Handbuch der modernen Messwerterfassung
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nz 38 Ja h re K o mp ete in Me sste c h n ik! Handbuch der modernen Messwerterfassung Teil 2: Erfassen von AC/DC Spannung/Strom/Leistung • Frequenzmessung • Digitale Größen Erwähnte Firmen- und Produktnamen sind zum Teil eingetragene Warenzeichen der jeweiligen Hersteller. Irrtum und Änderung vorbehalten. © 2015 Meilhaus Electronic. MEsstechnik fängt mit ME an. Deckblatt_DAQ-Handbuch.indd 3 MEILHAUS ELECTRONIC GMBH Am Sonnenlicht 2 82239 Alling/Germany Fon Fax E-Mail ++49 (0) 81 41 - 52 71-0 ++49 (0) 81 41 - 52 71-129 [email protected] www.meilhaus.de 12.03.15 15:05 4 Erfassung von Wechselspannungen, -strömen und -leistungen Hier geht es in aller Regel um Spannungsmessungen. Darauf basierend lassen sich auch Ströme und Leistungen ableiten (indirekte Messung). Die in der Praxis zu ermittelnden Spannungen haben zwar meist Sinusform, unterscheiden sich aber extrem in Größe und Frequenz. Ihre Messung ist immer dann besonders anspruchsvoll, wenn eine Leistungsanpassung an das Messgerät nicht möglich und die Frequenz höher als etwa 1 MHz ist. Jedoch können auch bei Niederfrequenzen und Leistungsanpassung signifikante Störungen und Fehler auftreten, wenn Fachwissen fehlt. • Der Spitze-Spitze-Wert 4.1 Kennwerte einer Wechselgröße Er entspricht dem Wert einer Gleichspannung, die an einem Ohmschen Widerstand die gleiche Leistung (Wärmeleistung, Wirkleistung) erzeugen würde wie die Wechselspannung. Eine einfache Spannungsangabe, wie 100 mV, meint nach allgemeinem Verständnis immer den Effektivwert. Die Bezeichnung „quadratisch“ kommt daher, weil man diesem Wert unabhängig von der Kurvenform immer näher kommt, je mehr Augenblickswerte einer Periode man im gleichen Abstand erfasst, quadriert, addiert und dann wieder die Wurzel zieht, sodass eine Betragsbildung erfolgt. Daher auch die Abkürzung RMS (Root Mean Square). Dies ist lediglich eine mathematische Größe; die entsprechende Spannung/der entsprechende Strom existiert real nicht. Gemeint ist nur der vertikale Abstand zwischen positivem und negativem Spitzenwert – und diese Werte werden zu verschiedenen Zeitpunkten erreicht. Für die Spannungsfestigkeit eines Bauteils ist also immer der Spitzenwert maßgeblich. Der Spitze-Spitze-Wert wird gekennzeichnet durch den Index SS. • Der Effektivwert oder quadratische Mittelwert Eine periodische Wechselgröße besteht aus unendlich vielen verschiedenen Augenblickswerten, die einer periodischen Funktion der Zeit gehorchen. Beim Rauschen gibt es nicht einmal diesen periodischen Zusammenhang. Stets jedoch hat man mehrere Möglichkeiten, Spannungswerte zu definieren. • Der Spitzenwert Dieser wird auch Scheitelwert oder Amplitude genannt und ist der höchste vorkommende Augenblickswert. Liefern positive und negative Halbwelle hier unterschiedliche Beträge und meint man den negativen Spitzenwert, ist dies natürlich zusätzlich anzugeben. Die anderen Bezeichnungen sollte man dann nicht verwenden. Der Spitzenwert wird meist durch den Index S beim Formelzeichen gekennzeichnet. Messtechnik fängt mit ME an. • Der arithmetische oder lineare Mittelwert Dieser lässt sich neben dem Effektivwert definieren, und zwar auf folgender Grundlage: Betrachtet man die Spannung bzw. Strom entsprechende Ladungsmenge, so entspricht dieser Mittelwert dem Wert einer Gleich- 25 www.meilhaus.de spannung, bei der über eine Periode zeitgleich die gleiche Ladungsmenge transportiert wird. Das wird verständlicher, wenn man sich anhand einer Periode einer Sinusspannung Folgendes vorstellt: - Sowohl die positive als auch die negative Halbwelle erwärmen den Widerstand gleich, haben also je den gleichen Effektivwert wie die ganze Periode. - Die positive Halbwelle transportiert positive Ladung, die negative Halbwelle negative Ladung, somit ist die Landungsbilanz über eine Periode null und somit auch der arithmetische Mittelwert null. Bei einer Sinusspannung ist dieser Mittelwert also immer null. Anders bei gleichgerichteten Halbwellen oder Pulsen. Dieser Wert entspricht immer der Differenz zwischen den Flächen von positivem und negativem Anteil des Signals. Er lässt sich einfach („linear“) errechnen auf Basis einer Integration (Erfassung der Flächendifferenz zwischen positiver und negativer Halbwelle), daher auch die obigen Bezeichnungen bzw. die Abkürzung MAD (Mean Absolute Deviation). Ein Drehspulinstrument zeigt ab etwa 30 Hz (wo der Zeiger wegen der Trägheit dem Signal nicht mehr folgen kann) unabhängig von der Kurvenform den MAD an. Die nicht massebezogene Messkreisgestaltung bezieht ihre Berechtigung aus möglichen Störspannungen infolge • verschiedenen Massepotentialen bei Sensor und Hardware, • galvanischer Verkopplungen (bei ungünstiger Masseführung), • elektrischen und/oder magnetischen Einkopplungen. In den ersten beiden Fälle entsteht eine Störspannung zwischen den Massepunkten. Sie wird voll wirksam. Letztere Störungen kommen vom Netz oder von daran betriebenen Maschinen/Geräten und besitzen immer Erde/Masse als Bezug, attackieren also voll die „heiße“ Leitung. Durch Abschirmung kann man einem elektrischen Störfeld entgehen. Eine solche Abschirmung ist nur wirksam, wenn sie (möglicht nur am Verstärkereingang) geerdet (mit Masse verbunden) wird. Eine spezielle Abschirmtechnik ist die sogenannte Guard-Schaltung. Hier kommt die Abschirmung an den niederohmigen Ausgang eines 1-Verstärkers. Das Verhältnis von Spitzen- zu Effektivwert nennt man Scheitelfaktor, Formfaktor oder Crest Factor. Die Tabelle unten stellt die Zusammenhänge übersichtlich dar. 4.2 Der Messkreis: symmetrisch oder unsymmetrisch? Es gibt aus praktischer Sicht zwei Arten der Wechselspannungsmessung: nicht massebezogen (symmetrisch, differentiell) und massebezogen (unsymmetrisch, single-ended). Zur Guard-Schaltung (hier Abschirmung gegen ein elektrisches Gleichfeld und ein elektrisches Feld vom US-Netz mit 60 Hz) Kurvenform RMS Sinus symm. Rechteck Dreieck US/√2 = 0,707 US 2 US/3,14 = 0,636 US 0,707/0,636 = 1,11 US US US/US = 1 US/√3 = 0,58 US/2= 0,5 0,58/0,5 = 1,155 Messtechnik fängt mit ME an. MAD RMS/MAD 26 Scheitelfaktor US/RMS = 1,414 US/RMS = 1 US/RMS = 1,73 www.meilhaus.de Ein symmetrischer Messkreis ist auch dann möglich, wenn der Sensor Massebezug hat. Die darauf folgende Hardware muss lediglich „schwimmend“ (ohne direkten oder indirekten Massebezug) betrieben werden. Die differentiellen Eingangsanschlüsse sollten immer dann genutzt werden, wenn der Messkanal eine der folgenden Bedingungen erfüllt: Die Bezugsmasse wird entweder von der Messhardware bereitgestellt oder vom Sensor. Im ersten Fall heißt die Konfiguration Referenced Single-Ended Mode (RSE, massebezogenes Messen), im zweiten Non Referenced Single-Ended Mode (NRSE, nicht massebezogenes Messen). Es stellt sich immer die Frage, ob die Signalquellen massefrei oder massebezogen (direkt oder indirekt geerdet) sind. Massefrei sind z.B. Wandler, Thermoelemente, batteriebetriebene Sensoren, Isolatoren und Trennverstärkern. Jeder isolierte Ausgang bedeutet eine massefreie Signalquelle. Die isolierte Bezugsmasse eines massefreien Signals muss mit der Erdung des folgenden Geräts verbunden werden, um zu verhindern, dass sich das Signal außerhalb des Eingangsbereichs bewegt. Beim massebezogenen Betrieb in einem Gebäude sollte beachtet werden, dass Potentialunterschiede bis zu 100 mV eher typisch als ungewöhnlich sind. Dieser Unterschied kann ganz oder teilweise als Messfehler erscheinen. • Eingangssignal deutlich kleiner als 1 V • Signalleitungen im Meterbereich • Signalleitungen verlaufen durch störende Umgebung • Eingangssignal erfordert separaten Massebezugspunkt Der Nachteil besteht darin, dass sich die Anzahl der Kanäle um die Hälfte reduziert, da ein differentieller Eingang mit zwei unsymmetrischen Eingängen gebildet wird. „Schwimmender“ Betrieb eines massebezogenen Sensors. Eine massebezogene Störspannung (Common Mode Voltage) hebt quasi beide Signalleitungen und bleibt daher unwirksam. (Quelle: NI) Massebezogener Messstromkreis. Ein Störstrom I am Masseleitungs-Widerstand (Lead Resistance) erzeugt eine Störspannung U = I x RL, die sich dem Messsignal voll überlagert. (Quelle: NI) Die massebezogenen Eingangsanschlüsse können lt. National Instruments für jeden Kanal genutzt werden, der eine der folgenden Bedingungen erfüllt: 4.3 Messen von Sinusgrößen mit dem Multimeter • Eingangssignal größer als etwa 1 V • Signalleitungen höchstens wenige Meter lang • Eingangssignal