Analogtipp: Messtechnik Kombinierter Tastkopf zur Signaleinspeisung und Messung

Wir stellen eine Kombination aus Oszilloskop-Tastkopf und Testsignal-Injektor vor, der zeitlich definiert oder dauernd auf Leerlauf gestellt werden kann. Das erleichtert das Handling; manche Messungen werden überhaupt erst möglich, denn ein terminiertes 50-Ohm-Kabel am Ende eines herkömmlichen Generators lässt sich nicht zeitlich definiert auf Leerlauf oder „tristate“ schalten.

Bei Entwicklungs- und Prüfarbeiten an elektronischen Schaltungen werden diesen häufig Rechteck- oder Impulssignale von einem Generator zugeführt, beispielsweise um das Verhalten von Regelkreisen zu überprüfen.

Weil die Kabellänge zwischen Generatorausgang und Einspeisepunkt mitunter 1 m beträgt, ist ein 50-Ω-Abschluss am Leitungsende gebräuchlich, um Reflexionen zu vermeiden. Die so festgelegte Quellimpedanz erschwert jedoch einige spezielle Untersuchungen, etwa zum Verhalten des betreffenden Schaltungsteils unter Kurzschluss- oder Leerlaufbedingungen.

Die in Bild 1 dargestellte Anordnung verwendet Bauteile von Texas Instruments (N1), MAXIM/Analog Devices (N2), MEDER (R_s) und Infineon (BAV199). Sie ist dafür konzipiert, auch die o.g. Anforderungen zu erfüllen und entstand für eine universitäre Arbeitsgruppe, die sich mit der Untersuchung neuer Halbleiter für die Photovoltaik beschäftigt.

Die 2-poligen Testobjekte sollten nach einem wählbaren Zeitschema alternierend mit zwei Spannungspegeln beaufschlagt, einem Lichtblitz ausgesetzt oder auf Leerlauf geschaltet werden können. Dabei sollte ununterbrochen die am Objekt tatsächlich anliegende oder beleuchtungsbedingt aktiv generierte Spannung im Frequenzbereich DC...≥50 MHz gemessen werden.

Das hierfür entwickelte Gerät besteht aus einem abgesetzt betriebenen Steuerteil, an dem die beiden Spannungspegel und der Zeitablauf festgelegt werden, sowie einem kleinen Modul ähnlich einem Tastkopf, an dessen Eingang das Messobjekt angeklemmt ist.

Der schnelle CMOS-Umschalter N2 in Bild 1 übernimmt das Hin- und Herschalten zwischen U1 und U2. Bei geöffnetem Kontakt des Reedrelais R_s ist die Probe im Leerlauf. Wird U1 = 0 gesetzt und Pin 1 von N2 auf Low geschaltet, ist sie kurzgeschlossen.

Der Buffer N1 liefert ständig ein 1:1-Abbild der Spannung am Testobjekt. Dieses ist im Leerlauf lediglich durch den 1-GΩ-Widerstand belastet (zuzüglich der parasitären Größen 51 pF und einiger pA, die hauptsächlich von N2 verursacht werden). Mit der Einstellung: U2 = 0 / R_s geschlossen / Pin 1 auf H-Pegel liegen der Probe recht genau 50 Ω parallel, so dass ein von ihr erzeugter Photostrom einen Spannungsabfall U = I_photo * 50 Ω erzeugt, dessen Größe und Zeitverlauf wieder von N1 abgetastet werden.

Die enge Nachbarschaft von N1, Testobjekt und N2 ermöglicht steilflankige und reflexionsfreie Schaltvorgänge an der Probe bei allen Impedanzen 0...∞. Die Geschwindigkeit wird von N2 mit t_on/off≈10 ns limitiert; an das Schaltsignal an Pin 1 werden nur geringe Anforderungen gestellt.

Aktiver Oszilloskop-Tastkopf und HF-taugliche Signaleinspeisung

Die Anordnung in Bild 1 lässt sich wahlweise als aktiver Oszilloskop-Tastkopf, als HF-taugliche Signaleinspeisung von Rechteck- und Impulssignalen sowie in Kombination betreiben. Statt der Gleichspannungen U1, U2 könnten auch niederfrequente Sinus- oder Rampensignale zugeführt werden. Insbesondere bei niedriger und /oder komplexer Impedanz des Testobjekts lässt sich die an ihm tatsächlich abfallende Spannung und deren Zeitverlauf bestimmen.

Der in Bild 2 abgebildete Prototyp ist an die Anforderungen des Kunden angepasst. Der Aluminiumbalken wird auf dem Labortisch angeschraubt. Die 2-mm-Steckverbinder dienen zur Kontaktierung und mechanischen Fixierung der zu untersuchenden Probe. Das quaderförmige Weißblechgehäuse beherbergt die in Bild 1 dargestellten Komponenten. Das Modul ist um seine senkrechte Achse drehbar, um die Probe in den Bereich der einwirkenden Lichtblitze zu schwenken.

