnect Technologies. Es ist immer gut, auch andere Optionen zu prüfen.

Anhand der Datenblätter der einzelnen Sonden können wir die in Tabelle 1 aufgeführten wichtigsten Spezifikationen vergleichen.

Tabelle 1: Vergleich der Tastköpfe von drei verschiedenen Herstellern anhand von acht wichtigen Sondenspezifikationen. (Tabellenquelle: Art Pini)

Die drei Sonden sind sich ziemlich ähnlich. Eine wichtige Spezifikation, die bisher nicht erwähnt wurde, ist der Kompensationsbereich. Dies ist der Bereich der Oszilloskop-Eingangskapazität, an den der Tastkopf angepasst werden kann. Da das Oszilloskop eine Eingangskapazität von 16 pF ±20% hat, können alle diese Tastköpfe diese Kapazität erreichen.

Der zweite beachtenswerte Parameter ist der Durchmesser der Sondenspitze. Der kleinere Durchmesser von 2,5 Millimetern (mm) ermöglicht einen geringeren Abstand zwischen den Sonden, ohne dass es zu physischen Störungen kommt. Die größere 5mm-Sondenspitze ist robuster und weniger anfällig für Brüche. Dies ist eine technische Entscheidung, die nur vom Benutzer getroffen werden kann.

Fazit

Obwohl Ingenieure wissen, wie wichtig die Pflege von Oszilloskop-Tastköpfen ist, da nicht alle Schäden sofort sichtbar sind, kommt es vor, dass selbst die bestgepflegten Tastköpfe versagen. Und wie es Murphy will, gibt der Tastkopf oft genau dann auf, wenn er am dringendsten benötigt wird.

Wie gezeigt, ist die Beschaffung eines Ersatzteils mit der DigiKey-Produktsuchmaschine und den grundlegenden Auswahlrichtlinien eine relativ unkomplizierte Angelegenheit. Mit Ausnahme des Durchmessers der Sondenspitze unterscheiden sich die drei hier ausgewählten Sonden in erster Linie durch ihre Kosten - die ultimative technische Entscheidung.

Alternativ können Sie sich natürlich auch einen Tastkopf von einem benachbarten Labortisch „ausleihen“.