Problemstellung, fast alle Oszilloskope können z.B. das Rauschen von Spannungsreglern nicht ausreichend genau darstellen. Die kleinste Vertikalauflösung auf Stellung AC-coupled beträgt in vielen Fällen nicht weniger als 5 mV/Div, selten 2 mV/Div, noch seltener 1 mV/Div - darunter sind es schon ausgewiesene Spezialgeräte. Daher trat in den Vordergrund einen kleinen Verstärker aufzubauen, der Rauschen möglichst stark verstärkt, selber aber nur wenig an zusätzlichem Rauschen hinzufügt.
Wichtig bei Rauschbetrachtungen ist selbstverständlich die Bandbreite der Betrachtung. Mit zunehmender Bandbreite steigt der Effektivwert des Rauschens an, damit aber auch die peak peak Werte. Deshalb ist es in vielen Rausch Betrachtungen üblich, die Bandbreite der Betrachtung festzulegen. Für Spannungsreferenzen wird sehr gerne der Bereich 0.1 Hz bis 10 Hz betrachtet. Für allgemeine DC Spannungsregler hat sich ein Betrachtungsbereich von 10 Hz bis 100 kHz als sinnvoller Vergleichsstandard herauskristallisiert. Auch dieses Gerät untersucht den 10 Hz - 100 kHz Bereich. Es ist ein verstärkender Bandpass zweiter Ordnung. Als Verstärkung wurde Faktor 100 gewählt, in Verbindung mit einem empfindlichen Oszilloskop reicht das bequem aus, Faktor 1000 wäre auch praxisgerecht, besonders z.B. für Oszilloskope mit normaler Vertikalempfindlichkeit.
Rauschmessgerät
Das Gerät ist eingebaut in einem Standard Aluminium Gehäuse. Da auch hohe Spannungen vermessen werden, wurde es konstruktiv ausgelegt bis 400 Volt DC maximal. Da eine derart hohe Spannung in aller Regel alles dahinterliegende gnadenlos zerstört, wurden Schutzmechanismen erforderlich.
Als Amplitudengang wurde ein Bandpass 2. Ordnung gewählt. Die Grenzfrequenzen des 10 Hertz Hochpasses und des 100 kHz Tiefpasses wurden soweit außerhalb gewählt, das für beide genannten Eckfrequenzen jeweils ein Amplitudenabfall von weniger -3dB eingestellt wurde. Bei der Konstruktion ist zu beachten: lägen z.B. beide Tiefpässe exakt auf 100 kHz. so wären es in Summe bereits -6dB, das wäre schon heftig, zuviel Dämpfung, das angezeigte Rauschen wäre so niedriger, da bereits stärker gefiltert wäre. Andere Konstruktionen von solchen Geräten verwenden beispielsweise bis zu achter Ordnung aber nur -1dB bei 100 kHz, also sehr steil abfallend, klasse gemacht, deren Konstruktion nimmt natürlich wesentlich kleinere Anteile von 200, 300kHz usw. noch mit in die Messung auf als diese hier. Mit nur einer zweiten Ordnung wird daher noch einiges an Energie aus dem höherfrequenten Bereich mit ins Meßergebnis genommen., dafür aber kurz unterhalb 100k bereits ein wenig abgeschnitten.
Im Prinzip ist es vollkommen egal und frei wählbar, wo die Filtergrenzen liegen, es ist auch fast egal wie steil die Ordnung ist. Man muss sich nur in einem klar sein - will man Absolute Größen vermessen oder gar Zahlenwerte im tiefsten Detail von verschiedenen Rauschmessgeräten miteinander vergleichen, so ist dieser Vergleich nur dann sinnvoll wenn die Frequenzgänge der Bandpassfilter genau bekannt sind und deren unterschiedliche Durchlasskurven richtig und gerecht gegeneinander bewertet werden. Ein paar dB mehr oder weniger sind schon sichtbar. Zum reinen Vergleichen des Rauschens von Spannungsquellen sollten die Grenzfrequenzen jedoch etwa in ihrer Gundlage übereinstimmen. Die Abweichung im Durchlassbereich ist besser +/-0.2 dB (fällt an den Grenzen natürlich bereits etwas ab).
