DE19718478C2

DE19718478C2 - High impedance probe with extremely small input capacitance

Info

Publication number: DE19718478C2
Application number: DE1997118478
Authority: DE
Inventors: Christian Dirks
Original assignee: ALLICE MESTECHNIK GmbH
Current assignee: ALLICE MESTECHNIK GmbH
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2017-05-01
Also published as: DE19718478A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochimpedanzsonde mit kapazitivem Spannungsteiler zur Frequenzkompensation des Teilerverhältnisses zwischen einer zu messenden Spannung (U1) und einer reduzierten Spannung (U2).The invention relates to a high impedance probe with capacitive Voltage divider for frequency compensation of the divider ratio between a voltage to be measured (U1) and a reduced voltage (U2).

In der Praxis kann die Rückwirkung eines Meßgeräts auf die zu messende Größe dadurch verringert werden, daß Hochimpedanzsonden und Tastteiler verwendet werden, wodurch nur ein Bruchteil der Meßspannung an das Meßgerät geführt wird. Dabei wird versucht, die Quelle ohmsch und kapazitiv möglichst wenig zu belasten und folglich auf möglichst kleine resultierende Kapazitäten und auf möglichst große ohmsche Widerstände in Hochimpedanzsonden und Tastköpfen zu achten.In practice, the reaction of a measuring device to the size to be measured can be reduced by using high impedance probes and probe dividers are, whereby only a fraction of the measuring voltage is fed to the measuring device becomes. It tries to minimize the source ohmic and capacitive burden and consequently to the smallest possible resulting capacities and as large as possible ohmic resistances in high impedance probes and probes to watch out for.

Breitbandige Hochimpedanzsonden und Tastköpfe für Oszilloskope oder Spektrumanalysatoren führen unmittelbar an der Prüfspitze häufig einen kapazitiven Spannungsteiler, um das Tellerverhältnis zwischen zu messender Spannung und der für die Meßschaltung bestimmten Spannung frequenzunabhängig zu erhalten. Direkt nach der Prüfspitze ist eine sehr kleine erste Kapazität C1 angeschlossen, auf die dann eine größere zweite Kapazität C₂ folgt. C₁ und C₂ bilden einen Spannungsteiler zwischen der Prüfspitze und Masse. Broadband high-impedance probes and probes for oscilloscopes or spectrum analyzers often have a capacitive voltage divider directly at the test tip in order to maintain the plate ratio between the voltage to be measured and the voltage for the measuring circuit independent of frequency. A very small first capacitance C1 is connected directly after the test tip, which is then followed by a larger second capacitance C ₂ . C ₁ and C ₂ form a voltage divider between the test probe and ground.

Grundsätzlich wäre nun die Eingangskapazität der in Serie geschalteten Kapazitäten C₁ und C₂ der Sonde stets kleiner als die kleine Kapazität C1 des Spannungsteilers. Dem steht in der Praxis jedoch die Eigenkapazität der Prüfspitze entgegen. Die meist aus einem metallischen Material geformte Prüfspitze, welcher der oben genannte Spannungsteiler nachgeordnet ist, weist jedoch selbst eine Eigenkapazität auf. Diese Eigenkapazität der Prüfspitze bildet einen Nebenschluß direkt nach Masse, der sich auch bei Konstruktionen mit kurzen und dünnen Spitzen kaum unter 1-2 pF senken läßt. Diese Kapazität muß der Eingangskapazität des Spannungsteilers hinzuaddiert werden, was den Versuch, wirklich kapazitätsarme Sonden zu bauen, zunichte macht. Selbst wenn die Kapazität C₁ auf Werte unter 0,1 pF gesenkt würde, bliebe die Gesamtkapazität der Sonde deutlich über 1 pF.Basically, the input capacitance of the capacitances C ₁ and C _{2 of} the probe connected in series would always be smaller than the small capacitance C1 of the voltage divider. In practice, however, this is countered by the test probe's own capacity. However, the test tip, which is usually made of a metallic material and is followed by the voltage divider mentioned above, itself has its own capacitance. This intrinsic capacitance of the test tip forms a shunt directly according to mass, which can hardly be reduced below 1-2 pF even with constructions with short and thin tips. This capacitance must be added to the input capacitance of the voltage divider, which negates the attempt to build truly low capacitance probes. Even if the capacitance C _{1 were} reduced to values below 0.1 pF, the total capacitance of the probe would remain significantly above 1 pF.

