Richtlinie DKD 2622-4:2012 für Oszilloskope: Praktische ... · calibration & metrology Messpraxis...

calibration & metrology

esz AG - Praxis

esz-ag.de

Richtlinie DKD 2622-4:2012 für Oszilloskope:

Praktische Umsetzung und Berechnung der Messunsicherheit

Philip M. Fleischmann, esz AG calibration & metrology


Messpraxis Oszilloskope

esz-ag.de

Hintergrund

• 1994: Richtlinie DKD-R1-2, Kalibrierung von Oszilloskopen

• 1996: Übernahme durch den Fachausschuss 3.12 „Kalibrierung von Messmitteln für elektrische Größen“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)

• 1998: VDI/VDE/DGQ/DKD 2622 Blatt 4 – Elektrische Oszilloskope – Entwurf (Gründruck)

• bisher kein Weißdruck aufgrund nationaler und v.a. europäischer Einsprüche

• 2010: Neuformulierung innerhalb DKD und euramet

• 2012-11: Neuauflage als Entwurf (Gründruck):

– Enthält Beispiele und Messunsicherheitsberechnungen



esz-ag.de

Inhalt der Richtlinie

• Geltungsbereich

• Kalibrierverfahren und Rückführung

– Vertikale Abweichung

– Horizontale Achse (Zeitbasis)

– Bandbreite und Frequenzgang

– Anstiegszeit

– Trigger

– interne Kalibriersignale

• Messunsicherheitsberechnung

• Beispiele



esz-ag.de

Geltungsbereich

• Analoge Echtzeitoszilloskope

• Digitalspeicheroszilloskope

• Sampling Oszilloskope

• Transientenrecorder und angeschlossene Tastköpfe



esz-ag.de

Bauformen

• Analoge Echtzeitoszilloskope

– typ. Bandbreiten bis 500 MHz

– Eingangsimpedanzen 50 W / 1 MW

– Umax bis >100 V @ 1 MW

• Messwerterfassung visuell

Abschwächer Vorverstärker

Schalter

Ch1

Ch2

Leucht

schirm

X

Y 50W

50W

Zeitbasis Trigger

Ch2

Ch1

• Digital Speicheroszilloskope

– Bandbreiten bis >10 GHz

– Eingangsimpedanzen oft schaltbar

50 W / 1 MW

– Umax bis >100 V @ 1 MW

– Cursor- oder Messfunktionen .

Abschwächer Vorverstärker

ADC Ch1

Ch2

Trigger

Speicher

&

Prozessor

ADC

Display

50W

50W



esz-ag.de

Bauformen

• Abtast-/ Samplingoszilloskope

– typ. Bandbreiten bis

>80 GHz

– Umax typ. <5 V

– kein Echtzeitbetrieb

– Eingangsimpedanz 50 W

– intelligente und umfangreiche

Messfunktionen

Abtaster

ADC Ch1

Ch2

Trigger

Speicher

&

Prozessor

ADC

Display



esz-ag.de

Kalibrierverfahren – Vertikale Achse

• Mögliche Kalibriersignale sind – geschaltete Gleichspannungen (ggf. auch Gleichspannung)

– Wechselspannungen kleiner Frequenz (1 kHz) oder

– Impulse

• Aussteuerung 80 % des Messgitters

• Alle Verstärkerstufen / alle Kanäle

• Zusätzliche Eingangsimpedanz min. 1 Messpunkt

• Einstellelemente („Offset“, „Position“, „Variable“ etc. in definierter Position)

• Rückführungsvarianten



esz-ag.de

Geschaltete Gleichspannung

• Oszilloskopkalibrator

– geschaltete Gleichspannungen, z.B. 1kHz Rechteck

– Betriebsarten in 50 W oder in 1 MW

– Rückführung: DC Kalibrierung oder AC-Rechteck-Sampling

– Messfunktion: Amplitude

– Unsicherheitsanteile: Auflösung, Digitalisierung, Rauschen, Kalibrierung, Impedanzabweichung v.a. im 50 W Betrieb

ca. 90%

Oszilloskopkalibrator

„DC“

(Gebrauchsnormal) Digitalvoltmeter

(Bezugsnormal)