Am BNC-Stecker ist das Ist-Signal vom Buffer N1 abnehmbar. Über die D-Sub-Steckverbindung werden U1, U2 und die Relaisansteuerung herangeführt – hier sind die HF-Eigenschaften völlig unkritisch. Das Kabel mit dem SMA-Stecker führt das an Pin 1 von N2 gelangende Umschaltsignal.

Das abgebildete Modul musste nicht auf kleine Baugröße optimiert werden. Bei konsequenter Miniaturisierung ließe sich die in Bild 1 dargestellte recht einfache Schaltung durchaus im Format eines handlichen Oszilloskop-Tastkopfes realisieren.

Oszilloskop-Screenshots

Die Screenshots wurden mit dem Modul gemäß Bild 1 gewonnen. Das in den Bildern 4, 5 und 6 auf Oszilloskopkanal 1 (dunkelblau) dargestellte und zwischen 0 und +5 V alternierende Umschaltsignal durchläuft noch einige CMOS-Gatter und gelangt leicht zeitverzögert, ins Negative verschoben und in der Amplitude halbiert an Pin 1 des Umschalters N2.

In Bild 3 ist N2 auf Leerlauf geschaltet (Pin 1 auf High, R_s offen). Ein externer Rechteckgenerator steuert den Moduleingang niederohmig mit –250 mV / +250 mV an; direkt mittels 1:1-Tastkopf auf dem Oszilloskopkanal 2 (rot) abgebildet. Das am 2-fach verstärkenden Buffer-Ausgang abgenommene Signal ist hier auf Kanal 3 (hellblau) wiedergegeben. Die fehlende 50-Ω-Terminierung verursacht etwas Überschwingen und Impulsreflexion, der Effekt hält sich aber in Grenzen.

Bild 4: U1 = –1 V, U2 = +1 V. Der Relaiskontakt ist geschlossen. Kanal 1 = Umschaltsignal / Kanal 2 = vom 1:1-Tastkopf zwecks Kontrolle direkt am Eingang abgenommener Spannungsverlauf / Kanal 3 = Ausgangssignal des wieder ohne Terminierung betriebenen Buffers.

U1 und U2 werden nacheinander vom CMOS-Schalter an den Moduleingang gelegt. Die bei einem Spannungssprung von 4 V am Buffer-Ausgang bereits in Erscheinung tretende begrenzte Slew rate des OPA656 (Texas Instruments) erhöht die wiedergegebene Impulsanstiegszeit, unterdrückt aber auch die in Bild 3 noch sichtbare Wirkung der Impulsreflexion.

In Bild 5 ist U1 auf –1 V gestellt, der Relaiskontakt ist offen. Am Moduleingang ist ein RC-Glied (1 nF parallel 100 kΩ) angeschlossen. Bei Low-Pegel des Steuersignals werden die –1 V niederohmig durchgeschaltet, ablesbar gleichermaßen am eingangsseitig angeklemmten Tastkopf wie am 2-fach verstärkten Buffer-Ausgang. Sobald das Steuersignal auf High-Pegel geht, ist das Testobjekt (RC-Glied) sich selbst überlassen und entlädt sich mit einer Zeitkonstante von rechnerisch τ = 1 nF * (100 kΩ parallel 1 MΩ).

Bild 6 zeigt den Aufbau ähnlich wie zuvor, allerdings ist U1 auf –0,1 V gestellt, der Relaiskontakt ist offen. Der Moduleingang ist jetzt nur mit dem 1:1-Oszilloskop-Tastkopf beschaltet. Das Modul lag auf einem hölzernen Tisch, das allgegenwärtige 50-Hz-Netzbrummen konnte kapazitiv auf den Eingang einstreuen. Es wurde kurzgeschlossen, solange das Umschaltsignal auf Low war und die –0,1 V niederohmig zum Eingang durchschaltete.

Während der High-Phasen sorgten die 1 MΩ des Tastkopfes für einen Spannungs-Mittelwert von Null, überlagert von der 50-Hz-Brummkomponente. Die positiven Nadelimpulse kommen durch die Ladungsinjektion beim Umschalten von N2 zustande. Im Leerlauf sind sie wirksam, beim niederohmigen Durchschalten von U1 werden sie kurzgeschlossen und sind daher während der H-L-Flanken des Umschaltsignals nicht sichtbar. (kr)

* Michael Franke ist Inhaber der Elektronikmanufaktur Mahlsdorf. emmmf@posteo.de

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