Aus der Zeitschrift Elektronik, Heft 4, 1994, Seiten 70 bis 72; UHLING, Th.; F. Sterner J., R.: Aktiv bis über 2,5 GHz ist eine Hochimpedanzsonde für Meßeinrichtungen bekannt, die einen Tastkopf bzw. eine Prüfspitze aufweist, die durch verschiedene Schutzmechanismen gegenüber elektrostatischen Entladungen geschützt ist. Bei diesem Tastkopf ist die Prüfspitze selbst jedoch nicht Bestandteil eines kapazitiven Spannungsteilers, an dem eine für die Meßeinrichtung erforderliche reduzierte Meßspannung abgegriffen wird.From the magazine Elektronik, issue 4, 1994, pages 70 to 72; UHLING, Th .; F. Sterner J., R .: Active up to 2.5 GHz is a high impedance probe for Known measuring devices having a probe or a test probe, the through various protective mechanisms against electrostatic Discharge is protected. With this probe, however, the probe is itself not part of a capacitive voltage divider, on which one for the Measuring device required reduced measuring voltage is tapped.

Aus der US 5,512,838 ist eine Hochimpedanzsonde mit einer Prüfspitze und einem integrierten Spannungsteiler bekannt, an dem die für eine Meßeinrichtung benötigte reduzierte Meßspannung abgegriffen werden kann. Hierbei bildet der mit der Prüfspitze versehene Eingangsleiter zusammen mit einem zylindrischen Mittelleiter eine erste Kapazität C₁. Der Mittelleiter bildet ferner für eine Elektrode einer Kapazität C₂ zwischen dem Mittelleiter und einem Schirm.A high-impedance probe with a test tip and an integrated voltage divider is known from US Pat. No. 5,512,838, from which the reduced measuring voltage required for a measuring device can be tapped. Here, the input conductor provided with the test tip forms a first capacitor C ₁ together with a cylindrical center conductor. The center conductor also forms an electrode of a capacitance C ₂ between the center conductor and a screen.

Dieser Aufbau ist jedoch vergleichsweise kompliziert und aufwendig herzustellen. However, this structure is comparatively complicated and expensive to manufacture.

Es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochimpedanzsonde mit einfacherem Aufbau zu schaffen, die mit geringen Kosten hergestellt werden kann.It is therefore the object of the present invention, a High impedance probe with a simpler structure to create that with low Cost can be made.

Diese Aufgabe wird mittels einer Hochimpedanzsonde nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by means of a high impedance probe according to claim 1. Advantageous embodiments result from the subclaims.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Prüfkontakt als ein Belag der ersten Kapazität des frequenzkompensierten Spannungsteilers dient. Die erfindungsgemäße Sonde verzichtet somit auf die bekannte metallische Prüfspitze mit nachfolgendem Spannungsteiler. Es wird also erfindungsgemäß eine Seite des Kondensators C₁ des Spannungsteilers selbst als Prüfspitze verwendet, wodurch die Nebenschlußkapazität des Prüfkontakts in die Größenordnung der Kapazität C₁ gesenkt wird, was den Bau von Sonden mit Eingangskapazitäten von unter 0,3 pF ermöglicht.According to the invention, this object is achieved in that the test contact serves as a coating on the first capacitance of the frequency-compensated voltage divider. The probe according to the invention thus dispenses with the known metallic test probe with a subsequent voltage divider. Thus, according to the invention, one side of the capacitor C _{1 of} the voltage divider itself is used as a test tip, whereby the shunt capacitance of the test contact is reduced to the order of magnitude of the capacitance C ₁ , which enables the construction of probes with input capacitances of less than 0.3 pF.

Der Prüfkontakt bildet zusammen mit einem ersten elektrischen Leiter die erste Kapazität C₁. Die zweite Kapazität des Spannungsteilers ergibt sich zwischen dem ersten Leiter und einem zweiten Leiter, nämlich dem Masseleiter. Together with a first electrical conductor, the test contact forms the first capacitance C ₁ . The second capacitance of the voltage divider results between the first conductor and a second conductor, namely the ground conductor.

In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Sonde als sog. Leiterplattenkonstruktion gebildet. Der Prüfkontakt bildet zusammen mit einem in Isolationsmaterial, vorzugsweise Platinenmaterial, eingebetteten Innenleiter die erste Kapazität C1. Die zweite Kapazität des Spannungsteilers ergibt sich zwischen dem Innenleiter und wenigstens einem vom Innenleiter isolierten Masseleiter. Vorzugsweise sind mehrere Außenleiter, z. B. als Leiterbahnen, um den Innenleiter herum angeordnet, die miteinander elektrisch verbunden sind.In a first embodiment of the invention, the probe is a so-called Printed circuit board construction. The test contact forms together with an in Insulation material, preferably circuit board material, embedded inner conductor first capacity C1. The second capacitance of the voltage divider results between the inner conductor and at least one insulated from the inner conductor Ground conductor. Preferably, several outer conductors, e.g. B. as conductor tracks arranged around the inner conductor, which are electrically connected to each other.

