Calibration Fixture 067-0587-01 und 067-0587-02


Tektronix Calibration Fixture Signal Standardizer

Tektronix Calibration Fixture

Calibration Fixture 067-0587-01 dient zur Kalibrierung der TEK 7000er Scopes. Er wurde in 3 Ausführungen gefertigt (-00, -01, -02) abhängig davon wie schnell das Scope war. Erzeugt werden steile Flanken und Treppenfunktionen (Triggerung durch Hold-Off Funktion notwendig). Werden die Treppen nicht getriggert so laufen sie durch und erzeugen waagerechte oder senkrechte Linien (Steckplätze tauschen und Zeitbasis notwendig) die zur Abstimmung der Röhrengeometrie genutzt werden.

Calibration Fixture 067-0587-01 used for the calibration of the TEK 7000series oscilloscopes. It manufactured in 3 types (-00, -01, -02) dependent on it as fast the scope was. Steep rising peeks and stair functions (triggering by Hold off function necessarily) are produced. The stairs triggered so to run it through and be produced horizontal or vertical lines (Plug-in locations to exchange and time base necessarily) for the adjusting of CRT tube geometry be used.

Lars danke Dir für das Foto und den Text, thank you for the photo and the text.




Vergleich Calibration Fixture 067-0587-01 mit 067-0587-02

Ein Leser, Peter auch aus dem Badischen, hatte angefragt ob für sein 7904 und 7704Ader Type 01 ausreicht oder ob Type 02 notwendig ist? Die 02er ist das neuere Modell, um es vorweg zu nehmen, man kann damit auch optimal den 1 GHz Vertikalverstärker des 7104 kalibrieren.



In einem 7904 (Serial B256801) befindet sich hier im Left Vertikal Einschubplatz eine 067-0587-02 und im rechten Vertikal Einschubplatz eine 067-0587-01 Calibration Fixture. Als Zeitbasis dient eine 7B92A, die zusammen mit diesem Mainframe eine schnellste kalibrierte Ablenkung von 500ps/Div. erreichen kann. (Der Wortlaut "schnellste kalibrierte Ablenkung" ist hier von Bedeutung, warum?, man kann z.B. ein 7904 auch mit einer schnellen 7B10 auf 200ps/Div unkalibriet betreiben, das funktioniert, allerdings sind die angezeigten Messergebnisse deutlich falsch, ich habe es getestet).

Aufgaben der Calibration Fixture:


Damit läßt sich der Vertikalverstärker auf einen normierten Verstärkungsfaktor einstellen, so dass wenn man mehrere Plug-In an verschiedenen Mainframe betreiben will immer den selben Verstärkungsfaktor hat, dadurch können die Einschübe beliebig gewechselt werden ohne die Verstärkungs Feineinstellung am Einschub benutzen zu müssen. Prinzipiell liese sich das auch ohne Calibration Fixture erledigen wenn man einen beliebigen Einschub als "Referenz" deklariert und alle Mainframe auf diesen Einschub normiert und alle weiteren Plug-In auch - ist aber keine ideale Lösung.

Die Rechteckantwort des Mainframe Vertikalverstärkers läßt sich auf schnellste Anstiegszeiten und möglichst flachem Einschwingverhalten mit kleinstem Überschwinger einstellen. Es lassen sich sowohl die steigende als auch die fallende Flanke prüfen. Die Calibration Fixture besitzt einen sehr schnell ansteigenden Rechteckgenerator mit geringem Überschwingverhalten, es gibt sonst keine Möglichkeit außer mit dieser Calibration Fixture den Vertikalverstärker sinnvoll einzustellen (mal abgesehen davon, man würde direkt per Eigen-Gebastel-Spezial-Rechteckgenerator direkt am Plug-In Stecker das Testsignal einspeisen, aber wer das tatsächlich richtig beherrscht, ist schon eine ganz andere Klasse und hat wahrscheinlich schon lange eine Calibration Fixture zu Hause, u.v.m.).

Durch die niederfrequenten Einstellmöglichkeiten 10Hz, 100Hz, 1kHz läßt sich die Rechteckantwort des Vertikalverstärkers auch für die Niederfrequenz Anteile eines Rechteckes optimieren um die Schulter möglichst durchgehend flach zu gestalten. Mit der Calibration Fixture lassen sich damit große Teile des gesamten Frequenzbereiches überprüfen und optimieren.