Das gezeigte Gerät besteht aus hochwertiger, rauscharmer Elektronik, einem äußerst komplizierten mechanischen Aufbau und ein paar Schaltungsdetails mit Dimensionierungen, die nicht für die Öffentlichkeit bestimmt sind. Auch die Fähigkeit hohe Spannungen zerstörungsfrei messen zu können erfordert einiges an Anstrengung, auch der Aufwand die 50 Hertz Störungen unterhalb dem Rauschpegel liegen zu lassen sind wahrhaft nicht ohne. Trotz eventueller Entäuschung der Nichtsichtbarkeit von Details, das Gerät ist gedacht als Anreiz selbst aktiv zu werden um einen verstärkenden Bandpass zu bauen. Selbstbau fördert das Verständnis, Nachbau ist hochgradig langweilig. Verläuft beim Bau alles optimal, dann hat er einen linearen Amplitudengang und ein sehr niedriges Eigenrauschen, ganz besonders auch bei den niedrigen Frequenzen. Verlief es nicht optimal, rauscht es halt etwas mehr; dieses dann im Meßobjekt nicht vorhandene Rauschen bekommt dann das Meßobjekt als Rauschen mit auf die Rechnung geschrieben, d.h. man misst schlechter als die Quelle in Wirklichkeit ist, im Prinzip ist man immer auf der richtigen Seite fast egal was man baut, darin liegt ein Vorteil gegenüber Berechnungen! Um es vorweg zu nehmen, für die Rauschbeurteilung üblicher normaler Spannungsquellen reicht ein konventioneller Aufbau auf. Soll jedoch eine sehr rauscharme Quelle begutachtet werden, zählt jedes Krümmel um den Aufbau zu perfektionieren.
Eigenrauschen mit 300 kHz Vertikalverstärker im Oszilloskop
Auf diese Weise ensteht nun ein Oszilloskop mit einer Vertikalablenkung von 5µV/Div. Wäre nicht die Randbedingung der 400 Volt Tauglichkeit, wäre das Ergebnis noch etwas besser ausgefallen. Oberstes Ziel war nicht ultra-niedrigstes Eigenrauschen, das erreichte genügte bereits, wichtig waren die hohe Spannung (mehr dazu später). Als Vertikalverstärker diente hier ein 7A22, der auf 300 kHz Bandbreite gestellt worden ist. Der 7A22 stand auf 500 µV /Div, unter der Berücksichtigung des Gains des Rauschanzeigers ergibt sich 5 µV /Div. Die Suche nach Resten von 50 Hertz mittels Spektrumanalyzer 3580A und deren Vielfache blieben erfolglos - nichts mehr aufspürbar gewesen.
Eigenrauschen mit 200 MHz Vertikalverstärker im Oszilloskop
Betrachtung des Eigenrauschens an einem
7A26
Vertikalverstärker mit einer Bandbreite von 200 MHz. Das
Messgerät fügt ein gering sichtbares Rauschen hinzu. Sichtbar
mit diesem Einschub wären nun
50µV/Div am Oszi. Die
Horizontalablenkung ist sehr stark bis auf 10ns/Div gedehnt, hohe
Störfrequenzen wurden nirgends gefunden.
Rauschen 5V Standspannungsregler IC mit 10 Hz -100 kHz
Angeschlossen an das Rauschmessgerät wurde nun ein ganz gewöhnlicher 5 Volt Standardspannungsregler IC in einer häufig angewandten Verschaltung - einer wie er bereits erfolgreich in millionenfacher Stückzahl weltweit verbaut worden ist. Die Vertikalskalierung beträgt 100 µV /Div, das Peak Peak Rauschen beträgt etwa Größenordnung 700 Mikrovolt. Um die Peaks etwas besser sichtbar zu machen wurde die Helligkeit erhöht und die Illumination etwas reduziert. Wenn man ein paar Sekunden geduldig ist, kann man auch noch höhere Peaks beobachten. Die Einstellung der Zeitbasis auf 1ms/Div hat sich als ganz güngstig erwiesen. Anzumerken ist, je nach Außenbeschaltung der Spannungsregler ändert sich das Rauschverhalten dieser Messobjekte, ein Standardregler muss nicht immer so aussehen, er kann besser aber auch schlechter sein. Die hohen Peaks sehen auf dem Oszilloskop auf den ersten Blick vielleicht dramatisch aus, man bedenke aber, stellt man das Oszilloskop auf die gewohnte übliche kleinste Vertikalablenkung von 5mV/Div, dann wäre das Oszillogramm eine glatte Linie.
Geht man davon aus das Verhältnis aus Peak zu RMS Spannung beträgt bei diesem Rauschen etwa 7:1, so ergäbe sich eine RMS Spannung vom 100 µ Volt für den Bereich 10 Hz - 100 kHz.