Oszilloskopkalibrator

„Geschaltet“

(Gebrauchsnormal)

Oszilloskop

Rückführung über Gleichspannung



esz-ag.de

Oszilloskopkalibratoren

• z.B. Fluke 55xxA-SC bis 1,1 GHz, typ. <250 ps

• Tektronix CG/SG50xx bis 550 MHz, typ. <150 ps

• Fluke 9500B bis 6 GHz, typ. <25 ps

Kalibrierung der

vertikalen Achse



esz-ag.de

Wechselspannung

• Wechselspannungsquelle

– z.B. 1kHz Sinus

– Betriebsarten in 50 W oder in 1 MW

– Rückführung: AC Normal oder AC-Multimeter

– Messfunktion: Spitze-Spitze

– Unsicherheitsanteile: Auflösung, Digitalisierung, Rauschen, Oberschwingungen/ Klirrfaktor, Kalibrierung, Impedanzabweichung v.a. im 50 W Betrieb, Quellbelastung

≥ 60%

RMSSS UU 22

AC-Quelle

(Bezugsnormal)

Oszilloskop

AC-Quelle

(Gebrauchsnormal)

Oszilloskop

Digitalvoltmeter

(Bezugsnormal)

Rückführung über Wechselspannung



esz-ag.de

Wechselspannungskalibrierung

• Delta Messung über Cursor oder

Messfunktion Spitze-Spitze

• Kalibrierung am

Wechselspannungskalibrator



esz-ag.de

Unsicherheitsbeiträge vertikale Achse

Einflussgrößen

• EY eingestellte Empfindlichkeit und dessen digitale Auflösung

– zum Beispiel 10 Bit = 1024 Quantisierungsschritte

– Halbbreite für den Unsicherheitsbeiterag E/1024



esz-ag.de


• Sosz Umschaltabweichung (Wiederholbarkeit) des Verstärkungsfaktors

Bei wiederholter Betätigung des Empfindlichkeitsschalters zeigt sich eine geringe

Schwankung der tatsächlich eingestellten Empfindlichkeit.



esz-ag.de


• T Transmissionsfaktor aus 50 W/1 MW Belastung des Kalibrators

Die Eingangsimpedanz des Oszilloskops beträgt 1 MW und der Ausgangsimpedanz der

Kalibrators 50 W. Durch die Belastung des Kalibrators wird die Spannung am Eingang

des Oszilloskops um 0,005 % im Vergleich zur Leerlaufspannung vermindert.

50Ω

Source

Termination

Scope

50Ω



esz-ag.de


Einflussgrößen

• UKAL,Anz Basis-Herstellerspezifikation des Kalibrators

In der Spezifikation des Kalibrators für die relative Abweichung zwischen dem

Effektivwert der tatsächlichen Spannung am Ausgang und der Anzeige UKAL,Anz wird ein

entsprechender Wert von angegeben. In dieser Abweichung sind die Drift für 12

Monate und die Abweichungen für harmonische Fehlspannungen und die

Kalibrierunsicherheit eingeschlossen, sofern die Konformitätsbestätigung eindeutig ist.



esz-ag.de


• dUOSZ,Noise Anzeigerauschen des Oszilloskops

Das am Oszilloskop angezeigte Spannungssignal ist durch eine kleine

Rauschspannung gestört, die vom Eingangsverstärker der Vertikalablenkung

hervorgerufen wird. Der Wert der Rauschspannung bezogen auf den Eingang des

Oszilloskops wird mit dUOSZ,Noise bezeichnet. Die relative Abweichung der

Kalibrierspannung auf Grund dieses Offsets beträgt



esz-ag.de

Messunsicherheitsbudget vertikale Achse

• Typ. Messunsicherheiten >0,4% bereits schon bedingt durch Auflösung und

Digitalisierung des DUT!

