DC-Spannungsquellen validieren (Teil 2)
Rauschen messen mit Oszilloskopen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
DC-Offset vergrößert den Dynamikbereich!
Aktive Tastköpfe erlauben einen externen Spannungsoffset. Damit lassen sich Gleichspannungskomponenten außerhalb des Oszilloskopmessbereichs kompensieren. Auf diese Weise werden, z. B. in der Leistungselektronik, kleine Wechselspannungssignale auf hohem Potential gemessen. Bild 1 zeigt den Effekt eines passend gewählten Spannungsoffsets auf eine Rauschsignalmessung. Der externe Offset verringert das Teilerverhältnis am Oszilloskop. Allerdings haben viele aktive Tastköpfe mit Spannungsoffset hohe Teilerverhältnisse, die das Oszilloskop-Eigenrauschen verstärken.
Grenzen der DC-Sperre beachten!
Eine Gleichspannungssperre ist ein in Serie mit dem Eingang des Oszilloskops geschaltener Kondensator großer Kapazität. Der Verschiebungsstrom im Kondensator eliminiert die Gleichspannungskomponente im Eingangssignal. Damit kann das Oszilloskop in einem empfindlicheren Spannungsmessbereich betrieben werden. Doch mit der DC-Sperre sind aus Laständerung resultierende Drift- und Spannungsschwankungen nicht mehr auf dem Bildschirm zu erkennen (Bild 2).
Bei aktiver Gleichspannungssperre sollte die DC-Komponente mit einer zusätzlichen Messung erfasst werden.
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Keine Zusatzlast durch Tastkopf und Oszilloskop!
Der Tastkopf sollte den Messpunkt möglichst gering belasten. Bei der Messung an Spannungsquellen ist das 50-Ω-Koaxialkabel zwischen Messpunkt und Oszilloskop stets die Hauptlast des Messpunkts. Der niederohmige Eingang hat zwar das geringere Eigenrauschen, belastet die Spannungsquelle aber mit 20 mA pro Volt.
Eine 3,3-V-Versorgungsleitung wird also bereits mit 66 mA durch den 50-Ω-Eingang belastet.
Sinnvoller ist ein spezieller Tastkopf: Der Spannungstastkopf N7020A mit 50-kΩ-Eingangswiderstand misst obige DC-Spannung zu 3,31 V. Die Messung über ein Koaxialkabel am 50-Ω-Eingang ergibt hingegen 3,25 V.
Störsignale im Frequenzraum analysieren!
Zur Frequenzanalyse von Störsignalen eignet sich die Oszilloskop-FFT-Funktion. Sie erleichtert die Identifikation der Störursachen bei einer Spannungsquelle. Im Folgenden wird ein Gleichspannungswandler (5 V zu 3,3 V) mit 2,8-MHz-Schaltfrequenz vermessen. Die Leiterplatte der Stromversorgung trägt zusätzlich 10-MHz- und 125-MHz-Taktsignale. Der 1:1-Spannungstastkopf Keysight N7020A, 3,3 V Spannungsoffset und 500 MHz Bandbreitenbegrenzung, misst den Störpegel auf der 3,3-V-Versorgungsspannungsleitung.
Zur Messung dient ein Oszilloskop der S-Serie von Keysight. Bild 3 zeigt das Ergebnis im Zeitbereich. Ein periodisches 360 ns Signal ist sichtbar: Dies sind Reste der Schaltfrequenz. Im Zeitbereich bleibt die Auswirkung
der 10-MHz- und 125-MHz-Taktsignale auf die Ausgangsspannung allerdings verborgen. Bild 4 zeigt dieselbe Messung im Frequenzbereich. Die Ergebnisse der FFT sind in zwei Fenstern mit unterschiedlichen Frequenzbereichen dargestellt. Sie zeigen eine deutliche Spitze bei 2,8 MHz (Schaltfrequenz des Wandlers) und zwei weitere Spitzen bei 10 MHz und 125 MHz (die Einkopplungen der beiden Taktsignale).
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