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Von Dietmar Bräuer / BlogTechnikecke

Differenzmesskopf für NF-Anwendungen

Der im Folgenden beschriebene Differenzmesskopf ist so einfach wie genial. Für die Realisierung dieser Schaltung sind neben dem INA111 von BURR-BROWN nur wenige Bauteile nötig (Die genauen Daten finden Sie in den Datenblättern des Herstellers). Die Verstärkung kann über den Widerstand RG eingestellt werden. Für eine Verstärkung von 1, lässt man den Widerstand RG weg. Ohne weitere Eingangsbeschaltung ist der Eingangswiderstand Ri mit 10 Tera Ohm extrem hochohmig. Die Beschaltung der Eingänge mit 1M Ohm Widerständen stellt Eingangswiderstände bereit, wie wir sie von den Oszilloskopen kennen. Damit können vorhandene Tastköpfe mit 1:1 bzw. 10:1 Teilung angeschlossen und wie gewohnt kompensiert werden.

 

Wie so oft, wurde auch diese kleine Hilfseinrichtung aus der Not heraus geboren. Für Abgleicharbeiten an alten Radioapparaten, wie in unserem Beitrag Abgleich des unsymmetrischen Ratiodetektors beschrieben, war ein Differenzmesskopf erforderlich. Da wir in der Werkstatt keinen hatten, wurde kurzerhand einer gebaut.
Die batteriebetriebene Schaltung findet auf einer kleinen Lochrasterplatine Platz, die in ein passendes Metallgehäuse montiert wird. Wie die Bilder zeigen, sind auch die mechanischen Arbeiten mit wenigen Handgriffen zu erledigen, ein typisches Wochenendprojekt.

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Messaufbau zur Ermittlung der Leistungsbandbreite des Differenzmesskopfes, hier an hochohmiger Quelle

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Der kritische Einsatzbereich des Differenzmesskopfes ergibt sich durch die Beschaltung des empfindlichen Messkopfeingangs [Ri  10 TΩ ] mit 10:1 Tastköpfen. Hier wirkt sich der im Tastkopf befindliche 9MΩ Widerstand, zusammen mit der Kapazität der Messleitung (145pF) ungünstig aus. Es ergibt sich das in der Grafik gezeigte Tiefpassverhalten. Im Wobbelbetrieb sind bei Durchlaufgeschwindigkeiten >40ms diesbezüglich keine Signalverformungen aufgetreten und auch nicht zu erwarten.

 

Vergleichsweise angestellte Messungen, bei denen das Oszilloskop als Differenzverstärker diente, zeigten keine wesentlich größeren Leistungsbandbreiten im Differenzmessbetrieb. Auch hier war bei etwa 150kHz Schluss. Selbst bei einem Gerät dessen Leistungsbandbreite mit 400MHz angegeben ist, sowie mit Tastköpfen die ebenfalls für diese Bandbreite ausgelegt sind, war bei diesem Messaufbau nicht mehr herauszuholen.

Der gleiche Messaufbau wie zuvor, jedoch mit niederohmigen Quellwiderständen zum Vergleich.

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Wie wir der Tabelle entnehmen können, ist unser Differenzmesskopf, bis auf den hochohmigen Messbereich mit 10:1 Tastkopf, für NF-Anwendungen geeignet. Für den von uns gewünschten Einsatzzweck, nämlich als "Differenzfühler" beim unsymmetrischen Ratiodetektor, ist aber auch der empfindlichste Messbereich bestens einsetzbar, wie die Praxis bereits zeigte.

Die Eingangskabazitäten unseres Messkopfes bestimmt mit 100kHz Sinus. Die Tastköpfe wurden in das Messergebnis mit einbezogen

Jeder Tastkopf für sich, gegen Masse.
Bereich 1:1, 10T Ohm, mit Tastkopf 10:1 = 22pF
Bereich 1:1, 10T Ohm, mit Tastkopf 1:1 = 145pF
Bereich 1:1, 1M Ohm, mit Tastkopf 10:1 = 22pF
Bereich 1:1, 1M Ohm, mit Tastkopf 1:1 = 145pF

 

Zwischen den Tastkopfspitzen:
Bereich 1:1, 10T Ohm, mit Tastkopf 10:1 = 6,2pF
Bereich 1:1, 10T Ohm, mit Tastkopf 1:1 = 61pF
Bereich 1:1, 1M Ohm, mit Tastkopf 10:1 = 6,2pF
Bereich 1:1, 1M Ohm, mit Tastkopf 1:1 = 61pF

 

Im 1MOhm Bereich können die Tastköpfe in der Schalterstellung 10:1, wenn nötig, genauso angepasst, bzw. kompensiert werden, wie an den Eingängen eines Oszilloskops. Der Messkopf selbst trägt nur mit wenigen pF (1 bis 2 pF) zum Ergebnis bei, den größten Teil liefern die Messkabel.

 

Die Lagerung des Differenzmesskopfes sollte immer im Bereich 1:1 Ri 1MOhm erfolgen. Stichwort "ESD". Dies gilt auch für die Anschaltung des Messkopfes an den Messaufbau.

 

Die maximal erreichbaren Eingangsspannungen hängen mit der Höhe der Betriebsspannungen zusammen. Mit unserem Versuchsgerät konnten, mit schon etwas nachlassenden Batterien, die jeweils noch 8,3 Volt lieferten, folgende Werte ermittelt werden:

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Zum Verständnis der Funktion des Differenzverstärkers hier noch einige Kombinationen verschiedener DC-Eingangsspannungen am Messkopf und die daraus resultierenden Ausgangsspannungen, hier noch mit frischen Batterien:

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