Messergebnisse der
Versorgung der Spannungsreferenz
Die Messergebnisse der Versorgung der Spannungsreferenz, mit dem Oszilloskop, das Rauschen sowie RMS Messungen.
Power Supply Measurement for a voltage reference
![](images/scope-1.jpg)
5mV/DIV BW 20MHz
Eine ganz normale Aufnahme einer der Ausgangsspannungen in der kleinsten Vertikalskalierung von 5mV/DIV, die der
7A16A (20 MHz Position) im
7704A
leisten kann. Eine völlig unspektakuläre DC Aufnahme. Man kann
aber schon ganz leicht erkennen wie die 50 Hz des Transformators
durchsprechen.
Dieses Gerät wurde
niemals
mit dem Anspruch auf maximale Unterdrückung der Netzfrequenz
konzipiert und gebaut. Dazu müsste die mechanische Konstruktion
völlig
anders aussehen. Die Leiterplatte in 5mm Abstand direkt über den
Transformator zu positionieren ist aus dieser 50Hz Sicht ein
völliger Wahnsinn, aber das wußte ich schon vorher bevor
überhaupt damit begonnen wurde. Aber dafür dass die
Leiterplatte nächstmöglich über dem Transformator liegt,
spricht nur eine sehr geringer Anteil des Transformators über,
schon beachtlich, es gibt genug andere Geräte die trotz deutlich
höherem Abstand diese Werte nicht erreichen.
Man muss das so sehen, das Gerät ist nur eine
"Rohspannungsversorgung", die mit einem nachfolgen Spannungsregler dann
im Endgerät am "Point of Interest" mit problemloser Leichtigkeit
die 50Hz und die AC Oberwellen wieder herausfiltert. Nahezu jeder
Spannungsregler oder alleine schon ohne Post-Spannungsregler die PSRR (Betriebsspannungsunterdrückung)
der Operationsverstärker hat mit 50Hz überhaupt kein
Problem.
Hier wird die Störung ins Kupfer einiduziert bzw.
schleicht sich auch ein in die aufgespannten Flächen der Feedbacksysteme der Spannungsregler, der
Spannungsregler kann absolut nix dafür, wenn man ihm diese Nähe zu Störfelder zumutet!!! Es ist einzig und allein
der "wahnsinnge" Aufbau nur 5mm vom Transformator entfernt die Leiterplatte
zu plazieren. Würde man aber die Leiterplatte nicht so nahe am
Transformator positionieren, würde es niemals gelingen
zwölf verschiedene Power Supply auf derart engstem Raum zu
verbauen. Das Gerät musste einfach klein sein, das ist der Preis
dafür.
This power supply were
never
designed with the purpose of rejecting the AC-line components to a
minimum level, if you want to do this the PCB should not be mounted
very close to the transformer, that's really crazy. For a maximum
AC-line rejection the mechanically orientation should be
quite
different, but than you won't include twelf power supplies within that
small box. Fortunately op amps and voltage regulators don't have
much problems with rejecting AC-line components to a moderate level.
Their power supply rejection ratio is high in this low frequency
area. In general, if AC-line problems appearing in a design, in
most cases the reason are not the parts. In most cases the mechanical
design allows a induction in the ground, feeedback loops, high
impedance inputs or similar.
![](images/scope-1214_2.jpg)
100µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Hier wurde zur Aufnahme nun der
Rauschanzeiger mit der Bandbreite 10 Hz - 100 kHz eingesetzt und das ergibt mit diesem Gerät eine Vertikalauflösung von
100µV/DIV. Das Oszilloskop zeigt natürlich weiterhin in
seinem Readout die 100mV/DIV des
7A16A an; dies sei zur Anmerkung
gesagt es gibt genug Leser, die noch nicht mit einem 7000er Oszi
gearbeitet haben und die Eigenarten dieses Readout Systems noch nicht im
Detail durchschauen konnten. Z.B. die 12.14V unten rechts wurde mit einer
7M13 Readout Unit in die CRT eingeschrieben. Getriggert wurde immer auf "AC Line".
Diese 1000fach Lupe zeigt Details gnadenlos. Selbstverständlich
kommen damit die 50 Hz und deren Oberwellen deutlich zum Tragen.
Ansonsten ist der Spannungsregler wunderbar rauscharm, das zeigt sich,
da der Strahl dünn ist. Es
ist eine Definitionsfrage wie nun der Störspannungsabstand
bewertet
wird, ob DC zu Peak, zu Peak-Peak oder zu RMS. Eigentlich ist das egal,
solange
im klaren ist wie die Zahlen entstanden sind.