Die sog. Leiterplattenkonstruktion ermöglicht eine besonders einfache und günstige Herstellung der Sonde.The so-called PCB construction enables a particularly simple and inexpensive manufacture of the probe.

In einer zweiten Ausführungsform können die ersten und zweiten Leiter der Hochimpedanzsonde vorzugsweise Innen- und Außenleiter eines Koaxialkabels sein. Die Prüfspitze wird in diesem Fall auf den Endbereich der Sonde aufgebracht, der aus einem isolierenden Material besteht, wie z. B. Plastik oder Keramik. Die erste Kapazität C1 wäre dann zwischen dem metallischen Prüfkontakt und dem Innenleiter des Koaxialkabels ausgebildet, und die zweite Kapazität des Spannungsteilers wäre durch die Kapazität zwischen Innen- und Außenleiter gegeben. An den betreffenden Leitern werden die nachfolgenden Meßeinrichtungen, wie Meßschaltungen oder Meßgeräte angeschlossen.In a second embodiment, the first and second conductors of the High impedance probe preferably inner and outer conductor of a coaxial cable his. In this case, the probe tip is placed on the end area of the probe applied, which consists of an insulating material, such as. B. plastic or Ceramics. The first capacitance C1 would then be between the metallic ones Test contact and the inner conductor of the coaxial cable, and the second Capacity of the voltage divider would be the capacity between the inside and Given outer conductor. The following are attached to the relevant ladder Measuring devices such as measuring circuits or measuring devices connected.

Im allgemeinen kann der Prüfkontakt ein metallisches Element sein, das z. B. auf den vorderen Endbereich der Sonde aufgedampft, chemisch abgeschieden (galvanisiert) oder auf jede andere Art und Weise aufgebracht ist. Dabei ist lediglich zu beachten, daß der Prüfkontakt eine gewisse Eigenfestigkeit besitzt, deren Haltbarkeit und Beständigkeit den Erfordernissen bei der Handhabung der Prüfspitze genügt. Die Dicke der Prüfspitze sollte somit einige mm betragen.In general, the test contact can be a metallic element, the z. B. on the front end of the probe evaporated, chemically deposited (galvanized) or applied in any other way. It is just note that the test contact has a certain inherent strength, the durability and durability of the handling requirements A test tip is sufficient. The thickness of the test probe should therefore be a few mm.

Vorzugsweise wird ein metallisches Element, wie z. B. ein metallisches Drehteil, als Prüfspitze verwendet werden. Der Prüfkontakt kann als eine Messingscheibe mit gerundeter oder spitz zulaufender Spitze geformt sein. Grundsätzlich ist jede Spitzenform möglich, die ein zuverlässiges und komfortables Aufnehmen der Meßgröße ermöglicht.Preferably, a metallic element, such as. B. a metallic turned part, can be used as a test probe. The test contact can be used as a brass disc be shaped with a rounded or tapered tip. Basically everyone is Tip shape possible, which reliable and comfortable picking up the Measured variable enables.

Die erfindungsgemäße Sonde befindet sich vorzugsweise in einem Gehäuse oder an einem Griff, der ein zuverlässiges Messen und eine komfortable Handhabung der Prüfspitze ermöglicht.The probe according to the invention is preferably located in a housing or on a handle that makes reliable measurement and comfortable handling the test probe enables.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigenThe invention is explained below using the figures as an example. It demonstrate

Fig. 1 eine horizontale Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße Impendanzsonde, Fig. 1 is a horizontal sectional view of an inventive Impendanzsonde,

Fig. 2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Impendanzsonde in Fig. 1, Fig. 2 is a side view of the invention Impendanzsonde in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht einer erfindungsgemäßen Prüfspitze aus einer metallischen Beschichtung, Fig. 3 is an enlarged view of a probe according to the invention consists of a metallic coating,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer erfindungsgemäßen Prüfspitze aus einem abgerundeten Drehteil, und Fig. 4 is an enlarged view of a test probe according to the invention from a rounded turned part, and

