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Die Frequenzeinschwingzeit einer PLL ist ein wichtiger Spezifikationswert für viele HFSchaltungen. Es gibt verschiedene Verfahren, um sowohl die Amplituden- als auch die Frequenzeinschwingzeit einer PLL zu messen. Ein universeller Vektor-Signalanalysator ist hierfür gut geeignet, denn er ist in den meisten HF-Laboren schon vorhanden, beherrscht Grundfunktionen eines Spektrumanalysators und ist sehr flexibel.

Die Frequenzeinschwingzeit einer PLL ist ein wichtiger Spezifikationswert für viele HFSchaltungen. Es gibt verschiedene Verfahren, um sowohl die Amplituden- als auch die Frequenzeinschwingzeit einer PLL zu messen. Ein universeller Vektor-Signalanalysator ist hierfür gut geeignet, denn er ist in den meisten HF-Laboren schon vorhanden, beherrscht Grundfunktionen eines Spektrumanalysators und ist sehr flexibel.

Das im Folgenden beschriebene Verfahren hat Keithley im Zuge der Entwicklung eines HFSynthesizers erarbeitet. Um größere Ausgaben für einen High-End-Spektrumanalysator oder eine spezielle Testeinrichtung mit einem eingeschränkten Anwendungsbereich zu vermeiden, hat das Entwicklungsteam mehrere mögliche Lösungen untersucht. Nach einigen Überlegungen erkannte es, dass sich die Frequenzeinschwingzeit einer PLL (Phase Locked Loop) mit Hilfe eines abgestimmten Instruments mit schnellem Digitalisierer messen lässt. Eine Überprüfung der vorhandenen Geräte ergab, dass ein VSA (Vektor-Signalanalysator) über die entsprechenden Funktionen verfügte. Somit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich sowohl die Amplituden- als auch die Frequenzeinschwingzeit messen lässt.

Prinzipiell existieren drei Verfahren, um die Frequenz als eine Funktion der Zeit zu erfassen: Frequenzzähler messen die Zeitdauer zwischen dem Nulldurchgang, Diskriminatoren wandeln eine Frequenzänderung in eine Leistungsänderung um und VSAs können bei Signalen innerhalb ihrer Messbandbreite direkt die Frequenz über der Zeit messen. Bevor schnelle Digitalisierer verfügbar waren, erfolgte die Messung der Frequenz über die Zeit bevorzugt mit einem Instrument, welches den Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Signals ermittelt. Die meisten HF-Frequenzzähler nutzen dieses Verfahren, und komplexere Instrumente zeichnen diese Daten auch über die Zeit auf. Derartige Frequenz/Zeitinstrumente, so genannte Modulationsanalysatoren, sind inzwischen aber meist veraltet und wurden durch VSA-basierende Geräte ersetzt.

Die kostengünstigste Methode, die Frequenz über die Zeit zu messen, erfolgt mittels eines Bauteils mit einem nahezu linearen Frequenzgang, sodass die Frequenzänderung in eine Amplitudenänderung umgesetzt werden kann. Dies ist beispielsweise einfach über die Flanke eines Bandpass- oder Tiefpassfilters möglich. Die Leistung am Ausgang des Filters/Diskriminators wird dann entweder mit einem Spektrumanalysator oder einem Leistungssensor gemessen. Dieser Ansatz ist zwar kostengünstig, eine hohe Genauigkeit lässt sich aber nur schwierig erreichen, sodass sich Amplitudenänderungen im Signal nicht von Frequenzänderungen unterscheiden lassen. Damit ist es auch schwierig, feine Änderungen im Bereich von 10 Hz aufzulösen, die aber gerade für die Messung der PLL-Einschwingzeit interessant sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Signal schneller abzutasten oder ein Sampling-Oszilloskop zu verwenden. Allerdings bietet dieses Verfahren nicht den Dynamikbereich, der normalerweise für eine Messung bis zu 10 Hz herunter erforderlich ist. Der bevorzugte Ansatz moderner Lösungen ist der Einsatz eines VSAs. Dieses Instrument nutzt einen RF-Abwärtsmischer, gefolgt von einem schnellen Digitalisierer und einem anschließenden digitalen IQ-Detektor. Für diese Lösung reicht ein einfacher, standardmäßiger VSA, der mit einer externen Software zur Verarbeitung der Messdaten ergänzt wird. Komplexere Lösungen beinhalten einen Echtzeit-Spektrumanalysator und einen Signalquellenanalysator. Diese Instrumente verfügen über mehr Funktionen und erlauben unterschiedliche Messungen, allerdings zu merklich höheren Kosten. Werden diese Merkmale und Funktionen nicht für andere Anwendungen benötigt, dann sind diese Kosten für die grundlegende Messung des Einschwingvorgangs einer Synthesizerfrequenz schlichtweg zu hoch.

