Richtig kalibrieren Sind Ihre Messungen genau genug?

Messwerte für Phasenrauschen, Amplitude und Intermodulationsverzerrungen dritter Ordnung.
Messwerte für Phasenrauschen, Amplitude und Intermodulationsverzerrungen dritter Ordnung.

Müssen Sie sich bei Ihrer Arbeit auf Ihre Messwerte für Phasenrauschen, Amplitude und Intermodulationsverzerrungen dritter Ordnung verlassen können? Die Genauigkeit dieser und anderer entscheidender Messungen ist vielleicht nicht so gut wie erwartet und sie hängt von der Kalibrierung Ihrer Messgeräte ab.

Wenn Sie Ihre Messgeräte blauäugig einfach irgendwo kalibrieren lassen, könnte ein Messgerät, das außerhalb seiner Spezifikation betrieben wird, Ihre sorgfältig aufgestellte Fehlerrechnung über den Haufen werfen. Das klingt schlimm – und ist es auch. Bedauerlicherweise ist die Wichtigkeit der korrekten Kalibrierung von Messgeräten im Studium der Elektrotechnik allenfalls eine Randnotiz. Die Genauigkeit wichtiger Messungen hängt entscheidend von der Kalibrierung der Messgeräte ab.

Die Messung des Phasenrauschens

Zur korrekten Messung des Phasenrauschens braucht man nach aktuellem Standard ein spezielles Rauschmessgerät. Für Quellen mit wirklich geringem Rauschen ist das die einzig gangbare Methode, aber sie kostet Zeit und bedarf erheblicher Fachkenntnisse. Erfreulicherweise weisen die Lokaloszillatoren in modernen Spektrumanalysatoren oftmals ein so geringes Phasenrauschen auf, dass man mit ihnen das Phasenrauschen einer Signalquelle direkt messen kann. Bild 1 zeigt die Verbesserung des Eigenphasenrauschens bei Signalanalysatoren, die in den letzten Jahren neu auf den Markt gekommen sind.

Wohlgemerkt: Das Phasenrauschen jedes dieser Geräte wird bei seiner Herstellung sorgfältig überprüft. (Tabelle 1 zeigt die Spezifikation des Phasenrauschens des Signalanalysators Keysight E4440A.) Man könnte aus dieser Aussage heraushören: „Das Eigenphasenrauschen ist ein festes Design-Merkmal und braucht im Rahmen der regelmäßigen Kalibrierung nicht geprüft zu werden.“

 OffsetSpezifikation Typisch

100 Hz

 

–91 dBc/Hz

 

–96 dBc/Hz

1 kHz 

–103 dBc/Hz

 

–108 dBc/Hz

10 kHz

–116 dBc/Hz

 

–118 dBc/Hz

 

30 kHz

–116 dBc/Hz

 

–118 dBc/Hz

 

100 kHz

–122 dBc/Hz

 

–124 dBc/Hz

 

 

–124 dBc/Hz

Tabelle 1. Spezifikation und typische Werte des Phasenrauschens des Signalanalysators E4440A PSA

Sicherlich sind moderne Messgeräte auf Langzeitstabilität hin konzipiert. Und ja: Messgeräte mit Synthesizer-Lokaloszillatoren, die an eine externe Frequenzreferenz von 10 MHz angeschlossen sind, braucht man nicht auf Frequenzgenauigkeit zu überprüfen. Etliche andere Leistungsmerkmale aber – beispielsweise das Phasenrauschen – mögen durchaus jahrelang stabil bleiben, können sich dann aber plötzlich ohne Vorwarnung verschlechtern, ohne dass der Anwender das merkt. Dabei entspricht dies quasi einer „Herzinsuffizienz“ des Messgeräts.