Weitere Aufgaben, die wahlweise (je nach Einschubplatz) waagrechte oder vertikale Linienschar ist sehr gut geeignet um die CRT Geometrie bestmöglich einzustellen, da so viele Linien gleichzeitig sichtbar sind. Selbstverständlich geht das auch mit nur einen Verstärker und einer Zeitbasis, aber diese Alternativ Methode ist unsicherer und zeitaufwendig um die gleichen Ergebnisse wie mit der Calibration Fixture hinzubekommen.

Es ist empfehlenswert sich das Bediener Handbuch zu organisieren um die spezifizierten Werte und alle Möglichkeiten der Calibration Fixture kennen zu lernen.



Vergleich beider Modelle:

abgelesene Anstiegszeit 10% to 90% ca. 600ps
abgelesene Anstiegszeit 10% to 90% ca. 600ps
abgelesene Anstiegszeit 10% to 90% ca. 600ps abgelesene Anstiegszeit 10% to 90% ca. 600ps
Der Vertikalverstärker wurde zuvor bestmöglich auf optimale Rechteckantwort eingestellt, besser ist es mir bei dieser Seriennummer nicht gelungen. Die Vertikalverstärker der Seriennummer B260000-and-UP haben zusätzliche RC Kompensationsglieder im Vertikalverstärker, deren Ergebnisse wären interessant im direkten Vergleich.

Zwischen dem linken und dem rechten Einschubplatz sind Unterschiede im Einschwingverhalten zu erkennen, der linke Platz hat eine minimal geringere maximale Welligkeitsamplitude. Woran liegt das?, Unterschiede bedingt durch die Calibration Fixture sind möglich, die Welligkeit in den ersten 3-4 ns Sekunden ist sehr wahrscheinlich auch durch den Schaltungsteil bedingt, der wahlweise das Signal vom linken und rechten Vertikaleinschubplatz anwählt und an den Vertikalverstärker weiterleitet, es sind wahrscheinlich neben der CF auch Reflexionen in diesem Schalter, die leicht unterschiedlich ausfallen.

Idealerweise hätte ein Vertikal Oszilloskop Verstärker eine konstante Gruppenlaufzeit, d.h. einen weichen recht früh abfallenden Frequenzgang, ein Bessel- oder auch Gaußsches Verhalten genannt, mit dem Resultat das Rechtecke im Idealfall ohne Über- und Unterschwinger übertragen werden, da alle Frequenzanteile eines Signales beim Durchlaufen von diesem verstärkenden Tiefpass phasengerecht wieder addiert werden und sich nicht gegenseitig auslöschen oder verstärken. Im Fall nicht konstanter Gruppenlaufzeit geschieht das mit dem Resultat von Welligkeit, Über- und Unterschwingern.

Erstellt man einen entsprechenden Verstärker als Gaußscher Tiefpass  (viele Verstärkerstufen in Reihe jeweils mit gleicher Zeitkonstante), so ergibt sich die Eigenschaft das beim Ansteigen der Flanke und auch beim Übergang in den Schulterbereich die Ecken oben wie unten gleichförmig ausgerundet sind. Hingegen ein Tiefpass erster Ordnung schwingt bekanntlich deutlich anders ein, er läuft beim Ansteigen hart und schnell an und läuft mit einer deutlich sichtbaren Exponentialfunktion zum Endwert hin (den er theoretisch nie ereicht jedoch unendlich nahe erreicht). Zwei gleichförmige weiche gerundete Ecken (siehe Link weiter unten)  sind im Vertikalverstärker sind zu erkennen. Es existieren allerdings in der Realität weder ideale Tiefpässe erster Ordnung noch Gaußsche Tiefpässe. Ein Oszilloskop Verstärker ist eine Mischung aus beidem. So viel zur Theorie.


