Dynamisches Neureferenzieren – Messungen im Mikrovoltbereich mit den R&S®RTO Oszilloskopen

Ihre Anforderung

Die Anforderung besteht darin, exakte und wiederholbare Langzeitmessungen an Kleinsignalen durchzuführen, die mit einem Gleichspannungsoffset oder einer Drift und niederfrequenten Störkomponenten behaftet sind.

Beispiele

• Kleinsignaländerungen, die auf großen Signalen "mitfahren"
• Exakte Niedrigpegelmessungen mit minimaler Mittelwertbildung und niedrigem Messkurve-Messkurve-Rauschen
• Wiederholbare Messungen mit sehr hoher Auflösung bei großen vertikalen Skalierungseinstellungen, um Signale mit großer Messdynamik unterzubringen
• Langzeitmessungen mit durchgängiger Bildschirmanordnung für einfachere visuelle Analyse
• Maskentest bei sehr kleinen Signalamplituden, die eine verlässliche und durchgängige Messkurvenanordnung erfordern
• Verwendung einer kurzen Mittelungszeit für Messungen mit niederfrequentem Rauschen und Drift/Offset
• Exakte Effektivwertmessungen bei Signalen mit niedrigem Pegel
• Signaländerungen, die auf einen veränderlichen Impulsboden zurückzuführen sind

Hintergrund

Moderne Oszilloskope bieten bekannte Werkzeuge, die einen dabei unterstützen, die Effekte von hochfrequentem Rauschen zu reduzieren. Dazu zählen die Begrenzung der analogen Bandbreite, Digitalfilterung, Dezimation und Mittelung von Messkurven.

Im Gegensatz dazu sind die Methoden, um mit niederfrequentem Rauschen (thermisch, Flicker, 1/f) und Drift umzugehen, begrenzt.

Im Allgemeinen handelt es sich beim Offset um einen festen Wert für einen bestimmten Sensor/Tastkopf/Oszilloskopkanal, der einfach auf einen Wert eingestellt oder mit einem Wert kompensiert werden kann, der in einer Mathematikkanalgleichung (z. B. Neuskalierung) verwendet wird, mit automatischem Nullabgleich oder einer Offset-Einstellung für einen Tastkopf. In einigen Fällen kann der Offset-Wert für den Offset oder den automatischen Nullabgleichsfunktionen zu gering sein, um die Offset-Spannung vollständig auszugleichen. Darüber hinaus unterliegt der Offset der Drift und wird üblicherweise durch Änderungen von Verstärkungs- oder Dämpfungseinstellungen beeinflusst.

Die Drift ist ein Phänomen, dem schwer beizukommen ist; unter ihr versteht man jede Änderung von Nullpunkt oder Verstärkung, die sich über einen Zeitraum ereignet, der wesentlich länger als der Abtast- oder Messzeitraum ist. Die Drift kann sowohl stochastische als auch deterministische Komponenten besitzen, die durch Faktoren wie Luftfeuchte, Vibration, Bauteilalterung, Schwankungen bei der Stromversorgung (die ihrerseits diesen Faktoren unterliegen), 1/f-Rauschen, Strahlung, Änderungen der magnetischen Eigenschaften etc. verursacht werden.

Beispiel

• Ein Sensorsystem hat eine positive, thermisch induzierte Nullpunkt-Drift von 5 % der gemessenen Signalamplitude über einen Zeitraum von 20 Minuten und ein 1/f-Rauschen, das deutlich unterhalb 1 Hz auftritt
• Beträgt der Erfassungszeitraum eine Sekunde, liefert die Mittelung von 60 Messkurven einminütige Mittelwerte; während dieses Zeitraums beträgt die Drift 0,25 %
• Für jeden gemittelten Zeitraum wird die Hälfte der Drift von 0,25 % pro Minute eliminiert. Falls die Drift kontinuierlich ist, reduziert die Mittelwertbildung den driftinduzierten Offset nur um 0,125 % des Bereichsendwerts, nur um ein 1/40 des gesamten driftinduzierten Offsets nach 20 Minuten
• Das 1/f-Rauschen wird reduziert, kann aber nicht eliminiert werden, da das 1/f-Rauschen keinen unteren Frequenzgrenzwert besitzt

Nachdem dieses Sensorsystem sein thermisches Gleichgewicht erreicht hat, wird die Mittelwertbildung keinen Einfluss mehr auf den Betrag des Offsets im Nullpunkt haben. Die Mittelwertbildung kann nur die Drift oder das Rauschen korrigieren, das innerhalb eines Zeitraums auftritt, der kürzer als der Mittelungszeitraum ist.

Messtechnische Lösung: dynamische Neureferenzierung mit dem R&S®RTO Oszilloskop

Um Signale mit Mikrovoltpegel zu erfassen, kann der Benutzer die Vorteile des R&S^®RTO nutzen, wie beispielsweise:

• rauscharme Eingangsstufe
• HD-Modus, stellt bis zu 16-bit Auflösung bei 50 MHz zur Verfügung, bei gleichzeitiger Ein-Punkt-Steuerung von Bandbreite und Auflösung
• Exakte, digitale Triggerung von Signalen mit einer Teilung von bis zu 0,02 der Amplitude
• Triggerung auf serielle und parallele Datenbusse, um die Messung und Beurteilung von "intelligenten" Systemkomponenten zu ermöglichen
• Exzellente Linearität aufgrund der Leistungsfähigkeit der Eingangsstufe und dem Single-Core-Analog-/Digitalwandler mit einer effektiven Anzahl der Bits > 7 bit bei 1 GHz Bandbreite
• Leistungsfähige Mathematikkanäle mit folgenden Eigenschaften:
  • Möglichkeit zur Verwendung von Messergebnissen in Mathematikkanaldefinitionen
  • Mittelung von Messkurven (im Fließkommaformat)
  • Flexible digitale Filterung mit FIR und gleitendem Mittelwert

Das Prinzip

Die Mittelwertmessung über ein Gate wird in einem Abschnitt der Erfassung ausgeführt, der während jeder Erfassung stabil ist; der sich ergebende Wert wird von der Messkurve abgezogen.

