Analyse passiver, niederfrequenter Bauteile

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1 Analyse passiver, niederfrequenter Bauteile Mit einem Oszilloskop von Rohde & Schwarz Lösung von Rohde & Schwarz Analysieren Sie schnell und einfach das niederfrequente Antwortverhalten an Ihrem Oszilloskop mit der Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (Bode-Plot). Charakterisieren Sie den Frequenzgang unterschiedlichster Elektronikkomponenten einschließlich passiver Filter und Verstärkerschaltungen. Die Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (Bode-Plot) nutzt den im Oszilloskop integrierten Waveform Generator, um Anregungen im Bereich von 10 Hz bis 25 MHz zu erzeugen. Während das Verhältnis von Anregung und Ausgangssignal des Messobjekts bei jeder Testfrequenz gemessen wird, stellt das Oszilloskop Verstärkung und Phase logarithmisch dar. Messaufbau Der Frequenzgang von HF-Netzen ist definiert als das Verhältnis zwischen Ausgangssignal (genannt B-Signal) und eingespeistem Signal (genannt A-Signal). Für die Messung des Frequenzgangs eines Netzes ist eine Quelle erforderlich, die Signale über gewisse Frequenzen erzeugt. Die Amplitude und Phase des Eingangssignals sowie der Ausgang des Messobjekts müssen für die Berechnung gemessen werden. Ihre Anforderung Vektornetzwerkanalysatoren eignen sich ideal für die Analyse passiver oder aktiver Bauteile wie Filter, Verstärker, Mischer und Mehrtor-Module. Dennoch benötigen Entwickler niederfrequenter Bauteile niedrigere Startfrequenzen bisweilen sind es minimal sogar nur einige Hertz. Herkömmliche Netzwerkanalysatoren weisen Startfrequenzen im khz-bereich auf. Messaufbau-Verbindungen Generator CH 1 Messobjekt Vout Application Card Version Vin CH 2 Analyse_passiver_ac_de_ _v0100.indd :36:11

2 Verwenden Sie die Bode-Plot-Applikation, um Ihr Oszilloskop von Rohde & Schwarz in einen Frequenzgang-Analysator zu wandeln. Gerätekonfiguration Nach dem Anschluss des Oszilloskopgenerators, eines Oszilloskopkanals am Eingang des Prüflings und eines weiteren Oszilloskopkanals am Ausgang des Prüflings startet die Messung: Setzen Sie die Start- und Stoppfrequenz zwischen 10 Hz und 25 MHz und legen Sie den Ausgangspegel des Generators fest. Wählen Sie die Punkte pro Dekade, um die Auflösung Ihrer Erfassung zu verbessern und zu modifizieren. Das Oszilloskop unterstützt bis zu 500 Punkte pro Dekade. Für die Analyse von Phasen- und Amplituden verschiebung digitaler Filter können Sie mit der Option R&S RTx-K36 eine zusätzliche Hold-off-Zeit vor jeder Dekadenstufe setzen. Drücken Sie auf Run, um Ihre Messung zu starten. Die Messergebnisse werden als Verstärkung/Phase in Abhängigkeit von der Frequenz ausgegeben. Setzen Sie Ihre Marker auf die relevanten Punkte. Ziehen Sie Marker auf die gewünschten Positionen direkt auf der dargestellten Messkurve. Eine Legende zeigt die Koordinaten der Marker. Um die Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters zu bestimmen, aktivieren Sie zwei Marker. Die Grenzfrequenz ist definiert als die Frequenz, bei der der Ausgang einer Schaltung 3 db unterhalb des Nennwerts vom Durchlassbereich liegt. Fazit Ingenieure nutzen Oszilloskope als bevorzugtes Messwerkzeug. Statten Sie Ihre Oszilloskope mit der Option Bode-Plot aus, um den Frequenzgang passiver Bauteile zu bestimmen. Die Option R&S RTx-K36 FrequenzgangAnalyse (Bode-Plot) für die R&S