DC-Spannungsquellen validieren (Teil 2) Rauschen messen mit Oszilloskopen

Die Diskussion der Herausforderungen bei der Charakterisierung und Analyse von DC-Spannungsquellen wird fortgesetzt.

Die Anforderungen an Spannungsquellen steigen stetig, denn immer mehr Geräte ar­beiten mit störspannungsanfälligen Mikrocontrollern. Teil 1 dieses Artikels (Heft 13/2016) diskutierte Grundlagen zur Validierung von Spannungsquellen, insbeson­dere die Abstimmung der Eingangs­empfindlichkeit und den richtigen Umgang mit den FFT-Funktionen. Die daraus resultierenden Tipps zur Verbesserung der Rauschanalyse werden nun vertieft.

Messpfad des geringsten Eigenrauschens wählen!

Zur Erfassung der Störspannung auf einer Leitung der Versorgungsspannung muss das Signal vom Oszilloskop-Eigenrauschen unterscheidbar sein. Das macht einen Messaufbau mit geringem Eigenrauschen notwendig. Das Eigenrauschen fällt am 50-Ω-Eingang üblicherweise geringer aus, als am hochohmigen 1-MΩ-Eingang. Zur Kalibrierung ist eine Nullmessung mit dem vollständigen Messsystem einschließlich der Tastköpfe sinnvoll: Der Eingang wird mit zur Messung identischen Voreinstellungen gegen Erde geschaltet. Der so angezeigte Rauschpegel entscheidet über die Eignung des Systems zur Störspannungsmessung.

Bandbreite begrenzen!

Das Eigenrauschen von Oszilloskop und Tastkopf ist frequenzabhängig. Die Verringerung der Bandbreite auf den notwendigen Messbereich reduziert den Rauschanteil des Messaufbaus am Messwert. Beim Oszilloskop Keysight MSOS804A (8 GHz Band­breite, 10-bit-A/D-Wandler, 20 GS/s) mit Spannungstastkopf N7020A (2 GHz Band­breite, Teilerverhältnis 1:1) ergibt die Nullmessung mit 2 GHz Bandbreite 1040 µV Eigenrauschen. Mit nur 20 MHz Bandbreite beträgt das Eigenrauschen unter gleichen Bedin­gun­gen lediglich 460 µV.

Tastkopf-Teilerverhältnis minimieren!

Die Teilerverhältnisse bei Oszilloskop-Tastköpfen sind vielfältig. Ein üblicher Wert beim passiven Teilertastkopf ist 1:10. Dies dämpft Spannungssignale in den zulässigen Eingangsbereich des Oszilloskops. Allerdings verstärken Teilertastköpfe das Oszilloskop-Eigenrauschen scheinbar um eben dieses Teilerverhältnis. Bei 50 mVSS 20-MHz-Eingangssinussignal zeigt das Oszilloskop mit 1:10-Tastkopf 65 mVSS, mit 1:1-Tastkopf lediglich 52 mVSS. Die 25 Prozent Abweichung resultiert aus dem durch das höhere Teilerverhältnis verringerten Signal/Rausch-Abstand. Deshalb eignen sich Tastköpfe mit kleinerem Teilerverhältnis besser zur Rauschsignalanalyse.