Aus einem Verstärker mit einfachem RC Frequenzgang läßt sich eine mathematische Beziehung herleiten:

[1] Risetime (10% to 90%) = 2.2 *RC  (Anstiegszeitformel für einen Tiefpass mit RC Characteristik, hier im Beispiel RC=272ps)


Für die Definition der -3dB Bandbreiten Frequenz existiert die bekannte Gleichung:

[2] f bandbreite = 1/(2*pi*RC)


Beide Gleichungen [1] und [2] zusammengefasst erlauben es die unbekannte Zeitkonstante RC zu eliminieren und man erhält [3]:

[3]  Risetime (10% to 90%) = 2.2 *1/(2*pi*f bandbreite)
[3]  Risetime (10% to 90%) = 2.2/2*pi*f bandbreite
[3]  Risetime (10% to 90%) = 0.35*1/f bandbreite

Die Zahl 0.35 ist ein konstanter Faktor, der aus der Verknüpfung der beiden Gleichungen enstanden ist.

0.35 = Bandbreite*Risetime (für einen RC Verstärker)


[3] Bandbreite = 1/Risetime * 0.35


In unserem gemessenen Beispiel:

583 MHz = 1/600ns * 0.35

Die Vertikal Verstärker Bandbreite dieses Mainframe läßt sich rechnerisch und messtechnisch anhand der Rechteckantwort auf 583 MHz schätzen (Anstiegszeit der Calibration Fixture dabei idealerweise auf 0 ns angenommen).
Diese Gleichungen werden auch in der Praxis verwendet. Bei sehr schnellen Gerätschaften wird dies auch über diese Methode spezifiert. Es ist anerkannt sich damit aus der Anstiegszeit eine Zahl für die Bandbreite zu ermitteln.


Wie wirkt sich die Anstiegszeit der Calibration Fixture auf das Messergebnis aus?:



Auszug aus der 067-0587-02 Spezifikation

Zu sehen die Risetime für einen 5 Division Sprung ist spezifiziert auf maximal 150 ps. Dieses Beispiel wurde in den 10% zu 90% Experimenten durchgeführt.

Will man diese endliche Signal Anstiegsgeschwindigkeit bei der tatsächlichen Bandbreite des Mainframe berücksichtigen ist die quadratische Addition anzuwenden.

t²rise messung = t²mainframe + t²signal

t mainframe = Sqrt (t²rise messung - t²signal)

t mainframe = Sqrt ( 600²ps²- 150²ps²)

t mainframe = 580 ps

Aus dieser korrigierten Anstiegszeit läßt sich die Anstiegszeit vom Mainframe berechnen:

602 MHz = 1/580 ps * 0.35  @ (wenn t signal CF Type 02 = 150ps)

Geht man zusätzlich davon aus, die Anstiegszeit der Calibration Fixture Type 02 beträgt typischerweise 120ps abgeleitet von den maximalen 150ps, verändert sich die errechnete Bandbreite des Mainframe nochmals geringfügig auf 595 MHz.

595 MHz = 1/588 ps * 0.35  @ (wenn t signal CF Type 02 = 120ps)

Der Unterschied der zuvor berechneten Bandbreite von 583 MHz (bei idealer unendlich schneller Calibration Fixture) zu den 595 MHz (bei typischer Calibration Fixture Type 02) ist unbedeutend. Aus dieser Beziehung läßt sich sagen die Calibration Fixture ist mehr als ausreichend schnell um damit ein 7904 Mainframe zu vermessen, diese maximalen zusätzlichen 150ps sind in diesem Fall nur geringfügig. Leider habe ich keine 067-0587-01 Spezifikation und kenne die maximal spezifizierte Anstiegszeit nicht, aber bei den Ergebnissen auf dem Oszilloskop kann man sagen für ein 7904 spielt es noch keine Rolle ob Type 01 oder Type 02 verwendet wird, beim 7104 sieht es etwas anders aus.

Anzumerken ist auch, es ist möglich die Anstiegszeit durch eine anders gewählte Verstärker Kompensation noch etwas weiter zu verringern, allerdings bezahlt man diesen Gewinn dann mit erhöhtem Überschwinger und einer etwas länger auslaufenden Oszillation in den ersten 1-2 Nanosekunden, das ist es auf keinen Fall wert. Im Gegenteil, die Denkweise auf möglichst geringe Überschwinger hin zu kompensieren halte ich für die beste Lösung, selbstverständlich gelingt auch das in der Praxis nie vollends zufriedenstellend - daher den Kompromiss suchen aus Überschwingverhalten und geringster Anstiegszeit - wer unbedingt will kann bei dieser Einstellungarbeit Stunden verbringen um es bestmöglich einzustellen. Bei dem hier gezeigten Vertikalverstärker läßt durch feinste Justage die Rechteckantwort vielleicht noch etwas verbessern.

