Hochfrequente Fehlerquellen beim Kalibrieren von Oszilloskopen

Das Ansprechen des vertikalen Kanals auf Impulse, die für Prüfungen verwendet werden, spielt eine entscheidende Rolle bei der Kalibrierung von Oszilloskopen. Dabei werden Hochfrequenzsignale und Impulse mit schneller Anstiegszeit verwendet, die ein beträchtliches Maß hochfrequenter Signalanteile aufweisen. Die typische Prüfmethode ist die Verwendung von Impulsen mit schneller Anstiegszeit (Fast Edge) und Messung der angezeigten Übergangszeit von 10 % bis 90 % der Schrittweite.

Auch Abweichungen im Impuls (Unter- und Überschwingen) werden häufig gemessen. Reflexionen, die die Impulsform verzerren und die Ergebnisse beeinflussen können, können durch eine Fehlanpassung zwischen der Impulsquelle und dem Eingang des Oszilloskops verursacht werden.

Moderne Oszilloskopkalibratoren wie der Hochleistungs-Oszilloskopkalibrator Fluke 9500C wurden dafür entwickelt, die Auswirkungen solcher hochfrequenten Störungen zu reduzieren. Dennoch sollten Kalibriertechniker und Metrologen ihren Einfluss kennen, insbesondere im Rahmen von Analysen der Messunsicherheit und für die Laborakkreditierung.

Zum Verständnis der Fehlanpassung

Hochfrequente Signalquellen, einschließlich derjenigen, die in Oszilloskopkalibratoren zu finden sind, verfügen typischerweise über Ausgänge mit 50 Ω und werden anhand des Pegels kalibriert, der über eine korrekt angepasste Last entsteht. Jede Abweichung von der Nennfrequenz oder Fehler entweder in der Ausgangsimpedanz der Quelle oder in der Eingangsimpedanz der Last können den Signalpegel verändern, der an der Last entsteht. In diesem Szenario ist dies der Eingang des Oszilloskops.

Gleichung zur Berechnung der Lastspannung: UL = US * RL/(RS + RL)

• US = Spannungsquelle
• RS = Ausgangsimpedanz
• RL = Lastimpedanz (US und RS sind jeweils mit dieser Last verbunden)
• UL = die über die Last entstehende Spannung

Bei hohen Frequenzen sind Impedanzen nicht rein resistiv und werden nicht immer als Widerstand, Kapazität und Induktivität dargestellt, sondern durch das Stehwellenverhältnis (Voltage Standing Wave Ratio – VSWR) oder die Rückflussdämpfung (die mit dem VSWR verknüpft ist).

Diese Parameter sind bei hohen Frequenzen entscheidend und werden dafür verwendet, anzuzeigen, wie die tatsächliche Impedanz von der Nennimpedanz (50 Ω) abweicht. Die Minimierung der Auswirkungen des VSWR der Last (Oszilloskop-Eingang) erfolgt durch die Auslegung der Quellenimpedanz des Oszilloskopkalibrators auf nahezu perfekte 50 Ω (niedriges VSWR).

Es sind die Auswirkungen einer Fehlanpassung auf die Unsicherheit des Signalpegels unter Berücksichtigung des VSWR von Quelle und Last zu bewerten. Diese Parameter, sind üblicherweise in den Gerätespezifikationen aufgeführt. Diese Beurteilung sollte bei der Durchführung einer Messunsicherheitsanalyse berücksichtigt werden.

Überlegungen bei der Messunsicherheitsanalyse

Der Ausdruck für eine Fehlanpassung erscheint häufig in der Literatur zu HF und Mikrowellen und leitet einen Wert für den Fehler in Bezug zur Leistung ab.

Bei Oszilloskopen werden Spannungen kalibriert, sodass Fehler durch die Fehlanpassung auch in Bezug auf Spannung ausgedrückt werden sollten. Wenn die Fehler gering sind, kann der auf Leistung bezogene Fehler halbiert werden, sodass ein äquivalenter Spannungsfehler erhalten wird, ohne dass die Unsicherheit erheblich abnimmt.

Typischerweise kann das VSWR des 50-Ω-Eingangs eines Oszilloskops bei 1,5 bis zu 1 GHz liegen. Die Ausgänge von Oszilloskopkalibratoren sind so konzipiert, dass sie niedrige VSWR-Werte haben. Die typischen Werte des Fluke 9500C mit dem aktiven 4-GHz-Tastkopf 9540C sind < 1,1 bis 550 MHz, < 1,2 für 550 MHz bis 3 GHz und < 1,35 für 3 GHz bis 4 GHz.

Bei der Durchführung einer Messunsicherheitsanalyse sollte die Auswirkung einer Fehlanpassung auf die Unsicherheit der Amplitude als (systematischer) Beitrag vom Typ B behandelt werden. Die Unsicherheit aufgrund einer Fehlanpassung sollte aus den VSWR-Informationen berechnet und durch die Wurzel aus 2 geteilt werden, sodass sie bei Standardunsicherheit in Kombination mit den anderen Beiträgen zur Unsicherheit ausgedrückt wird.

Bandbreitenprüfungen an Oszilloskopen

Der Einfluss von Fehlanpassungen auf die Unsicherheit des Signalpegels kann untersucht und in die Bandbreitenmessung einbezogen werden. Die Anwendungsmethode hängt jedoch vom Ansatz der Bandbreitenprüfung ab. Das häufigste Verfahren ist die Messung der relativen Abnahme der angezeigten Amplitude in dB bei der Nennfrequenz der Bandbreite im Vergleich zur Amplitude bei einer niedrigeren Referenzfrequenz.

Alternativ dazu können Sie auch die Frequenz ermitteln, bei der die Signalamplitude relativ zu einer niedrigeren Referenzfrequenz um 3 dB abfällt. Gehen Sie von einer Amplitudenunsicherheit zu einer Frequenzunsicherheit über, indem Sie die Steigung des Amplitudengangs des Oszilloskops berücksichtigen.

Prüfung des Ansprechverhaltens von Oszilloskopen auf einen Impuls

Bei Impulsen mit schneller Anstiegszeit (Fast Edge), die für Prüfungen des Ansprechverhaltens verwendet werden, können Fehlanpassungen zu Reflexionen führen. Die auf dem Oszilloskop angezeigte Signalform ergibt sich aus der Summe des Impulses, der vom Oszilloskopkalibrator erzeugt wird, und der Reflexion aus dem Eingang des Oszilloskops.

Moderne Oszilloskopkalibratoren wie der Fluke 9500C sind so konstruiert, dass sie diesen Effekt möglichst gering halten, indem sie eine Quelle mit niedriger VSWR bereitstellen. Reflexionen wirken sich typischerweise eher auf die Impulsabweichungen als auf die Anstiegszeit aus.

Moderne Oszilloskopkalibratoren wie der Fluke 9500C sind so konstruiert, dass die Auswirkungen von Impedanz-Fehlanpassungen minimiert werden. Kalibriertechniker und Metrologen müssen ihre Auswirkungen jedoch kennen und sie bei ihren Messunsicherheitsanalysen berücksichtigen. Die Auswirkungen von Fehlanpassungen können auch die Ergebnisse von Prüfungen mit Impulsen beeinflussen, indem sie Reflexionen verursachen. Ggf. beobachtete übermäßige Abweichungen oder Anomalien können darauf hinweisen, dass der Eingang des Oszilloskops beschädigt ist.

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