Es läßt sich am Oszilloskop leicht ein
Störspannungsabstand DC zu AC peak ermitteln. Signalstärke DC
12.14 Volt, 50Hz ca. 400µV peak.
12,14V/400µV=30350 - als logarithmische Größe in Dezibel: 89,64dB (peak)
For this measurements I used my noise indicator
operating with a gain of 1000 within a 10 Hz to 100 kHz bandwidth. Such
a noise loupe indicates unwanted signals merciless detailed.
![](images/scope-0809_2.jpg)
100µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Spannung +8,09 Volt
8,09 Volt / 260 µVolt = 31115 _____ 89,86 dB (peak)
![](images/scope-549_2.jpg)
100µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Spannung +5,49 Volt
5,49 Volt / 320 µVolt = 17156 _____ 84,69 dB (peak)
![](images/scope-1364_2.jpg)
100µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Spannung +13,64 Volt
13,64 Volt / 150 µVolt = 90933 _____ 99,17 dB (peak)
![](images/scope-1322_2.jpg)
10µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Spannung +13,22 Volt
13,22 Volt / 25 µVolt = 528800 _____ 114,46 dB (peak)
dieser BAT 13V Ausgang hat zusätzlich noch eine passive
Filterung, die auf den
Fotos nicht sichtbar ist. Das Rauschen (außer 50Hz) ist sehr niedrig.
Die Zeichen "10µV/DIV" und auch die "BAT 13V" wurden mit der 7M13 Readout Unit eingeblendet.
The output BAT 13V has an additional passive filter, not shown on the photos.
![](images/scope-1333_2.jpg)
20µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Spannung +13,33 Volt
13,33 Volt / 30 µVolt = 444333 _____ 112,95 dB (peak)
dieser REF 13V Ausgang hat zusätzlich noch eine passive
Filterung, die auf den Fotos nicht sichtbar ist. Das Rauschen (außer
50Hz) ist sehr niedrig.
The output REF 13V has an additional passive filter, not shown on the photos.
![](images/scope-1242_2.jpg)
100µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Spannung +12,42 Volt
12,42 Volt / 350 µVolt = 35485 _____ 91,00 dB (peak)
![](images/scope-0990_2.jpg)
100µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Spannung +9,90 Volt
9,90 Volt / 400 µVolt = 24750 _____ 87,87 dB (peak)
Die DC zu AC-Peak bewerteten Störspannungsabstände:
89,64 dB
89,86 dB
84,69 dB
99,17 dB
114,46 dB
112,95 dB
91,00 dB
87,87 dB
Für eine Montage der Leiterplatte 5 mm vom Transformator entfernt
recht zufriedenstellende Ergebnisse. Aufgezeichnet wurden nur die positiven
Spannungen, die negativen sind ähnlich.
I'am safisfied for a PCB mounting distance of only 5mm to the
transformer. Photogrphed were only the positive voltages, the neatives
were similar.
Vergleichsmessung 1
eine Vergleichsmessung mit der +15 Volt Rohspannung - comparsion with +15V raw voltage
![](images/scope-raw-15_2.jpg)
200µV/DIV BW 10Hz to
100kHz
5mV/DIV BW 20MHz
Zum Vergleich zu den vorhergehenden
Messungen, die +15V Spannung des vergossenen Netzteil im linken Bild
mit dem Rauschanzeiger auf 200µV/DIV dargestellt. Eigentlich
schon ganz brauchbar, aber logischerweise hat sie nicht die
Qualität wie die der nachgeschalteten Spannungsregler,
insbesondere das Rauschen ist deutlich um Größenordnungen
höher.
Die 50 Hz Störung und deren Oberwellen sind auch
vorhanden, sie ist durch das breitbandige Rauschen überdeckt
und erschwerter sichtbar, der Wellenzug stammt von den 50 Hz. Dieses breitbandige Rauschen das wäre
jetzt im Gegensatz zu den 50 Hz von der PSRR (Betriebsspannungsunterdrückung) nachgeschalteter
Operationsverstärker oder Spannungsregler nicht mehr so leicht
ausfilterbar. Der Einsatz passiver Filter mit
geschickter Leiterbahnführung ist in solchen Fällen hilfreich, solange
der Filter kaum belastet würde oder natürlich ausreichend schnelle Regler.
Das rechte Bild zeigt den
Spannungsverlauf am Oszilloskop ohne den Rauschanzeiger, die Störungen kommen bereits deutlich zum Vorschein.