• Modell für die relative Abweichung der Anzeige

1

)22

1(22AnzKAL,

NoiseOSZ,

AnzKAL,

KALKALAnzKAL,

OSZYYY

U

U

U

OTRU

SEA

dd1Y

KAL

OSZ

U

U



esz-ag.de

Kalibrierverfahren – Horizontale Achse

• Mögliche Kalibriersignale sind beliebige periodische Signale

– bevorzugt impulsförmig (Zeitmarker)

– oder Sinusspannungen

• Messfunktion Frequenz oder Periode

• oder Aussteuerung 2. bis vorletzte Hauptgitternetzlinie

A B

≥ 70%

• Einstellelemente (Offset, Position, etc. in definierter Position)

• Alle Zeitbereiche bei Analogoszilloskopen

• ein mittlerer Bereich oder Zeitbasismessung bei DSO

• Unsicherheitsanteile: Auflösung, Digitalisierung (Abstastrate), Referenzzeitbasis, Triggerung



esz-ag.de

Kalibrierverfahren – Horizontale Achse

Signalgenerator

(Gebrauchsnormal)

Oszilloskopkalibrator /

Impulsgenerator

(Bezugsnormal)

Oszilloskop

Oszilloskop

Frequenzzähler

(Bezugsnormal)

10 MHz, Ref.

10 MHz, Ref.



esz-ag.de

Kalibrierverfahren - Bandbreite

• Bandbreite B = Frequenz bei der die eingespeiste Spannung um

3 dB abnimmt

konstUREFein

fU

BUdB

)(

)(log2001,3 10

f in Hz

U

in V

70,7 %

100 % -3 dB Punkt

0fREF B

300

400

500

600

0,01 0,1 1 10 100 1000

Frequenz/ MHz

An

ze

ige

/ m

V

-3dB Linie

B3dB

70,7%

fref

Uref



esz-ag.de

Bandbreite hochohmiger Bereich (meist nur bis 100 MHz)

• HF-Spannungsmessung an T-Verzweigung

Spannungs-

messgerät

(Normal)

HF-Generator

Oszilloskop

Eingang: M W

T-Verzweigung

• gemessen wird die Potentialdifferenz Ux zwischen den Leitern (analog

zur NF-Technik)



esz-ag.de

Bandbreite • hochohmiger Bereich mit Oszilloskopkalibrator

Oszilloskop Kalibrator

Oszilloskop

Eingang: 1 MW

50W

Durchführungs -abschluss

-10,0

-9,0

-8,0

-7,0

-6,0

-5,0

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

0 20 40 60 80 100

Frequenz in MHz

re.l A

bw

eic

hu

ng

in

%

C= 2,5 pF

C=10 pF

C=20 pF

C=30 pF

• Verringerung des 50 W

Abschlusswiderstandes

(loading effect) durch die

Eingangskapazität C

RIN = 1MΩ, CIN = 10pF – 25pF

• Bezug ist die einfallende Spannung Uein

einXeinX UUU



esz-ag.de

Bandbreite niederohmiger Bereich (50 W)

• HF-Leistungsmessung an sym. Leistungsteiler

• Oszilloskopkalibrator

Leistungs-

messgerät (Normal)

HF-Signal-

generator

Power - Splitter

Oszilloskop

Eingang: 50 W

inein ZPU

ineinSS ZPUU 822

Oszilloskop Kalibrator

Oszilloskop

Eingang: 50 W

• Unsicherheitsanteile: Auflösung,

Digitalisierung, Fehlanpassung,

Oberwellen, Filtersteilheit,, Kalibrierung

etc.



esz-ag.de

Frequenzgang

• Kalibrierverfahren analog zur Bandbreitenmessung

• Relativer oder absoluter Frequenzgang möglich

• Frequenzantwort liefert Informationen zur unverzerrten Darstellung der

Signale im Zeitbereich

• Für Bewertung von Tastkopfkompensationen unbedingt empfohlen

)()( fUfFU abs )(

)()(

ref fU

fUfFU rel



esz-ag.de

Unsicherheitsbeiträge Frequenzgang

• dMLM Fehlanpassung am Leistungsmesser

• dMOSZ Fehlanpassung am Oszilloskop

Wegen der nicht perfekten Anpassung zwischen dem Eingangstor des

Leistungsmessers und dem Ausgangstor des Leistungsteilers (Tor 1) tritt eine kleine

Abweichung der eingestrahlten Leistung aufgrund von Reflexion auf.

• Reflexion

– |Generator| 0,15 typ.

– |Last@3dB| 0,2 typ.