RTB2000, R&S RTM3000 und R&S RTA4000 Oszilloskope sind eine preisgünstige Alternative zu niederfrequenten Netzwerkanalysatoren oder dedizierten, eigenständigen Frequenzanalysatoren. Mit ihrem 10-bit-A/D-Wandler, geringem Rauschen und einem 25-MHz-Generator eignen sich die R&S RTB2000, R&S RTM3000 und R&S RTA4000 Oszilloskope ideal für die Anforderungen in Bezug auf den hohen Dynamikbereich dieser Messaufgabe. Messergebnisse Die in den Bode-Plots dargestellten Messkurven von Verstärkung und Phase repräsentieren die Übertragungsfunktion des Messobjekts. Die Verstärkung zeigt den Amplitudenfrequenzgang im Frequenzbereich in db. Die Kurve stellt den Phasenverlauf über die Frequenz, gemessen in Grad, dar. Frequenzgang eines Bandpassfilters (blaue Kurve: Verstärkung; orange Kurve: Phase) Grundgerät Typ Option Oszilloskop, 70 MHz, 2 Kanäle R&S RTB R&S RTB-K /03 Oszilloskop, 70 MHz, 4 Kanäle R&S RTB Oszilloskop, 100 MHz, 2 Kanäle R&S RTM3002 R&S RTM-K /03 Oszilloskop, 100 MHz, 4 Kanäle R&S RTM3004 Oszilloskop, 200 MHz, 4 Kanäle R&S RTA R&S RTA-K /03 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG R&S ist eingetragenes Warenzeichen der Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Europa, Afrika, Mittlerer Osten Eigennamen sind Warenzeichen der jeweiligen Eigentümer Nordamerika TEST RSA ( ) PD Version Februar 2019 (sk) Lateinamerika Analyse passiver, niederfrequenter Bauteile Asien-Pazifik Daten ohne Genauigkeitsangabe sind unverbindlich Änderungen vorbehalten China Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG München PDP 1 de Bestellangaben customersupport@rohde-schwarz.com Analyse_passiver_ac_de_ _v0100.indd :36:11

3 Messung des Regelkreisverhaltens von Netzgeräten (Bode-Plot) Mit einem Oszilloskop von Rohde & Schwarz Versorgungsspannungsdurchgriff von Schaltnetzteilen. Die Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (Bode-Plot) nutzt den im Oszilloskop integrierten Waveform Generator, um Anregungen von 10 Hz bis 25 MHz zu erzeugen. Während das Verhältnis von Signaleingang und -ausgang des Messobjekts bei jeder Testfrequenz gemessen wird, stellt das Oszilloskop die Verstärkung logarithmisch und die Phase linear dar. Mit der Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (Bode-Plot) bestimmen Sie schnell die Amplituden und Phasenreserve von Schaltnetzteilen oder linearen Reglern. Diese Messungen helfen bei der Ermittlung der Regelkreisstabilität. Die Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (BodePlot) zeigt das Antwortverhalten des Systems auf Änderungen der Betriebsbedingungen, beispielsweise Änderungen bei der Versorgungsspannung oder beim Laststrom. Messaufbau Die Regelkreise von Netzgeräten vergleichen die Referenzspannung (Vref) mit der Rückkopplungsspannung (Vfeedback) und erzeugen eine Gegenkopplung, um eine stabile Ausgangsspannung sicherzustellen. Ihre Anforderung Für die Sicherstellung der Stabilität von Spannungsreglern und Schaltnetzteilen ist das Regelkreisverhalten zu messen und zu charakterisieren. Ein Spannungsregler mit guter Kompensation sorgt für stabile Ausgangsspannungen und reduziert den Einfluss von Lastwechseln und Abweichungen in der Versorgungsspannung. Die Qualität dieses Regelkreises bestimmt die Stabilität und das Aussteuerverhalten des gesamten DC/DC-Wandlers. Lösung von Rohde & Schwarz Einspeisepunkt und Sondierung Um die Schleifenverstärkung einer