Ringvergleich Anstiegszeit im DKD

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Fritzi Beckenbauer
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1 Ringvergleich Anstiegszeit im DKD 303. PTB-Seminar Kai Baaske, AG 2.21

2 Motivation und Organisation Dauer, Teilnehmer Artefakte, Messgrößen Auswertungsmethoden Auswertung Stabilität der Messwerte Ergebnisse Diskussion Fazit Gliederung PTB-Seminar

3 Motivation und Organisation Ziel: Vergleichsmessung der Anstiegszeit und Bandbreite eines Oszilloskops / Pulsgenerators Organisation Dauer: bis Schleifen, PTB Messungen am Anfang, Mitte und Ende PTB-Seminar

4 Motivation und Organisation 14 Teilnehmer: Atlas Copco Tools Central Europe GmbH, Kiel Atlas Copco Tools Central Europe GmbH, Wetzlar DB Systemtechnik GmbH esz AG calibration & metrology GfM Gesellschaft für Metrologie mbh Kalibriercentrum Bayern Kalibrierzentrum der Bundeswehr, Kiel Physikalisch-Technische Bundesanstalt Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Rohde & Schwarz Messgerätebau GmbH Tektronix GmbH testo industrial services GmbH Trescal GmbH, Niederlassung Darmstadt 1A CAL GmbH - Gesellschaft für Metrologie PTB-Seminar

5 Motivation und Organisation Artefakte Stufenpulsgenerator Picosecond Pulse Labs 4015C Grundgerät, Pulskopf mit 30 db Dämpfungsglied Nominelle Abfallzeit: 15 ps Optional mit Tiefpassfilter Nominelle Abfallzeit: 350 ps TP-Filter Pulskopf DG PTB-Seminar

6 Motivation und Organisation Artefakte Oszilloskop Rohde & Schwarz RTE1052 Nominelle Anstiegszeit: < 700 ps Nominelle Bandbreite: > 500 MHz Nur Kanal 1 verwendet Foto: RTE 1104, R&S PTB-Seminar

7 Messgrößen Kalibrierungen basieren auf der Richtlinie VDI/VDE/DGQ/DKD 2622 Blatt 4, Kalibrieren von Messmitteln für elektrische Größen Oszilloskope. Stufenpulsgenerator Abfallzeit, ohne und mit Tiefpassfilter, je nach Möglichkeiten der KBS Oszilloskop Anstiegszeit Motivation und Organisation -3 db Bandbreite bezogen auf 10 MHz Dämpfung der Amplitude bei 500 MHz bezogen auf 10MHz PTB-Seminar

8 Auswertungsmethoden Abfall- / Anstiegszeit E N -Kriterium Motivation und Organisation E N U K K Lab 2 ( KLab ) Ref U( K Ref ) 2 Referenzwert von PTB PTB-Seminar

9 Auswertungsmethoden Bandbreite / Dämpfung MU der PTB (AG 2.21) für Referenzwert ungeeignet Referenzwert des Vergleichs (Comparison Reference Value, CRV) Berechnung der Übereinstimmung mit dem Referenzwert (Degree of Equivalence, DoE) PTB-Seminar Motivation und Organisation i i i i i i i i i i k U w CRV U k U k U w k w CRV ) ( ) ( ) ( 1 ) ( 1 mit ) ( ) ( ) ( 2 2 CRV U k U DoE U k CRV DoE i i i i

10 Motivation und Organisation Dauer, Teilnehmer Artefakte, Messgrößen Auswertungsmethoden Auswertung Stabilität der Messwerte Ergebnisse Diskussion Fazit Gliederung PTB-Seminar