Anzumerken ist, auch beim Vorhandensein von größeren Überschwingern wäre nach den Herstellern der Faktor 0.35 zu korrigieren, so weit ich weiß gelten die theoretischen 0.35 aber auch ausreichend gut für den praktischen Fall unter der Vorraussetzung es sind nur leichte Überschwinger vorhanden, aber in diese Erfahrungswerte der Hersteller will ich mich nicht einmischen. Die Zahl 0.35 hat sich in dieser Messtechnik als Maß herausgestellt.

Die Bandbreite kann präziser mit einem Calibration Sweep Generator mit Sense-Leitungsabschluss ermittelt werden, jedoch ist die Beurteilung über die Anstiegszeit ein gutes Indiz.




Einstellung Verstärkungsfaktor Vertikalverstärker

Die folgenden Bilder zeigen beide Calibration Fixture Type 01 rechts und Type 02 links im VERT OR HOR GAIN Mode, er erzeugt ein Rampenmuster, das jeweils genau um eine Division voneinander entfernt liegt. Eingestellt wurde der Gain dieses Vertikalverstärkers nur mit einer einzelnen Calibration Fixture, das ist auch sinnvoll so, die kleine minimale Differenz zwischen VERT A und VERT B läßt sich durch einen kleinen Trimmer feinjustieren, dieser liegt direkt hinter dem linken Einschub auf der großen 7904 Zentralleiterplatte. Diese Korrektur ist notwenig, da der elektronische Umschalter zwischen VERT A und VERT B einen kleinen Unterschied in der Verstärkung verursachen kann. Ist jedoch alles bestens auskalibriert, lassen sich auch die beiden Calibration Fixtures miteinander vergleichen, selbst wie hier auf unterschiedlichen Einschubplätzen - für einen noch ojektiveren Calibration Fixture Vergleich wäre es natürlich besser gewesen sich entweder auf VERT A oder VERT B zu beschränken und die beiden DUT Type 01 und Type 02 einfach auszutauschen, jedoch selbst mit der hier gewählten Vergleichsmethode sind die Ergebnisse doch "sehr gleich", das spricht für das Oszilloskop und für die Signalquelle.

Beispielsweise ist in der sechsten Linie (von unten) noch eine kleine Durchbiegung nach unten vorhanden ist, diese CRT Nichtlinearität konnte ich über die Geometrie Einstellungen nicht justieren, eine bestmögliche Einstellung der Linearität über den hauptsächlich genutzten Bereich hinzubekommen erfordert Übung, Zeit und Geduld; legt man Wert auf eine optimale Geometrie, muss man diesen Einstellvorgang mehrere Male wiederholen und zusätzlich in der glücklichen Lage sein eine besonders lineare CRT zu erwischen.

Dieses Dual Beam 7844 hier hat eine wunderbare Geometrie, an dieser Einstellung habe ich mir auch besondere Mühe gegeben. An diesem Zweistrahler ist es auch besonders einfach gleichzeitig die vertikalen und horizontalen Linien darzustellen und auch kreuzweise zu vertauschen durch die Beam Umschaltung. Man beachte beim Zweistrahler muss fast immer alles zweimal eingestellt werden, das kostet zusätzliche Zeit. Beim alternierenden 7904 ist mir eine Kreuzdarstellung wie beim 7844 nicht richtig gelungen, aber das spielt keine Rolle, es lassen sich auch beim Dual Trace Oszilloskop Einstellungen finden, mit nur einer Zeitbasis und einer Calibration Fixture um wenigstens eine im Kreuz zur Kurvenschar stehende verschiebbare Linie hinzuzufügen, steht im Mainframe Manual beschrieben.

