Echtzeit-Analyse von Oszilloskop-Tastköpfen

Oszilloskop-Tastköpfe sind ein wesentlicher Bestandteil Ihres Laboraufbaus, wenn Sie ein Oszilloskop besitzen, aber haben Sie jemals innegehalten, um zu überlegen, wie die Tastköpfe das Signal, das Sie sorgfältig untersuchen, um das Verhalten Ihrer Schaltung zu verstehen oder die Leistung einer Komponente zu analysieren, beeinflussen könnten?

Dieser Artikel wird verschiedene Oszilloskop-Tastköpfe betrachten, die Leistung vergleichen, sehen, wie Tastköpfe das beeinflussen, was Sie sehen, und bestimmen, welche Tastköpfe am besten für Ihre Anwendung geeignet sind. Um umfassende Ergebnisse zu erhalten, ergänzte ich meine hochwertigen Tastköpfe mit einigen der günstigsten Tastköpfe, die auf Amazon und Digi-Key erhältlich sind, um die Unterschiede zu sehen.

Bei der Betrachtung der verschiedenen verfügbaren Optionen war die Erwartung, dass die billigen Tastköpfe alle schlecht und die teuren Tastköpfe im Allgemeinen besser sein würden. Die Ergebnisse könnten jedoch durchaus überraschen.

Analyse von Oszilloskop-Tastköpfen

Die Analyse der Leistung von Oszilloskop-Tastköpfen zielte darauf ab, mehr über verschiedene Tastkopftypen zu erfahren und zu verstehen, wie sie Messungen mit einer Reihe von Tastköpfen in realen Szenarien beeinflussen.

Die Leistung von Tastköpfen ist besonders kritisch, wenn es um Hochgeschwindigkeitssignale geht, ein Tastkopf von schlechter Qualität wird nicht nur keine genaue Wellenform anzeigen, sondern seine kapazitiven und induktiven Eigenschaften können den Betrieb der Schaltung, die Sie zu überwachen versuchen, beeinflussen. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass Sie verstehen, welchen Tastkopf Sie verwenden und wie dieser die Signale, die Sie messen möchten, beeinflussen wird.

Die Probleme mit Unterschieden zwischen Tastköpfen können besonders in größeren Laboren problematisch sein, wo Sie möglicherweise Zugang zu vielen verschiedenen Arten von Tastköpfen haben. Messungen, die beim Testen einer Schaltung aufgezeichnet wurden, werden wahrscheinlich unterschiedlich sein, wenn Sie zurückgehen und erneut messen, indem Sie andere Tastköpfe verwenden. Dies ist einer der Gründe, warum Sie vollständige Aufzeichnungen darüber haben müssen, welche Testgeräte Sie verwenden, einschließlich welcher Tastköpfe und Leitungen für formelle Verifizierungs- und Validierungstests.

Die getesteten Oszilloskop-Tastköpfe waren die folgenden:

• Rigol PVP2150 150MHz Tastkopf
• Rigol PVP2350 350MHz Tastkopf
• Keysight N2140A 200MHz Tastkopf
• Keysight N2889A 350MHz Tastkopf
• Keysight N2894A 700MHz Tastkopf
• Pico Technology TA375 100MHz Tastkopf
• Digilent P6100 460-004 100MHz Tastkopf
• Youmile P6100 100MHz Tastkopf
• YPioneer Hochspannungs-P4200 100MHz Tastkopf

Erklärung von Oszilloskop-Tastköpfen

Ein idealer Oszilloskop-Tastkopf wird das Signal, das er auf der Leiterplatte misst, mit absoluter Treue am Oszilloskop duplizieren, ohne die Schaltung zu belasten oder zuzulassen, dass Rauschen das Signal verschlechtert. Die Realität ist, dass es immer ein gewisses Maß an Signalverzerrung, Belastung und Rauschen geben wird. Die typischen Kompromisse bestehen darin, die nachteiligen Auswirkungen sowohl auf die Leiterplatte als auch auf das gemessene Signal innerhalb von Budgetbeschränkungen zu minimieren.

