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Messtechnik-Tipp Eine Aussage über die Qualität der Stromversorgung

| Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit Oszilloskop und Tastkopf lassen sich Stromversorgungen auch unter Spannung messen und eine Aussage über eine saubere Versorgungsspannung machen.

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Qualität der Stromversorgung: Zusammen mit der Infiniium S-Serie und dem aktiven Tastkopf Power-Rail-System N7020A (beide Keysight) lassen sich Stromversorgungen unter Spannung untersuchen.
Qualität der Stromversorgung: Zusammen mit der Infiniium S-Serie und dem aktiven Tastkopf Power-Rail-System N7020A (beide Keysight) lassen sich Stromversorgungen unter Spannung untersuchen.
(Bild: dataTec)

Wer elektronische Geräte entwickelt, muss besonders auf die Stromversorgung achten. Denn viele Geräte enthalten einen Mikrocontroller, der einerseits empfindlich auf Störungen reagiert, andererseits durch seine Taktung Störung auf die Versorgungsleitungen initiiert. Geräte aus Haushalt, Automobil, Medizin, des Internet of Things, Smartphones und alle Steuerungen und Regelungen im industriellen Umfeld fordern eine saubere Versorgungsspannung. Und eine wesentliche Voraussetzung ist, dass das Leistungs-Verteilungs-Netzwerk in der Geräteentwicklung beachtet wird. Um Aussagen über die Reinheit der Stromversorgung zu machen, werden oft Oszilloskope verwendet. Dabei ist es wichtig, dass man sich über ein paar Prinzipien im Klaren ist und danach die richtigen Werkzeuge wählt.

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In der Elektronik-Industrie gibt es den feststehenden Begriff der Power Integrity oder auf Deutsch der Leistungsintegrität. Der Begriff beschreibt, wie effektiv und sauber die Versorgungsspannung der Geräte zur Verfügung gestellt wird. Die Versorgungsleistung wird dann in einem Gerät durch das Power Distribution Network an die einzelnen Module und darin an die einzelnen ICs und Komponenten verteilt. Daraus werden dann die Anforderungen an die Messtechnik gestellt: Gemessen wird von 0 Hz bis in GHz-Bereich. Hier spielt das Periodic and Random Deviation (PARD) oder auf Deutsch die periodische und zufällige Abweichung eine wichtige Rolle. Das ist die Abweichung vom Mittelwert der Soll-Gleichspannung und ist ein gebräuchlicher Begriff in der Industrie (Bild 1).

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Die Eingangsstufe eine Oszilloskops

Bild 2: Blockdiagramm einer Oszilloskop-Eingangsstufe.
Bild 2: Blockdiagramm einer Oszilloskop-Eingangsstufe.
( Bild: dataTec )

Das Blockdiagramm zeigt zwei Anteile einer Rauschquelle: Die Eingangsstufe des Oszilloskops und der Verstärker der aktiven Tastspitze. Beide haben ihren eigenen Rauschpegel. In einem Oszilloskop wird die Eingangsempfindlichkeit durch die Veränderung eines Abschwächers eingestellt. Das Rauschen des Oszilloskops addiert sich erst nach dem Abschwächer zum Gesamtsignal. Hat der Abschwächer einen größeren Wert als 1:1, erscheint das Rauschen größer relativ zum Signal am Eingang des Oszilloskops. Nehmen wir an, das Oszilloskop hat eine Empfindlichkeit von 5 mV/Div ohne Abschwächung 1:1. Hierfür soll das Oszilloskop einen Rauschpegel von 500 µVrms anzeigen bei einer Empfindlichkeit von 5 mV/Div. Wird die Empfindlichkeit auf 50 mV/Div verändert, wird in den Signalpfad der Abschwächer auf 10:1 in Reihe zum Eingang gesetzt. In diesem Fall wird auf der Anzeige der Rauschanteil relativ zum Eingang auf 5 mV/Div (= 500 µVrms *10) gesetzt. Der gleichen Vorgang kann beobachtet werden, wenn ein Tastkopf mit einer Abschwächung von 1:10 am Scope angeschlossen wird. Der Rauschpegel des Oszilloskops erscheint um den Abschwächungsfaktor höher relativ zum Signal am Eingang des Tastkopfes.

Gemessen wird die unerwünschte Abweichung, die der Gleichspannung überlagert ist und von der Netzwechselspannung und Rauschanteile nach der Spannungsregelung und Filterung herrühren. Der Wert wird als Effektivwert oder als Spitze-Spitze-Wert angegeben, wobei die Spitze-Spitze-Angabe für Werte im unteren Frequenzbereich von 20 Hz bis ungefähr 20 MHz genutzt wird. Werte unterhalb der 20-Hz-Grenze werden als Drift bezeichnet.

Saubere Signale bei einer Stromversorgung messen

Obwohl eine saubere Versorgungsspannungen gefordert wird, haben sich die Schaltgeschwindigkeiten, Taktfrequenzen und die Packungsdichte der Schaltungen erhöht. Dadurch haben sich Takt und Daten-Jitter erhöht. Ein kurzer Spannungseinbruch verzögert die Datenübertragung. Es kommt zu kürzeren Zeit-Toleranzen beim Design, um Bit-Fehler zu vermeiden. Zusammen führt das zu Toleranzen für die Spannungsversorgung von 5 Prozent. Nachdem die Schaltgeschwindigkeiten in digitalen Systemen erhöht wurden und damit auch die Flankensteilheiten, erhöht sich das Rauschen im Power Distribution Network und kann dabei Frequenzen von 1 GHz leicht überschreiten.

Reduzierte Signalamplituden in digitalen Systemen ermöglichen es, die Schaltgeschwindigkeiten zu erhöhen. Allerdings setzt das reduzierte Rauschpegel voraus. Der verbesserte Wirkungsgrad erfordert geringere Toleranzbänder bei der nominellen Versorgungsspannung, um Energie zu sparen. Damit einhergehend sind geringere Driften, Spannungsspitzen und geringeres Rauschen erforderlich.

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