%3%100)( GLMismatchXd



esz-ag.de


• dPS Unsymmetrie des Leistungsteilers

Die eingestrahlten Leistungen Pinc,1 und Pinc,2 an den beiden Toren (1) und (2) des

Leistungsteilers können sich geringfügig unterscheiden (siehe Kalibrierschein).

• dUAd Adaptereinfluss N-BNC

Das Oszilloskop hat an seinem Eingangstor ein BNC Konnektor. Um das Oszilloskop

mit dem N-Konnektor Leistungsteiler verbinden zu können muss ein BNC-N Adapter

zwischengeschaltet werden. Die relativen Spannungsverluste bedingt durch diesen

Adapter müssen als Unsicherheitsbeitrag berücksichtigt werden, bei fRef sind die

Verluste vernachlässigbar.



esz-ag.de


• dUHarm Einfluss von Oberschwingungen

Thermische HF-Leistung vs. selektiver Messung!

Für den HF-Generator sind z.B. im Datenblatt für den Oberwellenabstand OA bei der

Referenzfrequenz fRef,OA = - 45 dBc und bei der Frequenz fc = - 40 dBc angegeben. Bei

einem Pegel von 1 V der Messspannung UOSC betragen dann die möglichen

Abweichungen auf Grund von Oberwellen bei fRef dUHarm(fRef) = 0,005 6 V und bei fc

dUHarm(fc) = 0,010 V.

• dUKon Konnektorwiederholbarkeit

Mit jeder Wiederholungsverbindung ändern sich die Verluste im Eingangsstecker des

Oszilloskops. Diese schwankenden Verluste, die mit der Frequenz ansteigen, werden

durch die Abweichung dUKon berücksichtigt.



esz-ag.de


dnxzy Einfluss des Leistungsmessers oder Kalibrators

(Nichtlinearität, Spezifikation, endliche Auflösungen)

dhcal beschreibt die mögliche Drift des Wertes für den

Kalibrierungsfaktor seit der letzten Kalibrierung



esz-ag.de

Unsicherheitsbeiträge Bandbreite

Zusätzlich bei der Bandbreitenmessung:

• SR Sensitivität der Abbildung Spannung -> Frequenz

Filtersteilheit / Empfindlichkeit bei „Abbildung“ von Spannung auf Frequenz

Dieser Sensitivitätskoeffizient wird z.B. für einen Gauss-Tiefpass berechnet, da er als

worst-case-Fall der möglichen Filterverhalten des DUT betrachtet werden kann. Iim 3-

dB-Punkt zum Beispiel zu Sr(fc) = 0,49

x f B = /

U x /U( ) 0

0

1

1

- 3 dBd(U(x)/U )/dx 1/20



esz-ag.de

Messunsicherheitsbudget Frequenzgang

• Bandbreite: zus. Anteile der Filtersteilheit und Spannungsmessung UOSZ(fref)

• MU typ. >1,5%

• Modell für die eingestrahlte Spannung

HarmAnzOSZ,Kon

OSZLM

calcal

GenLMOSZ 1)5,01()(

1)1()(

UUU

MMMMPSf

UUfU

ddd

ddddhh

d



esz-ag.de

Anstiegszeit

• Kalibrierung mit „schnellerem“ Puls als

Oszilloskop

• Einstellelemente am Oszilloskop müssen in definierter Position sein

(Offset, x/y-Position)

• Zusammenhang zwischen B und ta nur für Gauss-Tiefpass gültig

• „Flat-Response Oszilloskope“ lassen keine berechnete Anstiegszeit zu

2

a_Normal

2

a_mess ttta B

ta

34,0 ?

bis B

ta

4,0

Bta

5,0



esz-ag.de

Anstiegszeit

• Kalibrierverfahren mit Pulsgenerator als Normal

• Unsicherheitsanteile: Bestimmung der 90% und 100%-Spannungen,

Zeitbasis, Sampling, Jitter, Pulsanstiegszeit, Modellgleichung



esz-ag.de

Einflussgrößen Anstiegszeit

• tr_normal Unsicherheit des Pulsgenerators (aus dem

Kalibrierschein oder der Spezifikation)



esz-ag.de


• dttoplevel, Unsicherheit des Wertes für das „Dach“

Unbekannte Korrektur bedingt durch eine Abweichung des Dachwertes (100 %) der

Pulsspannung. Da das Pulsdach nicht ganz flach ist, kann man den Dachwert

U100% zum Beispiel nur mit einer relativen Abweichung von 2% ermitteln. Damit hat

auch die am Oszilloskop gemessene Anstiegszeit tr_mess die gleiche relative

Abweichung von 2 %.