Es gibt zwei Haupttypen von Tastköpfen, passive und aktive. Wie der Name schon sagt, verwenden passive Tastköpfe passive Komponenten, um das Signal zu dämpfen, sodass die maximale Potentialdifferenz des gemessenen Signals innerhalb der Grenzen des Oszilloskops liegt. In seiner einfachsten Form ist ein passiver Tastkopf ohne Dämpfung effektiv eine Länge Draht. Aktive Tastköpfe verwenden eine aktive Schaltung, typischerweise auf Operationsverstärkern basierend, um die Eingangsimpedanz zu minimieren und die Empfindlichkeit zu verbessern. Der ideale Tastkopf hat eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Eingangskapazität.

Typischerweise verwenden Tastköpfe abgeschirmte Koaxialkabel, um Störungen zu minimieren, was zu den induktiven und kapazitiven Eigenschaften von passiven Tastköpfen beiträgt. Normalerweise enthalten Tastköpfe eine Kompensationsschaltung, die eine manuelle Anpassung der Impedanzparameter ermöglicht, um den Effekt auf den Schaltkreis, an den der Tastkopf angeschlossen ist, zu minimieren. Natürlich variiert diese Impedanz mit der Frequenz, daher ist es immer wesentlich, die Kompensation auf die Frequenz des gemessenen Signals abzustimmen. Wir können auch sehen, dass die Kabellänge zwischen dem Tastkopfkopf und dem Oszilloskopanschluss die Messungen beeinflusst, insbesondere die Bandbreite. Dieser Einfluss ist der Grund, warum Tastkopfleitungen lang genug sind, um nützlich zu sein, aber nicht länger als notwendig.

Spezialisierte Oszilloskoptastköpfe sind auch für Anwendungen wie Hochspannungsmessungen verfügbar, die man normalerweise nicht in allgemeinen elektronischen Schaltungen findet. Diese enthalten Sicherheitsmerkmale zum Schutz des Benutzers vor dem Risiko eines elektrischen Schlages.

Bei der Auswahl eines Oszilloskoptastkopfs gibt es mehrere wichtige Faktoren zu berücksichtigen.

• Bandbreite definiert die effektive maximale Frequenz, die der Tastkopf genau messen kann, spezifiziert mit dem -3dB-Punkt des Signals. Signale, die diese Frequenz deutlich überschreiten, werden im besten Fall gedämpft und verloren gehen und im schlimmsten Fall extrem verzerrt, was zu irreführenden Messungen führt.
• Anstiegszeit definiert die schnellste transiente Signaländerung, die der Tastkopf genau messen kann, im Grunde die Steilheit der Steigung eines schnell wechselnden Signals.

Das Oszilloskop und der Tastkopf begrenzen die maximale Frequenz und Anstiegszeit, die Sie genau messen können, was zu einem ernsthaft einschränkenden Faktor werden kann, wenn man digitale Taktsignale betrachtet, bei denen eine genaue Anstiegszeit von der präzisen Messung der hochfrequenten Signalanteile des Rechtecksignals abhängt.

Die maximale messbare Potentialdifferenz, die der Tastkopf genau messen kann, ist der Dynamikbereich. Dies wird im Allgemeinen für direkte Stromsignalanteile spezifiziert und wird typischerweise reduzieren, wenn die Signalfrequenz zunimmt. Differenzialmessungstastköpfe sind verfügbar, die sowohl gemeinsame als auch differentielle Moduswerte des Dynamikbereichs angeben. Tastköpfe, die zur Messung von Stromversorgungen konzipiert sind, sind ebenfalls verfügbar, abgestimmt auf die Messung des kleinen Wechselsignals, das auf ein signifikantes Gleichstromsignal aufgeprägt ist.

Testansatz für Oszilloskoptastköpfe

Der Testprozess verwendete Bode-Diagramm-basierte Frequenzganganalysen an verschiedenen Sonden über ein breites Frequenzband. Die für die Sondentests verwendeten Oszilloskope haben eine interne Fähigkeit für diese Art von Tests, sind aber auf maximal 50MHz begrenzt. Um einen Vergleich über eine breitere und repräsentativere Bandbreite zu erstellen, wurde ein Siglent SDG7102A Arbitrary Waveform Generator programmiert, um Frequenzen von 700kHz bis 700MHz durchzugehen. Das für die Sondentests verwendete Oszilloskop beschränkte diese Testbandbreite. Der Waveform Generator ermöglichte auch das Testen der Anstiegszeitreaktion, fähig Signale mit einer ansteigenden Flanke mit einer Rate von 500 Pikosekunden zu erzeugen.

