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Hintergrund: Eine einfache Methode zur Verifikation der
Bandbreite eines Tastkopfes

Von Jae-Yong Chang & Markus Stocklas, Agilent Technologies

Die Bandbreite ist einer der wichtigsten Parameter von Oszilloskopen und Oszilloskop-Tastköpfen und dient als Richtwert bis zu welcher Frequenz Messungen sinnvoll sind. Normalerweise sollte die Bandbreite mindestens doppelt so groß sein, wie die zu untersuchende Signalkomponente mit der höchsten Frequenz. Die meisten Anwender verlassen sich auf die Angaben des Herstellers. Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Bandbreite eines Tastkopfes auf einfache Weise gemessen und verifiziert werden kann, eventuell sogar mit einem bereits vorhandenen Oszilloskop.

Die Hersteller von Oszilloskopen und Tastköpfen versuchen, den Frequenzgang ihrer Produkte über den spezifizierten Bereich hinweg möglichst flach zu gestalten. Die obere Grenze der Bandbreite ist als die Frequenz spezifiziert, bei der ein sinusförmiges Signal auf 70,7% seiner Originalamplitude abge­schwächt wird. Dieser Punkt wird auch "–3 dB Grenze" genannt.

Abbildung  1: Beispiel für den Frequenzgang eines Oszilloskops.

Oft wird die Bandbreite eines Oszilloskoptastkopfes mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) gemessen. Ein solches Gerät ist meist teuer und seine Bedienung nicht ganz einfach zu erlernen. Ein typischer passiver Tastkopf hat eine hohe Impedanz und sollte mit 1 MW, der üblichen Eingangsimpedanz von Oszilloskopen, abgeschlossen werden. Die herkömmliche s21-Methode mit einem VNA funktioniert daher nicht so ohne weiteres, denn ein VNA ist ein 50-Ohm-System.

Eine andere Methode zur Bandbreitenbestimmung arbeitet mit einem Sinusgenerator, einer Signalweiche und einem Leistungsmessgerät. Mit diesen Geräten kann man den Frequenzbereich direkt durchstimmen. Dafür empfiehlt es sich allerdings die Fern­steuerung des Messsystems über GPIB oder USB. Eine solche Messung manuell durch­zuführen, ist ziemlich arbeitsaufwendig und fehlerträchtig und erfordert nach jeder kleinen Änderung wieder die gleiche Mühe.

Eine wesentlich einfachere Methode zur Messung der Bandbreite eines Tastkopfes (speziell für passive Tastköpfe mit Bandbreiten kleiner als 1 GHz) arbeitet im Zeit­bereich. Man braucht dazu nur ein Oszilloskop, dessen eingebaute Signalquelle eine möglichst steile Flanke erzeugen kann, eine Differenzierfunktion und eine FFT-Funktion. Das Oszilloskop sollte mathematische Funktionen kaskadieren können, also eine zweite Funktion auf die Ergebnisse einer anderen Funktion anwenden. Beherrscht das Gerät dies nicht, kann man alternativ die Kurvendaten auf einen PC übertragen und die Berechnungen dort mit einem Analyseprogramm wie etwa Matlab durchführen.

Misst man ein Sprungsignal, bekommt man eine Sprungantwort. Differenziert man dann die Sprungantwort, bekommt man die Impulsantwort. Lässt man darüber dann eine FFT laufen, bekommt man den Frequenzgang des Systems.

Agilents Echtzeitoszilloskop Infiniium ist ein hervorragendes Werkzeug für eine schnelle Bandbreitenmessung. Wie man dabei Schritt für Schritt vorgeht, soll am Beispiel eines passiven 500-MHz-Tastkopfes N2873A beschrieben werden, dessen Frequenzgang mit einem 4-GHz-Oszilloskop Infiniium DS09404A gemessen wird.

• Man verbindet den Aux-Ausgang des Oszilloskops über einen Performance-Veri­fication-Adapter (z. B. Agilent E2566C) und ein 50-Ohm-BNC-Kabel mit dem Eingang des Oszilloskops. Die Infiniium-Oszilloskope verfügen zwecks Tastkopf­kalibrierung über einen Aux-Ausgang, der ein steilflankiges Signal liefert (10/90%-Flankenzeit etwa 340 ps für Familie Infiniium 9000). Für solche Messungen ist es besonders wichtig, dass die Flankenzeit der Signalquelle kürzer ist als die des Tastkopfes und dass der Frequenzgang der Signalquelle über den ganzen Bereich hinreichend eben ist.

Abbildung 2:  Abgriff eines Testsignals von einer Signalquelle an einem Performance-Verification-Adapter Agilent E2655C.

• Man greift mit dem Tastkopf das Testsignal ab, das auf dem Adapter offen geführt ist. Die Masseleitung sollte so kurz wie möglich sein, um die Belastung des Tastkopfes möglichst gering zu halten.

Im Bildschirm sieht man:

Kanal 1 (gelb) = Signalquelle (Aux-Ausgang), vom Tastkopf belastet

Kanal 2 (grün) = vom Tastkopf gemessenes Signal

Abbildung  3: Messung der schnellen Flanke.

• Man stellt die Flanken auf Bildschirmmitte, triggert auf das Ausgangssignal des Tastkopfes (Kanal 2) und aktiviert zur Verringerung des Rauschens die Mess­wertemittelungsfunktion (oder nutzt den hochauflösende Erfassungmodus)
• Man differenziert die Sprungantwort mittels der internen Differenzierfunktion. Daraus ergibt sich die Impulsantwort von Kanal 2 (an dem der Tastkopf ange­schlossen ist). Man weist das Ergebnis der Differenzierung der Mathematikfunktion F1 im Oszilloskop zu.

Abbildung 4: Mithilfe der internen Math-Funktionen des Oszilloskops wird die Sprungantwort differenziert.

• Dann wendet man die eingebaute FFT-Funktion auf die Impulsantwort (in F1) an. Man skaliert die FFT auf 3 dB/div vertikal und 100 MHz/div horizontal. Bei einer Mittenfrequenz von 500 MHz nutzt ein Frequenzbereich von 1 GHz somit die ganze Bildschirmbreite aus.
• Man hat nun den Frequenzgang über 1 GHz Bandbreite auf dem Bildschirm. Bei etwa 530 MHz ist die FFT um 3 dB gefallen (also einen Skalenteil), dies ist also die obere Grenzfrequenz des Tastkopfes.

Abbildung 5: Der Frequenzgang des Tastkopfes.

Eine Fußangel lauert in der Differenzierfunktion: Manche Oszilloskope differenzieren eine Kurve, indem sie einem Punkt den Steigungswert einer Gerade durch die beiden Nachbarpunkte zuweisen. Hat man bei diesem Verfahren zu wenige Messpunkte, bekommt man schlechte Ergebnisse für die Bandbreitenmessung. Man sollte daher
die Messpunktdichte variieren und prüfen, ob sich dabei die gemessene Bandbreite verändert.

Fazit

Mithilfe der mathematischen Funktionen eines modernen Digitaloszilloskops kann man den Frequenzgang oder die Bandbreitencharakteristik eines Tastkopfes aus der Antwort auf ein Sprungsignal berechnen. Von verschiedenen möglichen Messmethoden ist eine solche Zeitbereichmessung am einfachsten zu reproduzieren, und man benötigt dafür keine zusätzlichen teuren Messgeräte.