darf gemeinsamen Bezugspunkt mit anderen Signalen haben Messtechnik fängt mit ME an. Multimeter und die zugehörigen Messleitungen bekannter Firmen garantieren sehr viel Sicherheit. Wenn Multimeter und Zubehör nicht harmonieren, prägt immer die Kompo27 www.meilhaus.de nente mit dem niedrigsten Sicherheitsstandard die Gesamtsicherheit. Aber auch eine unsachgemäße Anwendung des Multimeters kann Sach- und Personenschäden bis hin zu tödlichen Unfällen verursachen. Aus diesem Grund müssen die Strom-Buchsen durch Sicherungen geschützt sein. Die interne Sicherung schützt das Multimeter. Aus praktischen Gründen haben Digitalmultimeter insbesondere für die Spannungsmessung keine „Zehner-Messbereiche“, wie 10 V oder 100 V. Sondern die erste Stelle geht meist nur bis 1, hier sind also nur 0 und 1 möglich! Wegen dieser Einschränkung spricht man – ein wenig oberflächlich – von einer 3 ½ stelligen Anzeige (korrekt wäre 3 1/5). Sie läuft immer bis 1999. Vernünftigerweise sind als Messbereiche zum Beispiel 200 mV oder 2 V angegeben. (Korrekt wären 199,9 mV und 1,999 V.) Seltener findet man die 3 ¾ stellige Anzeige, bei welcher die erste Stelle nur die Ziffern 0, 1, 2 und 3 kennt. (Korrekt wäre also die Bezeichnung 3 2/5). Hier kann man beispielsweise die Netzspannung recht genau ermitteln. Eine 3 3/4 stellige Anzeige läuft immer bis 3999. Hier sind als Messbereiche zum Beispiel 400 mV oder 40 V angegeben. Das Multimeter muss im richtigen Modus und Messbereich betrieben werden. Hier sind völlig harmlose wie auch besonders gefährliche Fälle möglich. Am wichtigsten bezüglich Sicherheit ist der richtige Anschluss, nicht die Einstellung! Man darf also bei der Spannungsmessung nicht irrtümlich die Strombuchsen benutzen. Bezüglich Messbereichs-Umschaltung gibt es drei Grundtypen: Ein passives Multimeter zeigt nur den arithmetischen Mittelwert der gleichgerichteten Spannung unabhängig von der Kurvenform an. Ein aktives Multimeter besitzt einen Spitzenwert-Gleichrichter und zeigt daher nur den Spitzenwert unabhängig von der Kurvenform an. Alle Multimeter sind aber für die Effektivwertanzeige bei Sinusform kalibriert. Das heißt, sie zeigen nur bei sinusförmiger Spannung richtig an. • mit manueller Messbereichs-Umschaltung • mit automatischer Umschaltung • mit beiden Modi (wählbar) Vorteilhaft ist die Messbereichs-Automatik. Diese ist nicht mit einer größeren Gefahr der Überlastung verbunden. Allerdings zwingt die manuelle Umschaltung zum Mitdenken beim Messen und stellt für den Betreiber mit etwas Erfahrung kein Problem dar. Manche Multimeter besitzen eine Buchsensperre. Man sollte sie nicht überschätzen. Denn meint der Anwender, die Messleitungen seien in den richtigen Buchsen, dann ist bereits alles zu spät. Er kann dann in den korrekten Spannungsbereich schalten, es hilft nichts. Bei solchen Geräten muss man sich angewöhnen, erst zu schalten dann zu stecken und nicht umgedreht. Je höher die Nennspannung, umso vorsichtiger muss man messen. Wechselspannungen ab 50 V gilt als lebensgefährlich. Aber auch kleinere Spannungen können gefährlich sein, da es durch den Schreck beim Berühren spannungsführender Teile zu reflexartigen Reaktionen kommen kann, die weiteres Ungemach nach sich ziehen. Vor jeder Messung stelle man die höchste zu erwartende Spannung fest. Messtechnik fängt mit ME an. Multimeterkarte 34401A von Keysight für die modulare PXI-Plattform 28 www.meilhaus.de 4.5 Fehlerquellen beim Messen mit dem Scope Wechselgrößen werden nur in einem bestimmten Frequenzbereich korrekt angezeigt. Bei Multimetern ist dieser oft recht eng. Man sollte ihn auf jeden Fall kennen. Dies trifft auch für den Eingangswiderstand zu, der den Messstromkreis belastet und das Ergebnis verfälscht. Das Manual gibt Auskunft. Das wichtigste Merkmal eines Oszilloskops ist seine Bandbreite. Beim analogen Scope ist damit die 3-dB-Bandbreite gemeint. Es liegt immer ein Frequenzgang wie beim einfachen RC-Tiefpass vor. Daher lassen sich Anzeigefehler infolge des Frequenzgangs theoretisch perfekt herausrechnen. Beim digitalen Scope definieren die Hersteller verschieden. Der Frequenzgang wird selten dokumentiert. Er sollte dann vom Benutzer selbst ermittelt werden. Für ein analoges Scope (ART) gelten folgende Korrekturfaktoren: 4.4 True-RMS-Multimeter „True RMS“ kann man auf einigen Multimetern lesen. Diese Typen können den Effektivwert in Grenzen (bis zu einem bestimmten Scheitelfaktor) unabhängig von der Kurvenform messen. Sie basieren auf einem analogen IC, mit denen sich die mathematische Mittelwertbildung durchführen lässt. Hier kann man zwischen den klassischen RMSzu-DC-Konvertern und modernen TrueRMS-Leistungsdetektoren unterscheiden. Signalfrequenz/Bandbreite Faktor 0,2 1,02 0,3 1,04 0,4 1,08 0,5 1,12 0,7 1,22 1 1,41 1,2 1,56 1,5 1,8 Bei den RMS-zu-DC-Konvertern ist die Ausgangsgleichspannung proportional zum echten Effektivwert der Eingangsspannung. Bei den True-RMS-Leistungsdetektoren handelt es sich auch um Spannungsmesser, jedoch sind diese für HF-Kommunikations- und Messsysteme entwickelt und verfügen über entsprechend hohe obere Einsatzfrequenzen bis in den Gigahertzbereich. Daher sind genaue Messungen auch bei modernen Modulationsarten, wie CDMA, möglich. Die Ausgangsspannung ist hier proportional zum Logarithmus des RMS-Werts am Eingang. Mit anderen Worten: Die Anzeige repräsentiert die Eingangsspannung direkt in Dezibel. Bei einer oszilloskopischen Darstellung lässt sich der Spitze-Spitze-Wert am bequemsten ablesen. Gesucht ist jedoch meist der Effektivwert. Bei Sinusform multipliziert man den Spitze-Spitze-Wert mit 0,3535, um den Effektivwert zu erhalten. Dieser Faktor hat unter Genauigkeitsaspekten zwar eine Stelle zu viel, lässt sich aber gut merken. Der ohmsche Anteil am Eingangswiderstand eines als „hochohmig“ geltenden Hochfrequenz-Messgeräts weicht ab ungefähr 1 MHz immer mehr vom Nennwert (in der Regel 1 MOhm) ab. Stets gibt es parallel zu diesem ohmschen Anteil eine Kapazität von etwa 15 pF bei hochwertigen und 30 pF bei Mittelklasse- bis Low-Cost-Typen. Deren Verlustwiderstand steigt mit der Frequenz, daher der Abfall des ohmschen Gesamtwerts. Dies führt mit 30 pF auf folgende GesamtEingangswiderstände: Diese Multimeter sind also recht intelligent und darum auch nicht ganz billig. Frequenz 100 kHz 300 kHz 1 MHz 3 MHz 10 MHz Das Truevolt-Tischmultimeter Keysight 34460A misst den echten Effektivwert und zeigt ihn 6 1/2 stellig an. Messtechnik fängt mit ME an. 29 Eingangswiderstand 50 kOhm 18 kOhm 5 kOhm 1,8 kOhm 500 Ohm www.meilhaus.de Frequenz 10 MHz 20 MHz 50 MHz Bei Messung mit einem 1:1-Tastkopf kommt die Kabelkapazität in der Größenordnung 30 pF noch hinzu. 60 pF bedeuten bei 10 MHz einen Blindwiderstand von -265 Ohm. Der Fehler wird also noch größer. Er lässt sich im Einzelfall anhand einer Ersatzschaltung errechnen. Diese besteht aus „Offen“ meint einen offenen 50-OhmAusgang, „50-Ohm-Abschluss“ einen mit 50 Ohm abgeschlossenen 50-Ohm-Ausgang (Scope „sieht“ dann 25 Ohm). • Urspannungsquelle, • Innenwiderstand (z.B. 75 Ohm) und • Parallelschaltung von Lastwiderstand (z.B. 75 Ohm), ohmschem Eingangswiderstand (Richtwerte: 1 MHz: 500 kOhm, 10 MHz: 30 kOhm, 100 MHz: 500 Ohm) und Parallelkapazität (z.B. 30 pF Kabel + 15 pF Scope = 45 pF) Mit 60 pF Eingangskapazität entstehen folgende Fehler: Frequenz 10 MHz 20 MHz 50 MHz Zu empfehlen ist folgendes Vorgehen: offen 50-Ohm-Abschluss -2 % -0,5 % -6 % -2 % -27 % -10 % Bei anderen Systemimpedanzen ergeben sich entsprechend andere Fehler, bei 75 Ohm z.B. um 50 % höhere. • Schritt 1: Urspannung zu 1 V annehmen und Strom ohne Messinstrument berechnen, z.B. 1 V / (75 Ohm + 75 Ohm) = 6,67 mA • Schritt 2: Gesamtwiderstand aus Last und ohmschem Eingangswiderstand errechnen (z.B. 74 Ohm) • Schritt 3: kapazitiven Blindwiderstand errechnen: -159 kOhm / (MHz x pF) • Schritt 4: verbleibende Parallelschaltung in äquivalente Reihenschaltung wandeln (s. Grundlagenliteratur) • Schritt 5: ohmsche Komponenten addieren, mit dem Ergebnis Scheinwiderstand errechnen (quadratische Addition) • Schritt 6: Strom durch diesen Scheinwiderstand errechnen, z.B. 1 V / 123 Ohm = 8,13 mA • Schritt 7: Verhältnis der Ströme entspricht Messfehler infolge Belastung: 6,67 mA /8,13 mA = 0,82 bzw. -18 % 4.6 Teilertastköpfe nicht überschätzen Ein oft benutzter Zusatz zum Oszilloskop ist der passive Teilertastkopf 1:10. Er verspricht auf den ersten Blick einen kapazitätsarmen und sehr hochohmigen Eingang und damit die problemlose Lösung vieler