Der Schwerpunkt der Tests lag hauptsächlich auf dem typischen Anwendungsfall des Abtastens von Signalen mit Hochgeschwindigkeitselementen, anstatt einfach Hochgeschwindigkeitssinusschwingungen zu messen. Diese Testmethode repräsentiert den typischen Einsatz von Oszilloskopsonden und liefert wertvollere Ergebnisse für Schaltungsentwickler. Wir werden sehen, dass die Frequenzganganalyse einige faszinierende Einblicke bot.

Ein kritischer Aspekt der Tests war die Sicherstellung der korrekten Kompensation der Sonden, damit die Ergebnisse korreliert und verglichen werden konnten, um eine qualitative Leistungsbewertung zu erstellen.

Ergebnisse der Oszilloskopsonden-Tests

Die Testergebnisse können am besten im begleitenden Video zu diesem Artikel betrachtet werden, wo Sie die von jeder Sonde erzeugten Wellenformen beobachten und die Unterschiede und in einigen Fällen die fehlenden Unterschiede in den Ergebnissen sehen können. 

Beispielsweise produzierten zwei Rigol-Sonden mit angegebenen Bandbreiten von 150MHz und 350MHz eine nahezu identische Frequenzantwort, einschließlich Wellenformform und anhaltendem Überschwingen.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass sie funktionell identisch waren und lediglich unterschiedlich beschriftet wurden. Dieses Ergebnis korreliert mit anekdotischen Beweisen von Nutzern dieser Sonden.

Ein wichtiger Befund waren die Bandbreitenergebnisse, wobei einige Sonden einen -3dB-Punkt zeigten, der weit über den Spezifikationswert hinausging. Zum Beispiel erfassten die Rigol-Sonden beide Signale mit einer ansteigenden Flanke von etwa 750 Pikosekunden, was einer Bandbreite von etwa 460MHz entspricht. Dies übersteigt ihre angegebenen Bandbreiten von 150MHz und 350MHz. Interessanterweise hatte auch die Keysight N2140A 200MHz Sonde eine beobachtete Bandbreite von etwa 460MHz.

Zusammenfassung der Rigol-Ergebnisse

Die Rigol PVP2150 150MHz Sonde und die Rigol PVP2350 350MHz Sonde produzierten nahezu identische gemessene Wellenformen.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Zusammenfassung der Keysight-Ergebnisse

Das preisgünstige Keysight N2140A wird als Zweierpack Sonden mit präziser Werkskompensation und außergewöhnlich schnellen Messergebnissen für Kantensteilheit geliefert. Die gemessene Wellenform korrelierte stark mit dem Quelltestsignal und lieferte eine ausgezeichnete Messgenauigkeit.

Beobachtungen der höher bewerteten Keysight N2889A 350MHz Sonde zeigten, dass sie eine repräsentativere gemessene Wellenform im Vergleich zur Signalwellenform produzierte als die günstigeren Rigol-Modelle. Diese Sonde erzeugte eine außergewöhnliche Wellenformdarstellung der Kantenrate über eine Bandbreite von etwa 460MHz. Allerdings waren die Ergebnisse, angesichts der Kosten, die mehr als fünfmal so hoch sind wie die der preisgünstigen Rigol-Option, nicht signifikant besser. Zu beachten ist, dass die Eingangskapazität dieser Sonde höher ist als die der Keysight-Sonde mit niedrigerer Bandbreite, was beim Abtasten von Signalen an Punkten auf einer Leiterplatte, die empfindlich auf kapazitive Last reagieren, wesentlich ist.