Bild 2 zeigt Messwerte einer Reihe von Signalanalysatoren E4440A PSA, gemessen bei 100 Hz Offset. Die Messwerte stammen von einer Kalibrierstation für Signalanalysatoren im Keysight-Servicezentrum Roseville in Kalifornien. Jeder Messpunkt steht für ein Kundengerät. Jeder Messwert wird natürlich auch vom Referenzoszillator und vom Empfänger beeinflusst. In der Graphik fällt eine plötzliche Verschlechterung der Messergebnisse um etwa 11 dB im Januar 2015 auf. Sie könnte darauf zurückzuführen sein, dass entweder viele Kundengeräte plötzlich stärker rauschen (außerhalb der historischen statistischen Grenzen des Verfahrens) oder dass irgendetwas mit der Referenz passiert ist. Das Servicezentrum verfügt über mehrere Kalibrierstationen, also hat man Messreihen mit unterschiedlichen Referenzsignalquellen durchgeführt und auch das gleiche Kundengerät in verschiedenen Kalibrierstationen durchgemessen. Damit konnte man feststellen, dass die Frequenzreferenz der genannten Kalibrierstation Ursache der Verschlechterung war. Also hat man sie ersetzt. Danach ergaben sich wieder Messwerte im Rahmen der historischen Grenzen[1]. Der betreffende Signalgenerator war in einem Rack montiert, er wurde vor der Verschlechterung nicht bewegt oder sonst wie verändert.

Als dieser Artikel geschrieben wurde, war noch nicht klar, was die plötzliche Verschlechterung ausgelöst hat. Angenommen, der Signalgenerator in diesem Beispiel hätte in einem Ihrer Testsysteme gesteckt. Welche Folgen für die Ausbeute hätte ein Verlust von mehr als 11 dB Reserve in einem Endkontrolltest gehabt? Welche Folgen hätte ein solcher Verlust in einem Testsystem gehabt, das ein neues Produkt am Übergang von der Entwicklung zur Produktion prüft? Man muss also auch scheinbar stabile Parameter eines Messgeräts regelmäßig prüfen, genauso wie ein Arzt Blutdruck und Cholesterinwerte anscheinend gesunder Patienten überwacht. Eine sorgfältige regelmäßige Kalibrierung aller wesentlichen Spezifikationswerte, auf die man baut, ist entscheidend dafür, dass wesentliche Messwerte tatsächlich so genau sind wie bei der Fehlerrechnung angenommen.

Verschiedene Kalibrierlabore setzen ihre Laborstandards unterschiedlich konsequent um. Angenommen, Sie sind auf die Spezifikation Ihres neuen Signalanalysators Keysight N9040A UXA von –136 dBc/Hz (bei 10 kHz Offset) angewiesen. Damit Sie sicher sein können, dass die Leistungsfähigkeit Ihres High-End-Messgeräts genau verifiziert wurde, sollten Sie auf einem Kalibrierprotokoll bestehen, in dem sowohl die verwendeten Messgeräte als auch die Messergebnisse aufgeführt sind. Jedes reputierliche Kalibrierlabor sollte diese Anforderung selbstverständlich erfüllen können. Im Kasten finden Sie einen Auszug aus der Hilfedatei des N9040A UXA, in dem steht, welche Ausrüstung für die Kalibrierung erforderlich ist. Es liegt nahe, dass Hochleistungs-Mikrowellenmessgeräte nur dann ordentlich kalibriert werden können, wenn das beauftragte Kalibrierlabor nach entsprechend hohen Laborstandards arbeitet. Wenn man auf die Einhaltung von High-End-Spezifikationen angewiesen ist, sollte man stets prüfen, ob die zur Kalibrierung solcher Messgeräte eingesetzte Ausrüstung dieser Aufgabe gewachsen ist. Das muss der Anwender natürlich nicht eigenhändig tun, aber er muss das beauftragte Kalibrierlabor gezielt danach fragen.

Kasten: Messung des Phasenrauschens

Auszug aus der Hilfedatei der Signalanalysatoren der Keysight X-Serie: Diese Messung verifiziert die Spezifikation des Rauschseitenbands des Analysators. Ist das Testobjekt ein PXA N9030A, ein UXA N9040B oder eine neuere Version des MXA N9020A (mit Option EP2), muss eine extrem rauscharme Signalquelle von Wenzel zur Messung des Phasenrauschens verwendet werden, weil nur sie den Anforderungen dieser Messung genügt. Bei älteren MXA N9020A, bei EXA N9010A und bei CXA N9000A kann eine Wenzel-Signalquelle oder ein Signalgenerator E8257D PSG verwendet werden.

 
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