Messaufgaben. In Wirklichkeit werden die Anwendungsmöglichkeiten jedoch von nicht sofort erkennbaren negativen Eigenheiten überschattet. Weder Hersteller noch Fachbücher weisen ausreichend darauf hin. Je nachdem, ob man an einem offenen oder korrekt abgeschlossenen 50- oder 75-OhmAusgang misst, ergeben sich mit 30 pF Eingangskapazität und 50 Ohm Systemimpedanz die Fehler gemäß Tabelle. Messtechnik fängt mit ME an. offen 50-Ohm-Abschluss -0,4 % vernachlässigbar -2 % -0,5 % -10 % -2,6 % Ein Standard-Tastkopfset, auf 1:1 oder 1:10 30 umschaltbar www.meilhaus.de Obwohl die Kapazität hier recht klein ist, wird der Verlustwiderstand schon ab etwa 100 kHz relevant! In der Praxis sieht die Sache schlimm aus: Drei verschiedene untersuchte Tastköpfe weisen bei 10 MHz nur ungefähr 700, 150 und 40 kOhm auf! Weil bei hohen Frequenzen der ohmsche Anteil am Eingangswiderstand bei einem Scope nennenswert und bei einem 1:10-Tastkopf sehr deutlich vom „unsichtbaren“ Verlustwiderstand der Eingangskapazität mitbestimmt wird, findet man bis 1 GHz spezifizierte passive Tastköpfe selten. Zwar ist der Ohmsche Anteil immer deutlich größer als der kapazitive, doch lässt er sich nicht wegstimmen und nimmt Leistung auf (dämpft). Daher ist er oft so lästig. Ein hochwertiges Teilertastkopfset mit Zubehör (Quelle: Tektronics) Hier macht sich die Kondensatorgüte noch drastischer bemerkbar! Zunächst gesellt sich zur Eingangskapazität des Oszilloskops noch die Tastkopf-Kabelkapazität von 50 bis 100 pF hinzu. Das bedeutet bis 130 pF parallel zum ohmschen Eingangswiderstand 1 MOhm. Wenn wir 90 pF Gesamtkapazität annehmen, so resultiert daraus für die Spannungsteiler-Kapazität im Tastkopf (Trimmer) ein Wert von 10 pF, denn die Produkte aus den beiden Ohmschen Widerständen und den ihnen parallelliegenden Kapazitäten müssen gleich sein: 9 MOhm x 10 pF = 1 MOhm x 90 pF. Das würde 9 pF Eingangskapazität bedeuten (10 pF in Reihe mit 90 pF). Doch ein solcher Tastkopf besitzt ein mehr oder weniger gut schirmendes Gehäuse und damit eine Streukapazität zwischen Tastspitze und Masse. Daher sollte man von etwa 12 pF ausgehen. Angesichts der Tatsache, dass die Kombination 1:10-Tastkopf/Scope bereits ab mehreren 100 kHz kritisch wird, stellt sich die Frage, wie der Teilerfaktor von der Frequenz abhängt. Dabei darf man nicht das dem Scope-Eingang parallelliegende Tastkopfkabel vergessen! Dieses bewirkt nämlich, dass nun für die beiden in Reihe liegenden RCKombinationen 10 MOhm parallel Trimmer und 1 MOhm parallel 15...30 pF plus Kabelkapazität ein ähnliches Verhalten angenommen werden kann. Da die Scope-EingangsGesamtkapazität neunmal größer ist als die Trimmerkapazität, ist auch ihr Verlustwiderstand ungefähr neunmal größer als der des Trimmers. Wäre dies nicht ungefähr, sondern exakt der Fall, so würde der Teiler bei jeder Frequenz 1:10 teilen. Daher ist nur ein geringer Messfehler zu befürchten. Dies belegen auch Versuchsmessungen. Die größte negative Überraschung bei passiven Teilertastköpfen dürfte das steile Absinken des ohmschen Eingangswiderstands mit der Frequenz sein. Der Abfall ist aus folgenden Gründen drastisch: Hauptsächlich störend ist somit nur das starke Absinken des Ohmschen Anteils am Eingangswiderstand. Die Frequenzabhängigkeit des Teilerfaktors bleibt jedoch in vertretbaren bzw. engen Grenzen, insbesondere wenn der Tastkopf spezielles Zubehör des Scopes ist. • Die Güte eines Kondensators fällt in der Regel mit der Frequenz. Man sieht: Das Problem ist nicht auf Anhieb voll zu erfassen und kann leicht vernachlässigt werden. Für das Frequenzverhalten des ohmschen Eingangswiderstands lassen sich immerhin Richtwerte angeben. • Der sich aus der Güte ergebende Verlustwiderstand ist indirekt proportional zum Blindwiderstand des Kondensators und somit zur Frequenz. Messtechnik fängt mit ME an. 31 www.meilhaus.de Equipment Teiler 1:10 aktiver Tastkopf aktiver Tastkopf mit Aufsteckteiler 1 MHz 5 MOhm 10 MOhm 10 MOhm Stimmen jedoch die Kapazitäten nicht, setzt die Kapazitätsabhängigkeit des Teilerfaktors schon bei unvermutet niedriger Frequenz ein. Als Grenze zwischen Ohmscher und kapazitiver Teilung sieht man die so genannte Übergangsfrequenz (von Ohmscher zu kapazitiver Teilung) an. Diese erhält man, indem man 0,16 durch die Teilerzeitkonstante teilt, hier also 0,16 / (10 pF x 9 MOhm) = 0,16 / 90 ms rechnet und nur 1,78 kHz erhält. Folglich muss so ein Tastkopf auch für Messungen im Audiobereich exakt abgeglichen sein! Dieser Abgleich mithilfe eines oft vom Scope selbst bereitgestellten Rechtecksignals wird in der Literatur ausführlich dargestellt. 10 MHz 100 kOhm 1 MOhm 1 MOhm 100 MHz 1 kOhm 50 kOhm 50 kOhm 1 GHz 20 Ohm 200 Ohm Zur Angabe einer Rauschspannung gehört immer die Rauschbandbreite, innerhalb derer sie auftritt. Dies ist die Breite eines idealen Filters, welches in gemeinsamer zeichnerischer Darstellung die gleiche Fläche aufweist wie der reale Vierpol, in dem das Rauschen auftritt. Dies muss man oft abschätzen. Für einfache Filter gilt: Rauschbandbreite = 1,25 x 3-dB-Bandbreite. Wird zum Beispiel das Signal eines breitbandigen Rauschgenerators an ein 100-MHzAnaloggerät gelegt, so kann man von 125 MHz Rauschbandbreite ausgehen. Ist der vertikale Stich in Stellung 10 mV / Div. sechs Kästchen hoch, so beträgt der SpitzeSpitze-Wert 600 mV und der Effektivwert 100 mV (600 mV / 6). 4.7 Rauschspannungen richtig messen Beim Rauschen ist man besonders am Effektivwert interessiert wegen der damit leicht zu ermittelnden Leistung. Der Scheitelfaktor von weißem (über die Frequenz gleichmäßigem) Crest-Faktor ist deutlich vom Wert für Sinusspannung verschieden, nämlich mit rund 3 mehr als doppelt so groß! Auch beim Rauschen gelingt die Feststellung des Spitze-Spitze-Werts im Oszillogramm am einfachsten. Diesen erhält man praktisch vorteilhaft, wenn man beim analogen Scope die Horizontalablenkung ausschaltet. Man sieht also lediglich einen senkrechten Strich auf dem Bildschirm. Nun justiert man Helligkeit und Schärfe so, dass dieser Strich schwach leuchtend und scharf abgegrenzt erscheint. (Andernfalls spricht man von Blooming, also „vollem Blühen“, ein Effekt, der die Genauigkeit trübt.) Die Länge des Strichs entspricht dem Spitze-Spitze-Wert der Rauschspannung. Teilt man diesen durch 6, erhält man mit guter Genauigkeit den Effektivwert. Messtechnik fängt mit ME an. Zur Definition der Rauschbandbreite Wird die Bandbreite halbiert, halbiert sich die Rauschleistung, infolgedessen sinkt die Spannung nur um rund 29 %. Ein 50-MHz-Scope würde statt 600 mV Spitze-Spitze nicht 300 mV Spitze-Spitze, sondern 424 mV Spitze-Spitze (600 mV / 1,414) anzeigen. 32 www.meilhaus.de 4.8 Tipps für die HF-Strommessung nen Wicklung, so wird der Abschlusswiderstand praktisch in die Leitung transformiert. Das erscheint unlogisch, da ja die Leitung nicht aufgetrennt wird, jedoch erfolgt Leistungsentzug über das Magnetfeld in den Abschlusswiderstand, so als ob ein Widerstand direkt eingefügt wurde. Interessant ist die Tatsache, dass in einem gestreckten Antennendraht oder auch Radial an verschiedenen Punkten verschiedene Ströme gemessen werden. Das rührt daher, dass dieses Gebilde strahlt. Die direkte Strommessung in der HFTechnik ist insofern problematisch, als • das Messgerät eine Kapazität und • die Leitungen zum Instrument eine Induktivität darstellen. Somit besteht einmal eine kapazitive Belastung und zum zweiten die Gefahr, dass die Leitungen wie eine Antenne strahlen. Der Profi misst HF-Ströme mit einem kommerziell gefertigten Stromwandler(trafo), dessen populärste Ausführungsform die Stromzange ist. Der Zangenkörper besitzt einen Kanal, in dem ein Schieber gleitet. Damit wird der Kern geöffnet und geschlossen. Eine solche Stromzange kann man sowohl an ein Scope als auch an ein anderes HFSpannungsmessgerät anschließen. Man wird daher indirekt messen an einem kleinen Widerstand. Wird dieser extra dafür eingebracht, sollte man ihn möglichst nicht gegen Masse schalten, um die bei HFSchaltungen so wichtigen bestleitenden Masseverhältnisse nicht zu stören. Eine problematische Differenzmessung kann man dabei umgehen, wenn man die Spannungen am Widerstand gegen Masse misst und sich die Differenz ausrechnet. Hierbei hat allerdings der Tastkopf mit seiner Eingangsimpedanz größeren Einfluss auf die Schaltung als direkt über dem Widerstand! Der Vorverstärker ist meist für 50 Ohm Last kalibriert, sodass bei einem hochohmigen Messgerät ein Fehler bis zu +100 % auftreten kann. Ein 50-Ohm-Abschlusswiderstand am hochohmigen Messgeräteingang führt zu einer korrekten Anzeige. Man sollte darauf achten, dass der Kern nicht durch hohe Gleichströme in die Sättigung getrieben wird, sodass ein zusätzlicher Messfehler entsteht. Ein Vorsatz zur Differenzmessung erscheint nach dieser Überlegung sinnvoller und nützlicher als auf den ersten Blick. Für mittlere HF-Ströme kann man einen Thermoumformer einsetzen. Ein spezielles Thermoelement wird dazu in den Messstromkreis eingefügt, wieder gilt: Das Thermoelement möglichst nicht gegen Masse schalten. Die zwischen den Lötstellen entstehende Spannung ist im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Lötstellen abhängig. Der Widerstand des Thermoelements liegt bei einigen Ohm. Solche Thermoumformer besitzen ein kleines Glasgehäuse und funktionieren mindestens bis 100 MHz gut. Im Gegensatz zum Ohmschen Widerstand wird die Leistung unabhängig von der Kurvenform richtig gemessen. 