Passiver Tastkopf für ein Oszilloskop.
Passiver Tastkopf: Warum sinnvoll?
Man kann mit einem BNC-Kabel und entsprechenden Adaptern direkt Signale auf dem Oszilloskop messen. Warum braucht man also überhaupt einen Tastkopf? Um dies zu verstehen, kann man ein kleines Ersatzschaltbild für Oszilloskop, Kabel, Tastkopf und Spannungssignal aufstellen. Zur Veranschaulichung gibt es hier eine Simulation mit der Software "LTSPice", die kostenlos für WIndows und MacOS verfügbar ist.
Simulation Oszilloskop, passiver Tastkopf mit Teilerverhältnis 1:1 (also nur BNC-Kabel).
Der untere Teil des Bildes zeigt das Ersatzschaltbild der Simulation. Rechts unten ist das Oszilloskop durch einen Eingangswiderstand von 1 Megaohm und eine Kapazität von 20 pF repräsentiert. Dazu parallel geschaltet ist eine Kapazität von 100pF, die das BNC-Kabel modelliert. Links unten ist die Spannungsquelle mit einer Sinusamplitude von 1V und in Reihe dazu ein Serienwiderstand von 1kOhm. Dies simuliert eine endliche Belastbarkeit der Stromquelle und begrenzt den maximalen Eingangsstrom der Schaltung auf 1mA.
Im oberen Teil des Bildes ist ein Frequenzgang simuliert. Dargestellt ist die Ausgangsspannung am Kondensator C1, also am Oszilloskopeingang. Die Frequenz der Eingangsspannung wird in dieser Simulation von 1 Hz bis zu 100MHz erhöht und die entsprechende Spannung am Oszilloskopeingang dargestellt. Man erkennt, dass die Eingangsspannung am Oszilloskop bis zu einer Frequenz von 100kHz unverändert 1V beträgt. Bei höheren Frequenzen sinkt die Eingangsspannung rapide ab. Bei 10 Mhz beträgt die Amplitude am Eingang weniger als 0,2V, bei 100MHz kann man gar nicht mehr messen. Die gestrichelte Linie zeigt die Phasenverschiebung des Signals. Bei 1MHz beträgt diese bereits 45° gegenüber der Eingangsphase.
Passiver Tastkopf mit Teilerverhältnis 10:1
Simulation Oszilloskop, passiver Tastkopf mit Teilerverhältnis 10:1.
Verwendet man nun einen passiven Tastkopf, kommen ein Widerstand R2 und die Kapazität C4 zum Schaltbild hinzu. Die Werte von 9 Megaohm und 13,33 pF repräsentieren einen korrekt abgeglichenen Tastkopf mit einem Teilerverhältnis von 10:1. Das Eingangssignal am Oszilloskop ist jetzt um den Faktor 10 gedämpft, die Amplitude beträgt ca. 100mV. Schaut man sich nun die Simulationsergebnisse an, erkannt man deutlich den Unterschied im Frequenzgang. Bis zu einer Frequenz 1MHz ändert sich die Signalamplitude nicht. Bei 10 MHz liegt man ca. bei 81mV. Frequenzen um 100 MHz können sogar noch gemessen werden. Die Phasenverschiebung bei 1 MHz liegt bei wenigen Grad. Damit hat der passive 10:1 Tastkopf ca. um eine Größenordnung höhere Frequenzbandbreite als das BNC-Kabel. Der Preis dafür ist der um den Faktor 10 geringere Signalhub. Die meisten Oszilloskope können zuverlässig im Milli- und Mikrovolt-Bereich messen. Die Dämpfung des Signalhubes um den Faktor 10 kann man sich zugunsten der besseren Frequenzbandbreite häufig erlauben.
Die beiden Schaltpläne zur Simulation können hier heruntergeladen werden.