esz-ag.de


• dtreflevel, Unsicherheit der Werte bei 10% und 90% und deren

Abbildung auf die t-Achse

Einfluss auf Grund von Abweichungen der 90 % and 10 % Spannungswerte der

Dachspannung (100 %). Bei der Ermittlung der t90% und t10% Werte –entsprechend

der Spannungswerte U90% und U10%- entstehen relative Abweichungen, die z.B. mit

0,5 % des Dachspannungswertes (0,5 V) abgeschätzt werden. Bedingt durch die

Steigung der u-t Charakteristik von beispielsweise u/t = 0,8 0,5V / 9,2 ps

betragen die Abweichungen dt90% und dt10% der beiden gemessenen Zeiten t90% und

t10% dann je 0,06 ps.



esz-ag.de


• dttimebase Unsicherheit des Zeitbasis durch die Abtastung und

Samplingrate SR

Unbekannte Korrektur bedingt durch die Digitalisierung des Zeitbasiswertes. Der

Erwartungswert (bester Schätzwert) für dttimebase ist E[dttimebase] = 0 ps, nur die

Grenzen von dttimebase sind mit +/-SR aus Datenblatt und der Kalibrierung der

Zeitbasis bekannt.



esz-ag.de


• dtmethod Unsicherheit der Näherung durch die

Methodengleichung

Die Korrektur auf Grund der vereinfachten geometrischen Subtraktion der

Anstiegszeit des Pulsnormals von der gemessenen Anstiegszeit kann bis zu 2%

betragen. Der Ansatz ist nur gültig wenn Puls- und Oszilloskopanstiegszeit groß

genugen Abstand haben (Puls muss mindestens 3mal „schneller“ sein als das

Oszilloskop). Ist der Anstand groß genug kann der Einfluss vernachlässigt werden.



esz-ag.de

Messunsicherheitsbudget Anstiegszeit

• MU typ. >3% oder >2 ps

• Modell für die gemessene Anstiegszeit )2

r_normal

2

r_messr_dut ttt

refleveltopleveltimebasemessr tttttt ddd 1090_



esz-ag.de

Trigger

• Triggerempfindlichkeit und Triggerbandbreite liefern Aussage zur Darstellung von

Signalen in Grenzbereichen der Frequenz und Spannung

• Unsicherheitsanteile: Wiederholbarkeit, Hysterese, Frequenz-

/Spannungsabstimmung, Frequenz-/Spannungssensitivität



esz-ag.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Weitere Quellen • Tektronix Inc., XYZs of Oscilloscopes, 2009

• Tektronix Inc., Understanding Oscilloscope Bandwidth, Rise Time and Signal Fidelity

• E. Schuon; H. Wolf: Nachrichtenmesstechnik, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg

• Agilent Technologies, Application Note 1420, Understanding Oscilloscope Frequency Response and Its Effect on

Rise-Time Accuracy, 2002

• Agilent Technologies, Application Note 1608, What is the difference between an equivalent time sampling

oscilloscope and areal-time oscilloscope?

• Agilent Technologies, Application Note 1404, The Truth About the Fidelity of High-Bandwidth Voltage Probes

• Dennis Weller, Relating wideband DSO rise time to bandwidth, Electronic Design Europe Dec. 2002 p. 46-49

• Käs / Pauli, Mikrowellentechnik, Franzis-Verlag, München 1991

• DIN IEC 351 Teil 1, Angaben der Eigenschaften von Elektronenstrahloszilloskopen, Nov. 1981

Richtlinie DKD 2622-4:2012 für Oszilloskope: Praktische ... · calibration & metrology Messpraxis...

Documents

Transcript of Richtlinie DKD 2622-4:2012 für Oszilloskope: Praktische ... · calibration & metrology Messpraxis...