PC-Messtechnik Impulsförmige Signale präzise messen

In immer mehr Produkten kommen heute impulsförmige Signale zum Einsatz. Sie korrekt zu messen, ist eine Herausforderung: schnelle A/D-Wandler sind dabei eine unabding-bare Voraussetzung.

Impulsförmige High-speed-Signale findet man beispielsweise in sehr energieeffizienten ICs, Schaltnetzteilen und Wechselrichtern, aber auch in LED-Modulen. Sie präzise zu messen, ist ein Muss für den Schaltungs- und Systementwickler. Und bei fertigen Produkten muss der Entwickler diese Signale ebenfalls exakt erfassen können, denn hier sind im Sinne der Qualitätssicherung Tests unter genau den in der Praxis auftretenden Impulsbedingungen nötig.

Testinstrumente, die nur über eine DC-Quelle verfügen, sind nicht geeignet, sie entsprechen nicht den Praxisbedingungen und könnten auch an die Bauteile evtl. zu viel Dauerleistung abgeben, so dass sich durch eine zu hohe Wärmeentwicklung die Bauteilcharakteristik verändert. Also auch hier: Impulsförmige Stimulus-Signale sind nötig, deren Erfassung erfordert allerdings eine „schnelle Messtechnik“.  

Sehr schnelle und integrierende A/D-Wandler

Konventionelle Präzisions-SMUs (Source-Measure Units) verwenden integrierende A/D-Wandler (ADC, Analog-Digital Converter), die einen Mittelwert des Signals über eine gewisse Zeit bilden. Dieses Zeitintervall wird auch als Integrationszeit bezeichnet.

Bild 1 skizziert vereinfacht einen integrierenden A/D-Wandler in Dual-Slope-Technik. Hierbei wird zunächst ein Kondensator vom Eingangssignal aufgeladen, danach von einer Referenzspannung wieder entladen. Das Verhältnis von Lade- und Entladezeit entspricht dabei dem Verhältnis von unbekannter Spannung und Referenzspannung.

Obwohl diese ADC-Technologie eine hohe Genauigkeit und ausgezeichnete Störungsimmunität bietet, ergeben sich durch die Lade- und Entlade-Zyklen lange Wartezeiten zwischen den Messungen (mindestens 50 μs), wodurch sich der Messprozess deutlich verlangsamen kann.

Im Gegensatz dazu ermöglichen sehr schnelle ADCs eine Signalabtastung mit Burstraten bis zu 1 MHz (Bis zu 5000 Messwerte lassen sich mit der maximalen Erfassungsrate aufzeichnen). Gegenüber integrierenden ADCs nutzen diese sehr schnellen ADCs ein Abtastverfahren wie bei einem Oszilloskop, wobei Momentaufnahmen des Signals über die Zeit genommen werden. Sie bieten eine höhere Auflösung als ein Oszilloskop (18 bit anstatt 8 bit), was eine genauere Charakterisierung von kurzzeitigen Ereignissen bei vergleichbarer Bandbreite erlaubt.

In Bild 2 ist der Unterschied zwischen den Ergebnissen eines integrierenden und eines sehr schnellen ADC dargestellt. Da ein sehr schneller ADC mehr Messwerte innerhalb kurzer Zeit liefert, sind Genauigkeit und Wiederholbarkeit geringer als bei einem integrierenden ADC.

Für Anwendungen, die einen höheren Durchsatz erfordern, lässt sich diese geringere Genauigkeit tolerieren oder im Bedarfsfall durch eine Mittelwertbildung mehrerer Messwerte verbessern. Normalerweise erreichen die mit einem integrierenden ADC und einer Integrationsrate von 0,01 PLC (Power Line Cycle, Zeitabstand zwischen Erfassungen, 1 PLC entspricht 20 ms bei 50 Hz Netzfrequenz. 0,01 PLC sind also 1/100 von 20 ms) oder weniger ausgeführten Messungen in etwa die gleiche Genauigkeit wie bei einem sehr schnellen ADC.

Neuere SMUs enthalten zwei sehr schnelle ADCs und können dadurch Spannung und Strom gleichzeitig messen. Werden sehr schnelle ADCs mit einem Trigger-Modell kombiniert, lassen sich Messungen an impulsförmigen Signalen mit einem sehr genauen Timing ausführen. Das Modell 2651A von Keithley erlaubt beispielsweise eine Triggerung von Messungen asynchron zur Quellenfunktion, also vor, während oder nach einem Impuls.