Bildet man nun das Verhältnis aus Nutzspannung von 5 Volt und 100 µ Vrms bzw. zu den 700 µ Vpp erhält man einen Spannungs- zu Rauschabstand einer DC Spannungsquelle.
5 Volt / 0,0001 V rms = 50000, in Dezibel ausgedrückt sind das: 94 dB SNR rms (Signal to Noise rms) @ 10 Hz - 100 kHz
5 Volt / 0,0007 V pp = 7142, in Dezibel ausgedrückt sind das: 77 dB SNR pp (Signal to Noise pp) @ 10 Hz - 100 kHz
Nochmal zur Erinnerung: die Angabe der Bandbreite bei Rauschgößen ist immer wichtig, ansonsten wären sie wertlos.
ein Wissenschaftler benötigte für einen Versuch eine ausreichend dynamisch schnelle, stabile, sehr rauscharme 155.00 Volt DC Spannungsquelle. Die Entwicklung dieser Quelle hat sich über mehrere Monate hingezogen und sehr viel Arbeit gekostet. Herausgekommen ist ein transistorisiert aufgebauter Spannungsregler, der diese unübliche Spannung zur Verfügung stellt. Die Entwicklung trat bald an ihre Grenzen, insbesondere wegen fehlender Meßtechnik, wäre diese käuflich, es wäre einfacher gewesen - daher wurden Eigenkonstruktionen erforderlich, um die Fortschritte in der Spannungsquellen Entwicklung beurteilen zu können. Ein empfindlicher Verstärker wie der 7A22, den zerstört diese hohe Spannung - scheidet daher aus - ein empfindliches Oszilloskop wäre das 502A, das diese hohe Spannung zwar aushält, der kleinste 100 µ V/Div Bereich ist aber immer noch zu unempfindlich. Hinzu kam noch die Forderung nach Rauscharmut im kleinen Hertz Bereich. Solch eine Kombination an Forderungen kann schon sehr belastend sein. Die Forderung die Spannung auf die zweite Stelle hinter dem Komma über die Raumtemperaturdrift und Lastvarianz stabil zu halten war eine zusätzliche Randbedingung, nicht ganz einfach, aber vergleichsweise geringer im Aufwand zum Rauschanspruch.
Rauschen Ultra Low Noise 155.00 Volt DC Spannungsregler mit 10 Hz - 100 kHz
Das finale Ergebnis zeigt das Oszillogramm. Das peak
peak Rauschen beträgt etwa 40 µ Volt pp bei 155.00 Volt DC.
Anzumerken ist auch, der Spannungsregler benötigt keinerlei
Ausgangskondensator, weder für die Stabilität, noch zu einer
zusätzlichen Rauschunterdrückung, dadurch bleibt er dynamisch
schnell. Der gemessene dynamische Innenwiderstand (@ DC) beträgt
nur 30 milli Ohm. Mit den Rauschmessgerät wurde es nun
möglich, diese hohe Spannung am Oszilloskop im Detail zu
betrachten - war Sinn und Zweck der Aufgabe. Einziger physikalisch
nachvollziehbarer Wehrmutstropfen des transistorisierten
Spannungsreglers ist seine
vergleichsweise hohe Verlustleistung, die nicht unbedingt genannt
werden muss.
155.00 Volt / 6 µ V rms = 25.833.333, in Dezibel ausgedrückt sind das: 148 dB SNR rms (Signal to Noise rms) @ 10 Hz - 100 kHz
155.00 Volt / 40 µ V pp = 3.875.000, in Dezibel ausgedrückt sind das: 131 dB SNR pp (Signal to Noise pp) @ 10 Hz - 100 kHz
Rauschen des 155.00 Volt Spannungsregler mit 10 Hz - 10 MHz
Bild zeigt die DC Spannungsquelle angeschlossen am 3400A True RMS Wideband Voltmeter. Das Gerät misst breitbandig bis auf 10 MHz. Es kann Spannungen bis zu einem Scheitelfaktor von Größenordnung 10 verarbeiten, d.h. es ist für breitbandige Rauschmessungen gut geeignet.
Man beachte:
das Gerät steht im kleinsten Messbereich von 1 mV Endauschlag.
