Auch aus Fehlern kann kann man viel lernen. Nachfolgend möchte ich meinen kläglichen Versuch vorstellen unter Zeitdruck ein 10:1-Tastkopf für ein Oszilloskop zu basteln. Zur Verfügung standen mir Teile aus der Schrott- und Bastelkiste. Mit dem einfach aufzubauenden 1-kHz-Tastkopf, der einfach aufzubauen ist, hatte ich für Digitalschaltungen aber dann doch eine günstige Lösung gefunden, welche bis 1 GHz funktionieren kann.
(Nachtrag von 2023: Der Beitrag ist sehr alt. Deshalb gehen einige Links nicht mehr. Bitte selber recherchieren. Aus zeitlichen Gründen schaffe ich die Link-Reparatur nicht)
Warum überhaupt ein 10:1-Tastkopf? Oszilloskope haben in der Regel einen Eingangswiderstand von 1 MOhm mit einer Eingangskapazität von etwa 15 bis 30 pF. Schließt man nun als Kabel z.B. RG58 an, kommen auf einem Meter Kabellänge nochmals etwa 100 pF dazu. Je höher die Frequenz, desto stärker wird durch diese kapazitive Belastung das Messergebnis verfälscht. Abhilfe schafft an der Messspitze ein Widerstand von 9 MOhm. Dieser bildet mit dem Eingangswiderstand des Oszilloskop einen Spannungsteiler von 10:1. Dadurch wird das Messobjekt weniger belastet. Jetzt kommt das Problem. Durch den Vorwiderstand ist in Verbindung mit den Kabel- und Eingangskapazitäten ein Tiefpass entstanden. Um diesen Tiefpass zu kompensieren, wird parallel zu dem 9-MOhm-Vorwiderstand eine kleine Kapazität von etwa 10 pF geschaltet. Diesen Kondensator führt man als Trimmkondensator aus. Mit Hilfe eines Rechteckgenerators lässt sich dann der Frequenzgang des Tastkopf abgleichen.
Schaltbild für die Simulation eines Tastkopfes 10:1 mit PSpice. R1 und C1 stellen den Eingang des Oszilloskops dar, C2 ist stellvertretend für die Kabelkapazität, R2 ist der Vorwiderstand und C3 der Trimmkondensator.
Theorie und Praxis: Mit zwei Bauteilen lässt sich also im Prinzip ein Tastkopf aufbauen. In der Praxis gibt es allerdings weitere Schwierigkeiten. Das Kabel hat einen Wellenwiderstand und eine Dämpfung, die mit der Frequenz zunimmt. Es gibt weitere parasitäre Einflüsse, die eigentlich auch kompensiert werden müssten, damit der Tastkopf auch bei sehr hohen Frequenz als Messmittel einsatzfähig ist. Zudem kommen noch Probleme mit der Brummempfindlichkeit hinzu. Zudem nimmt auch bei einem 10:1-Tastkopf die kapazitive Belastung gegen höhere Frequenzen zu. Dann muss der Trimmkondensator auch noch eine entsprechende Spannungsfestigkeit besitzen. Wenn dieser durchschlägt, liegt kann das Oszilloskop beschädigt werden. Kommerzielle Tastköpfe haben noch weitere Kompensationsmöglichkeiten. Sehr gute Ausführungen besitzen direkt am Stecker zu Oszilloskop einen weiteren Abgleichschaltkreis. Genauere Informationen sind unter den folgenden Links zu finden:
– Tastkopf in Wikipedia
– Tutorial Scope Probes, praktische Mess-Tipps
– Anatomie eines kommerziellen Tastkopfs
– Selbstbau eines billigen Hochimpedanztastkopfes
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Meine praktische Umsetzung auf die Schnelle: Ich sägte ein Stück Lochrasterplatine, das genau in ein Stück PVC-Installationsrohhr passte. Auf diese Platine lötete ich die Widerstands-Kondensator-Kombination. Die Messleitung besteht aus einem alten 75-Ohm-Videokabel, weil dieses nur 50 pF/m besitzt. Befestigt wurde es mit Kabelbindern als Zugentlastung. Die Messspitze besteht aus einem Stück dicken Kupferdraht.
Mein selbstgebauter Tastkopf hat sich zu einer klobigen Konstruktion entwickelt, die für NF-Zwecke sicherlich funktioniert.
Um die Brummeinstreuung zu vermeiden, musste noch ein Stück Kupferrohr, wie es im Heizungsbau verwendet wird, darübergeschoben werden. Die Leitungsführungen sind natürlich viel zu lang ausgefallen. Den Trimmkondensator sollte man so anbringen, dass sein Rotor leitend mit der Messspitze verbunden ist. Dann gibt es beim Abgleich mit einem Metallschrauberzieher keinen Brummeffekt an einem Rechteckgenerator mit niederohmigen Eingang. Im Vergleich zu kommerziellen Produkten, welche schwer beschaffbare, flexible und kapazitätsarme Kabel mit besonders dünnem Innenleiter verwenden, ist mein Kabel viel zu störrisch und unflexibel.
