Messdaten aufnehmen Wie sich der Tastkopf-Flaschenhals bei einem Oszilloskop umgehen lässt

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1 Messdaten aufnehmen Wie sich der Tastkopf-Flaschenhals bei einem Oszilloskop umgehen lässt Autor / Redakteur: Brig Asay und Markus Stocklas * / Hendrik Härter Bei einem Messsystem aus mehreren Komponenten sind die Tastköpfe und Messadapter die schwächsten Glieder. Abhilfe schafft die Frequenzgang- und Frequenzgangkompensation. Ordentliche Bandbreite: Das Agilent DSAX96204Q bietet eine Bandbreite von 63 GHz. Allerdings sind die Oszilloskope nicht der Flaschenhals, sondern die Tastköpfe (Agilent) das Oszilloskop. Jedes Messsystem ist nur so gut wir sein schwächstes Glied. Die Bandbreite eines Oszilloskops ist eine wesentliche Spezifikation, aber ein Messsystem besteht aus mehr als dem Oszilloskop und das schwächste Glied ist oft nicht Ein Messsystem besteht aus Tastköpfen, Kabeln, Verbindern und Messadaptern und alle können die Bandbreite mehr einschränken als das Oszilloskop. Kabel und Verbinder haben zwar typischerweise nur eine sehr geringe Dämpfung, Tastköpfe und Messadapter aber oft eine ganz erhebliche. Die Oszilloskophersteller tun sich schwer damit, dass das Zubehör mit der Bandbreite der Oszilloskope mithält. Echtzeitoszilloskope sind mittlerweile bei einer Bandbreite von 63 GHz angekommen, die Tastköpfe sind erst bei 30 GHz. ERGÄNZENDES ZUM THEMA PrecisoinProbe als Alternative zur Frequenzgangkorrektur PrecisoinProbe als Alternative zur Frequenzgangkorrektur Mit der PrecisionProbe ist eine Alternative zur Frequenzgangkorrektur von Tastköpfen. Sie gibt dem Anwender eine gewisse Kontrolle über den Frequenzgang eines Tastkopfes. Die Entwicklungszeit auf das Design von Tastköpfen ist gewaltig, damit Tastköpfe eine hohe Bandbreite und eine hohe Genauigkeit erzielen. Leider bringt reines Hardwaredesign keine ausreichend guten Ergebnisse, für die notwendige Genauigkeit brauchen diese Tastköpfe eine Frequenzgangkorrektur über digitale Signalprozessoren. Seite 1 / 8

2 Um zu erkennen, ob diese im Messsystem des Anwenders ein Problem darstellt, muss der Messtechniker den Frequenzgang eines Tastkopfes messen können und wissen, welche Frequenzgangkompensation bei seinem Tastkopf angewendet wurde. Werkzeuge wie die Software Agilent PrecisionProbe N2809A messen den Frequenzgang eines Tastkopfes. BILDERGALERIE Fotostrecke starten: Klicken Sie auf ein Bild (3 Bilder) Ein weiteres Problem mit der Bandbreite von Tastköpfen ergibt sich dadurch, dass verschiedene Hersteller unterschiedliche Methoden zur Frequenzgangkompensation einsetzen. Eine solche Kompensation ist schlicht ein Filter, das ein Oszilloskop zur Laufzeit anwendet und das den Frequenzgang eines Tastkopfes glättet. Ein flacherer Frequenzgang bedeutet genauere und besser reproduzierbare Messungen. Weil es so schwierig ist, breitbandige Tastköpfe zu bauen, und weil es mehrere Methoden zur Frequenzgangkompensation gibt, ist es nicht unwahrscheinlich, dass die Tastköpfe das schwächste Glied des Messsystems darstellen. Hat man die Genauigkeit seiner Messung im Blick, reicht es daher nicht, sich auf die Bandbreite des Oszilloskops zu verlassen. Man muss vielmehr den Einfluss von Bandbreite und Frequenzgang der Tastköpfe auf die Messung kennen und richtig einschätzen. Den Frequenzgang eines Tastkopfes ermitteln Zur Messung des Frequenzgangs eines Tastkopfes arbeiten die Oszilloskophersteller typischerweise mit zwei Methoden, die man V in und V src nennt. Hierbei ist: V in : Die Spannung am Eingang des Tastkopfes, wobei der Tastkopf das Messsignal belastet V out : Die Spannung, wie sie das Oszilloskop am Ausgang des Tastkopfes sieht V src : Die Spannung am Eingang eines idealen Tastkopfes oder auch das ursprüngliche Messsignal ohne Belastung durch einen Abgriff Ziel einer Frequenzgangkorrektur ist ein ideal glatter Frequenzgang des Tastkopfes Seite 2 / 8