15 Volt / 800 µVolt = 18750 _____ 85,46 dB (peak)
the original +15V ouput voltage is much more noise than the one on the PCB.
Vergleichsmessung 2
Mit der genauen Kenntnis über
das eigene Messequipment sind auch deren Fehlerquellen bekannt. Gerade
z.B. beim Messen mit dem Rauschanzeiger spielen einem 50 Hz
Einstreuungen gern einen Streich, aufpassen ist angesagt. Daher zur
Verifikation, dass die heute beobachteten Störungen
tatsöchlich auch vom Testobjekt stammten und nicht vom Aufbau
erfolgte die Versorgung des Testkandidaten aus einer
externen AC Quelle.
Mit dieser galvanisch getrennten Power Quelle lassen sich zumindest
galvanische Verkopplungen in der Test Equipment Anordnung
ausschließen.
![](images/scope-549.jpg)
100µV/DIV BW 10Hz to 100kHz
Im direkten Vergleich bei identischen
Messbedingungen. Das linke Oszillogramm zeigt die Versorgung aus der
externen AC Quelle, das im unbelasteten Zustand eine Spannung liefert
die höher liegt als die 230V aus dem Netz. Zu erkennen auch der
Spannungsverlauf dieser AC-Quelle ähnelt prinzipbedingt mehr einer
rechteckförmigen Spannung. Die Netzfrequenz liegt auch etwas
über 60 Hz und nicht bei den gewohnten 50 Hz der Energie Versorgungsunternehmen.
Das rechte Bild ist die Messung aus dem 50Hz Energieversorger Netz,
deren Sinusspannungen in aller Regel aber auch einen leicht
trapezförmigen Verlauf im Sinus aufweisen. Klar und deutlich im
rechten Bild zu sehen, die angelegte AC Energieversorger Spannung hat
deutlich mehr sinusförmigen Charakter als der rechteckorientierte DC/AC Wandler.
Es ist gut wissen, daß das Test Equipment diese Feinheiten
deutlich wiederspiegelt und die eingestreuten 50 Hz Störungen
nicht durch Messfehler entstanden sind.
This is a verfication if the 50Hz
components are really exist in the DUT - they are. The left photo shows
the use of a battery powered
DC/AC converter,
There is no glavanic coupling in the test equipment configuration.
Sometimes it is important to verify your test asembly. Nice to see the
diffence between sinusoidal and rectangular power.
Messung des RMS Rauschen
Diese Messungen zeigen die Ergebnisse mit breitbandigen True RMS Messgeräten. - Measuring of RMS Noise
![](images/3400.jpg)
Das 3400A liefert breitbandige True RMS Messungen im Bereich 10Hz bis
10MHz. Der minimale Anzeigewert des Instrumentes bei REF 13V braucht nicht weiter
kommentiert werden.
Believe, it is powered !
![](images/3403.jpg)
Messung mit
3403C in
der Bandbreite 10Hz bis 100MHz. Auch hier erfolgt keine Anzeige
eines Störsignales bei BAT 13V, das Messgerät zeigt lediglich
nur noch den Pfeil nach unten, der sagt "bitte einen noch
kleineren Messbereich verwenden", es ist natürlich schon im
kleinsten Bereich. Es ist auch gleichgültig welcher der beiden
Ausgänge (Ref oder Bat) an den RMS Messgeräten benutzt ist.
![](images/scope-ref13.jpg)
Direkt am 7A16A und 7704A
bei voller Verstärker Bandbreite. Bei dieser 7000er Kombination
ergeben sich laut Hersteller ca. 160 MHz Bandbreite (die CRT Angabe 200MHz war zu voreilig). Die Bandbreite dieses
Verstärker Einschubes bleibt auch in der kleinen 5mV/DIV
Einstellung konstant. Am Oszilloskop ist bei der 5mV/DIV Einstellung
kein Störsignal mehr sichtbar, die Strahldicke bleibt
unverändert, ob die DC Quelle angeschlossen ist oder nicht.
Direct measurement with the scope under full bandwith.
Messung des 10,000 Volt Ausgang der Referenz
![](images/scope_10V_2.jpg)
Hier ist jetzt die 10,000 Volt Referenz an der Power Supply angeschlossen, die Ausgangsspannung entspricht den Erwartungen.
Output voltage of the 10.000 volt reference, everything is like expected.
Messung der Spektren
![](images/spectrum_10V.jpg)
Spectrum of the 10,000 volt reference output under AC power.
Ausgangsspannung der Referenz 10,000V betrieben am Netzteil versorgt
mit AC Power. Der Referenzpegel (oberste Linie) liegt bei -70 dBV.