Die hoch bewertete Keysight N2894A 700MHz Sonde, die etwa zehnmal teurer ist als die Budgetsonde, hat etwa die Hälfte der Eingangskapazität. Testergebnisse zeigten, dass die gemessene Geschwindigkeit der ansteigenden Kante einer Bandbreite von nur etwa 520MHz entspricht. Allerdings übersteigt dieser Wert die Bandbreite des Oszilloskops für einen hochohmigen Eingang, sodass diese Sonde die Wellenform nicht so gut darstellt wie die 200MHz Sonde, die Begrenzung der Bandbreite des Oszilloskops könnte jedoch die Ursache sein. Auf dem Papier sollte die 700MHz Keysight Sonde die beste Option sein, und sie könnte es in der realen Welt nach Behebung von Test- und Sondenkalibrierungslimitationen auch sein.

Diese Einschränkung ist entscheidend beim Messen von Signalen mit Komponenten, die schneller sind als die Bandbreite Ihres Oszilloskops. Der 50-Ohm Eingang des Testoszilloskops hatte eine Bandbreite von 6,3GHz, weit über die Fähigkeit des Funktionssignalgenerators, das Testwellenformsignal zu erstellen. Die preisgünstige N2140A Sonde erzeugte im Allgemeinen eine sauberere Wellenform als das höher bewertete N2894A Modell.

Zusammenfassung der Pico Technology-Ergebnisse

Die Pico Technology TA375 Sonde für die PicoTest USB-Oszilloskopreihe hat eine relativ geringe Bandbreite und erzeugt eines der am wenigsten repräsentativen Wellenformen.

Die Tests zeigten, dass die Anstiegsantwort relativ schnell ist, aber einen erheblichen Überschwinger von 35% beinhaltet. Die Reduzierung der Anstiegszeit des Tests auf etwa zwei Nanosekunden kontrollierte den Überschwinger auf ein akzeptables Niveau und erzeugte ein relativ sauberes gemessenes Signal bei drei Nanosekunden.

Zusammenfassend ist diese preisgünstige Sonde hervorragend für Arbeiten mit niedriger Frequenz geeignet, typischerweise in Kombination mit einem 20MHz-Oszilloskop.

Zusammenfassung der Digilent-Ergebnisse

Fest in der Budgetkategorie ist die Digilent 460-004, beschriftet mit "P6100", was wir sehen werden, ist die gleiche Modellnummer wie die Youmile Sonde, die wir später betrachten werden.

Diese Sonde mit 100MHz Bandbreite zeigte ebenfalls einen 35% Überschwinger beim Messen einer 100MHz Rechteckwelle. Diese schlechte Leistung war jedoch auf die Anstiegsantwort beschränkt, und der Rest der gemessenen Wellenform war recht repräsentativ für das Testsignal.

Die Reduzierung der Anstiegsflanke auf unter 2,5 Nanosekunden, was einer Bandbreite von 155MHz entspricht, senkte den Überschwinger auf unter 5%, was immer noch weit über der beworbenen Spezifikation liegt. Diese kostengünstigen Sonden können ausgezeichnet sein, wenn ein Oszilloskop mit minimaler Bandbreite verwendet wird, wie Analog Discovery oder andere Digilent USB-Oszilloskope.

Zusammenfassung der Youmile-Ergebnisse

Der erste Eindruck der Youmile P6100 Sonde ist, dass sie optisch identisch mit der Digilent 460-004 Sonde ist, mit der gleichen angegebenen Bandbreite und nur geringfügig teurer. Die Tests zeigten jedoch, dass im Vergleich zur Digilent Sonde die Frequenzantwort aufgrund unzureichender Werkskalibrierung stark abfällt.

Ein Versuch, die Sonde zu kalibrieren, endete damit, dass die Trimmeinstellung am Ende ihres Weges war, und die schlechte Herstellung bedeutete, dass das Kunststofftrimmwerkzeug beschädigt wurde und ein Metalltrimmwerkzeug zur Einstellung benötigt wurde.

Nach der Kalibrierung waren die Testergebnisse für die Youmile-Sonde nicht vielversprechend. Bei einem Test mit einem 100MHz Rechtecksignal ähnelte das gemessene Signal kaum dem erwarteten, was sie als Messinstrument unbrauchbar machte. Selbst eine Reduzierung der Frequenz weit innerhalb der angegebenen Bandbreite der Sonde führte nicht zu einer gemessenen Wellenform, die ausreichend repräsentativ für das Testsignal war, um nutzbar zu sein.