155.00 Volt DC am Eingang
breitbandig gemessen mit 10 Hz - 10 MHz zeigt es nur 170 µ Volt rms
Das entspricht einem Signal zu Rauschabstand von 119 dB RMS bewertet bei einer Meßbandbreite von 10 MHz. Das läßt wirklich kaum noch Wünsche offen.
als einfacheTabelle:
| 5 Volt Standard Spannungsregler IC | 155.00 Volt Rauscharmer Spannungsregler | |
| SNR rms 10 Hz-100kHZ | 94 dB rms | 148 dB rms |
| SNR pk pk 10 Hz-100 kHZ | 77 dB rms | 131 dB pkpk |
Mit dem Ergebnis bin ich sehr zufrieden. Bitte keine Anfragen nach Schaltplan, sinnlos.
Durch eine andere Schaltungsauslegung des Verstärkers, ist es gelungen diesen noch rauschärmer zu machen. Bei dieser Gelegenheit wurde gleichzeitig die Verstärkung auf 1000 erhöht, die Darstellung auf einem normalen Oszillokop ohne besondere Empfindlichkeit ist damit problemlos möglich.
Äußerlich hat sich nur der Gain 1000 Aufkleber geändert
Das Grundrauschen des Rauschmessers für eine Verstärkung von 1000 bei einem Frequenzbereich von 10 Hertz bis 100 kHz.
Man beachte die Veränderung zur Vorgängerversion, obwohl sich die Verstärkung verzehnfacht hat ist das Rauschen sogar geringer geworden. Zur besseren Darstellung der Skalierungsinformation wurde ein 7M13 Einschub eingesetzt. Mit ihm wurde die Vertikaleinsteinstellung des 7A22 Verstärker von 2mV/DIV und der Zusatz /1000 ins Readout geschrieben, d.h. die tatsächliche Vertikalskalierung beträgt 2 Mikrovolt / DIV. Auf die untere Hälfte wurde Noisefloor eingeblendet, Hinweis auf das Eigenrauschen des Rauschmessers, daran ersichtlich die Auflösungsgrenze für die kleinstmöglichen Signale. Die obere -3dB Bandbreite des benutzten 7A22 Verstärkers befand sich hier in der 300 kHz Stellung.
Dieses Bild mit gleichen Einstellungen wie das obige, nur die Vertikalskalierung wurde auf 200 Nanovolt/DIV reduziert. Das Eigenrauschen ist nun deutlich sichtbar, es beträgt etwa 500 nV Spitze. Die Messgrenze des Rauschanzeigers ist aus diesem Oszillogramm erkennbar.
Gleiche Einstellungen wie das vorherige Bild mit veränderter Zeitbasis auf 20µs/DIV. Zu sehen wie die Spitzen bereits deutlich verrundet sind, ein Tribut an die begrenzte Bandbreite.
Gemessener Amplitudengang des Rauschanzeigers mit Verstärkung 1000. Bei 100 kHz beträgt die Amplitude noch 80%, darüber hinaus fällt sie auf etwa Verstärkung 40 bei 1 MHz ab, das ist nicht sonderlich steil, so das auch noch Anteile >100k mitgemessen werden, wenn man will quasi als Ausgleich für die fehlenden 20% bei 100k. Die Filtersteilheit hat bei dieser Messung nicht unbedingt eine besondere Bedeutung. Je steiler desto besser um ausschließlich den gewünschten Bereich zu erfassen, aber es muss nicht zwingend steil sein.
Messung
der Effektivwert Spannung
des Eigenrauschens des Rauschmessers.
Als Meßinstrument dient ein 3400A True RMS Voltmeter das mit einer Bandbreite von ca. 10 Hz bis 10 MHz breitbandig misst. Durch die breitbandige Messung wird restlos alles erfasst, was Rauschanteile liefert, so wären z.B. höherfrequente Rauschanteile vorhanden, die der empfindliche bandbegrente 7A22 nicht mehr darstellen kann, bei der Messung mit dem RMS Voltmeter wären sie unter keinen Umständen unterschlagen, zur Beruhigung es sind aber auch keine vorhanden. Der Meßbereichswahlschalter steht hier im empfindlichsten Bereich von 0,001 Volt RMS bei Vollausschlag. Das Gerät kann hohe Scheitelfaktoren von Signalquellen verarbeiten, es ist daher auch zur Messung von Rauschquellen (< 10 MHz) geeignet. Der abgelesene Meßwert beträgt ca. 230 Mikrovolt RMS (10 Hz bis 10 MHz). Berücksichtigt man dabei den Verstärkungsfaktor des Rauschanzeigers von 1000, erhält man einen Effektivwert von 230 Nanovolt RMS als grobe Vorstellung für die unterste Messgrenze.
