NF- und HF-Messtechnik

Transkript

1 NF- und HF-Messtechnik

2 Herbert Bernstein NF- und HF-Messtechnik Messen mit Oszilloskopen, Netzwerkanalysatoren und Spektrumanalysator

3 Herbert Bernstein München, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort Mit dem vorliegenden Werk wird angestrebt, das Thema NF- und HF-Messelektronik möglichst umfassend und in sich abgeschlossen zu behandeln, sowie moderne Entwicklungstendenzen in der Elektronik zu berücksichtigen. Die Entwicklung, Fertigung und der Betrieb von Nachrichtenübertragungssystemen erfordern den Einsatz von Messgeräten zur Bestimmung der vielfältigen Kenngrößen in der Übertragungstechnik. Wenn heute vielfach automatisierte Messgeräte verwendet werden, deren Funktion weitgehend von einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller bestimmt wird, so ist es doch unerlässlich, sich mit den dabei zugrunde liegenden Verfahren zur Messung der gewünschten Kenngrößen und deren genauer Definition zu befassen. Das vorliegende Buch möchte dem Leser dabei behilflich sein. Mit einer ausführlichen Erläuterung der verschiedenen übertragungstechnischen Kenngrößen und Messverfahren sowie praktisch ausgeführter Messanordnungen und Messsysteme geht der Umfang des Buches natürlich weit über den Rahmen einer Vorlesung hinaus. Es war aber von vornherein nicht die Absicht des Verfassers, nur ein Lehrbuch für Studenten zu schaffen, sondern darüber hinaus einen weiten Kreis von Interessenten anzusprechen. Die Darstellung des Stoffes ist in diesem Sinne für jeden Techniker verständlich und durch zahlreiche Messbeispiele mit Wertangaben stark auf die praktische Anwendung ausgerichtet. Das umfangreiche Stoffgebiet der NF- und HF-Messverfahren wurde in fünf Abschnitte gegliedert. Der erste Abschnitt erläutert die Grundbegriffe und Kenngrößen aus der Übertragungstechnik. Eine fundierte Kenntnis dieser Begriffe ist unerlässlich für das Verständnis der Messverfahren. Der Umfang des behandelten Stoffes machte allerdings eine exemplarische Themenauswahl bei den detaillierteren Betrachtungen erforderlich. Bei der Auswahl der zahlreichen Beispiele wurde einerseits darauf geachtet, dass ein abgerundetes Bild der vielfältigen elektronischen Mess- und Verarbeitungsmethoden entsteht und andererseits, dass eher die Arbeitsprinzipien der dargestellten Komponenten und Verfahren als deren genaue Eigenschaften herausgestellt werden, damit trotz rasch fortschreitender Technik ein vorzeitiges Veralten der Aussagen vermieden wird. Obwohl dieses Werk im Unterricht an einer Technikerschule entstanden ist, hat der Verfasser kein ausgesprochenes Vorlesungsmanuskript, da es über einführende Darstellungen hinausgeht. Es ist gedacht als vorlesungsbegleitende Literatur an Techniker-, Meister- und V

5 VI Vorwort Fachhochschulen, es wendet sich aber auch an die in der Praxis tätigen Ingenieure und Techniker. Das Buch ermöglicht den Einstieg in die analoge Schaltungssimulation mit dem Netzwerkanalyseprogramm MultiSimBlue und demonstriert zahlreiche Beispiele, denn es sind 20 Messinstrumente (16-Kanal-Logikanalysator, Agilent Instrumente, Amperemeter, Bode-Plotter, Verzerrungsanalysator, dynamische Messköpfe, Frequenzzähler, Funktionsgenerator, Multimeter, Netzwerkanalysator, 2- und 4-Kanal-Oszilloskope, Spektrumanalysator, Tektronix Oszilloskop, Voltmeter, Wattmeter, Word Generator) und umfangreiche Analyseverfahren vorhanden. Das Verständnis für die Funktionsweise der untersuchten Bauelemente und Schaltungen kann so auf eine sehr anschauliche Weise weiterentwickelt werden. Das Toolgibtes jetzt unter kostenlos zum Download. Meiner Frau Brigitte danke ich für die Erstellung der Zeichnungen. -Adresse des Autors: München, Sommer 2015