Definition:
Dual Trace (eine Strahlenkanone, elektronisch umschaltbar zur Erzeugung von zwei Spuren)
Dual Beam oder Dual Gun (zwei voneinander unabhängige Strahlenkanonen, praktisch zwei Oszilloskope in einer Röhre)
Die Bezeichnungen werden oftmals durcheinander geworfen, was aber nicht schlimm ist solange man weiß was gemeint ist.

Selbstverständlich kann mit der Calibraton Fixture auch die Verstärkung des Horizontalverstärkers eingestellt und damit normiert werden (hier nicht gezeigt, die Linien stehen dann senkrecht).


Type 01 und Type 02 im direkten Vergleich





Hier werden nun drei Calibration Fixtures miteinander verglichen,  ein Type 01 (links) und zwei Type 02.

Anstiegszeit 7904

CF Type 01, Serial 1915
1 MHz position
7904, Vert A, 7B92A
01 01-1915 CF Type 01, Serial 1915
1 MHz position
7904, Vert A, 7B92A

Risetime gemessen: 600ps

Risetime nicht korrierbar,
da Type 01 Spezifikation
unbekannt.
CF Type 02, Serial 1048
1 MHz position
7904, Vert A, 7B92A
02-1048 02-1048 CF Type 02, Serial 1048
1 MHz position
7904, Vert A, 7B92A

Risetime gemessen: 570ps

Risetime korrigiert: 557ps
(@ t signal = 120ps)

Bandbreite berechnet: 628 MHz

CF Type 02, Serial 0283
1 MHz position
7904, Vert A, 7B92A
02-0283 02-0283 CF Type 02, Serial 0283
1 MHz position
7904, Vert A, 7B92A

Risetime gemessen: 570ps

Risetime korrigiert: 557ps
(@ t signal = 120ps)

Bandbreite berechnet: 628 MHz
Bei diesem 7904 ist es nahezu unbedeutend ob mit der Type 01 oder Type 02 die Risetime gemessen wird,
der Unterschied beträgt gerade einmal 30ps, kaum nenneswerte 5% Differenz. Diese Messungen sind schwierig, die Zeiten sind nur schwer
präzise genug aufzulösen, die Bestimmung der Bandbreite vergleichend zwischen Type 01 und Type 02 ist schwierig, die Zeiten
für den Type 02 sind geringfügig kürzer.


Anstiegszeit 7104

CF Type 01, Serial 1915
1 MHz position
7104, Vert A, 7B92A
01-1915
01-1915
CF Type 01, Serial 1915
1 MHz position
7104, Vert A, 7B92A

Risetime gemessen: 400ps

Risetime nicht korrierbar,
da Type 01 Spezifikation
unbekannt.
CF Type 02, Serial 1048
1 MHz position
7104, Vert A, 7B92A
02-1048
02-1048
CF Type 02, Serial 1048
1 MHz position
7104, Vert A, 7B92A

Risetime gemessen: 300ps

Risetime korrigiert: 275ps
(@ t signal = 120ps)

Bandbreite berechnet: 1,273 GHz
CF Type 02, Serial 0283
1 MHz position
7104, Vert A, 7B92A


CF Type 02, Serial 0283
1 MHz position
7104, Vert A, 7B92A

Risetime gemessen: 300ps

Risetime korrigiert: 275ps
(@ t signal = 120ps)

Bandbreite berechnet: 1,273 GHz
Am 7104 sind die Unterschiede der Calibration Fixture 01 und 02 sehr gut zu erkennen, die angezeigte Risetime beträgt 400ps mit der Type 01
und 300 ps mit der Type 02. Das ist ein schon ein erheblicher Unterschied von ca. 30%, die Verwendung der Type 02 ergibt zusammen mit dem 7104
eine sinnvolle Lösung. Zur noch präziseren Bestimmung wäre die Verwendung der 200ps Zeitbasen 7B10 oder 7B15 sinnvoll, (heute nicht verfügbar).

Das hier gezeigte 1 GHz 7104 Mainframe erreicht eine Bandbreite der in Größenordnung von 1,3 GHz.

Würde man jetzt den Fehler begehen und der Type 01 am 7104 vollen Glauben schenken und die abgelesenen 400ps für bare Münze nehmen,
hätte das Mainframe eine Bandbreite von nur 875 MHz. Selbst wenn man auch 120ps für die Type 01 annehmen würde so würde die Bandbreite
nur 917 MHz betragen, das wäre zu wenig für dieses Mainframe.