Spannungsrückkopplungsschleife zu messen, muss die Schleife an einem geeigneten Punkt unterbrochen werden. An diesem Punkt wird das Verzerrungssignal eingespeist. Dieses Signal durchläuft den Regelkreis. Je nach Schleifenverstärkung wird das eingespeiste Verzerrungssignal verstärkt oder Application Card Version Analysieren Sie schnell und einfach das niederfrequente Antwortverhalten an Ihrem Oszilloskop mit der Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (Bode-Plot). Charakterisieren Sie den Frequenzgang unterschiedlichster Elektronikkomponenten einschließlich passiver Filter und Verstärkerschaltungen. Messen Sie Regelkreisverhalten und Bei Tests des Regelkreisverhaltens ist die Einspeisung eines Fehlersignals über einen Frequenzbereich in den Rückkopplungspfad des Regelkreises erforderlich. Dafür muss ein kleiner Widerstand in die Rückkopplungsschleife eingefügt werden. Der in der Abbildung auf der nächsten Seite gezeigte 5-Ω-Einspeisewiderstand ist im Vergleich zum Reihenwiderstand von R1 und R2 nicht signifikant. Zu Testzwecken entscheiden sich manche Anwender dafür, diesen niederohmigen Einspeisewiderstand (Rinjection) dauerhaft zu integrieren. Ein Einspeisetransformator wie der Picotest J2100A trennt das AC-Verzerrungssignal ab und beseitigt jegliche DC-Vorspannung. Messung_des_ac_de_ _v0100.indd :40:06

4 gedämpft und in der Phase verschoben. Bei der Option R&S RTx-K36 erzeugt der Generator des Oszilloskops das Verzerrungssignal. Das Oszilloskop misst die Übertragungsfunktion der Schleife. Um sicherzustellen, dass die gemessene Schleifenverstärkung der tatsächlichen Schleifenverstärkung entspricht, wählen Sie einen geeigneten Punkt: Suchen Sie einen Punkt, an dem die Schleife auf einen einzigen Pfad beschränkt ist, um sicherzustellen, dass keine parallelen Signalflüsse existieren. Stellen Sie sicher, dass die Impedanz in Richtung der Schleife deutlich größer ist als die Rückwärtsimpedanz an diesem Punkt. Die Rückwärtsimpedanz entspricht der Ausgangsimpedanz des Wandlers, ein sehr niedriger Wert im Bereich von einigen mω. Die Impedanz in Richtung der Schleife wird vom Kompensator und dem Spannungsteiler gebildet und liegt im Bereich von einigen kω. Eine genaue Charakterisierung des Regelkreisverhaltens hängt von einer guten Sondierung ab. Die Spitze- SpitzeAmplituden von Vin und Vout können bei einigen Testfrequenzen sehr niedrig sein. Diese Werte gehen sonst im Grundrauschen des Oszilloskops und/oder Schaltrauschen des Prüflings selbst unter. Daher führt eine Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses bei Ihren Messungen zu einer signifikanten Verbesserung des Dynamikbereichs bei Ihren Frequenzgang-Messungen. Die meisten Oszilloskope werden üblicherweise mit passiven 10:1-Tastköpfen ausgeliefert, die einen höheren Rauschpegel aufweisen. Die Verwendung rauscharmer passiver 1:1-Tastköpfe reduziert das Messrauschen und verbessert das Signal/RauschVerhältnis. Rohde & Schwarz empfiehlt die R&S RT-ZP1X passiven 1:1-Tastköpfe mit 38 MHz Bandbreite für diese Anwendung. Wahl des korrekten Einspeisepunkts Vin Rinjection SW 5Ω R1 kω FB Oszilloskop Vout Überlagerungstransformator Gen CH 1 CH 2 R2 kω Die Verwendung einer Massefeder sorgt für das beste Signal/Rausch-Verhältnis bei Ihrer Messung des Versorgungsspannungsdurchgriffs 2 Messung_des_ac_de_ _v0100.indd :40:09

