Tastkopf eines Oszilloskopes.
Ein Tastkopf dient der definierten Verbindung von Oszilloskop mit der zu messenden Spannung. Zwar kann man auch ein einfaches Kabel nehmen, allerdings ist dann Widerstand und Kapazität der Messung undefiniert. Bei niedrigen Frequenzen im Kilohertzbereich spielt dies noch keine Rolle. Bei hohen Frequenzen im Megahertzbereich kann eine solche Kabelverbindung das Messsignal verfälschen und zu falschen Schlüssen oder unerwarteten Effekten führen. Aus diesem Grund gibt es für jedes Oszilloskop Tastköpfe, mit denen man eine Spannung unter bekannten Bedingungen messen kann. An der Seite des Tastkopfes gibt es eine kleine Krokodilklemme. Dies ist der Masseanschluss des Tastkopfes. An der Spitze hat der Tastkopf einen Metallkontakt. Mit diesem Kontakt berührt man das zu untersuchende Spannungssignal. Der Metallkontakt ist mit dem inneren BNC-Kontakt des Oszilloskops verbunden. Manchmal ist an der Spitze eine Kabelklemme integriert. Durch Herunterdrücken der Spitze kann man die Kabelklemme herausfahren und eine dauerhafte Verbindung mit einem Pin oder Kabel schaffen.
Teilerverhältnis
Masseanschluss Tastkopf: Krokodilklemme.
Ein Oszilloskop hat in der Regel einen Eingangswiderstand von einem Megaohm. Ein üblicher passiver Tastkopf verfügt über einen Eingangswiderstand von neun Megaohm. Mit solch einer Konfiguration realisiert der Tastkopf zusammen mit dem Oszilloskop einen Spannungsteiler mit dem Gesamtwiderstand von 10 Megaohm und einem Teilerverhältnis von (9+1) Megaohm zu 1 Megaohm = 10:1. Dies bedeutet, dass eine Spannung am Tastkopf um den Faktor 10 verringert am Oszilloskop erscheint. Die abgelesene Spannung am Oszilloskop muss mit dem Faktor 10 multipliziert werden, um auf die tatsächliche Spannung an der Spitze des Tastkopfes zu schließen. Je nach Widerstand bzw. Impedanz (Wellenwiderstand, Wechselstromwiderstand) des Tastkopfes ergeben sich unterschiedliche Teilerverhältnisse. Üblich sind 10:1, 20:1 oder 100:1. Hochfrequenzoszilloskope haben eine Eingangsimpedeanz von 50 Ohm, ein 10:1 Tastkopf hat dann einen Widerstand von 450 Ohm integriert, da (450+50) Ohm :50 Ohm ein Teilerverhältnis von 10:1 bzw. 1:10 ergibt, je nachdem welche Spannung man zu welcher ins Verhältnis setzt. Der definierte Wellenwiderstand des Tastkopfes bedeutet ebenso eine definierte Kapazität. In der Regel sind dies einige Pikofarad. Die Induktivität des Tastkopfes spielt ebenfalls eine Rolle, bei niedrigen und mittleren Frequenzen fällt sie aber nicht so stark ins Gewicht.
Passiver Tastkopf
Messspitze Tastkopf mit Kabelklemme.
Ein passiver Tastkopf ist die einfachste Variante. Passive Tastköpfe sind günstig, verwenden keine aktiven Bauteile und benötigen keine Stromversorgung. Passive Tastköpfe bestehen aus einem Widerstand und einem dazu parallel geschalteten Kondensator und sehen so aus wie oben auf dem Bild. Trotz des einfachen Aufbaus verbessern passive Tastköpfe die detektierbare Frequenzbandbreite gegenüber einfachen Messungen mit BNC-Kabeln.
Passive Tastköpfe eignen sich nicht für sehr hohe Frequenzen. Die Kapazität eines Tastkopfes liegt zwischen 10 und 30pF, was zu begrenzten Messbandbreiten führt. Frequenzen im hohen MHz oder GHz-Bereich werden frequenzabhängig gedämpft. Da man die Dämpfung nicht kennt, kann man nicht zwischen Messartefakt und Messsignal unterscheiden.
Im EEVBlog (auf Englisch) gibt es ein interessantes Video über die Impedanz bei Tastköpfen und den Zusammenhang mit der Bandbreite, insbesondere bei schaltbaren Tastköpfen, die von 10:1 auf 1:1 umgeschaltet werden können.
Aktiver Tastkopf
Ein aktiver Tastkkopf verfügt über eine Elektronik, die das Signal mit hoher Bandbreite verstärkt. Ein aktiver Tastkopf benötigt daher eine Stromversorgung. Es kommen Operationsverstärker im Tastkopf zum Einsatz, die einen hohen Eingangswiderstand bei geringer Kapazität erlauben. Dadurch können sie in höheren Frequenzbereichen arbeiten. Der Operationsverstärker im Tastkopf begrenzt den Spannungsbereich, der erfasst werden kann. Der maximal erlaubte Spannungshub eines aktiven Tastkopfes ist geringer als bei der passiven Variante. Aufgrund der nötigen Energieversorgung haben aktive Tastköpfe zusätzliche Anschlüsse neben dem BNC-Stecker. Es gibt dafür keine Norm, d.h. jeder Hersteller hat ein eigenes Prinzip zur Speisung eines aktiven Tastkopfes und in der Folge muss man für das spezifische Oszilloskop einen zugelassenen Tastkopf des Herstellers verwenden. Weitere Infos und Simulationen zum aktiven Tastkopf auf dieser Unterseite.
Eine Sonderform des aktiven Tastkopfes sind differentielle Tastköpfe bzw. Differenztastköpfe. Diese messen nicht gegen die Masse des Oszilloskops und verhindern in vielen Fällen einen Kurzschluss des Oszilloskops. Bei differentiellen Tastköpfen ist der nutzbare Spannungsbereich ebenfalls eingeschränkt und sie sind teurer als passive Tastköpfe.
Tastkopf-Abgleich
Tastköpfe müssen abgeglichen werden, da Kapazitäten im Kabel und Oszilloskop variieren können. Dazu haben Tastköpfe einen Trimmkondensator, meistens an der Spitze oder im BNC-Stecker. Man misst mit dem Tastkopf eine Rechteckschwingung und dreht so lange am Trimmkondensator, bis die Schwingung perfekt rechteckig wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Frequenzantwort des Tastkopfes korrekt eingestellt ist und die zu untersuchende Schwingung möglichst unverzerrt ans Oszilloskop weitergegeben wird. Auf dieser Unterseite gibt es eine präzise Anleitung, Erklärungen und Simulationen zur Tastkopf-Kompensation.
Tastkopf Kaufen