Warum haben passive Oszilloskop-Tastköpfe so viele Optionen für den Masseanschluss?

Die meisten Oszilloskope werden mit einem Satz passiver Tastköpfe geliefert, die für allgemeine Anwendungen bestimmt sind. Diese Tastköpfe umfassen in der Regel einen Zubehörsatz mit einer Reihe von Anschlussoptionen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein typischer Zubehörsatz für einen passiven, hochohmigen Oszilloskoptastkopf bietet mehrere Anschlussoptionen. (Bildquelle: Teledyne LeCroy)

Diese Abbildung zeigt den passiven Hochimpedanz-Tastkopf des Modells PP008-1 von Teledyne LeCroy mit dem mitgelieferten Zubehör. Die meisten Hersteller bieten ähnliche Anschlussvorrichtungen an. Sie werden sich vielleicht fragen, warum es so viele Vorrichtungen gibt, um den Tastkopf mit Masse zu verbinden. Die Antwort ist, dass die Masseverbindung einen großen Einfluss auf Hochfrequenzmessungen hat, weshalb die mit dem Tastkopf gelieferten Vorrichtungen dazu beitragen, die bestmögliche Masseverbindung zu gewährleisten.

Das Schaltkreismodell eines typischen X10-Tastkopfes mit 500 Megahertz (MHz) enthält Widerstands-, Kapazitäts- und Induktivitätselemente (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Schaltkreismodell eines passiven 500-MHz-X10-Tastkopfes enthält die Induktivität der Masseleitung sowie Widerstand und Kapazität. (Bildquelle: Art Pini)

Vom Messpunkt aus sieht der Tastkopf wie ein 10-Megaohm-Widerstand (MΩ) aus, der mit einem 9,5-Picofarad-Kondensator (pF) parallel geschaltet ist. Die Masseseite umfasst die Reiheninduktivität der Masseverbindung. Für eine typische Masseleitung mit 11,4 Zentimeter (cm) (4,5 Zoll (in.)) beträgt die Induktivität etwa 200 Pikohenry (pH).

Bei Frequenzen unter etwa 20 MHz hat die Induktivität der Masseleitung keine große Wirkung. Der 10-MΩ-Widerstand kann im Grunde vernachlässigt werden, und die Induktivität (L) und der Kondensator (C) bilden eine LC-Reihenschaltung mit Resonanz bei 115 MHz. Die Induktivität bewirkt eine Spitzenbildung in der Tastkopfantwort, so dass hochfrequente Komponenten eines Signals verstärkt werden. Idealerweise sollte die Masseleitung nicht für Signale mit Frequenzkomponenten über 20 MHz verwendet werden.

Wie schließe ich also den Tastkopf an, um die volle Bandbreite zu nutzen? Die Idee ist, eine Anschlussmethode zu verwenden, die die Leitungsinduktivität minimiert. Die oben in Abbildung 1 gezeigte Erdungsfeder ist eine gute Lösung. Die Tastkopfspitze berührt den Messpunkt, während die Erdungsfeder mit dem nächstgelegenen Erdungspunkt des Stromkreises verbunden ist. Achten Sie nur darauf, dass Sie die Feder so einsetzen, dass der gewundene Teil durch den Erdungsring des Tastkopfes vollständig kurzgeschlossen wird.

Eine geringfügig niedrigere Induktivität wird durch die Verwendung der Erdungsklinge erreicht. Die flache Metallklinge bietet eine geringere Induktivität als der zylindrische Drahtquerschnitt der Erdungsfeder. Die Verwendung einer mit der Schaltkreismasse verbundenen Erdungsfolie erleichtert den Anschluss der Erdungsklinge an eine gute Masse (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Erdungsklinge ist mit einer Kupferfolie verbunden, die an die Massestifte des ICs gelötet ist. (Bildquelle: Teledyne LeCroy)

In diesem Beispiel verwendet ein passiver Tastkopf PP007-WR-1 von Teledyne LeCroy die Erdungsklinge, um den Tastkopf mit einer Kupfererdungsfolie zu erden, die an die Massestifte des ICs gelötet ist. Eine IC-Tastkopfabdeckung führt die Tastkopfspitze zum IC-Prüfpunktstift, während die isolierte Verlängerung zwischen die IC-Stifte passt und für Stabilität sorgt.

Die nächste offensichtliche Frage lautet: Welchen Unterschied machen die einzelnen Masseverbindungen bei der Messung aus? Lassen Sie uns einige vergleichen. Abbildung 4 zeigt vier überlagerte Messungen eines Impulses mit einer Übergangszeit von 750 Pikosekunden (ps) (Signalbandbreite von etwa 466 MHz). Bei jeder Messung wird eine andere Erdungstechnik verwendet.

Abbildung 4: Vergleich der gemessenen Reaktion auf einen kurzen Impuls mit Übergangszeiten von weniger als einer Nanosekunde. Die rote Kurve wurde über eine Koaxialverbindung aufgenommen und bildet hier das Referenzsignal. (Bildquelle: Art Pini)

Die rote Kurve ist das über eine Koaxialverbindung erfasste Signal und dient als Bezugsnorm. Die blaue Kurve wurde mit einer Standard-Masseleitung mit 11,4 cm (4,5 in) aufgezeichnet. Beachten Sie, dass die hohe Reiheninduktivität der Leitung ein starkes Überschwingen verursacht. Die grüne Kurve zeigt die Reaktion bei Verwendung einer Erdungsfeder. Diese Reaktion ist auf jeden Fall besser als die der Masseleitung. Die gelbe Kurve ist die Reaktion der Erdungsklinge und ist nur geringfügig besser als die der Erdungsfeder.

Fazit

Bei der Verwendung von hochohmigen passiven Tastköpfen zur Messung von Signalen mit Frequenzanteilen über 20 MHz sollten Sie die kürzestmögliche Masseleitung verwenden. Aus diesem Grund sind im Tastkopfzubehörsatz so viele Optionen enthalten.