4.9 Was leistet ein Spektrumanalysator? Der Spektrumanalysator ist heute ein erschwingliches Standardmessgerät. Er selektiert Eingangssignale durch analoge Filter mit unterschiedlichen Bandbreiten und stellt sie über fast beliebige Frequenzbereiche logarithmisch dar. Spektrumanalysatoren eignen sich insbesondere für folgende Anwendungen: • Messung von Klirrfaktoren • Messung von Intermodulation • Bestimmung von Interferenzen • diverse EMV-Messungen Wie bei Gleichstrom, so bildet sich auch bei Wechselstrom ein magnetisches Feld um den stromführenden Leiter. Führt man diesen durch einen Ringkern mit einer abgeschlosse- Messtechnik fängt mit ME an. 33 www.meilhaus.de • Bestimmung von Störspannungsabständen • Messung von Oszillatorrauschen • Bestimmung eines Kompressionspunktes • Modulationsmessungen • in Verbindung mit einem Wobbler: Bestimmung des Frequenzgangs Bei einem Spektrumanalysator mit eingebautem Tracking-Generator (Mitlaufgenerator) werden beide Teile vom gleichen spannungsgesteuerten Oszillator synchronisiert, sodass sich die Frequenz des Generators immer in der Mitte des Durchlassfilters des Analysators befindet. Der Tracking-Generator wobbelt den gesamten Frequenzbereich abhängig von der aktuellen Messfrequenz des Analysators durch. Oberwellen des Signals − seien sie auch im Mitlaufgenerator oder im Spektrumanalysator entstanden − liegen immer außerhalb des Durchlassbereichs des Filters. So bleiben störende Einflüsse der Oberwellen außen vor. Die Spektrumanalysatoren der Serie Rigol DSA800 haben ein großes Display, kompakte Abmessungen und sind einfach und übersichtlich zu bedienen. Damit sind sie sowohl für Anwendungen im Labor als auch im Feld für HF- und Wireless-Test und Produktion geeignet. 4.10 Netzwerkanalyse: die S-Parameter Mit dem Tracking-Generator gelingen nicht nur Frequenzgangmessungen an Filtern, Verstärkern oder Mischern optimal; ebenso lassen sich Reflexionsfaktoren und Rückflussdämpfungen messen und somit auch Stehwellenverhältnisse ermitteln. Das Ausgangssignal des Generators wird in das zu untersuchende Objekt eingespeist und dessen Ausgangsspannung dem Eingang des Spektrumanalysators zugeführt. Die Ausgangsamplitude des Tracking-Generators ist einstellbar. Ein Netzwerkanalysator (Network Analyzer, NA) wird in der Elektronik, Nachrichtentechnik und besonders in der Hochfrequenztechnik eingesetzt, um die S-Parameter (Scattering Parameters, Streuparameter) von passiven und aktiven Vierpolen (Device Under Test, DUT) als Funktion der Frequenz zu messen. Er sendet dazu ein definiertes Signal (hinlaufende Welle) auf das DUT. Der Prüfling reflektiert dieses Signal nicht (Anpassung) bis größtenteils (weglaufende Welle am Eingang). Am Ausgang des DUT erscheint eine weglaufende Welle. Im Zero-Span-Betrieb wird der Lokaloszillator des Spektrumanalysators auf eine feste Frequenz eingestellt. Das Gerät wirkt wie ein Radio mit einem schmalen Bandpassfilter Angezeigt wird das zeitliche Verhalten der Amplitude des Signals bei der eingestellten Frequenz. Besitzen Spektrumanalysatoren einen Kopfhörerausgang, erlauben sie damit ein Mithören der Modulation im Zero-SpanBetrieb. Dies hat verschiedene Vorteile. Es lassen sich vier S-Parameter definieren. Die Gründe für die Verwendung von SParametern sind vor allem technologischer (messtechnischer) und systematischer Natur (HF-Schaltungsentwurf). Ein- und Ausgang sind hier für maximale Leistungsübertragung abgeschlossen (Leistungsanpassung). Für einen Vierpol lauten die S-Parameter S11, S12, S21 und S22 und verknüpfen die auf die beiden Tore des Vierpols hinlaufenden Wellengrößen a1 und a2 mit den von diesen Toren weglaufenden Wellengrößen b1 und b2. Die Wellengrößen a und b sind direkt Die klassische Spektrumanalyse versagt bei der Darstellung von einmaligen Vorgängen. Für diese Anwendungen gibt es die EchtzeitSpektrumanalyse (RTSA). Messtechnik fängt mit ME an. 34 www.meilhaus.de proportional zu den an den Toren anliegenden Spannungen und den dort fließenden Strömen, wobei die Referenzimpedanz meist 50 Ohm ist. Die S-Parameter basieren auf dem Vergleich der hin- und weglaufenden Wellen an einem Vierpol mit definierter Ein- und Ausgangsimpedanz. (Quelle: Wikipedia) Die S-Parameter beschreiben das Verhältnis von weglaufender Welle b zu hinlaufender Welle a. Sie haben daher keine Einheit. Im Einzelnen gilt: • S11: Reflexion am Tor 1 bei Abschluss am Tor 2 (a2 = 0) 4.11 Isolation - warum und wann? • S21: Vorwärts-Transmission bei Abschluss am Tor 2 (a2 = 0) In vielen Fällen sollte für eine ausreichende Isolation zwischen Anwender und gefährlichen Spannungen gesorgt werden. Diese lässt sich in • S12: Rückwärts-Transmission bei Abschluss am Tor 1 (a1 = 0) • elektrische Isolierung und • in Sicherheitsisolierung • S22: Reflexion am Tor 2 bei Abschluss am Tor 1 (a1 = 0) unterteilen. Bei der elektrischen Isolierung werden Masseleitungen zwischen zwei elektrischen Systemen getrennt. Eine große Masseschleife ist nicht mehr möglich, das erhöht Störresistenz und Gleichtaktbereich. Sicherheitsisolierung dient dem Schutz von Personen vor gefährlichen Spannungen, vermeidet aber gleichzeitig auch sogenannte Transienten, d.h. kurzzeitige sehr hohe Spannungen z. B. infolge Induktion. „Abschluss“ bedeutet Anschluss des Referenzwiderstands (meist 50 Ohm). Die S-Parameter sind dimensionslose, aber komplexe Zahlen. Sie informieren daher nicht nur über den Grad der Anpassung/ Fehlanpassung, sondern auch über die bei der Teilreflexion (Scattering) erfolgte Phasenänderung in Grad. Da auch Ein- und Ausgangsgrößen verglichen werden, sind Verstärkung und Rückwirkung ebenfalls darstellbar. Isolierung in einem Datenerfassungssystem hat also folgende Wirkungen: Zur Interpretation von S-Parametern dient die Tabelle unten. • Verhinderung von Masseschleifen • Unterdrückung von Gleichtaktspannungen • Gewährleistung der Sicherheit Während die Transmission zumeist in einem kartesischen Diagramm dargestellt wird, bevorzugt man für die Reflexion häufig das Smith-Diagramm. Parameter S11, S22 S11, S22 S11, S22 S12, S21 S12, S21 S12, S21 S12, S21 Verhältnis(bereich) -1 0 1 0 >0...<1 1 >1 Messtechnik fängt mit ME an. Masseschleifen kann man sich als Reihenschaltung eines niederohmigen Widerstands Bedeutung Totalreflexion, Spannungsinversion keine Reflexion (Leistungsanpassung) Totalreflexion, Strominversion keine Leistungsübertragung Dämpfung „Einsverstärkung“ (Unity Gain) (echte) Verstärkung 35 www.meilhaus.de mit einer Induktivität vorstellen. Somit rufen Gleich- und Wechselströme oder pulsartige Ströme Störspannungen darin hervor. Diese können zu erheblichen Fehlern bei der Messung führen. Ein typischer Störenfried sind Netz-Brummspannungen. Isolierte Messhardware stellt sicher, dass nur eine Bezugsmasse im Messsystem vorhanden ist. Kein Strom kann mehr zwischen mehreren Erdungspunkten fließen. Einsatz eines Trennverstärkers zum Messen des Stroms in einer Leitung mit einer Spannung im Kilovoltbereich Die Kenntnis der Isolationsarchitektur eines Geräts ist bei der Einrichtung eines Messsystems von entscheidender Bedeutung. Kosten und Geschwindigkeiten variieren je nach Architektur. 