HP53310A Modulation Domain Analyzer

Der Modulation Domain Analyzer kann die Darstellung Frequenz vs. Time durchführen, die vereinfachte Bezeichnung "Frequenz-Oszilloskop" ist ein Vergleich. Man kann Frequenzen so messen oder mit beidem gleichzeitig, das entspricht dann diesem Analyzer.

als grobe Messung: "mit dem Oszilloskop"
als feine Messung: "genauer mit dem Frequenzzähler"

Die häufige Annahme: "die Frequenz ist ausreichend stabil, sie wird aus einem Quartz abgeleitet" ist richtig - nur nicht immer. Ein Modulation Domain Analyzer ist ein geeignetes Werkzeug dafür.

Oszillator Verhalten
Überprüfung zeitkritischer Software
Timing genauer ADC und DAC Messungen
PWM und PLL Anwendungen
Frequenzverhalten von Regelstrecken

Gerät hat zwei Eingänge A und B, wahlweise 1 Meg oder 50 Ohm Impedanz. Der Kanal C ist eine Option und ermöglicht Messungen bis 2,5 GHz.
Die Bedienung des Gerätes ist leicht verständlich, die Menu Führung und Sinnhaftigkeit der Tastenbelegung gewohnt HP typisch einwandfrei. Man muss keine Bedienungsanleitung lesen um die ersten Messungen damit duchzuführen, wobei die maximum Ratings der Eingänge sollte man stets immer vorher auf der Frontplatte bedruckt wahrnehmen.

Wenn man das Gerät neu bekommen hat, vor dem ersten Einschalten nicht vergessen die Stellung der Höhe der Versorgungsspannung zu prüfen.

Gerät hat die Optionen des erweiterten Speichers und dem Kanal C, der von 50MHz bis 2.5GHz höherfrequente Messungen abdeckt. Kanal A und B gehen von LF bis 200MHz bzw. 100MHz.

CRT aus den 90er Jahren mit der häufigen grünen Farbe, normalerweise gehen diese ausgereiften Bildsysteme nur selten defekt, sie sind über Jahre robust.

Messungen

Als erstes Messobjekt dient ein low distortion 10 kHz Oszillator

Mit der Software Agilent Intuilink Data Capture, lassen sich die Daten über GPIB bequem einlesen. Man kann sie von der Hersteller Webseite laden. Die Software bedient noch eine Reihe weiterer Geräte.

Messzeit 10ms

Messwerte durch Linien interpoliert. Ca. alle 200µs ist eine neue Messung beendet, Mittelung über jeweils zwei Perioden, 50 Messungen pro Bildschirm.

Mittelwert über 10ms = 9.996,107,4 kHz man bekommt hier µHz als kleinste Auflösung.

Histogramm zu den 10ms Messungen

129403/50 Messungen = 2588 Bildschirmdurchläufe 2588*10ms=25.88s Messzeit + Verarbeitungszeit.

Messzeit 100ms

Histogramm zu den 100ms Messungen

Messzeit 1 Sekunde

Histogramm zu den 1 Sekunden Messungen

Zeitdiagramm 10s fehlt

Messzeit 10 Sekunde

Histogramm zu den 10 Sekunden Messungen

Histogramm	10m	100m	1s	10s
1/mean	100,04µs	100,04µs	100,04µs	100,04µs
Mean	9,995.947.94Hz	9,995.846.320Hz	9,995.824.494.0Hz	9,995.817.304.75Hz
Std Dev	6,979.33Hz	1,774.155Hz	39,9402mHz	3,283mHz
Pk-Pk	65.62Hz	15,688Hz	337,5mHz	24,53mHz

Die Durchschnittsfrequenz verringert sich mit der Zeit, die gesamte Messdauer lief ungefähr eine gute Stunde lang, die Eigenerwärmung des Oszillators lässt über den negativen Temperatur Koeffizienten die Frequenz fallen.
Je länger das Messgerät die Frequenzen zwischen zwei Punkten mitteln kann, desto geringer ist die Abweichung der einzelnen Messpunkte zum Mittelwert.

Sweep Generator eingestellt auf 10k-100kHz im 10ms Sweep

Verwenden eines AWG430 Arbitrary Waveform Generator

awg sweep

Mit der Software ArbExpress des Herstellers läßt sich der Generator ganz leicht auch vom PC aus einstellen. Anschluss über GPIB oder Ethernet. Eingestellt ein Sweep von 10kHz bis 100kHz in einem Zeitraum von 10ms. Der Generator läuft mit voller Sample Rate von 200MS/s und nutzt dabei 2M seines 16M Speichers aus.

Spannungsverlauf an einem Oszilloskop dargestellt

awg

Schön zu sehen der zeitliche Verlauf der Frequenz über die Zeit. Der Start erfolgt bei der niedrigsten 10kHz Frequenz, läuft linear als Rampe auf 100kHz und springt dann wieder zurück zur 10kHz. Der schnelle Wechsel von 100k auf 10k kann nicht schnell genug gemessen werden - im Moment nicht ganz klar warum -.

