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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Hochfrequenz-Prüfstiftvorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Prüffeld- und/oder Messaufbau, welcher mindestens eine solche elektrische Prüfstiftvorrichtung, bevorzugt eine Mehrzahl derartiger elektrischer Prüfstiftvorrichtungen, zur bevorzugt automatisierten Prüfung von elektronischen Baugruppen, insbesondere elektronischen HF-Baugruppen, einsetzt.
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Aus dem Stand der Technik sind zur Verwendung in gattungsgemäß bekannten Leiterplattenprüfvorrichtungen elektrische Prüfstiftvorrichtungen seit langer Zeit bekannt. So beschreibt etwa die
DE 31 53 596 C2 eine Vorrichtung zum Prüfen einer elektronischen Leiterplatte mittels eines in einer Bohrung einer Trägerplatte angeordneten, an die Verdrahtung eines Prüfautomaten anschließbaren Taststiftes mit einem der Leiterplatte während des Prüfvorganges anliegenden sowie unter Einwirkung einer Schraubenfeder axial verschieblichen Tastkopf an einem Gleitstift; die Trägerplatte ist als Einsatz für eine pneumatische Prüfvorrichtung ausgebildet und in diese unter Bildung eines Druckraumes eingefügt, der Gleitstift ist teilweise in einer der Bohrungswand anliegenden und an dem dem Tastkopf fernen Ende an eine pneumatische Leitung angeschlossene Druckhülse geführt. Zwischen letzterer und dem Gleitstift ist eine Schraubenfeder angeordnet.
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Derartige Vorrichtungen haben sich seit langem bewährt, um verschiedenste Leiterplatten und Schaltungstopologien im Prüffeld bzw. in der Serienfertigung zu prüfen. Allerdings ist im Hinblick auf die Prüfstifttechnologie der Aspekt einer Impedanz- bzw. Leistungsanpassung von mit dem Prüfstift verbundenen nachgeschalteten elektronischen Messgeräten üblicherweise unberücksichtigt geblieben.
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Gerade dies kann jedoch nicht unproblematisch sein, wie etwa im Zusammenhang mit den 5 und 6 zum Stand der Technik erläutert werden soll.
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Die 5 beschreibt das allgemeine Prinzip einer Leistungsanpassung, welches vor allem relevant in der Hochfrequenztechnik ist.
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Maximale Leistung wird übertragen, wenn die Abschlussimpedanz des Verbrauchers gleich der Quellimpedanz ist und auch die notwendige Übertragungsleitung dieses Z aufweist. Die dazu notwendige Impedanz wird Nominalimpedanz des Systems genannt.
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Im Folgenden wird immer von verlustfreien Systemen ausgegangen, d. h. die Signaldegradierung kommt nur durch die Fehlanpassung und nicht durch Ohmsche Verluste o. ä. zustande.
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5 zeigt zwischen Quelle Q und Senke S einen idealen Signalabgriff mit einem Hochfrequenzprüfstift
10 (HFS). Alle Komponenten sind auf Nominalimpedanz ausgerichtet, sodass an keiner Stelle Störstellen auftreten. Der Reflexionsfaktor beträgt für alle Übergänge auf eine andere Komponente r = 0 wegen
(Gleichung 1).
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Bei einem parallelen Abgriff tritt jedoch nach
6 am Verbraucher N durch den parallelen Abgriff eine Impedanz von
Zeff = ZL||ZHFS auf, also kann man beispielsweise für eine Nominalimpedanz von Z
0 = 50 Ω folgende effektiv anliegende Impedanz ermitteln (analog zur Parallelschaltung von Widerständen):
(Gleichung 2).
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Damit herrscht am Ende der Übertragungsleitung Fehlanpassung. Mit Gleichung 1 kann nun der dort auftretende lineare Reflexionsfaktor r berechnet werden. Es ergibt sich:
Gleichung 3).
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Die Rückflussdämpfung beträgt maximal:
Gleichung 4).
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Dies bedeutet, dass nach Gleichung 3 ein Drittel der Leistung ins speisende System reflektiert wird und weder am Verbraucher noch am Testsystem ankommt.
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Es muss nun also eine Lösung gefunden werden, bei welcher der Messaufbau den Prüfling an sich möglichst wenig beeinflusst.