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht einer erfindungsgemäßen Prüfspitze in Kegelform. Fig. 5 is an enlarged view of a test probe according to the invention in the form of a cone.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht von oben auf eine Hochimpedanzsonde 1 mit der erfindungsgemäßen Prüfspitze, wobei die Spitze ein auf einer Isolationsschicht aufgebrachter metallischer Prüfkontakt 2 ist. Die Sonde mit dem Prüfkontakt und dem ersten und zweiten Leiter ist in Form einer Leiterplattenkonstruktion vorgesehen. Der vordere Abschnitt des Innenleiters 4 bildet zusammen mit dem Prüfkontakt die erste Kapazität C₁, wodurch die Nebenschlußkapazität des Prüfkontakts gegenüber Masse minimiert wird. Die zweite Kapazität C₂ des Spannungsteilers ergibt sich durch die Kapazität zwischen dem Innenleiter 4 und dem Außenleiterbahnen 5. Die Außenleiter sind durchkontaktiert und miteinander elektrisch verbunden. Fig. 1 shows a sectional top view of a high-impedance probe 1 with the inventive probe tip, wherein the tip is applied on an insulating layer of metallic contact probe. 2 The probe with the test contact and the first and second conductors is provided in the form of a circuit board construction. The front section of the inner conductor 4 together with the test contact forms the first capacitance C ₁ , as a result of which the shunt capacitance of the test contact with respect to ground is minimized. The second capacitance C _{2 of} the voltage divider results from the capacitance between the inner conductor 4 and the outer conductor tracks 5 . The outer conductors are plated through and electrically connected to each other.

In Fig. 2 sind nochmals deutlich Innen- und Außenleiter 4, 5 in Seitenansicht gezeigt, an denen eine nachfolgende Meßschaltung oder ein Meßgerät angeschlossen sein können. Die für die Meßeinrichtung benötigte reduzierte Spannung wird zwischen dem Innenleiter 4 und dem Außenleiter 5 abgegriffen.In Fig. 2 are again significantly inner and outer conductors 4, 5 shown in side view in which a subsequent measuring circuit or a measuring instrument may be connected. The reduced voltage required for the measuring device is tapped between the inner conductor 4 and the outer conductor 5 .

In den Fig. 3-5 sind weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Prüfspitze gezeigt. Der Prüfkontakt in Fig. 3 ist eine galvanisch hergestellte Metallschicht. Die Prüfspitze in Fig. 4 zeigt ein Drehteil 7 aus Messing mit abgerundeter Spitze, dessen Eigenfestigkeit und etwas dickere Beschaffenheit eine längere Haltbarkeit der Prüfspitze 2 gewährleistet.In FIGS. 3-5 further possible embodiments of the probe are shown. The test contact in Fig. 3 is an electroplated metal layer. The probe in Fig. 4 shows a rotary member 7 made of brass with a rounded tip, whose inherent strength and somewhat thicker texture for a longer durability of the probe 2 ensured.

Fig. 5 zeigt die Prüfspitze aus Fig. 4, jedoch in Kegelform 8, die insbesondere für präzises Messen geeignet ist. FIG. 5 shows the test tip from FIG. 4, but in the shape of a cone 8 , which is particularly suitable for precise measurement.

Claims

1. High impedance probe for measuring devices, with a test probe ( 2 ) and a voltage divider, comprising a first capacitance and a second capacitance for tapping a reduced measuring voltage required for the measuring device, characterized by
a metallic test probe ( 2 ) applied to an insulation material ( 3 ), which forms a coating on the first capacitance of the voltage divider,
a first conductor arranged in the insulation material ( 3 ), which together with the test probe ( 2 ) forms the first capacitance of the voltage divider, and at least one second conductor insulated from the first conductor, which serves as a ground conductor and which together with the first conductor forms the second Capacity of the voltage divider forms.

2. High impedance probe according to claim 1, characterized in that the voltage divider is frequency compensated.

3. High impedance probe according to claim 1, characterized in that the first conductor is an inner conductor ( 4 ) embedded in insulation material and at least one conductor track is arranged as an outer conductor ( 5 ).

4. High impedance probe according to claim 3, characterized in that a plurality of plated-through outer conductors ( 5 ) are provided.

5. High impedance probe according to claim 3, characterized in that the first and second conductors are formed as inner and outer conductors ( 4 , 5 ) of a coaxial cable.

6. High impedance probe according to claim 1, characterized in that the test probe ( 2 ) consists of a metallic coating ( 6 ).

7. High impedance probe according to claim 1, characterized in that the test probe ( 2 ) is a metallic plate.

8. High impedance probe according to claim 1, characterized in that the test probe ( 2 ) is a metallic rotating part ( 7 , 8 ).