5 Wird die Länge der Masseverbindung des Tastkopfs reduziert, minimiert sich die Erdschleifen-Induktivität. Das Standard-Erdungskabel des Tastkopfs kann gelegentlich als Antenne fungieren und unerwünschtes Schaltrauschen verstärken. Suchen Sie einen Erdungsbolzen in der Nähe der Messpunkte Vin und Vout. Nutzen Sie die Massefeder des R&S RT-ZP1X Tastkopfs, um die Masseverbindung kurz zu halten. Das stellt eine gute, rauscharme Masseverbindung bei Ihrer Messung sicher. Geräteeinstellungen Nach dem Anschluss des Oszilloskops an die zu prüfende Schaltung startet die Messung: Setzen Sie die Start- und Stoppfrequenz zwischen 10 Hz und 25 MHz und legen Sie den Ausgangspegel des Generators fest. Wählen Sie die Punkte pro Dekade, um die Auflösung Ihrer Erfassung zu verbessern und zu modifizieren. Das Oszilloskop unterstützt bis zu 500 Punkte pro Dekade. Legen Sie das Amplitudenprofil des Generatorausgangs fest (bis zu 16 Stufen), um das Rauschverhalten der zu prüfenden Schaltung zu unterdrücken. Drücken Sie auf Run, um Ihre Messung zu starten. Die Messergebnisse werden als Verstärkung/Phase in Abhängigkeit von der Frequenz ausgegeben. Setzen Sie Ihre Marker auf die relevanten Punkte. Messergebnisse Die in den Bode-Plots dargestellten Messkurven repräsentieren die Übertragungsfunktion Ihrer Schaltung und helfen dabei, die Stabilität Ihres Systems zu verifizieren. Der erste Graph zeigt das Amplitudenverhalten über den Frequenzbereich in db, während das zweite Diagramm den Phasenverlauf über die Frequenz darstellt (gemessen in Grad). Ziehen Sie Marker direkt auf die Messkurve an die gewünschte Position. Eine Legende zeigt die Koordinaten der Marker. Zur Bestimmung der Übergangsfrequenz setzen Sie einen Marker auf 0 db und den zweiten Marker auf 180 Phasenverschiebung. Jetzt können Sie ganz einfach die Phasen- und Amplitudenreserve bestimmen. Sehen Sie sich die Ergebnisse in einer Tabelle an. Diese Tabelle enthält ausführliche Informationen zu jedem Mess punkt (Frequenz, Verstärkung und Phasenverschiebung). Bei der Verwendung von Markern wird die zugehörige Zeile der Ergebnistabelle hervorgehoben. Messung der Stabilität eines DC/DC-Wandlers (blaue Kurve: Verstärkung; o range Kurve: Phase; grüne Kurve: Amplitudenprofil-Messung des Stimulussignals) Messwerttabelle Rohde & Schwarz Messung des Regelkreisverhaltens von Netzgeräten (Bode-Plot) 3 Messung_des_ac_de_ _v0100.indd :40:10

6 Zu Protokollierungszwecken speichern Sie schnell Screenshots, Tabellenergebnisse oder beides auf einen USB-Stick. Fazit Oszilloskope sind die bevorzugten Messwerkzeuge, die aktuell von Ingenieuren verwendet werden, um die Entwürfe ihrer Netzgeräte zu testen und zu charakterisieren. Die Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (BodePlot) ist eine preisgünstige Alternative zu niederfrequenten Netzwerkanalysatoren oder dedizierten, eigenständigen Frequenzanalysatoren. Grundgerät Typ Option Oszilloskop, 70 MHz, 2 Kanäle R&S RTB R&S RTB-K /03 Oszilloskop, 70 MHz, 4 Kanäle R&S RTB Oszilloskop, 100 MHz, 2 Kanäle R&S RTM3002 R&S RTM-K /03 Oszilloskop, 100 MHz, 4 Kanäle R&S RTM3004 Oszilloskop, 200 MHz, 4 Kanäle R&S RTA R&S RTA-K /03 38 MHz passiver Spannungstastkopf, 1:1, 55 V R&S RT-ZP1X Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG R&S ist eingetragenes Warenzeichen der Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Europa, Afrika, Mittlerer Osten Eigennamen sind Warenzeichen der jeweiligen Eigentümer Nordamerika TEST RSA ( ) PD Version Februar 2019 (sk) Lateinamerika Messung des Regelkreisverhaltens von Netzgeräten (Bode-Plot) Asien-Pazifik Daten ohne Genauigkeitsangabe sind unverbindlich Änderungen vorbehalten China Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG München PDP 1 de Bestellangaben customersupport@rohde-schwarz.com Messung_des_ac_de_ _v0100.indd :40:10