6 Inhaltsverzeichnis 1 Grundbegriffe der NF- und HF-Messtechnik Aufbau eines Nachrichtenübertragungssystems Signale und ihre Darstellung Zeitfunktion Frequenzfunktion Analoge Signale Digitale Signale und Codes Fourier-Analyse Frequenzband, Bandbreite und Nachrichtenkanal Übertragungsstrecke und Bandbreitenbegrenzung Leitungsgrößen und Längeneinheit Drahtgebundenes Übertragungssystem Phasenkonstante und Wellenkonstante Frequenz- und Wellenbereiche Dämpfung und Verstärkung Dämpfungs- und Verstärkungsfaktor Dämpfungs- und Verstärkungsmaß Pegelrechnung Absoluter Pegel Relativer Pegel Zusammenhang zwischen Pegel und Dämpfungs- sowie Verstärkungsmaß Pegeldiagramm Dynamik Verzerrungen Lineare Verzerrungen Nicht lineare Verzerrungen Rauschen Arten und Ursachen des Rauschens Rauschkenngrößen Maßnahmen zur Rauschminderung VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis 2 Arbeiten mit analogen und digitalen Oszilloskopen Aufbau eines analogen Oszilloskops Elektronenstrahlröhre Horizontale Zeitablenkung und X-Verstärker Triggerung Y-Eingangskanal mit Verstärker Zweikanaloszilloskop Tastköpfe Inbetriebnahme des Oszilloskops Handhabung eines analogen Oszilloskops Einstellen der Empfindlichkeit Anschluss eines Oszilloskops an eine Messschaltung Triggerverhalten an einer Messschaltung Digitales Speicheroszilloskop Monitore mit Dünnfilmtransistoren (TFT) und Flüssigkristallen (LCD) TFT-Monitor in Dünnfilmtransistoren Merkmale eines digitalen Oszilloskops Interne Funktionseinheiten Digitale Signalspeicherung Analog-Digital-Wandler Zeitbasis und horizontale Auflösung Möglichkeiten des Abtastbetriebs Speicherung von Signalinformationen Funktionen und Bedienelemente Parametereinstellungen Triggerfunktionen Spezielle Triggerfunktionen Triggermethoden für Störimpulse Auswertung von Messsignalen Digitale Filterung Vorarbeitung von Messsignalen Spezialfunktionen eines digitalen Speicheroszilloskops Automatische Messung mit der Cursorsteuerung Arbeiten mit dem Messcursor Praktische Anwendungen des Oszilloskops Strom-Spannungs-Kennlinie eines Widerstands Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode Untersuchung von RC-Integriergliedern Untersuchung von CR-Differenziergliedern Untersuchung der Phasenverschiebung Frequenzmessung mit der Lissajous-Figur

8 Inhaltsverzeichnis IX Messung der Phasenverschiebung mit der Lissajous-Figur Filtertechnik Kenngrößen Filtertypen Wobbelmessgerät Wobbelgenerator mit MAX Bode-Plotter Passiver RC-Hochpass Passiver RC-Tiefpass Passiver RL-Tiefpass und RL-Hochpass RCL-Reihenschwingkreis RCL-Parallelschwingkreis Reale Schwingkreise Güte und Bandbreite Passives LC-Filter Passives T- und -Filter Passives Tiefpass-Doppelsiebglied Bandpass mit Wienbrücke Passive Filterschaltungen CL-Bandpass CL-Bandsperre Kritische Bandfilter m-filter Aktive Filterschaltungen Vergleich zwischen den aktiven Filterschaltungen Passiver Hoch- und Tiefpass 1. Ordnung RC-Filter nach Gauß Filter nach Gauß, Bessel, Butterworth, Cauer und Tschebyscheff Amplitudengang von aktiven Filtern Aktive Tief- und Hochpassfilter Aktiver Tiefpass 1. Ordnung Aktiver Hochpass 1. Ordnung Aktive Tiefpassfilter 2. Ordnung mit Zweifachgegenkopplung Umwandlung von Tiefpass- in Hochpassfilter Aktive Bandpassfilter Selektiver Verstärker mit Schwingkreis Selektives Filter 2. Ordnung in Gegenkopplung Einstellbare Filter Einstellbares Tiefpassfilter Einstellbares Hochpassfilter Einstellbares Bandsperrfilter