3 über die gesamte Bandbreite hinweg. Dazu korrigiert man V out so, dass V out = V in (bzw. V src ) ist. Der Hauptunterschied zwischen beiden Verfahren liegt darin, dass V in die Belastung des Messsignals durch den Tastkopf berücksichtigt, während dieser Effekt bei der Kompensation nach dem Verfahren bei V src vernachlässigt wird. Das Verfahren V src funktioniert gut in einer 50-Ohm-Umgebung oder dann, wenn die Impedanz am betreffenden Messpunkt bei der Kompensation bekannt ist. Weicht die Impedanz des Messpunkts von 50 Ohm ab, werden die Ergebnisse mit wachsender Abweichung immer ungenauer, wenn man die Kompensation nicht nachführt. Das Verfahren V in berücksichtigt die Impedanz des Tastkopfes, daher ist die so erzielte Frequenzgangkompensation unabhängig von der Impedanz des Messpunkts. Die Unabhängigkeit von der Quellimpedanz ist somit ein grundsätzlicher Vorteil dieses Verfahrens. Den Frequenzgang eines Tastkopfes ermitteln Ist man sich nicht sicher, welches Verfahren man zur Frequenzgangkompensation anwenden soll, kann man den Frequenzgang eines Tastkopfes mit folgendem Verfahren ermitteln: Man verbindet den Kalibrier-/Deskew-Adapter des Oszilloskopherstellers (etwa Agilent E2655A) mit Kanal 3 des Oszilloskops. Den E2655A schaltet man zwischen Messsignal und den Eingang des Oszilloskops. Wenn an ihn nichts weiteres angeschlossen ist, stellt der Adapter eine Durchgangsverbindung zum Eingang des Oszilloskops dar. An den Eingang des E2655A wird nun ein Kalibriersignal angelegt, eine schnelle Flanke. Die Oszilloskope der Familie X können ein Kalibriersignal ausgeben, das für diesen Zweck gut geeignet ist und das an einer Buchse auf der Frontplatte anliegt. Man muss hierzu nur den Ausgang "AUX OUT" auf "Schnelle Flanke" einstellen. Auch das Kalibriersignal des Agilent N2806A liefert Flanken mit weniger als 10 ps Anstiegszeit. Auf "Flanke" triggern und Kanal 3 folgendermaßen einstellen: 1. Das Oszilloskop auf Mittelung über mindestens 1000 Messungen einstellen, 2. Die Mathematikfunktion "Differenzieren" einschalten, die Differentiation ergibt einen Nadelimpuls, 3. Über den Impuls aus (2) eine schnelle Fourier-Transformation laufen lassen. Diese liefert die volle Spannung V src (also die Spannung an der Tastspitze eines idealen Tastkopfes), 4. Die erzeugte FFT auf Speicherplatz 1 des Oszilloskops abspeichern. Den Tastkopf der Wahl (vorzugsweise einen aktiven) an Kanal 1 des Oszilloskops anschließen und das Signal mit der Tastspitze auf dem Kalibrieradapter abgreifen. Seite 3 / 8

4 Kanal 1 zeigt die schnelle Flanke nach Durchlauf durch den Tastkopf und verändert durch die Belastung durch den Abgriff. Die Prozedur wird auf Kanal 1 wiederholt und speichert das Ergebnis auf Speicherplatz 2. Dann Schritt 3 mit dem Signal von Kanal 1 wiederholen und Ergebnis in Speicher 2 sichern. Man hat jetzt einen zweiten Frequenzgang: Der Frequenzgang des Tastkopfes oder V out. Nun fehlt nur noch ein weiteres Signal: V in. Das ist die Spannung an der Tastspitze mit Belastung durch den Tastkopf. Das Messsignal an Kanal 3 hat sich mit dem Anschluss des Tastkopfes an den Kalibrieradapter geändert, Kanal 3 zeigt V in. Zur Messung von V in werden die Punkte Anschluss der Tastköpfe: Der Tastkopf ist an Kanal 1 angeschlossen, seine Spitze greift das Kalibriersignal auf dem Kalibrieradapter an Kanal 3 abagilent von oben wiederholt. Diesmal wieder mit Kanal 3 und zwar mit angeschlossenem Tastkopf. Das Ergebnis der FFT speichert man in Speicherplatz 3. Jetzt sind alle drei erforderlichen Signale vorhanden. Mit der Divisionsfunktion des Oszilloskops lässt sich die Frequenzgangkorrektur des Tastkopfes errechnen: Für V in dividiert man Speicherplatz 3 durch Speicherplatz 2. Für V src dividiert man Speicherplatz 1 durch Speicherplatz 2. Ziel eines Oszilloskop- und Tastkopf- Herstellers ist, den Frequenzgang derart zu korrigieren, dass V out = V in ist. Je flacher der Frequenzgang nach der Kompensation ist, desto besser stellen die Messkurven auf dem Oszilloskop die Realität dar. In letzter Konsequenz korrigiert V src den Frequenzgang des Tastkopfes unter der Annahme, dass der Tastkopf das Messsignal nicht belastet. Dafür muss man die Impedanz der Leitung kennen, die man abgreifen will. Bei einer Leitung von 50-Ohm- Impedanz bekommt man genaue Messungen. Weicht die Impedanz ab, werden die Messungen ungenau. Die Methode V in berücksichtigt die Belastung des Messsignals durch den Tastkopf und ist daher von der Quellimpedanz unabhängig. * Brig Asay und Markus Stocklas arbeiten als Applikationsingenieure bei Agilent Technologies. Seite 4 / 8

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6 Bild 3: FFT des Quellsignals über den Kalibrieradapter Seite 6 / 8

7 Ordentliche Bandbreite: Das Agilent DSAX96204Q bietet eine Bandbreite von 63 GHz. Allerdings sind die Oszilloskope nicht der Flaschenhals, sondern die Tastköpfe Seite 7 / 8

8 Anschluss der Tastköpfe: Der Tastkopf ist an Kanal 1 angeschlossen, seine Spitze greift das Kalibriersignal auf dem Kalibrieradapter an Kanal 3 ab Seite 8 / 8