4.12 Schwingung/Beschleunigung/ Erschütterung Am robustesten ist die Isolierung jedes einzelnen Kanals. Jeder Kanal besitzt auch eine eigene isolierte Stromversorgung. Ein Trennverstärkers mit einem A/D-Wandler pro Kanal ist schnell, weil auf alle Kanäle parallel zugegriffen werden kann. Kostengünstiger, aber langsamer ist die Methode, jeden isolierten Eingangskanal in einen einzigen A/D-Wandler zu multiplexen. Auch eine isolierte Stromversorgung für alle Kanäle ist hier möglich. Zur Erfassung von Bewegungsvorgängen, wie Schwingung, Beschleunigung oder Erschütterung, dienen folgende Sensoren: • piezokeramischer Beschleunigungssensor • induktiver Sensor/LVDT (Linear Variable Differential Transformer) • Näherungssensor • Sensor mit variabler Reluktanz Bei der Anordnung der Kanäle als Kanalbänke werden mehrere Kanäle zu Gruppen mit einem gemeinsamen Trennverstärker zusammengefasst. Hier ist die Abweichung der Gleichtaktspannung zwischen den einzelnen Kanäle zwar auf einen bestimmten Wert beschränkt, jedoch werden zwischen den Kanalbänken und den nicht isolierten Komponenten starke Änderungen der Gleichtaktspannung toleriert. Eine Kanalbank ist zwar gegen andere Bänke und gegen Masse isoliert, intern aber nicht. Daher ist diese Variante recht kostengünstig. Die wichtigsten Beurteilungskriterien sind: • natürliche Frequenz • Dämpfung • Skalenfaktor Natürliche Frequenz (Eigenfrequenz) und Dämpfung (hervorgerufen durch Reibung, ausgedrückt als Koeffizient) bestimmen die Genauigkeit. Der Skalenfaktor ist wie üblich das Verhältnis von Ausgangsgröße zu Eingangsgröße und somit ein Maß für die Empfindlichkeit. Elektronische Baugruppen, wie Trennverstärker, können mit drei Methoden isoliert werden: Für Schwingungen, Beschleunigungen als auch Erschütterungen benutzt man meist einen Sensor aus Piezokeramik. Diese Vielseitigkeit beruht auf der hohen natürlichen Frequenz (bis 5 kHz). Die Ausgabewerte liegen im Millivoltbereich und erscheinen an einem hohen inneren Widerstand. • kapazitiv (zwei Trennkondensatoren im Differenzeingang) • induktiv (Trenntransformator) • optisch (Optokoppler) Messtechnik fängt mit ME an. 36 www.meilhaus.de Schwingungsmessungen beschränkt. Das liegt auch an seiner natürlichen Frequenz von nur 10...30 Hz. Der Skalenfaktor ist gut brauchbar. Ein Schwingungssensor mit variabler Reluktanz (= magnetischer Widerstand) nutzt einen Permanentmagneten und eine Spule. Er gleicht daher im Prinzip einem dynamischen Mikrofon. Es erscheint nur ein Signal, wenn die von ihm gemessene Masse in Bewegung ist. Dadurch eignet er sich besonders für Erschütterungen. Die natürliche Frequenz liegt um 100 Hz. Unterschiedliche Skalenfaktoren sind möglich. Ein Beschleunigungssensor (auch Beschleunigungsmesser, Accelerometer, B-Messer oder G-Sensor) ist ein Sensor, der seine Beschleunigung misst. Dies erfolgt meistens, indem die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. Der Grundaufbau eines LVDTs ist der eines Differentialtransformators. (Quelle Wikipedia. Der induktive Sensor/LVDT ist ein Spezialtransformator und benötigt Hilfsenergie. Er erreicht natürliche Frequenzen von maximal 100 Hz. Der Skalenfaktor ist gut brauchbar und über die Hilfsenergie beeinflussbar. Der induktive Winkelsensor (RVDT, Rotary Variable Differential Transformer) als Gegenstück zum LVDT dient übrigens der Positionsbestimmung. Beide sind sehr robust und präzise, verlangen jedoch einen hohen Aufwand und somit Preis. In den letzten Jahren erlangten miniaturisierte Beschleunigungssensoren Bedeutung. Diese sind mikroelektromechanische Systeme (MEMS) in Form von Feder-MasseSystemen, bei denen die „Federn“ nur wenige Mikrometer breite Siliziumstege sind und auch die Masse aus Silizium besteht. Durch die Auslenkung bei Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der elektrischen Kapazität gemessen werden. Der gesamte Messbereich entspricht einer Kapazitätsänderung von ca. 1 pF. Die Elektronik zur Auswertung dieser kleinen Kapazitätsänderung wird dann gleich auf demselben Halbleiterbaustein integriert. Ein Näherungssensor ist im Prinzip eine mit dem Schleifer eines Potentiometers verbundene Federmasse und auf stationäre Beschleunigungs- oder niederfrequente Messtechnik fängt mit ME an. 37 www.meilhaus.de 5 Frequenzmessung mit Scope und Zähler 5.2 Wie genau messen? Die Frequenz einer vom Oszilloskop dargestellten Wechselspannung lässt sich nur auf etwa +/-3 % genau ermitteln. Das genügt oft für Takt- und Niederfrequenzen oder für Kontrollzwecke im HF-Bereich. Jedoch ist es für die Messung von Frequenzen im Bereich der HF-Technik im Vergleich zur Frequenzmessung in anderen Bereichen, wie Digitaloder Niederfrequenztechnik durchaus typisch, dass eine extrem hohe Genauigkeit gefordert wird. Denn sowohl bewährte analoge wie auch moderne digitale Übertragungstechniken verlangen eine besonders hohe Frequenzstabilität und -genauigkeit. Gegenüber der Messung von Spannungen oder Temperaturen ist bei der Messung von Frequenzen, insbesondere von Hoch- und Mikrowellen-Frequenzen, eine geradezu astronomisch höhere Genauigkeit gefragt. Die relative Anzeigetoleranz, mit der insbesondere in der Funktechnik Frequenzen erfasst werden müssen, richtet sich in erster Linie nach dem Absolutwert der Messgröße. Um dies zu verstehen, sei der Kurzwellenbereich von 3 bis 30 MHz betrachtet. Sowohl am unteren als auch am oberen Ende arbeiten Stationen in der Betriebsart SSB. Dabei führt ein Frequenzversatz von 100 Hz zwischen Sender und Empfänger schon zu Verständigungsschwierigkeiten. Relativ ausgedrückt bedeutet diese Abweichung bei 3 MHz 33 ppm (parts per million, 1 ppm = 10-6) und bei 30 MHz 3,3 ppm. 5.1 Frequenzermittlung mit dem Oszilloskop Man ermittelt die Periodendauer und bildet den Kehrwert. Die Periodendauer erfasst man z.B. als Abstand zwischen zwei benachbarten Spitzenwerten. Für höchste Ablesegenauigkeit legt man einen Spitzenwert auf den ersten linken vertikalen Strich und stellt die Zeitbasis so ein, dass der nächste Spitzenwert möglichst weit rechts erscheint. Die Toleranz des Messgeräts muss natürlich deutlich kleiner sein als die zu erfassende Abweichung. Ein Frequenzzähler hat wie jedes digital anzeigende Messgerät einen prinzipbedingten Grundfehler von +/-1 Digit der letzten Stelle. Springt die letzte Stelle zwischen zwei Werten hin und her, ist das durchaus normal, weil der Messwert eben leicht um die Grenze zwischen den Werten schwankt. Achtung, an analogen Oszilloskopen gibt es einen Steller, mit dem sich die Darstellung horizontal dehnen oder stauchen lässt. Dieser muss natürlich in seiner Nullstellung stehen. Beispiel: ein Kästchen = 40 ns, Abstand zweier Spitzenwerte 4,7 Kästchen, Periodendauer 40 ns x 4,75 = 190 ns, Frequenz = 5,26 MHz Lässt man diese Unsicherheit außer acht, so wird die Genauigkeit vollständig von der Zeitbasis bestimmt. Der Kehrwert der Frequenzabweichung der Zeitbasis ist gleich dem Messfehler, denn bei zu hoher ZeitbasisFrequenz werden zu wenig Perioden gezählt und umgekehrt. Folgt als Fazit: Frequenzmessungen mit dem Scope gelingen leicht, sind aber oft nicht genau genug. Messtechnik fängt mit ME an. 38 www.meilhaus.de 5.3 Frequenzzähler in der Praxis Für die Anwendung eines Zählers ist daher in erster Linie das „Benehmen“ der Zeitbasis von Interesse. Die klassische Funktion des Zählers beruht auf einem sogenannter Torimpuls, der die zu zählenden Perioden des Messsignals für eine bestimmte „Torzeit“ zum zählenden Teil des Messgeräts durchlässt. Es wird also für eine definierte Zeit ein internes „Tor“ geöffnet. Dabei stellt eine Periodendauer den einzukalkulierende Fehler dar, denn die erste und letzte Periode kann gewissermaßen „gerade noch“ oder „gerade nicht mehr“ erfasst werden. Die Geräte dieser Keysight-Zähler-Familie bieten hohe Genauigkeit, Bandbreite und Messgeschwindigkeit. Erfahrungsgemäß kann sich hinter der Abkürzung TCXO sowohl ein temperaturkompensierter als auch ein temperaturgeregelter Oszillator oder aber ein echter Quarzofen mit seiner konsequenten Wärmeisolation verbergen. Das C könnte somit auch die Worte Compensated (kompensiert) oder Controlled (geregelt) symbolisieren. Hieraus folgt, dass die Messgenauigkeit steigt, je länger man misst. An fast jedem Zähler kann man daher die Torzeit einstellen (optimieren). Die erläuterte Notwendigkeit sehr genauer Frequenzmessung führt zu hohen Torzeiten und somit „Wartezeiten“. Daher wurden alternative Messverfahren, wie Doppelzähler und Reziprokzähler, entwickelt. Heutige TCXOs im SMT-Gehäuse haben so geringe Driften, dass sie in ppb (parts per billion; billion meint im amerikanischen Million, 1 ppm = 1.000 ppb) angegeben werden. Entscheidend für den Anwender sind die Herstellerangaben bezüglich Toleranz und Stabilität. Der zweitwichtigste Punkt nach der Messgenauigkeit ist der Messbereich. Zähler mit oberen Einsatzfrequenzen im zweistelligen Gigahertzbereich sind bereits weit verbreitet. Klassisches Prinzip des Frequenzzählers Bei diesen modernen Zählern gibt es meist zwei Eingänge: Eine möglichst hohe Quarzfrequenz ist wichtig, denn Quarze für kleine und mittlere Frequenzen sind wesentlich temperaturabhängiger als solche mit Frequenzen von einigen Megahertz (Grundwellentypen) bis 100 MHz (Oberwellentypen). Ein Standard ist 10 MHz. • einen Eingang mit einer Eingangsimpedanz wie bei einem Oszilloskop für Frequenzen bis mindestens 100 MHz und • einen zweiten Eingang mit 50-OhmImpedanz für höhere Frequenzen. Um der Temperaturabhängigkeit entgegenzuwirken, wird die Zeitbasis mit einem TCXO erzeugt. TC steht normalerweise für Temperaturkoeffizient (Temperature Coefficient). Messtechnik fängt mit ME an. „Preistreiber“ bei den Zählern sind obere Einsatzfrequenz und Stellenanzahl (Qualität der Zeitbasis). 