11 Stabilität der Messwerte Abfallzeit Pulsgenerator (nominell: 15 ps): PTB-Seminar

12 Stabilität der Messwerte Abfallzeit Pulsgenerator (nominell: 350 ps): PTB-Seminar

13 Stabilität der Messwerte Anstiegszeit Oszilloskop (nominell: < 700 ps): PTB-Seminar

14 Stabilität der Messwerte Bandbreite Oszilloskop (nominell: > 500 MHz): PTB-Seminar

15 Stabilität der Messwerte Dämpfung bei 500 MHz Oszilloskop: PTB-Seminar

16 Ergebnisse Abfallzeit Pulsgenerator: PTB-Seminar

17 Ergebnisse Abfallzeit Pulsgenerator (mit Filter): PTB-Seminar

18 Ergebnisse Anstiegszeit Oszilloskop: PTB-Seminar

19 Ergebnisse Bandbreite Oszilloskop (E N bezogen auf CRV): PTB-Seminar

20 Ergebnisse Dämpfung bei 500 MHz Oszilloskop (E N bezogen auf CRV): PTB-Seminar

21 Diskussion Berechnung der Eigenanstiegszeit des DUCs Messergebnis enthält Einfluss des Normals RSS (Root Sum of Squares)-Verfahren t 2 2 r, DUC tr, Mess tr, Normal Formel nur korrekt für gaußförmige Antwortfunktionen Oszilloskop-/Stufengenerator-Frequenzgänge sehr häufig nicht gaußförmig Unsicherheitsbeitrag der Abweichung nur schätzbar im Bereich t r,mess / t r, Normal < 3 korrigiert RSS-Methode bei nicht gaussförmigen Übertragungsfunktionen zu stark PTB-Seminar

22 Diskussion Korrekturfaktor als Ersatz für RSS-Methode Bestimmung des Korrekturfaktors Erzeugung einer Schar auf Basis von idealen, gefalteten Übertragungsfunktionen Korrekturfaktor wird bestimmt aus Verhältnis t r ( y) t ( a) dabei ist: t r,mess wird mit Korrekturfaktor C multipliziert wird für jede Messung bestimmt Mittelwert aus Schar bilden r y C t r xa ( x) t ( y) r als Funktion von t r (x) t r (a) Anstiegszeitnormal t r (y) Streubreite der Schar als Unsicherheitsbeitrag Baaske et al., tm Technisches Messen 2017; 84(2): PTB-Seminar

23 Diskussion Korrekturfaktor-Methode Mittelwert Gaußförmige Antwortfunktionen RSS-Kurve tabellierte Werte der Übertragungsfunktionen PTB-Seminar

24 Diskussion Korrekturfaktor-Methode Mittelwert 0,9 1, PTB-Seminar

25 Diskussion Rückführungskette 1. Schritt EO-Sampling Anstiegszeit- Primärnormal 70 GHz Oszilloskop Transfernormal Elektr. Stufengenerator Sekundärnormal bzw. DUC Oszilloskop (DUC) Bandbreite bis zu 50 GHz Transfernormal: Oszilloskop-Samplingkopf mit 70 GHz Bandbreite Anstiegszeit: tr =4,6 ps ± 0,7 ps (k=2) elektr. Stufengenerator Sekundärnormal kann auch Device under calibration (DUC) sein Oszilloskop-Samplingkopf (DUC) mit bis zu 50 GHz Bandbreite PTB-Seminar

26 Diskussion Verifikation der Methoden 1.) Stufengenerator, Sekundärnormal 2.) Samplingkopf (50 GHz ) Messwert RSS-Methode Korrekturfaktor EOS-Setup 5,6 ps ± 1,8 ps 6,5 ps ± 1,8 ps 8,7 ps 8,7 ps 2.) Samplingkopf (50 GHz ) 6,5 ps ± 2,0 ps 7,2 ps ± 2,0 ps 7,03 ps ± 0,7 ps E N = 0,25 E N = 0,08 Nach 2 Stufen hebt sich Überkompensation der RSS-Methode teilweise wieder auf Korrekturfaktormethode liefert besser berechenbaren Unsicherheitsbeitrag für die Methode PTB-Seminar

RSS vs. Korrekturfaktor PSPL 4015C (Ringvgl. Artefakt) an 2 Normalen unterschiedlicher Hersteller RSS-Methode Korrekturfaktor EOS-Setup 1.) Oszilloskop 1, Normal 4,6 ps ± 0,2 ps 2.