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Aus der
DE 10 2006 002 472 A1 ist eine Signalsonde bekannt, welche eine aus einer Stirnfläche ragende Tastspitze aufweist. Diese Tastspitze ist axial verschieblich und gegen die Kraft eines Federelements federnd gelagert. Diese Sonde weist ein Paar von koaxial zueinander ausgerichteten Kolbenabschnitten auf, die durch einen zwischen ihnen axial angeordneten sowie sie elektrisch verbindenden separaten ohmschen Widerstandskörper verbunden sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorbeschriebenen negativen Effekte, insbesondere Reflexion durch mangelnde Leistungsanpassung, zu vermeiden und damit Validität und Güte eines von einer elektronischen Prüfstiftvorrichtung abzugreifenden und nachfolgend daraus zu ermittelnden Messsignals zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung innerhalb einer Prüffeld- und/oder Messaufbaus, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen, gelöst.
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Dabei bewirkt der erfindungsgemäß vorgesehene ohmsche Widerstandskörper, dass ein hochohmiger Abgriff durch die Prüfstiftvorrichtung erfolgen kann, wobei konstruktiv vorteilhaft dieser Widerstandskörper auf einfache und günstig herstellbare Weise in eine Prüfstiftanordnung integriert wird, entsprechend einem jeweiligen Prüfzweck bemessen werden kann und so auf einfache und elegante Weise das aus dem Stand der Technik aufgezeigte Problem überwunden werden kann (wobei, bedingt durch die Hochohmigkeit des ohmschen Widerstandes relativ etwa zu einer zu messenden Leitungsimpedanz, etwaige Dämpfungseffekte zwar in Kauf genommen werden, jedoch durch geeignete Wahl des ohmschen Widerstandes so ausbalanciert sind, dass etwaige Signaldämpfungen sich nicht nachteilig auf eine nachfolgende Signalauswertung auswirken).
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1: eine Seitenansicht eines Prüfstiftes mit teilweise entfernter Umhüllung;
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2: eine Stirnansicht zu 1;
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3: den – querschnittlich um 90° gegenüber 1 gedrehten – Längsschnitt durch den Prüfstift;
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4: eine Schrägsicht auf den querschnittlich halbierten Prüfstift der 1 nach dem Entfernen der Umhüllung;
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5, 6: jeweils eine Graphik zu einem seriellen Signalabgriff sowie einem parallelen Abgriff; Stand der Technik;
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7: eine Graphik einer Simulation;
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8 bzw. 9: eine Graphik mit neuem Aufbau sowie die Darstellung der Spannungen bei diesem;
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10 bzw. 11; eine Graphik zu Fehlerquellen sowie die Darstellung der Spannungen dazu.
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Ein i. w. zylindrischer Hochfrequenzprüfstift 10 – mit einem nahe dessen in 1 linken Stirnfläche 12 gemessenen Durchmesser d von 4 mm sowie mit einer Stiftlänge a von hier 28,7 mm – weist in seiner Längsachse A einen Kolbenabschnitt 14 mit außerhalb jener Stirnfläche 12 erkennbarer Tast- oder Kolbenspitze 15 auf; dieser Kolbenabschnitt 14 ist – wie vor allem 3 verdeutlicht – der stirnwärtig auskragende Teil eines Innenleiters 18, dem jenseits eines – in ein büchsenförmiges Aufnahmeende 16 des Kolbenabschnitts 14 eingeschobenen – Widerstandskörpers 20 eines ohmschen Widerstandswertes von 470 Ω ein innerer Kolbenabschnitt 14 i des Durchmessers d1 axial zugeordnet ist; dieser nimmt ebenfalls einen Teil jenes Widerstandskörpers 20 in einem büchsenförmigen Aufnahmeende 16 i auf. Der axiale freie Abstand beider Büchsenenden 16, 16 i misst etwa die Hälfte der axialen Länge f von 2,5 mm des Widerstandskörpers 20. Dessen freier Axialabstand f1 zur Kolbenspitze 15 soll möglichst gering sein, beispielsweise 9,7 mm.
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Der äußere Kolbenabschnitt 14 sowie der innere Kolbenabschnitt 14 i des axialen Innenleiters 18 durchsetzen jeweils eine Isolierbuchse 22 bzw. 22 i, die ein kurzes Dielektrikum bildet und sich an einer Radialstufe 23 bzw. 23 i des Hochfrequenzprüfstiftes 10 abstützt. Die Isolierbuchse 22 ist eine zusätzliche Stützscheibe, die zur besseren Führung sowie zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Innenleiters 18 montiert werden kann. Der innere Kolbenabschnitt 14 i greift andernends in eine axiale Klemmbuchse 24 zylindrischen Querschnitts ein, die beidseits eines radialen Mittelbodens 25 jeweils eine endwärts offene Buchsenhülse 27, 27 e anbietet. Die jene Längsachse A radial querenden Bodenbereiche 26 des Mittelbodens 25 sind trichterähnlich geformt, um beispielsweise die Spitze 19 des inneren Kolbenabschnitts 14 i aufnehmen zu können.