39 www.meilhaus.de 5.4 Die wichtigsten Messtipps In kritischen Fällen kann man ein Oszilloskop als Helfer heranziehen: Man beobachtet damit das Signal und stellt durch Kehrwertbildung der Periodendauer die ungefähre Frequenz fest. Den Zähler für die präzise Messung schaltet man nicht etwa parallel zum Scope-Eingang, sondern an den oft vorhandenen Y-Ausgang (Ausgang des ScopeEingangsverstärkers) an. So kann man auch die Zähler-Eingangsspannung mit dem Vertikalsteller optimieren (verstärken oder dämpfen). Ein „hochohmiger“ Zählereingang ist vollständig mit einem Oszilloskopeingang vergleichbar. Allerdings dürfte hier weniger das starke Fallen der Impedanz mit steigender Frequenz stören als vielmehr die Parallelkapazität von beispielsweise 30 pF, welche doch die Messfrequenz je nach Messobjekt mehr oder weniger stark beeinflussen kann. Dies wäre also stets zu beachten. Die Empfindlichkeit liegt im Bereich 10 bis 100 mV für Sinusspannungen und ist meist bei geringen Frequenzen größer als bei hohen. Man muss aufpassen, dass man nicht an der unteren Grenze operiert, sodass einzelne Perioden „verschluckt“ werden könnten, der Zähler zeigt dann eine zu kleine Frequenz an. Ebenso muss man die obere Grenze von meist wenigen Volt berücksichtigen, um den Eingangsverstärker nicht zu übersteuern. Und ob einfache oder aufwändige Zeitbasis – man sollte dem Zähler für möglichst genaue Absolutmessungen eine Einlaufzeit von mindestens 15 min gönnen und die optimale Umgebungstemperatur (Zimmertemperatur) anstreben. Der Autor hat an verschiedenen Mittelklasse-Zählern nach 15 min Einlaufzeit Driften von minimal 0,5 bis 2,5 ppm und nach weiteren 15 min von weniger als 0,1 bis 2 ppm gemessen. Der Messfehler eines Zählers hängt von der Fehlergrenze der Zeitbasis, vom Fehler der Torschaltung (Schaltzeit), vom Fehler der Triggerschaltung und von der Anzahl der signifikanten Stellen ab. Typisch sind Werte von 10 bis 0,1 ppm. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann manchmal eine externe Zeitbasis (Quarzofen, DCF77- oder GPSsynchronisierter Oszillator) angeschlossen werden. Die Erweiterung eines Zählers mit einem externen Vorteiler ist eine einfache Möglichkeit, um auch sehr hohe Frequenzen messen zu können. Die Auflösung verschlechtert sich dabei allerdings um den Teilerfaktor. Dies resultiert daraus, dass der eigentliche Zähler nur noch eine um den Teilerfaktor kleinere Frequenz zählen kann. Man wähle daher den Teilerfaktor so niedrig wie möglich. Viele Zähler besitzen einen Einstellknopf für die Triggerschwelle am Eingang. Man kann damit ein Niveau einstellen, welches das Messsignal überschreiten muss, um gezählt zu werden. Damit verbessert man die Störsicherheit. Denn nicht immer muss ein hohes Triggerniveau zum richtigen Ergebnis führen, sondern es wird auch falsch angezeigt, wenn die Schwelle eine gewisse Höhe hat. Merke: Mit fehlerhaften Einstellungen werden stets zu viele Schwingungen gezählt oder es wird nichts angezeigt. Es versteht sich von selbst, dass bei der Frequenzmessung gemischter oder modulierter Signale eine besondere Sorgfalt und genaue Überlegungen geboten sind. Messtechnik fängt mit ME an. Optional erhältliche Vorsätze erlauben Messungen im Mikrowellenbereich. 40 www.meilhaus.de 5.5 Referenzfrequenzquellen Um den entscheidenden Zeitbasisfehler eines Zählers festzustellen (Einlaufverhalten, Langzeitdrift, Temperaturgang und permanente Abweichung), benötigt man eine Referenzfrequenz. Hintergrund-Info: Seit 1967 wird auf Basis des Cäsiumatom-Frequenznormals definiert, was eine Sekunde ist. Das dazu geschaffene Equipment bezeichnet man als Primärfrequenznormal. Jedes andere – zuvor und auch heute noch benutzte – Normal stellt ein Sekundärfrequenznormal dar. (Das heißt jedoch nicht zwangsläufig, dass sie weniger genau sein müssen. So überbietet ein Wasserstoffnormal die durch Alterung bedingte Genauigkeit des Primärnormals etwa um den Faktor 100.) Diese Normale kosten relativ viel und bieten Genauigkeiten bzw. Alterungsraten, die im durchschnittlichen Entwicklungslabor kaum benötigt werden. Die Mindeststabilität von z.B. 10-10 eines Rubidium-Normals bedeutet 0,1 Hz Abweichung bei 1 GHz. Messtechnik fängt mit ME an. Die Frequenzreferenzquelle N9322C-PFR für hohe Ansprüche Für durchschnittliche Zwecke genügen beispielsweise preiswerte Quarzöfen mit Alterungsraten um 0,3 ppm pro Monat und Temperaturdriften in der Größenordnung 0,5 ppm im Bereich 0...30 °C. Weitere praktikable Möglichkeiten stellen ein analoges oder ein digitales DCF-PLLFrequenznormal (Langzeitstabilität wird vom Sender DCF77 gewährleistet) oder zeitgemäßer ein GPS-Frequenznormal dar. 41 www.meilhaus.de 6 Erfassung pulsierender/digitaler Größen Ein Puls ist eine regelmäßige Folge von Impulsen. Ein Impuls wird im Wesentlichen durch Anstiegs- und Abfallzeit, Breite und Amplitude gekennzeichnet. Um diese Größen zu ermitteln, stellt man ihn mit dem Oszilloskop dar. Beispielsweise ein 100-MHz-Scope stellt eine ideale Flanke so dar, dass im Abschnitt zwischen 10 % und 90 % des Höchstwerts 3,5 ns vergehen. Ist der Impuls nicht mindestens etwa 5 ns lang, wird der Höchstwert gar nicht korrekt dargestellt. Um die reale Anstiegszeit eines Signals zu erhalten, zieht man die Wurzel aus tmess2 - tScope2. Wird auf dem Bildschirm eines 100-MHz-Scopes eine Anstiegszeit von 5 ns dargestellt, hat die reale Flanke eine Anstiegszeit von rund 3,6 ns. Bei einem kontinuierlichen Puls kommen noch Frequenz und Tastverhältnis hinzu. Auch diese Größen kann man meist hinreichend genau mit dem Scope ermitteln Besteht der Puls aus einer definierten Anzahl von Impulsen oder hat eine definierte Zeitdauer, bemüht man die One-Shot-Funktion des DSOs. Es erfolgt eine einmalige, durchgehend zeitgetreue Aufnahme des Signals beispielsweise innerhalb einer Millisekunde. Hier bestimmt die Bandbreite die maximal sinnvolle Sampling Rate, die in MS/s nicht größer als die vierfache Bandbreite in MHz sein muss. 6.2 Eigenanstiegszeit eines Tastkopfs Wegen seiner parasitären Kapazitäten hat auch ein passiver Teilertastkopf eine obere Grenzfrequenz, die es umso mehr zu beachten gilt, je näher sie an der OszilloskopGrenzfrequenz liegt. Man muss dann die entsprechenden Korrekturfaktoren für Tastkopf und Scope ermitteln und multiplizieren. 6.1 Eigenanstiegszeit eines Oszilloskops Es kann daher bei hoher Scope-Bandbreite nicht schaden, mithilfe eines durchstimmbaren HF-Signalgenerators die Grenzfrequenz des Systems Oszilloskop/Tastkopf zu ermitteln. Die endliche Bandbreite jedes Scopes ist auch bei Signalen mit steilen Flanken zu beachten: Je geringer die obere Grenzfrequenz des Scopes, umso weniger ist es in der Lage, einer solchen Flanke zu folgen. Dies kann bei schmalen Impulsen dazu führen, dass die volle Höhe des Impulses überhaupt nicht mehr dargestellt wird. Es erscheint ein spitzes Dreieck statt eines Rechtecks. Der Tastkopf wird dabei direkt an den Ausgang des Generators gelegt. Dieser Test lässt übrigens oft auch erkennen, ob der Teiler über- oder unterkompensiert ist. Im ersten Fall (Trimmerkapazität zu groß) kann die Gesamtbandbreite größer als die Bandbreite des Oszilloskops allein sein. Für die Anstiegszeit eines Oszilloskops in ns gilt: Die Bandbreite üblicher 1:10-Teiler liegt meist im Bereich 100...450 MHz. • 0,35 / Bandbreite in MHz. Messtechnik fängt mit ME an. 42 www.meilhaus.de 6.3 Eigenanstiegszeit des Systems Scope/Tastkopf Gibt man an den Eingang eines Oszilloskops eine ideale Flanke, so stellt das Oszilloskop diese nicht entsprechend dar. Das gilt auch für den Tastkopf. Auch für seine Anstiegszeit gilt: 0,35 / oberen 3-dB-Grenzfrequenz Die Taktraten und Datengeschwindigkeiten haben in den letzten zehn Jahren weiter enorm zugenommen. Besonders in der Zeit der Highspeed-Digitaltechnik sollte man die „Trägheit“ seines Oszilloskops kennen. Ein 50-MHz-Typ schafft es also beispielsweise nur, Flanken mit einer Anstiegszeit über 7 ns richtig darzustellen. Ein Tastkopf verschärft das Problem zum Glück praktisch kaum. Das hat zwei gute Gründe: Mit der Logian-Serie stehen auch im mobilen Einsatz vielseitige Werkzeuge zur Verfügung, egal ob es sich um die Analyse klassischer Digitalschaltungen oder serieller Bus- und Automotive-Protokolle handelt. Bei den Logikanalysatoren gibt es verschiedene konstruktive Grundtypen: • Seine Grenzfrequenz ist in der Regel deutlich höher als die des Scopes. • USB-Logikanalysator Ein Zwischenspeichern im Gerät ist hier möglich, da der PC die Werte nicht so schnell verarbeiten kann wie sie aufgenommen werden. • Die gesamte Anstiegszeit ergibt sich durch quadratische Addition. Ein 100-MHz-Tastkopf vor einem 50-MHzScope führt somit auf nur 7,8 ns. • modularer Logikanalysator Dieser zeigt sich meist als Karte/ Einsteckplatine. Beispielsweise werden 102 Kanäle und bis zu 1 GHz geboten. 