Der zusammengemurkste Aufbau. Die Leitungsführungen sind viel zu lang. Eigentlich müsste die gesamte Schaltung so weit wie möglich nach vorne versetzt werden und damit auch das Messkabel. Kommerzielle Produkte haben den Vorwiderstand und die Kapazität abgeschirmt in die Messspitze eingebaut.
Die Platine, das Kunststoffrohr und das Kupferrohr lassen sich ineinanderschieben.
Ein paar Tests mit einem 12-MHz-TTL-Signal: Anschließend habe ich den Tastkopf und andere Lösungen mit Hilfe eines 12-MHz-TTL-Quarz-Generators an einem Tektronix 454 getestest. Es folgen kommentierte Bilder.
Ein TTL-Quarz-Generator und dessen Anschlussbelegung. NC = No Connection = unbelegt. In den nachfolgenden Tests wurde ein Exemplar für 12 MHz verwendet.
Zur Umgehung sämtlicher Kabeleinflüsse wurde der 12-MHz-TTL-Oszillator über kurze Drahtstücke angeschlossen.
Das 12-MHz-TTL-Signal direkt ohne Kabel angeschlossen.
Der Selbstbau-Tastkopf versagt bei 12 MHz völlig, obwohl er vorher an einem 1-kHz-Rechtecksignal abgeglichen worden ist.
Das 12-MHz-Signal über 2 m RG58/CU ohne Abschlusswiderstand an das Oszilloskop angeschlossen.
Nun bekommt das 2 m lange RG58/CU einen 50-Ohm-Abschlusswiderstand am Oszilloskopeingang.
Das 12-MHz-Signal über 2 m RG58/CU und dem 50-Ohm-Abschluss am Oszilloskop angeschlossen.
Fazit: Ein industriell hergestellter Tastkopf hat einen garantierten Frequenzgang, ist ergonomisch durchdacht, besitzt praktisches Zubehör und ein angenehm flexibles Kabel. Zudem sind sie je nach Anforderungen schon für unter 20 Euro erhältlich. Das ist im Vergleich zum Preis eines Oszilloskops wenig. Der Selbstbau eines passiven 10:1 Tastkopfes lohnt sich deshalb nach meiner Erfahrung nicht. Nachtrag: Ich habe mir jetzt mit jetzt bei Ebay mit Hilfe der Suche nach „probes oscilloscope“ aus China 4 Stück 100 MHz-Tastköpfe für 23 Euro bestellt. Der Versand ist kostenlos. Zusammen mit der nachfolgenden Lösung des 1kOhm-Tastkopfes für Digitalschaltungen bin ich damit sehr gut abgedeckt.
Der 1 kOhm-Tastkopf bis 1 GHz: Es gibt doch ein interessante Alternative für die Untersuchung von Digitalschaltungen. Und zwar der 1-kOhm-Tastkopf, welcher bis etwa 1 GHz funktioniert und schnell aufgebaut ist. Diese Lösung ist für die Untersuchung an Digitalschaltungen mit 5Volt-Pegeln sehr gut geeignet. Der Tastkopf ist unter „A wideband 1:21 DIY 1 kΩ oscilloscope probe“ beschrieben und besteht an seinem Ende aus einem 1-kOhm-Widerstand (bedrahteter 0,25 Watt Kohleschicht), welcher so kurz wie möglich an dem Innennleiter des 50-Ohm-Koaxkabels gelötet wird. RG-174 eignet sich als Kabel gut, da es flexibel ist. An den Oszilloskop-Eingang kommt ein handelsüblicher 50-Ohm-Durchgangswiderstand als Abschlusswiderstand, falls das Oszilloskop nicht schon einen solchen eingebaut hat. Die Eingangsimpedanz ist etwa 1 kOhm. Das Spannungteilerverhältnis etwa 1:21.
Der erste provisorische Test des nachgebildeten 1-kOhm-Tastkopfes an 2 Meter RG58/CU.
So sieht das 12-MHz-Rechtecksignal mit dem provisorischen 1kOhm-Tastkopf aus. Mit weniger Kabellänge, einem möglichst kurz eingelöteten Widerstand, einer kürzeren Masseverbinung und einem besseren 50-Ohm-Abschlusswiderstand am Oszilloskop sähe das Ergebnis sicherlich noch besser aus.
Unter http://www.qsl.net/d/dh7uaf//forum/VIEWTOPIC3FC5.HTM?t=1142&mforum=afu gibt es interessante Diskussionen und Versuche zu Tastköpfen.
Fazit: Der Bau eines passiven Tastkopf lohnt sich nicht. Der Bau aktiver Tastköpfe kann interessant sein, wenn man sie benötigt.