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Die in 3 rechte Buchsenhülse 26 e lagert in einer – ein langes PTFE Dielektrikum darstellenden – Isolierbuchse 28 mit stirnwärtigem Radialkragen 29, der sich an eine innere radiale Stufenausformung 31 einer Führungsbuchse 30 des Hochfrequenzprüfstiftes 10 anschmiegt; die Führungsbuchse 30 bestimmt einen zylindrischen Heckraum 32 des Hochfrequenzprüfstiftes 10, der an einer ringförmigen Endkante 33 endet.
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Ein Stirnkragen 34 der Führungsbuchse 30 liegt der Endfläche 35 einer axialen Stifthülse 36 der Länge a1 von hier etwa 11,9 mm sowie des Außendurchmessers d2 von 4,5 mm an; diese bildet die Außenfläche des zentralen Teiles des Hochfrequenzstiftes 10 und endet mit einem schmalen Zylinderkragen 37 der axialen Länge a2 von 1 mm. Nahe der erwähnten Endfläche 35 der Stifthülse 36 ist diese von einem radialen Passstift 38 durchsetzt, der einem Zylinderkörper 40 des Hochfrequenzprüfstiftes 10 innenseitig anliegt. Dieser Zylinderkörper 40 enthält die oben erwähnte Radialstufe 23 für die Isolierbuchse 22.
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Der Zylinderkörper 40 begrenzt mit der ihn umgebenden Stifthülse 36 einen etwa in Längsmitte des Hochfrequenzprüfstiftes 10 vorgesehenen ringförmigen Hohlraum 42 der Länge a3 für eine Zylinderfeder 44; diese erstreckt sich als Federelement also zwischen der Stifthülse 36 sowie dem darin axial verschieblichen Zylinderkörper 40. Dessen axialer Innenraum 39 nimmt jenen inneren Kolbenabschnitt 14 i des Innenleiters 18 auf.
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Das in 1, 3 linke Ende des Hochfrequenzprüfstiftes 10 wird von einer zylindrischen Kolbenführung 50 einer axialen Länge a4 von etwa 12,5 mm mit zylindrischem Axialkanal 48 gebildet, der mit dem fluchtenden Innenraum 39 wesentliche Abschnitte des Stiftinnenraumes bildet. Der ringförmigen inneren Endkante 49 des Axialkanals 48 liegt die zur Stirnfläche 12 weisende Radialfläche der äußeren Isolierbuchse 22 an. Eine dazu in Abstand parallele Endkante 49 i ist das freie Ende eines – von der Stifthülse 36 umfangenen – Kragenabschnittes 46 des Außenkolbens 50, dessen Außenfläche ein flacher Außenring 54 angeformt ist. Letzterer ruht in Einbaustellung in einer inneren Ringeinformung 41 des Zylinderkörpers 40 und bildet so für letzteren ein Lager. Der als Lagerraum für den axialen Kolbenabschnitt 14 dienende Axialkanal 48 wird von vier achsparallelen Bohrungen 56 der Kolbenführung 50 begleitet, die in der Stirnfläche 12 münden und an ihrem anderen Ende durch Radialarme 57 an die zylindrische Außenfläche 52 der Kolbenführung 50 angeschlossen sind.
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1, 2, 4 lassen erkennen, dass parallel zu dem beschriebenen axialen Kolbenabschnitt 14 – in radialem Abstand q von 1 mm – ein weiterer Kolben 17 vorgesehen ist, der etwa 2 mm (Maß e1) aus der Stirnfläche 12 ragt; das Kragmaß e des axialen Kolbens 14 misst 1 mm.
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Mit dem federkontaktierten Hochfrequenzprüfstift 10 werden in ein Prüffeld Hochfrequenzsignale eingespeist – oder an diesem abgegriffen –, dies entweder von/auf koaxiale/n Schnittstellen oder auf Leiterplattenprüfpunkten. Zudem sind weitere Anwendungen möglich, beispielsweise als Einsatz in einem System zur Impedanzbestimmung von Antennen.