27 RSS vs. Korrekturfaktor PSPL 4015C (Ringvgl. Artefakt) an 2 Normalen unterschiedlicher Hersteller RSS-Methode Korrekturfaktor EOS-Setup 1.) Oszilloskop 1, Normal 4,6 ps ± 0,2 ps 2.) PSPL 4015C, Messwert 16,6 ps 16,6 ps 3.) PSPL 4015C, Eigenanstiegszeit 15,9 ps 16,5 ps RSS-Methode Korrekturfaktor EOS-Setup 1.) Oszilloskop 2, Normal 4,2 ps ± 0,3 ps 2.) PSPL 4015C, Messwert 17,0 ps 17,0 ps 3.) PSPL 4015C, Eigenanstiegszeit 16,5 ps 16,9 ps PTB-Seminar

28 Diskussion Eigenschaften der Korrekturfaktormethode Berücksichtigung der unbekannten Antwortfunktionen mit Annahme einer Typ B Unsicherheit auf Basis der Standardabweichung aus der Standardabweichung (Länge der Fehlerbalken) wird normalverteilte Typ B Unsicherheit berechnet liefert besser berechenbaren Unsicherheitsbeitrag für verbleibenden systematischen Fehler als RSS-Methode PTB-Seminar

29 Diskussion Bestimmung der Referenzlevel (10% und 90%) Ergebnis abhängig vom gewählten Zeitfenster PTB-Seminar

30 Diskussion Bestimmung der Referenzlevel (10% und 90%) Auswahl einiger Pulsverläufe PTB-Seminar

31 Fazit Bandbreite Durchgängig gute Resultate Dämpfung Nur ein Ausreißer, sonst gute Ergebnisse Anstiegszeit Ergebnisse nicht homogen, teilweise deutliche Ausreißer Hier ist mehr Aufmerksamkeit notwendig, z.b. genauere Definition der Messbedingungen Entfaltung der Impulsantworten vermeidet systematischen Fehler durch Näherungsformel PTB-Seminar

32 Dank an: Fazit Rohde & Schwarz für die Bereitstellung des Oszilloskops Allen Teilnehmern für die gute Kooperation und Abwicklung PTB-Seminar

33 Zusammenfassung und Ausblick PTB-Seminar

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Bundesallee 100 38116

34 Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Bundesallee Braunschweig Dr. Kai Baaske Telefon: Stand: 05/17

35 Anhang PTB-Seminar

36 Ergebnisse Tabellarische Übersicht: PTB-Seminar

37 Ergebnisse Bandbreite Oszilloskop absolut: PTB-Seminar

38 Ergebnisse Bandbreite Oszilloskop DoE: PTB-Seminar

39 Ergebnisse Dämpfung bei 500 MHz Oszilloskop absolut: PTB-Seminar

40 Ergebnisse Dämpfung bei 500 MHz Oszilloskop DoE: PTB-Seminar

41 RSS vs. Korrekturfaktor Vergleich der Übertragungsfunktionen von Samplingköpfen Anhand Zeit-Bandbreite Produkt Gaussförmige Übertragungsfunktion: t r BW=0,34 BW(nom.): 50 GHz BW(nom.): 70 GHz Gerät A BW(-3 db): 53 GHz t r : 7,03 ps t r BW=0,37 BW(-3 db): 85 GHz t r : 4,7 ps t r BW=0, PTB-Seminar

42 RSS vs. Korrekturfaktor BW(nom.): 70 GHz BW(nom.): 100 GHz Gerät B BW(-3 db): 96 GHz t r : 4,5 ps t r BW=0,43 BW(-3 db): 110 GHz t r : 4,9 ps t r BW=0,54 Übertragungsfunktionen (Zeit-Bandbreite Produkte) von Samplingköpfen weichen deutlich von der Gaussform ab PTB-Seminar

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