Verwendung eines Sweep Generators mit großer Sprungweite

Ein digitaler Sweep Generator eingestellt von 10kHz-100kHz, auch innerhalb von 10ms. Hier wurde eingestellt:

Frequency Increment: 10kHz
Increment Time Intervall: 1ms

Schön zu sehen wie der Sweep nicht mehr linear verläuft, durch die gewählte Sprungweite von 10kHz. Das Histogramm zeigt die diskreten Frequenzen an.

Mit einem gewöhnlichen digital Oszilloskop ohne Jitter Software und Daten Analyse Software ist es schwierig solche Frequenz vs. Zeit Verläufe zu messen.

Digitaler low cost Rauschgenerator als Quelle

Digitaler low-cost Rauschgenerator als Quelle. Auf dem Oszilloskop jedenfalls sieht das aus wie ein normales Rauschen. Wenn man will kann man jetzt noch reinzoomen auf eine kurze Zeitbasis und die Sample Frequenz des DAC herausfinden und sich daraus die Bandbreite des Rauschsingals ableiten, das war es dann aber auch an weiteren Frequenz Informationen.

Der Modulation Domain Analyzer spricht hier schon eine ganz andere Sprache, er liefert sofort einen Hinweis auf die im Rauschgenerator verwendete Sample Frequenz bei etwa 300kHz.

Mittenfrequenz liegt bei 267,6kHz - 2 2/3. Die Verteilung ist nicht gaußförmig sondern unschön verbogen.

Analoger Rauschgenerator

Der AWG430 hat als nützliches Special-Feature einen Rauschgenerator mit an Board, der sich zum DAC Signal hinzu addieren läßt. Da liegt die Mittenfrequenz dann bei 58 MHz, sowie einer gleichförmigen Verteilung - das darf sich dann als ein brauchbares weißes Rauschen bezeichnen.

Vergleich - 1kHz Rechteck zwischen lower-cost und higher-quality Generator

Ein ganz simples 1kHz Rechteck 1V Signal aus einem digitalen low-cost Signalgenerator und einem digitalen high-quality AWG. Auf dem Oszilloskop sehen beide Generatoren wunderbar aus. Vorteilhaft am Modulation Analyzer ist, man erkennt hier leicht einen Sprung:

lower-quality digital 1kHz Square Wave:

high-quality digital 1kHz Square Wave:

Frequenz vs. Time zeigt eine ungewollte Periodizität. Ein periodischer Sprung von der 1kHz abweichend etwa alle 140-150ms auftretend.

Frequenz vs. Time sieht aus wie ein Rauschsignal, das ist ein gutes Ergebnis

Am MDA ist der periodische 25.2mHz Sprung sofort innerhalb weniger Sekunden gefunden, mit einem FFT Analyzer müsste man gezielt danach suchen. Praktische Bedeutung: nach etwas Suchen oder zufällig Finden, das ist ein großer Unterschied - suchen kann man nur, wenn man weiß nach was man sucht.

Test mit einer 8 Minuten andauernden FFT (12Bit, Bandbreite nur 1,9mHz) gesucht - Resultat: nichts sichtbar mit der FFT, bei Messungen dicht am Träger ist der MDA klar im Vorteil.

wunderbare gleichförmige Verteilung

(für 100ms Intervalle)	lower-cost generator	higher-cost generator
Mittelwert	1.000,059,651,67kHz	1.000,000,835,196,9kHz
Standardabweichung	5.950,94mHz	86.3494µHz
Peak-Peak Abweichung	28.13mHz	671.9µHz
Verteilung	periodische Störung alle 145ms	gaußförmig

Diese Messung war ein gutes Gegenbeispiel für die häufige Aussage Mancher: "mir reicht ein gutes Oszilloskop, damit sehe ich alles was ich möchte." - richtig - jedoch nicht für detailierte Ereignisse Frequenz vs. Zeit.

Empfehlenswert sind Oszilloskope mit der Option einer Jitter Software. Ein MDA ist eine ideale Ergänzung dazu, um sich zeitliche Klarheit in Systemen und bei Takten zu schaffen.

Ein Informationsgespräch mit den Herstellern über die technischen Möglichkeiten moderner MDA Geräte sei allen empfohlen, die zeitkritische Messungen durchführen, auch denjenigen, deren Genauigkeiten ihrer Systeme auf dem Gedanken einer Gleichverteilung basiert.

Zusammenfassend, dieser Modulation Domain Analyzers bietet Vorzüge:

präziser hochauflösender Frequenzzähler
10MHz Ref-In für Frequenz-Normale oder ultra-low-phase noise Qartze als Zeitbasis.
Oszillator Analyzer
PLL Einschwingverhalten
Servo Motor Systeme
Suchen z.B. nach 50Hz Störungen auf Oszillatoren
Suchen nach Unregelmäßigkeiten, die mit anderen Verfahren nicht oder nur schwierig feststellbar sind.
Frequenzmodulierte Nachrichtensysteme
Clock Signal Beurteilung
Software Überprüfung für ausgegebene Takte
Histogramme, statistische Verteilungen

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