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Die 5 und 6 verdeutlichen die durch die Erfindung überwundene Problematik: Da gemäß 5 das komplette Testsystem in Reihe zum Prüfobjekt liegt, ist auch der Hochfrequenzprüfstift 10 in Reihe geschaltet. Letzterer kann optimal wirken, da die Impedanz ZHFS (ohmsche) mit der Nominalimpedanz des zu prüfenden Systems übereinstimmt und der Abschluss mit dem Testsystem als 50 Ohm-Last fungiert. Es tritt also an keiner Stelle eine Signalreflexion auf, und die komplette Leistung wird über den – in der Zeichnung auch als HFS bezeichneten – Hochfrequenzprüfstift 10 in das Testsystem übertragen.
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Es erfolgt eine Leistungsmessung möglichst nah am Verbraucher, wobei, für diesen Fall davon ausgegangen wird, dass der Verbraucher bzw. die Last nicht abgeschaltet werden kann. Nun liegt gemäß 6 allerdings der Hochfrequenzprüfstift 10 nicht mehr in Serie zu dem zu prüfenden Objekt, sondern ersatzschaltbildmäßig parallel. Dadurch treten Signalverluste auf und der Messaufbau beeinflusst den Normalbetrieb der Schaltung. Welche Problematik hierbei beim Abgriff mit Hochfrequenzprüfstiften 10 besteht und wie man diese beheben kann – wind nachfolgend dargestellt.
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Zur weiteren Erklärung des Funktionsprinzips werden in 7 Simulationen gezeigt, die mit dem Programm LTSpice durchgeführt worden sind. Das Schaltbild ist in drei Bereiche (1) bis (3) aufgeteilt:
- (1) Prüfling mit Spannungsquelle, Innenimpedanz, Übertragungsleitung und Verbraucher, alles auf Nominalimpedanz bezogen,
- (2) Hochfrequenzprüfstift (dargestellt als verlustlose
- Übertragungsleitung mit Nominalimpedanz),
- (3) Testsystem (vereinfacht dargestellt als Last mit Nominalimpedanz).
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Nun wird eine Transientenanalyse bei f = 1 GHZ und UAC = 1 V durchgeführt. Bei LTSpice wird eine Spannung eingespeist, deswegen erfolgt die weitere Betrachtung mit Spannungswerten.
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Die maximale zur Verfügung stehende Spannung ist die halbe Quellenspannung
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Für eine Simulation nach 7 ergibt sich am HFS-Abgriff des Hochfrequenzprüfstiftes 10 sowie am Testsystem eine Peak-Spannung von 333 mV.
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(Rückrechnung: 20 dB·log .5 / .5 – .333 ≈ .9.54 dB; dies ist wieder die Rückflussdämpfung aus Gl. 4). Nun wird der Aufbau gemäß 8 verändert.
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Die Spannung am Testsystem ist nun auf 46 mV gesunken, die Spannung hat sich durch den hochohmigen Abgriff direkt an der Taststelle allerdings auf 477 mV erhöht, d. h. von 500 mV maximaler Spannung beträgt der Spannungssignalverlust an der Abgriffstelle nur noch 0.4 dB (–20 dB·log 500 / 477 = –0.4 dB). Zuvor waren es mit 333 mV anliegender Spannung noch 3.5 dB (–20 dB·log 500 / 333 = –3.5 dB).
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Durch den Eingriff wurde allerdings ein Dämpfungsglied mit dem Faktor 10 gebaut, da – wie beschrieben – die Spannung am Testsystem von max 500 mV nun auf 46 mV (also rund 50 mV) gesunken ist (= 20 dB Dämpfungsglied).
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Diese 20 dB sind unkritisch, solange das empfangene Signal nicht zu klein ist und das Testsystem durch Verstärkungsmaßnahmen noch den entsprechenden Pegel detektieren kann. Diese Art der Nachbearbeitung des Signals ist in jedem Falle besser als die Beeinflussung des Prüflings durch den Messaufbau, d. h., dass der Prüfling an sich durch den Messaufbau nun nicht mehr sehr beeinträchtigt wird.
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Der neu in den Innenleiter des Hochfrequenzprüfstifts 10 zu integrierende Widerstand ist so nahe wie möglich an der Tastspitze 15 zu installieren. De 10, 11 zeigen mit ihren Kurven V(hfs) und V(testsystem), dass bei Positionierung an der falschen Stelle – hier: Extremfall (am Ausgang des Hochfrequenzprüfstifts 10) – die Anpassung am Eingang wieder schlechter wird. Im gegebenen Fall würde sich zwar die Spannung am Testsystem auf rd. 60 mV erhöhen, zugleich die Spannung aber am Abgriff des Hochfrequenzprüfstiftes 10 auf nur noch rd. 379 mV sinken.
(Gleichung 1).
Gleichung 3).
