Was ist eine passive Sonde?
Eine passive Sonde ist eine elektrische Verbindung zwischen dem Signal am Messpunkt und dem Eingangsanschluss eines Oszilloskops.
Im Falle der Wellenformbeobachtung mit einem Oszilloskop kann man sagen, dass es sich um eine Vorrichtung zur Übertragung des zu messenden Signals vom Messpunkt zum Oszilloskop handelt.
Bei Oszilloskop-Tastköpfen kann es sich um aktive Sonden mit einer eingebauten Signalverstärkungsschaltung oder um passive Sonden handeln, die nur aus passiven Bauteilen bestehen; dieser Artikel beschränkt sich jedoch auf letztere.
Anwendungen von passiven Sonden
Passive Sonden werden verwendet, um bei der Beobachtung von Signalverläufen mit einem Oszilloskop Signale an Messpunkten zu erfassen.
Die Spannung an der angelegten Stelle wird an das Oszilloskop übertragen. Bei der direkten Beobachtung von Stromverläufen müssen Stromzangen verwendet werden.
Funktionsweise der passiven Sonden
Die Verwendung eines Tastkopfes garantiert nicht die genaue Beobachtung von Wellenformen auf einem Oszilloskop. Um genaue Messungen zu erhalten, muss der Tastkopf mit der nötigen Sorgfalt behandelt werden.
1. Einfluss des Tastkopfes auf die zu prüfende Schaltung
Wenn ein Oszilloskop und ein passiver Tastkopf zur Wellenformbeobachtung kombiniert werden, kann davon ausgegangen werden, dass „der zu prüfende Schaltkreis mit der kombinierten Impedanz der Eingangsimpedanz des Oszilloskops und der Impedanz des Tastkopfes verbunden ist“. Mit anderen Worten, der Tastkopf hat einen eingebauten Widerstand Rp und einen Regelkondensator Cp parallel dazu, und es gibt eine Streukapazität Cs im Kabelabschnitt des Tastkopfs.
Da der Eingangsanschluss des Oszilloskops aus einer Parallelschaltung eines Eingangswiderstands Ri (1 MΩ) und einer Eingangskapazität Ci besteht, ist es wichtig, diese kombinierte Impedanz zu berücksichtigen.
2. Wie wird Cp eingestellt?
Um mit der Sonde unabhängig von der Frequenz eine konstante Dämpfungsrate zu erhalten, muss Cp so eingestellt werden, dass die folgende Gleichung erfüllt ist.
Cp = (Cs + Ci) × Ri / Rp
Der Einstellkondensator Cp ist ein halbfester Typ und sollte in Verbindung mit dem Oszilloskop selbst auf den optimalen Wert eingestellt werden. Das Oszilloskop verfügt über eine Rechteckausgangsklemme zur Einstellung des optimalen Wertes des Abgleichkondensators.
Schließen Sie die Tastspitze hier an und ändern Sie den Wert von Cp so, dass auf dem Oszilloskopdisplay eine Rechteckwelle angezeigt wird.
Weitere Informationen zu passiven Sonden
1. Verwendung von passiven Sonden
Passive Sonden werden für Oszilloskop-Messungen verwendet und je nach den Eigenschaften der zu prüfenden Schaltung aus drei Dämpfungsverhältnissen von 1:1, 1:10 und 1:100 mit dem eingebauten Widerstand Rp ausgewählt.
1:1 Tastkopf
Tastkopf ohne eingebauten Widerstand Rp und Regelkondensator Cp. Das Signal wird direkt an die Eingangsklemmen des Oszilloskops angelegt, so dass die Eingangsimpedanz des Oszilloskops von 1 MΩ und die Eingangskapazität Ci mit dem zu prüfenden Schaltkreis verbunden sind.
Vorsicht ist geboten, wenn die zu prüfende Schaltung eine hohe Impedanz aufweist, da dies den Messkreis beeinflusst. Andererseits kann bei kleinen Signalen die Eingangsempfindlichkeit des Oszilloskops so genutzt werden, wie sie ist, was in Bezug auf den Signalpegel im Vergleich zu anderen Typen, die über Rp laufen, von Vorteil ist.
10:1 Tastkopf
Dies ist ein häufig verwendeter allgemeiner Tastkopf mit einem Innenwiderstand Rp von 9 MΩ. Die Eingangsimpedanz beträgt 10 MΩ in Verbindung mit einem Oszilloskop, was eine einfache Verwendung mit geringem Einfluss auf die zu prüfende Schaltung ermöglicht.
100:1-Tastkopf
Mit einem eingebauten Widerstand Rp99MΩ und einem Regelkondensator Cp beträgt der Dämpfungsfaktor 1/100 und wird daher hauptsächlich verwendet, wenn die Signalspannung 100 V überschreitet. Ein weiteres Merkmal ist die extrem hohe Eingangsimpedanz von 100 MΩ, die die zu prüfende Schaltung besonders wenig beeinträchtigt.
Anschlussstellen für Masseleitungen
Bei der Verwendung von passiven Sonden sollte besonders auf den Anschluss von Masseleitungen und deren Handhabung geachtet werden. Bei der gleichzeitigen Beobachtung mehrerer Punkte auf einem Mehrkanal-Oszilloskop sollten die Masseleitungen jedes Kanaltastkopfes an einen einzigen gemeinsamen Punkt (vorzugsweise eine Ein-Punkt-Masse) angeschlossen werden.
Wenn sie an unterschiedliche Masseleitungen angeschlossen sind, können Masseschleifen die Messung kleiner Signale beeinträchtigen.
Länge der Erdungsleitungen
Längere Erdungsleitungen sind in Bezug auf die Verbindung zum Messpunkt vorteilhafter, aber bei der Beobachtung von Hochfrequenzsignalen können fehlerhafte Phänomene wie Klingeln und große Schwankungen der Signalamplitude auftreten. Dies ist auf die Resonanz zwischen der induktiven Komponente des Erdungskabels und der Kapazität des Eingangsanschlusses der Sonde zurückzuführen, die dazu führt, dass die Amplitude in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz extrem groß wird.
Daher ist bei der Beobachtung von Hochfrequenzsignalen mit einer Frequenz von 10 MHz oder mehr die Verwendung einer Erdungsfeder oder Ähnlichem anstelle des Erdungskabels zu erwägen.
2. Frequenzcharakteristik von Tastköpfen
Ein Messgerät zur Wellenformbeobachtung besteht aus einem Oszilloskopkörper und einem Tastkopf, und die Frequenzbandbreite und die Anstiegszeit des Messsystems, das beide kombiniert, bestimmen die Hauptmessleistung. Daher werden die Frequenzbandbreite und die Anstiegszeit als Spezifikationen für jedes Oszilloskopgehäuse und den damit kombinierten Tastkopf veröffentlicht.
3. Kabelschwimmfähigkeit
Ein Faktor, der den Frequenzgang eines Tastkopfes stark beeinflusst, ist die Schwebekapazität des Kabels. Je höher die Frequenz, desto geringer ist der kapazitive Blindwiderstand aufgrund der Schwebekapazität, was wiederum die Belastung des zu prüfenden Schaltkreises erhöht.
Dies hat negative Auswirkungen, wie z. B. eine Verengung der Frequenzbandbreite des Tastkopfs selbst und langsamere Anstiegszeiten. Die Streukapazität eines Tastkopfes hängt auch von der Länge des Kabels ab, und je länger das Kabel ist, desto höher ist die Streukapazität, sodass es für den Frequenzgang von Vorteil ist, wenn die Länge des Tastkopfes so kurz wie möglich ist.