7 Messung des Versorgungsspan nungsdurchgriffs (PSRR) Mit einem Oszilloskop von Rohde & Schwarz 10 Hz bis 25 MHz zu erzeugen. Während das Verhältnis von Anregung und Ausgangssignal des Messobjekts bei jeder Testfrequenz gemessen wird, stellt das Oszilloskop die Verstärkung logarithmisch und die Phase linear dar. Mit der Option R&S RTx-K36 messen Sie den Versorgungsspannungsdurchgriff und charakterisieren den Übergang des Reglersystems zum geregelten Ausgang. Messaufbau Die PSRR kann gemessen werden, indem der Versorgungsspannung eine sinusförmige Welligkeit zugeführt und die Verstärkung zwischen Ein- und Ausgang des Reglers gemessen wird. Ein notwendiger Netzeinspeisetransformator wie der Picotest J2120A stellt sicher, dass das eingespeiste Signal galvanisch getrennt ist und keine Gleichspannungsanteile induziert. Messaufbau für PSRR-Messung Oszilloskop Ihre Anforderung Lösung von Rohde & Schwarz Netzeinspeisetransformator CH 2 Spannungsregler Ausgang Netzgerät CH 1 Sondierung Hochwertige Tastköpfe sind die Voraussetzung für gute PSRR-Messungen. Beispielsweise können die SpitzeSpitze- Amplituden des Vout-Signals aufgrund des hohen Unterdrückungsverhältnisses des geprüften DC/DC-Wandlers sehr klein sein. Daher sind Tastköpfe mit einem höheren Dynamikbereich einzusetzen. Obwohl die meisten Oszilloskope mit passiven 10:1-Tastköpfen ausgeliefert werden, wird der Dynamikbereich durch die Verwendung von passiven 1:1-Tastköpfen am Ausgangssignal ver- Application Card Version Analysieren Sie schnell und einfach niederfrequentes Antwortverhalten an Ihrem Oszilloskop mit der Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (Bode-Plot). Charakterisieren Sie den Frequenzgang unterschiedlichster Elektronikkomponenten einschließlich passiver Filter und Verstärkerschaltungen. Messen Sie Regelkreisverhalten und Versorgungsspannungsdurchgriff von Schaltnetzteilen. Die Option R&S RTx-K36 nutzt den im Oszilloskop integrierten Waveform Generator, um Anregungen im Bereich von Gen Eingang Entwicklungsingenieure von Netzgeräten sehen sich oft damit konfrontiert, den Versorgungsspannungsdurchgriff oder die Power Supply Ripple Rejection (PSRR) ihres Entwurfs zu messen. Der PSRR ist ein wichtiger Parameter, um die Stabilität des Netzgeräteausgangs zu kennzeichnen. Er liefert Informationen, wie sich Spannungsschwankungen am Eingang auf die Stabilität der Ausgangsspannung auswirken. Messung-der-PSRR_ac_de_ _91_v0101.indd :41:08

8 bessert. Rohde & Schwarz empfiehlt die R&S RT-ZP1X passiven 1:1-Tastköpfe mit 38 MHz Bandbreite für diese Anwendung. Wird die Länge der Masseverbindung des Tastkopfs reduziert, minimiert sich die Erdschleifen-Induktivität. Das Standard-Erdungskabel des Tastkopfs kann gelegentlich als Antenne fungieren und unerwünschtes Schaltrauschen verstärken. Steht ein Erdungsbolzen in der Nähe der Vinund Vout-Messpunkte zur Verfügung, verzichten Sie auf ein langes Erdungskabel. Nutzen Sie die Massefeder des R&S RT-ZP1X Tastkopfs, um die Masseverbindung kurz zu halten. Das