6.4 Der Logikanalysator Da selbst moderne Simulatoren mit den möglichen Hochfrequenzeffekten von Mikrocomputersystemen mit Taktraten von einigen 100 MHz nicht mehr zurechtkommen, gewannen Logikanalysatoren (Logic Analyzers) wieder an Bedeutung. • Tischgeräte Hier wird versucht, Leistungsfähigkeit und einfache Bedienung zu verbinden. • Handgeräte Die Geräte bieten eine begrenzte Kanalzahl und zeichnen sich oft durch Multifunktionalität aus. Ein Logikanalysator kann den Zeitverlauf von mehreren (z.B. 16) digitalen und somit diskontinuierlichen Signalen in einem bestimmten Zeitfenster bildlich oder symbolisch darstellen. Moderne Datenauswerteverfahren sorgen dabei für hohe Übersichtlichkeit und bequeme Analyse. Dazu gehört es beispielsweise, den Ablauf eines Mikroprozessorprogramms wie mit einem SoftwareDebugger darzustellen, also disassembliert. Alle Aktivitäten auf den Bussen lassen sich in verschiedenen Phasen analysieren. Messtechnik fängt mit ME an. Wichtig für die Praxis sind die Kontaktierungsmöglichkeiten. So können die Tastköpfe (Probes) oft mit sogenannten Grabbern verbunden werden. Zudem ist beispielsweise eine direkte Verbindung mit PLCC-Testclips möglich. Als Eingangs-Connector ist auch ein Standard-IDC-kompatibler Stecker möglich. 43 www.meilhaus.de Weiteres Zubehör sind beispielsweise MiniKlemmprüfspitzen mit drehbarer Greifzange für die Kontaktierung an sehr dünnen Drähten. Im Prinzip kann man zwischen Universaltastköpfen − meist mit vier oder acht Eingängen über Klemmprüfspitzen − und Chipadaptern unterscheiden. Letztere sind wiederum in sogenannte Mikroprozessor-Probes und Schnittstellen-Probes einteilbar. Der Aufzeichnungstakt kann auch vom untersuchten Objekt übernommen werden. Eine spezifische Funktionalität ist der TaktQualifizierer, ein kleiner Schaltungszusatz, der in Abhängigkeit von weiteren externen Signalen die externe „Taktzufuhr“ zeitweise unterbrechen kann. Benötigt wird dies manchmal bei der Analyse von synchronen Systemen. Der Logikanalysator zeichnet wie ein Oszilloskop im Free-Run-Betrieb ständig auf. Die Speicherkapazität ist ein wichtiges Merkmal. Eine mögliche Echtzeit-Kompression erlaubt eine wesentlich effizientere Nutzung des internen Speichers. Man unterscheidet in der Logikanalyse zwischen konformen und nichtkonformen Fehlern. Der erste Begriff rührt daher, dass digitale Signale durchaus falsch sein können, ohne dass man es ihrer elektrischen Form ansieht. Sie gehen gewissermaßen konform mit dem Erscheinungsbild intakter Signale. Diese Fehlerart ist immer auf Fehler in der Verdrahtung zurückzuführen. Die Daten werden bereits in der Hardware komprimiert. Die Dekomprimierung erfolgt erst dann, wenn die Software die Daten darstellen will. Maximale als auch minimale Abtastrate sind weitere wesentliche Kennzeichen. Damit geht die mögliche Bandbreite, innerhalb der korrekt gesampelt werden kann, einher. Messtechnik fängt mit ME an. Ein nichtkonformer Fehler liegt vor, wenn ein Signal nicht die elektrischen Mindestanforderungen erfüllt. 44 www.meilhaus.de 7 Anlagen- und Bauteiltest Zur Funktionskontrolle/Fehlereingrenzung einer Schaltung oder Anlage empfehlen sich diverse Tests. Dabei führen einfache Maßnahmen oft zu wertvollen Ergebnissen. Hierzu gehören Durchgangsprüfung, Abschätzung von Ein- und Ausgangswiderstand sowie Prüfung der Arbeitspunkte. Zu den anspruchsvollen Verfahren zählt die bewährte Impuls-Reflektometrie. Ein Beispiel: 103 bedeutet 10 nF. Widerstände sind wie Festinduktivitäten mit Farbringen gekennzeichnet. Es lohnt sich in jedem Fall, zur Sicherheit lieber nachzumessen. Man schaltet das Multimeter in den größten R-, C- oder L-Messbereich, verbindet das Bauelement auf kürzestem Wege mit den entsprechenden Buchsen oder Schnüren und wählt dann schrittweise den optimalen Messbereich. Eine Überlastung ist nicht möglich. Bei Elektrolytkondensatoren achte man aber darauf, dass sie nicht geladen sind. Bei sehr kleinen Widerständen ist bestmöglicher Kontakt und bei Widerständen ab 100 kOhm kürzestmöglicher Anschluss wichtig, da Messstrippen dann schon als „Antennen“ für Störspannungen wirken können. Und muss man ein Bauelement beim Messen mit einer Hand halten, sollte man nur auf der COM-Seite zugreifen, sonst könnten über den Körper Störspannungen eingekoppelt werden. CMO ist die Masse des Multimeters. 7.1 Durchgangs- und Diodenprüfung Durchgangs- und Diodenprüfung sind im Prinzip identisch. Nur erwartet man verschiedene Ergebnisse: • Durchgangsprüfung eines Kabels Kabel ok: Anzeige idealerweise 0 und/oder akustische Anzeige Kabel nicht ok: Anzeige unverändert, keine akustische Anzeige • Diodentest Diode in Durchlassrichtung gepolt: Anzeige 0 bis gering, und/oder akustische Anzeige Diode in Sperrrichtung gepolt: Anzeige bleibt unverändert, keine akustische Anzeige Bei sehr kleinen Widerständen (Milliohm) und Kapazitäten (wenige Picofarad) ist der Fehler recht groß, da der kleinste Messbereich kaum ausgenutzt wird. Sehr große Widerstände klassen sich oft überhaupt nicht messen, da der Anzeigebereich nicht ausreicht. Hier helfen folgende Tricks: Reagiert das Multimeter beim Diodentest nach Umpolung genauso wie vorher, ist die Diode defekt. • sehr kleine Widerstände Man schließt vor der Messung die Messschnüre kurz und merkt sich die Anzeige (idealerweise null). Diesen Wert zieht man vom Messwert ab. Beispiel 1: Kurzschlussanzeige 000.2, Messwert 000.5, richtiger Wert 000.3 (0,3 Ohm) Beispiel 2: Kurzschlussanzeige -000.2, Messwert 000.2, richtiger Wert 000.4 (0,4 Ohm) 7.2 R, C und L messen Bei Widerständen, Kondensatoren und handelsüblichen Festinduktivitäten bestehen oft Unsicherheiten bezüglich der Wertekennzeichnung. Bei vielen Kondensatoren ist eine Zahl angegeben, die nicht unmittelbar den Messtechnik fängt mit ME an. 45 www.meilhaus.de • sehr kleine Kapazitäten • Keine Angst vor Falschanschluss! Die Prüfelektronik ist so dimensioniert, dass auch kleine Transistoren dabei nicht zu Schaden kommen. Hier kann man den kleinen Kondensator einem größeren parallel schalten und die Differenz feststellen. Muss der Kondensator über Messstrippen angeschlossen werden, so bedeuten allein diese eine gewisse Störkapazität. Beispiel 1: Anzeige ohne Kondensator 001, Messwert 006, richtiger Wert 005 (5 pF) Beispiel 2: Anzeige mit 147-pF-Kondensator 1456, Messwert 1462, richtiger Wert 00.6 (6 pF) • Der Stromverstärkungsfaktor ist von der Prüfspannung und vom Prüfstrom abhängig. Daher können verschiedene Multimeter um bis zu 20 % abweichende Ergebnisse bringen. 