Die Messkurve des Mathematikkanals wird dann an den Referenzpegel angebunden. Dieser Vorgang entfernt effektiv Rauschen bei Frequenzen unterhalb des Erfassungszeitraums, einschließlich Drift und Offset.

Wenn die gewählte Referenz 0 V beträgt, wird der Mathematikkanal neu auf "Masse" referenziert. Ist der Referenzpegel bekannt und liegt nicht bei 0 V, wird die gemessene Spannung des Referenzpegels einfach auf die Mathematikkanaldefinition als Konstante addiert.

Einstellen des R&S^®RTO für das Neureferenzieren

Triggerung

Wenn das gemessene Signal Pegeländerungen größer als eine 0,02-Teilung besitzt, kann das R&S^®RTO einen stabilen Trigger liefern.

Falls das Signal Amplitudenteilungen kleiner als 0,02 aufweist oder erheblich driftet, ist es allgemein möglich, eine andere Trigger-Quelle zu finden, die synchron mit dem relevanten Signal ist, beispielsweise:

• Eine Änderung der Versorgungsspannung
• Eine Änderungen des Signalstatus von einer Enable- oder einer anderen Steuerleitung
• Ein Befehlssignal, das auf das Messobjekt über einen seriellen Bus angelegt wird, beispielsweise I2C oder eine der vielen anderen Schnittstellen, die man als Trigger-Quellen im R&S^®RTO verwenden kann

Aufbau einer Referenzmessung

Üblicherweise wird eine Mittelwertmessung dazu verwendet, das Rauschen, das im abgetasteten Signal vorhanden sein kann, zu filtern. Ein Gate wird verwendet, um einen stabilen Teil der Messkurve als Referenz auszuwählen.

Der Messaufbau erfordert, dass zuerst der Quellkanal der Messung, die Art der Messung und letztendlich der Gate-Zeitbereich eingestellt wird. (Hinweis: Der Quellkanal muss aktiv sein und das Statuskästchen muss angekreuzt sein, damit man die Gate-Auswahl auf dem Bildschirm sehen kann.)

Die Gate-Start- und Stoppzeiten werden so eingestellt, dass sie mit dem gewünschten Referenzteil der Messkurve übereinstimmen. Im unten gezeigten Beispiel entspricht der Null-Volt-Abschnitt der Trigger-Messkurve (Ch3Wfm1, in grün) dem Null-Strom-Anteil der Messkurve (Ch1Wfm1, in gelb). Demzufolge ist es leicht zu sehen, an welcher Position das Gate platziert werden muss.

Einrichten des Mathematikkanals

Nachdem die Messung definiert ist, kann man sie in einer Mathematikkanalformel verwenden. Wenn der stabile Teil des Signals Null ist oder als Impulsboden verwendet werden soll, lautet die Mathematikkanalformel (bei Kanälen und Messungen wie oben) wie folgt:

Ch1Wfm1 – Meas1

Wenn die Nichtnull-Referenz als Wert bekannt ist, z. B. gemessen als 3,65 V, würde die Formel lauten:

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3,65 V

Es empfiehlt sich, im Setup-Reiter des Mathematikkanals die vertikale Skalierung auf manuell zu setzen (Vertical scale > Manual).

Der Benutzer kann auch zusätzliche Signalverarbeitungsoptionen mit der Mode-Schaltfläche/Dropdown-Menü wählen: Envelope/Average/RMS

Ein Beispiel

Das folgende ist ein gutes Beispiel für die Neureferenzierung, mit einem effektiven Zoom-Faktor von 500 im Mathematikkanal und einer Amplitude eines gemessenen Signalpegels, die 1/500 einer Teilung entspricht.

Die zu messende Kurve wiederholt sich, ein 256 Hz Signal mit einer 200 μV Pegeländerung, das sich über ein 80 mV-Signal mit zwei 40 mV Schritten (rote Messkurve unten) lagert. Dies zeigt die große Messdynamik, die mit dem R&S^®RTO möglich ist, ein Signal zu messen, das nur 0,02 % des 1 V-Bereichsendwerts entspricht.

Der HD-Modus wird mit einer Bandbreite von 20 kHz eingesetzt. Der Mathematikkanal ist auf 20-fache Mittelung eingestellt.

Am Oszilloskopschirm (10 s-Einstellung für die Nachleuchtdauer) ist das 200 μV-Signal deutlich sichtbar, mit einem Offset, der 400 Teilungen entspricht. Das Nachleuchten zeigt die Messbeständigkeit des Signals, und die Messstatistik bestätigt die Standardabweichung des Signals von 44 μV (ca. 0,004 % des Bereichsendwerts, > 14 bit).

Fazit

Die dynamische Neureferenzierung vergrößert den Einsatzbereich der breiten Messdynamik, die durch das R&S®RTO zur Verfügung steht. Es gestattet höhere Präzision, einfachere Bedienung und reduziert Fehler bei Langzeitmessungen.