0 dBV = 1 Volt rms
Dargestellt wird ein Frequenzbereich
von 0.1 kHz/DIV, d.h. links 1 Hz ganz rechts 1 kHz. Z.B. bei 800 Hz
beträgt der Messwert 60 dBV unterhalb der eingestellten Input
Sensitivity von -70dbV. Die beiden Zahlen lassen sich im Betrag
addieren zu -130 dBV als Störpegel. Der Signalpegel (DC 10,000
Volt) liegt bei +20 dBV. Daraus errechnet sich ein RMS
Signalverhältnis von:
150 dB (@800 Hz, Bandbreite 30 Hz, rms bewertet, AC-powered)
Für eine mit AC angetriebe
Lösung ist das ein schönes Ergebnis. Zu sehen ist auch
wie das Rauschen mit sinkender Frequenz zunimmt, das wird als 1/f
Rauschen bezeichnet und ist unschön, aber vollkommen normal.
![](images/spectrum_10V_2.jpg)
Das hier ist die gleiche Messung wie
zuvor, lediglich wurde nun die Resolutio Bandwidth auf 1 Hertz
reduziert. Dies ist die extremste Messung zu der dieser Analyzer
3480A in der Lage ist.
This is the same measurement like above, only using a bandwidth of 1
Hz, this is the most extreme measurement this spectrum analyzer is able
to do. Such a measurement would take from left to right 10*200 s = 2000
seconds. After four divisions I decided to go for lunch.
Signal to Noise:
about 150 to 160 dB (resolution bandwidth 1 Hertz, rms-weighted, AC-powered)
Ich bin zufrieden, obwohl es noch besser ginge wenn man will - I am satisfied.
Wenn man einen Fehler macht - if you are doing a mistake
![](images/scope_10V_3.jpg)
Wenn man Mist mist ist das ein
schönes Beispiel hierfür. Hier könnte man jetzt sagen
die AC Anteile, die kommen halt noch vom Netzteil durch und werden von
der Referenz durgereicht. Dem ist nicht so, die Störungen sind
einzig und allein verursacht durch die räumliche Nähe des
Transformators zur Analzer Eingang. Stellt man den Trafo ca. 1,5 Meter
davon entfernt auf unter der Nutzung eines längeren Kabel so
ergeben sich die beiden ersten Messungen, bei denen nichts von
AC-Anteilen zu erkennen ist. Viele Leute würden in solchen
Fällen gern postulieren, der AC Fehler entsteht dadurch, dass eben
nicht alles vom Netzteil herausgefiltert worden ist und von der
Referenz durchgereicht worden ist - ja man könnte es leicht
glauben - es wäre aber purer Nonsens. Noch viel schlimmer
wäre es wenn hierfür die Bauteile verantwortlich gemacht
worden wären - die sind unschuldig - in diesem Fall beweisener
Maßen nur die Einstreuung in den Analyzer Eingang. Man muss
gerechterweise jetzt aber auch den Analyzer in Schutz nehmen und sich
mal kurz darauf besinnen auf welchen kleinen Pegeln hier gemessen wird.
If you are doing a mistake the excellent measueremt of
before looks like AC disturbed. The AC components which appears in
the CRT they are not part of the reference output voltage! The AC
components are inducted directly by the electromagnetic field of the
transformer standing close to the analyzer. This is the same measuremt
as above! The measurement above using the long cable, there was
standing the transformer about 1,5 meter away from the analyzer. You
always should be aware what you are measuring, many people would blame
the circuit or the IC's for the AC components - but it's not - in this
case it was the elctro-magnetic field in the near of the analyzer input.
Power Supply Output Spectrum
![](images/spectrum_1364.jpg)
Hier wurde das Netztei drekt
gemessen, die AC Anteile, die sich im Oszilloskop schon
angekündigt hatten sind hier leicht am Analyzer zu erkennen.
Allerdings spielt es bei dieser Messung keine Rolle mehr ob der
Transformator in der Nähe des Analyzer Eingangs steht oder nicht,
es sieht immer gleich aus. Das liegt daran die in den Analyzer Eingang
einstreuenden Anteile sind deutlich geringer als die sich bereits in
echt auf dem 13,64 Volt Ausgang tatsächlich befindenden Signale.
This shows as example the +13.64 volts output of the power supply,
with the unwanted AC-components. It doesn't matter if teh transformer
is placed closed to the analyzers input. The inducted levels in the
analyzer are smaller than the AC components which are really exists on
the 13.64 volt output.