7.4 Ein- und Ausgangswiderstand ermitteln • sehr große Widerstände Den Eingangswiderstand eines Verstärkers oder passiven Vierpols ermittelt man mit guter Genauigkeit auf folgende Weise: Zeigt das Multimeter Überlauf, dann hilft ebenfalls Parallelschaltung. Gemessen wird zunächst ein Widerstand, der etwas kleiner als der größte Bereich ist. Dann schaltet man den unbekannten Widerstand parallel und ermitteln diesen: 1 / (1 / zweite Anzeige - 1 / erste Anzeige). Beispiel: erste Anzeige 1.777 (MOhm), zweite Anzeige 1,222 (MOhm), 1 / (1 / 1,222 - 1 / 1,777) = 1 / (0,8183 - 0,5627) = 1 / 0,2556 = 3,912 (MOhm) 7.3 • Betrieb aus einer möglichst sehr niederohmigen Signalquelle • Messung der Ausgangsspannung (Belastung des Ausgangs bei Verstärkern ohne Bedeutung) • Einfügen eines Einstellwiderstands in Reihe zur Quelle • Einstellen der halben Ausgangsspannung mit dem variablen Widerstand • Messung des eingestellten Widerstands, er würde beim Innenwiderstand 0 der Quelle exakt dem Eingangswiderstand entsprechen Transistoren ausmessen Beim Transistortest zeigt das Multimeter den Stromverstärkungsfaktor an. Das ist das Verhältnis von Ausgangsstrom (Kollektorstrom) zu Steuerstrom (Basisstrom). Es kann im Bereich 50 bis 500 liegen. Den Ausgangswiderstand eines Verstärkers oder passiven Vierpols ermittelt man mit guter Genauigkeit auf folgende Weise: Es gibt verschiedene Arten von Transistoren. Man kann mit einem Multimeter nur Bipolartransistoren testen, hier gibt es die Grundtypen npn (interner Aufbau: negativ, positiv, negativ dotierte Zone) und pnp (positiv, negativ, positiv dotierte Zone). Beide Typen haben die Anschlüsse Emitter, Basis und Kollektor, die am Multimeter in die Buchsen E, B und C gehören. Oft wird mindestens eine dieser Buchsen doppelt vorhanden sein. Das soll den Test bei verschiedenen Anschlussbelegungen erleichtern. Prüftipps: • Betrieb aus einer Signalquelle, deren Innenwiderstand bei Verstärkern ohne Bedeutung ist • Hochohmige Erfassung der Ausgangsspannung • Einfügen eines Einstellwiderstands parallel zum Ausgang • Einstellen der halben Ausgangsspannung mit dem variablen Widerstand • Messung des eingestellten Widerstands, er würde bei unendlichem Innenwiderstand des Messgeräts exakt dem Ausgangswiderstand entsprechen • Nur Transistoren mit blanken Anschlüssen testen, Lötreste entfernen Messtechnik fängt mit ME an. 46 www.meilhaus.de Ri = (9,15 V x 100 Ohm / 8,45 V) - 100 Ohm Ri = 108,3 Ohm - 100 Ohm = 8,3 Ohm Bei Kurzschluss würde diese frische Batterie rund 1 A liefern. Beispiel 12-V-Bleiakku: UL = 13,2 V, R = 10 Ohm, U = 12,9 V Ri = (13,2 V x 10 Ohm / 12,9 V) - 10 Ohm Ri = 10,23 Ohm - 10 Ohm = 0,23 Ohm Bei Kurzschluss dieses Akkus würden etwa 50 A fließen. Die Methode ist auch bei unstabilisierten DC– oder AC-Netzteilen anwendbar. 7.6 Arbeitspunkte testen Die Multimeter U1232A und U1233A von Keysight messen Spannungen, Ströme, Widerständen und Frequenzen sowie Kapazitäten. Man betreibt die elektronische Schaltung ohne Signal. Die COM-Buchse des Multimeters wird an Masse der Schaltung gelegt. Man wählt den nächsten einen Gleichspannungsbereich über der Betriebsspannung. Nun tastet man mit dem anderen Anschluss die Arbeitspunkte ab und notiert in der Schaltung die gemessenen Spannungen. Sie liefern wertvolle Hinweise auf eventuelle Fehler. 7.5 Innenwiderstand einer Stromquelle ermitteln Innenwiderstand und Ausgangswiderstand sind theoretisch das Gleiche. Bei Versorgungsstromquellen ist es jedoch nicht sinnvoll, nach der oben beschriebenen Methode zur Ermittlung des Ausgangswiderstands vorzugehen, weil die Belastung dann zu groß ist. Mit moderater Belastung bietet sich das folgende universell einsetzbare Vorgehen an: 7.7 Das Impuls-Reflektometer Ein Das Impuls-Reflektometer dient zur Lokalisierung von Stoßstellen, offenen Leitungen und Kurzschlüssen in Antennen-, Datenund Energieleitungssystemen. Seine Hauptmerkmale sind: • Messung der Leerlauf-Ausgangsspannung UL • Einfügen eines moderaten bekannten Belastungswiderstands R parallel zum Ausgang • Messung der Ausgangsspannung U mit dem Lastwiderstand • Berechnung des Innenwiderstands Ri mit folgender Formel: • prüfbare Leitungslänge (z.B. min. 1, max. 1000 m) • Auflösung (z.B. 0,25 m) • Impedanz (z.B. 75 Ohm) Angewandt wird die ZeitbereichsReflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR) salopp auch „Kabelradar“ genannt. Diese erlaubt die Ermittlung von Laufzeiten und somit Längen und Reflexionseigenheiten von elektromagnetischen Wellen in Leitungen. Ihre Spezialisierung zur optischen Zeitbereichs-Reflektometrie (OTDR) Ri = (UL x R / U) - R Beispiel 9-V-Blockbatterie: UL = 9,15 V, R = 100 Ohm, U = 8,67 V Messtechnik fängt mit ME an. 47 www.meilhaus.de Prinzipielles Ergebnis der ImpulsReflekometrie bei offenem Kabel (Quelle: Wikipedia/Weidner) Prinzipielles Ergebnis der ImpulsReflekometrie bei kurzgeschlossenem Kabel (Quelle: Wikipedia/Weidner) spielt in der Glasfaser-Netzwerktechnik eine immer wichtigere Rolle. das Kabel aus und wird am anderen Ende oder an Störungsstellen reflektiert. Mindestens ein in das Kabel eingespeister Impulse wird bei vorhandenen Kabelfehlern reflektiert und angezeigt. Ein reputierendes (regelmäßig erneutes) Eingeben des Impulses erlaubt eine einfachere technische Lösung. Aus dem zeitlichen Versatz der Reflexion und der Form des reflektieren Impulses können Fehlerentfernung und Fehlerart (z.B. Last zu hoch/zu gering) ermittelt werden. Mithilfe einer Auswerteschaltung oder eines Oszilloskops wird das gesendete Signal mit der Reflexion verglichen, wodurch man Informationen über Laufzeit, Amplitude und die Charakteristika der Reflexion erhält. Die einfache Ansicht der Reflexion macht es hierbei auch Anwendern ohne tieferes Fachwissen möglich, das Reflexionsverhalten einzuschätzen. Stoßstellen sind in Koaxialverteilungen ein großes Problem. So können Kabelquetschungen oder schlechte Koaxialverbindungen analoge und digitale Signale negativ beeinflussen, indem sie Reflexionen und somit unerwünschte Fehlsignale hervorrufen. Ein übliches Gerät erzeugt eine Folge von Rechteckimpulsen von etwa 20 ns Dauer, die in so großem Abstand folgen, dass die Echos aller früheren Impulse abgeklungen sind. Mit einem kapazitätsarmen Tastkopf erfolgt die Aufnahme des Geschehens an der Einspeisestelle. Bei offenem Kabelende treten nur Impulse gleicher Polarität auf, bei kurzgeschlossenem Kabelende erscheinen die Impulse invertiert. Das USB Sampling-Scope PS9000mit 12 oder 20 GHz Bandbreite gibt es auch mit TDR-Fähigkeit. Eine zweite Methode erzeugt mit einem sogenannten Sprungfunktionsgenerator ein steiles Signal. Die Signalflanke breitet sich über Messtechnik fängt mit ME an. 48 www.meilhaus.de • Elektrischer Gefährdungsbereich Dies ist ein räumlicher Bereich innerhalb oder im Umfeld einer elektrischen Anlage oder eines Betriebsmittels, in dem eine elektrische Gefährdung nicht ausgeschlossen ist. • Gefahrenzone Das ist der Bereich um spannungsführende Teile, in dem ohne Schutzmaßnahmen der zur Vermeidung einer elektrischen Gefahr erforderliche Isolationsgrad nicht sichergestellt ist. • Annäherungszone Das ist der Bereich, der sich an die Gefahrenzone anschließt (Nennspannung/Breite der Annäherungszone: max. 1 kV/1 m, 1...110 kV/3 m, 110...220 kV/4 m, 220...380 kV/5 m). Die Isolations-Multimeter Fluke 1587 und 1577 vereinen die Funktionen eines digitalen Isolationstesters und eines voll ausgestatteten RMS-Digitalmultimeters in einem kompakten Gerät. Konkretere Hinweise finden sich z.B. in den Technischen Regeln für Betriebssicherheit und in der DIN VDE 0105-100. Bei allen Arbeiten an Netzleitungen, Motoren, Generatoren, Kabeln oder elektrischen Schaltanlagen sind Isolations-Multimeter optimal geeignete Geräte. Sie sind wesentlich kostengünstiger im Vergleich zu speziellen Einzelgeräten. 7.8 Isolationsmessung Die Isolationsprüfung und -messung ist in Versorgungsstromnetzen sehr wichtig. Unabdinglich ist hier die Beherrschung zentraler Begriffe. Die wichtigsten fünf sind: Zu den unverzichtbaren und möglichen Leistungsmerkmalen eines Isolationsmessgeräts zählen: • Elektrische Gefährdung Dies meint die Möglichkeit eines Schadens oder einer Gesundheitsbeeinträchtigung durch elektrische Energie in einer Anlage oder einem Betriebsmittel. • Isolationsprüfspannung (z.B. 100 und 1000 V) • maximal messbarer Isolationswiderstand (z.B. 600 MOhm) • automatische Entladung von kapazitiv entstandenen Spannungen • Smoothing (Signalglättung) • Kapazitätsmessung • Temperaturmessung • Min/Max-Feature • Tiefpassfilter (für Messungen an Motorantrieben mit regelbarer Drehzahl) • Gefährdung durch elektrischen Schlag oder Störlichtbogen Gemeint ist die Möglichkeit eines Schadens oder einer Gesundheitsbeeinträchtigung durch elektrischen Strom durch den Körper eines Menschen oder einen Störlichtbogen (mögliche Folgen: Lähmungen, Herzkammerflimmern, Schock, Verbrennungen). Messtechnik fängt mit ME an. 49 www.meilhaus.de Üblicherweise geschieht die Messung des Isolationswiderstands mit einem Tastkopf mit Auslösetaste. Spezielle Messleitungen und Klemmen werden mitgeliefert. Messtechnik fängt mit ME an. Eine Erkennung von stromführenden Schaltungen verhindert die Isolationsprüfung bei Spannungen über 30 V im System und erhöht somit den Schutz des Anwenders. 50 www.meilhaus.de