Vektor-Messtheorie

Vor die Aufgabe gestellt, eine Frequenz zu messen, würden viele Ingenieure eine Aufzeichnung über die Zeit vornehmen und diese mittels einer umfangreichen FFT auswerten, um eine feinere Auflösung im Frequenzbereich zu erhalten. Dies funktioniert bei einem modulierten Trägersignal mit einem umfangreichen Frequenzspektrum recht gut, kann aber bei der Messung des Frequenzverlaufs eines unmodulierten Trägers zu Frustration führen. Für einen unmodulierten Träger besteht die Hauptaufgabe in der Messung der dominierenden Frequenz in einem bestimmten Augenblick. In diesem Fall liefert die FFTBerechnung viele unnötige Informationen und erfordert Kompromisse hinsichtlich der Zeitauflösung, da eine längere FFT eine bessere Frequenzauflösung liefert.

Dies war auch bei der Entwicklung des HF-Synthesizers bei Keithley der Fall, bei dem eine PLL die Trägerfrequenzen generiert. Daher besannen sich die Entwicklungsingenieure der grundlegenden Definition der Frequenz – die Änderungsgeschwindigkeit der Phase. Dies bedeutet, dass sich die Frequenz abschätzen lässt, sobald eine Phasenmessung möglich ist. Nur der Störpegel während der Messung schränkt die Auflösung dieser Frequenzabschätzung ein. Allerdings ist dabei etwas Vorsicht geboten: Die aus der Phase abgeleitete Frequenzabschätzung kann nur dann als Trägerfrequenz interpretiert werden, wenn nur ein einziger Träger vorhanden ist und keine Modulation eines anderen Signals als das des Trägers stattfindet. Andere Signalanteile innerhalb der Messbandbreite führen zu großen Abweichungen der zu messenden Phase. Im Fall einer PLL, wenn die Abstimmung des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) zu messen ist, ist die Annahme eines einzigen Trägers in der Regel korrekt. Solange der VCO nicht in unerwünschte Schwingungen ausbricht, ergibt die Ableitung der Phase die gewünschte Frequenzabschätzung.

Messdaten aus der Praxis

In diesem Beispiel wurde ein HF-Synthesizer auf die beiden Frequenzen 1142 MHz und 998 MHz programmiert. Ein VSA »Model 2810« von Keithley maß die Einschwingzeit. Das Messgerät wurde im Zero-Span-Mode auf 998 MHz eingestellt und ein 35-MHz-Flat-Top-Filter verwendet. Die Durchlaufzeit lag bei 300 µs. Der Synthesizer triggerte den VSA (mit einer Triggerverzögerung von 170 µs) zu einem Zeitpunkt, als der VCO mit der Abstimmung von 1142 MHz nach 998 MHz begann. In Bild 2 ist erkennbar, dass das Signal innerhalb der Messbandbreite etwa 33 µs nach Beginn der Abstimmung durch den VCO kommt. Die VCOFrequenz schießt um etwa 8 MHz über das Ziel von 998 MHz hinaus, aber die PLL fängt die Frequenz bis zum Lock-on ungefähr 220 µs nach dem Start der Abstimmung. Die VCO-Amplitude (Bild 3) beendet den Einschwingvorgang viel früher, nach ungefähr 70 µs. Die Daten wurden mittels des SCPI-Befehls »MEAS:IQ?« erfasst, welcher die Daten sammelt und in einem binären Format zum Steuerrechner überträgt. Bei der Berechnung des Frequenzverlaufs nutzte die Software für die Nachbearbeitung eine Apertur von 900 ns.