9 X Inhaltsverzeichnis Allpassfilter Aktiver Tiefpassfilter höherer Ordnung Berechnungsbeispiele für aktive Tiefpassfilter Aktives Tiefpassfilter 3. Ordnung Aktives Tiefpassfilter 4. Ordnung Spektrumanalysator Oszilloskop und Spektrumanalysator Unterschiedliche Darstellung des gleichen Signals Referenzpegel Charakterisierung eines Spektrumanalysators Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) EMV-Probleme Oszilloskop oder Spektrumanalysator Aktive Feldsonde Dämpfung durch Gehäuse Auswahl von Signalleitungsfiltern Signalleitungsfilter mit Widerständen, Kondensatoren und Spulen Frequenz- und Zeitbereich Zero-Span-Betrieb Tastköpfe Fehlerminimierung bei Tastköpfen Feldgeführte Störungen Aufbau von Spektrumanalysatoren Fourier-Analysator (FFT-Analysator) Signalverarbeitung Diskrete Fourier-Transformation Abtast-Theorem z-transformation Inverse z-transformation Systemfunktion H(z) Schnelle Fourier-Transformation (FFT) Inverse Diskrete Fourier-Transformation (IDFT) Zwischenfrequenz und Superheterodyne Filterbänke für FFT Spektrumanalysator nach dem Überlagerungsprinzip Modulation Überlagerung Amplitudenmodulation (AM) Schaltungen von Sinusoszillatoren Prinzipschaltung des Oszillators LC-Oszillatoren

10 Inhaltsverzeichnis XI 4.7 Verfahren der Amplitudenmodulation Zweiseitenbandamplitudenmodulation ohne Trägerunterdrückung Additive Modulation Multiplikative Modulation Leistungsbetrachtung bei der Zweiseitenbandamplitudenmodulation Zweiseitenbandamplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger Netzwerkanalysator Funktionen des Netzwerkanalysators Netzwerkanalysator und Richtkoppler Smith- und Polardiagramm Zweitor und Vierpol Zweitorgleichungen und Parameter Umrechnung der Matrizen Elementar-Zweitore Ersatzschaltungen Zusammenschalten von Zweitoren Funktionen des Netzwerkanalysators Reflexions-Messung mit Netzwerkanalysator Stehwellenverhältnis Skalarer Netzwerkanalysator Vektorieller Netzwerkanalysator Vektorielle Netzwerkanalyse Reflexionsmessung Untersuchung von Leitungssystemen Drahtgebundene Übertragungssysteme Leitungsbeläge Wellenwiderstand Z L Dämpfung a und Dämpfungskonstante Phasenkonstante ˇ und Signallaufzeit t L Ausbreitungsgeschwindigkeit v L und Verkürzungsfaktor k Arten und Einsatzbereich von Leitungen Koaxialkabel Skineffekt Streifenleitung und Hohlleiter Streuparameter (S-Parameter) Verhalten von strom- und spannungsbasierten Bauteilen Streumatrizen von Zweitoren S-Parameter in der Praxis Smith-Diagramm Funktionen des Smith-Kreisdiagramms

11 XII Inhaltsverzeichnis Maßstab und Normierung im Smith-Kreisdiagramm Reflexionsfaktorebene Ablesen der Faktoren im Smith-Diagramm Transformation durch verlustfreie Leitungen Leerlauf und Kurzschluss Impedanzmessung mit Hilfe einer Messleitung Güte von Reflexionsresonatoren Impedanztransformation mit dem Collins-Filter Anpassschaltung für HF-Transistoren Sachverzeichnis