Im Vergleich erzielte die Digilent-Sonde insgesamt weit überlegene Ergebnisse gegenüber dem Youmile-Pendant, trotz des anfänglich identischen Aussehens.

Zusammenfassung der Hochspannungsergebnisse von YPioneer

Die Hochspannungs-YPioneer P4200 ist die einzige 100:1 Sonde in dieser Testreihe, um die Leistung gegenüber den Standardsonden zu beobachten. Ich führte nur vergleichende Tests gegen die anderen Sonden durch; ich schloss Hochspannungstests aus Sicherheitsgründen aus.

Insgesamt produzierte die preisgünstige Hochspannungssonde recht repräsentative Wellenformen innerhalb ihrer angegebenen 100MHz Bandbreite und übertraf die Erwartungen bei der Messung einer 500-Pikosekunden-Anstiegsflanke. Die Leistung fiel bei etwa 1,5-Nanosekunden-Anstiegszeiten ab, was jedoch dem Doppelten der bewerteten Bandbreite für die Sonde entspricht.

Ergebnisse des Keysight-Tests

Ich verwendete das Keysight MXR-Oszilloskop, ein leistungsstarkes Stück Labortechnik, für alle Tests. Ein Highlight war die ausgezeichnete Sondenkalibrierungsfähigkeit.

Vor der Sonden-Oszilloskop-Kalibrierung

Nach der Sonden-Oszilloskop-Kalibrierung

Insgesamt zeigten die Ergebnisse der Sondentests, dass Keysights zweitgünstigste N2889A 200MHz Sonde alle anderen passiven Sonden mit großem Abstand übertraf. Obwohl die Frequenzganganalyse nicht die beste war, erzeugte sie eine gemessene Wellenform, die dem Quelltestsignal am nächsten kam, was letztendlich das ist, was man von seiner Sonde möchte.

Es ist entscheidend zu bedenken, dass das Anschließen einer Sonde an einen Schaltkreis das Verhalten des Schaltkreises aufgrund der Impedanz der Sonde ändern kann. Eine Sonde zur genauen Abstimmung eines Schaltkreises zu verwenden, kann zunichte gemacht werden, wenn sich das Verhalten des Schaltkreises ändert, sobald Sie die Sonde trennen. Die kapazitiven und induktiven Eigenschaften der Sonde können auch Signale auf einer Platine verzerren oder abschwächen und die Leistung beeinträchtigen, während Sie versuchen, Probleme zu diagnostizieren.

Die Erkenntnis aus diesem Test unterstreicht, dass die Bandbreite einer Sonde nicht das A und O bei der Auswahl der besten Sonde ist. Die Bandbreite bietet einen ausgezeichneten Ausgangspunkt, ist aber nur einer von vielen zu berücksichtigenden Faktoren. Das Verständnis des Verhaltens Ihrer Sonde ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Sie die Ergebnisse beim Messen von Signalen korrekt interpretieren.

Fazit

Die Gesamtergebnisse zeigten, dass eine relativ günstige, markenname 200MHz Sonde alle anderen in der Reihe von Tests übertreffen konnte. Die Keysight N2140A kostet nur etwa dreimal so viel wie die am schlechtesten abschneidenden Budgetsonden, liefert aber mehr als dreimal die Leistung. Folglich stellen billige Sonden eine falsche Wirtschaftlichkeit dar, da sie Sie daran hindern, genaue Messungen durchzuführen, was der Zweck der Verwendung eines Oszilloskops ist. Ein weiterer Aspekt ist, dass Sie bei großen Markennamen-Sonden wie Keysight, Tektronix oder Rohde und Schwarz mit vernünftiger Sicherheit auf eine gute Qualitätskontrolle und Konsistenz zwischen den Sonden vertrauen können.

Schließlich kann Ihre Sondierungstechnik einen erheblichen Einfluss auf die Signalmessungen beim Testen einer Platine haben. Alle Sondentests verwendeten die gleiche Technik, was jeglichen Effekt im Vergleichstest aufhebt, aber wenn es darum geht, ein Oszilloskop in Wut zu verwenden, zahlt es sich immer aus, sicherzustellen, dass Sie die besten Sondierungstechniken befolgen, um die besten Ergebnisse zu erzielen.