stellt eine gute, rauscharme Masseverbindung bei Ihrer Messung sicher. Drücken Sie auf Run, um Ihre Messung zu starten. Die Messergebnisse werden als Verstärkung/Phase in Abhängigkeit von der Frequenz ausgegeben. Setzen Sie Ihre Marker auf die relevanten Punkte. Messergebnisse Die in den Bode-Plots dargestellten Messkurven repräsentieren den Übergang des Reglersystems zum geregelten Ausgang. Die Kurve zeigt die Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz. Ziehen Sie Marker auf die gewünschten Positionen direkt auf der dargestellten Messkurve. Eine Legende zeigt die Koordinaten der Marker. PSRR-Messung Die Verwendung einer Massefeder sorgt für das beste Signal/Rauschverhältnis bei Ihrer Messung des Versorgungsspannungsdurchgriffs Gerätekonfiguration Nach dem Anschluss des Oszilloskops an die zu prüfende Schaltung startet die Messung ganz einfach: Setzen Sie die Start- und Stoppfrequenz zwischen 10 Hz und 25 MHz und legen Sie den Ausgangspegel des Generators fest. Wählen Sie die Punkte pro Dekade, um die Auflösung Ihrer Erfassung zu verbessern und zu modifizieren. Das Oszilloskop unterstützt bis zu 500 Punkte pro Dekade. Legen Sie das Amplitudenprofil des Generatorausgangs fest (bis zu 16 Stufen), um das Rauschverhalten der zu prüfenden Schaltung zu unterdrücken. Sehen Sie sich die Ergebnisse in einer Tabelle an. Diese Tabelle enthält ausführliche Informationen zu jedem Mess punkt (Frequenz, Verstärkung und Phasenverschiebung). Bei der Verwendung von Markern wird die zugehörige Zeile der Ergebnistabelle hervorgehoben. Zu Protokollierungszwecken speichern Sie schnell Screenshots, Tabellen ergebnisse oder beides auf einen USB-Stick. Fazit Oszilloskope sind die bevorzugten Messwerkzeuge, die aktuell von Ingenieuren verwendet werden, um die Entwürfe ihrer Netzgeräte zu testen und zu charakterisieren. Die Option R&S RTx-K36 Frequenzgang-Analyse (BodePlot) ist eine preisgünstige Alternative zu niederfrequenten Netzwerkanalysatoren oder dedizierten, eigenständigen Frequenzanalysatoren. Grundgerät Typ Option Oszilloskop, 70 MHz, 2 Kanäle R&S RTB R&S RTB-K /03 Oszilloskop, 70 MHz, 4 Kanäle R&S RTB Oszilloskop, 100 MHz, 2 Kanäle R&S RTM3002 R&S RTM-K /03 Oszilloskop, 100 MHz, 4 Kanäle R&S RTM3004 Oszilloskop, 200 MHz, 4 Kanäle R&S RTA R&S RTA-K /03 38 MHz passiver Spannungstastkopf, 1:1, 55 V R&S RT-ZP1X Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG R&S ist eingetragenes Warenzeichen der Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Europa, Afrika, Mittlerer Osten Eigennamen sind Warenzeichen der jeweiligen Eigentümer Nordamerika TEST RSA ( ) PD Version Januar 2019 (sk) Lateinamerika Messung des Versorgungsspan nungsdurchgriffs (PSRR) Asien-Pazifik Daten ohne Genauigkeitsangabe sind unverbindlich Änderungen vorbehalten China Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG München PDP 1 de Bestellangaben customersupport@rohde-schwarz.com Messung-der-PSRR_ac_de_ _91_v0101.indd :41:12

9 AlliCE Messtechnik GmbH make ALLICE your partner ALLICE Messtechnik GmbH Kelsterbacher Strasse Frankfurt am Main Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Allice Messtechnik GmbH Alle Rechte vorbehalten Allice Messtechnik GmbH All rights reserved Verwendete Warenzeichen und Schutzrechte sind Eigentum der jeweiligen Hersteller. Logos and company names listed are trademarks or trade names of their respective owners.