Alle drei CF zeigen einen ähnlichen Einschwingvorgang, die Unterschiede von Type 01 zu Type 02 sind größer als die Unterschiede zwischen den
beiden Type 02 alleine, Die etwas höhere Welligkeit der Type 02 ist auch ein Indiz für die höhere Bandbreite verglichen zur Type 01.
Eines ist durch diese Vergleichsmessung deutlich geworden trotz unterschiedlicher Typen sehen die Sprungantworten stark identisch aus,
dies spricht für eine

"GUTE GLEICHEIT"

der Calibration Fixture Einschübe untereinander, vertrauenswürdige Einschübe zur Kalibration.

Eine Frage bleibt aber unbeantwortet, welcher Teil verursacht welchen Fehleranteil am Einschwingvorgang?
  • der Verstärker
  • der Übertragunsweg,
  • die Calibration Fixture.
Es ist anzumerken, das gezeigte 7104 hat einen unbekannten, gebrauchten Anlieferungszustand, es kann sein, dass die Sprungantwort
noch durch ein paar feine Justierungen verbessert werden kann, das kann sein muss aber nicht - erst bekannt wenn es probiert wird.



Vertikale Geometrie, Vergleich 7904 zu 7104

CF Type 01, Serial 1915
100 kHz position
7904, Vert A, 7B92A
01-1915
kein Photo erstellt mit diesem Plug-In zusammen mit dem 7104. CF Type 01, Serial 1915
100 kHz position
7104, Vert A, 7B92A
CF Type 02, Serial 1048
100 kHz position
7904, Vert A, 7B92A
02-1048
kein Photo erstellt mit diesem Plug-In zusammen mit dem 7104. CF Type 02, Serial 1048
100 kHz position
7104, Vert A, 7B92A
CF Type 02, Serial 0283
100kHz position
7904, Vert A, 7B92A
02-0283
02-0283 CF Type 02, Serial 0283
100 kHz position
7104, Vert A, 7B92A
Wie bereits erwähnt, das 7104 befindet sich in unbekanntem Zustand, so es wie aussieht war es kalibriert.  Die Geometrie der CRT ist
etwas besser als beim getesteten 7904, gerade Linien, insbesondere auch die äußeren horizontalen Linien. Das 7104 erscheint nur auf
dem Photo unschärfer, in Wirklichkeit ist der Strahl schärfer zu sehen, mit diesem aufgesetzten Blaufilter kommt die digitale Kamera
nicht so gut zurecht wie mit dem Graufilter am 7904. Die besten digitalen Bilder macht man ohne Filter mit einer abgedunkelten, präzise
ausgerichteten Kamerahalterung ohne spiegelndes Streulicht, exakt parallel zum Objekt ausgerichtet ohne Verzug der Perpektive.
Leider konnte die Kamerahaltung für diese Versuche heute nicht verwendet werden. Die gezeigten Bilder sind alles Freihandaufnahmen.


Peter ich denke Deine Frage zum Kauf ist beantwortet

7704A entweder Type 01 oder Type 02
7904 entweder Type 01 oder Type 02
7104 nur Type 02

Welche von beiden kaufen?

Wenn Dir das 7904 ausreicht reicht auch die Type 01, spätestens wenn Du Dir ein 7104 zulegen möchtest ärgerst Du Dich.



Hier ein paar Bilder vom Innenleben:

Type 01, serial 1915

     

   
kapazitätsarm montierte Dioden, Gerät Baujahr ca. 1976

Type 02, serial 0283

   

     
Baujahr ca. 1979
Diese Spezialbausteine sind eine Augenweide

Type 02, serial 1048

   
Baujahr ca. 1979

Diese Calibration Fixture wurde modifiziert mit einem zusätzlichen Schalter, der scheinbar den Plug-In umschaltet zwischen Type 10 und Type 02.
Ich vermute in der Stellung 10 lassen sich auch die 11000er Mainframe kalibrieren.
Was jetzt genau die Unterscheidung ist zwischen Type 02 und Type 10 ist kann ich nicht sagen.


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