The SNR reaches levels of:
20 dBV / (70 dB + 15 dB) = 105 dB ( BW 30Hz, rms-weighted)
in comparision with the scope measurent it was 99,17 dB (peak)
Messung des Low Noise Output der 10,000 Volt Referenz
![](images/spectrum_10V_LN.jpg)
Auf der Rückseite der Referenz
befindet sich der passive low noise Ausgang der 10,000 Volt Referenz
aus einem Tiefpass mit 47 Ohm und 220 µF. Das Netzteil steht hier
ca. 1,5 Meter vom Analyzer Eingang entfernt. Dieser Filter
bekämpft etwas das höherfrequente Rauschen der Referenz.
Aber leider sind jetzt an diesem Ausgang auch unerwünschte
AC-Power Anteile zu entdecken, die in der treibenden Quelle nicht
vorhanden sind. Dies ergibt den Verdacht sie werden in den
Filter induziert. Der Abstand zwischen Referenz und Netzteil ist
bauartbedingt immer noch sehr gering und der Filer hat intern ein paar
ungeschirmte Anschlußleitungen. Auch der 47 Ohm Innenwiderstand
der Low noise Quelle ist hochohmig verglichen zur aktiv geregelten
Referenzspannung. Ich vermute diese AC Anteile sind eininduziert
bedingt durch den Aufbau und die kurze Entfernung der Referenz zum
Transformator. Um diese Sache aber nicht zu kritisch darzustellen
sollte man anmerken über welche Pegel wir hier bereits sprechen.
Der Rauschpegel des Analyzer liegt bei ca. 30 Nanovolt. Erreicht wird
ein Signal-to-Noise-Ratio (SNR) von ca. 160 dB oder als Spannungspegel
ausgedrückt (70dBV + 70dBV = 140 dBV, das sind gerade einmal 100
Nanovolt. Als ppm ausgedrückt bezogen auf 10 Volt sprechen wir
hier von einer 0,01 ppm AC-Störung, das entspricht etwa einer
Störung, die gerade einmal einer Vertiakalauflösung von 26
Bit entsprechen würde. Ich denke in diesem Bereichen darf man
anfangen aufzuhören zu kritisch zu sein.
Das sind aber die Bereiche in denen Elektronik richtig interessant wird.
On the back side of the reference there is a passive low pass filter of
47 ohms and 220µF for the 10.000 volt. This passive filter
decrease the thermal noise additional as it can be observed on the CRT.
This measurement use AC-power and the transformer stands about in a 1.5
meter distance from the analyzers input. There are AC-Components
observable. I can't explain where they come from. This filter is driven
by the clean 10.000 volt reference and that reference is AC-power
components clean !!! The only difference, the reference output has low
impedance nature and the passive filter has internal some unshielded
wires and a source impedance of 47 ohm, high compared to the active
regulated reference output. It ist possible that the voltage inducted
into the 47 ohm resistor and the internal unshielded wires, because the
distance between transformer and the reference is still near. Only the
thermal noise is reduced by the filter, it seems like some
AC-power noise has been inducted. We talking here about SNR levels of
about -160 dB or expressed as voltage -70dBV + -70dbV = 140 dBV equal
to 100 nanovolts over a 30 Hz Resolution Bandwidth. A one Hertz
Resolution Bandwidth measurement would be interesting to reduce
the inducted noise level. With about 30 nV the noise floor
of the analyzer has been reached.
These are the dB dimensions where electronic becoming really interesting.
![](images/spectrum_10V_LN_2.jpg)
Hier nocheinmal der low noise
Ausgang, diesmal aber betrieben mit der Batterie. Die AC-Anteile sind
nun verschwunden, auch das Rauschen hat sich ein klein wenig
verbessert. Sehr schön sieht man auch das 1/f Rauschen, Bereiche
in denen der Filter nicht wirksam ist. Diese Bereiche sind sehr schwer
ausfilterbar, leider sind es aber auch Bereiche , die gerade für
Sampling Systeme und auch für die Kalibration interessant sind.
Here the same measurent of the low noise 10.000 volt output, only this
time battery powered. The unwanted AC signals disappeared, also the
noise level improves a little. Very nice to see the increased noise in
the low frequency range. These low frequency noise is almost impossible
to filter out, filtering getting more an more difficult with decreasing
frequency. Unfortunately the low frequencies are very interesting for
many sampling systems and calibrations systems.
Vielen Dank diesen Artikel gelesen zu haben - Thank you for reading.
![home](../../images/amplifier_world_250.jpg)
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