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calibration & metrology
esz AG - Praxis
esz-ag.de
Richtlinie DKD 2622-4:2012 für Oszilloskope:
Praktische Umsetzung und Berechnung der Messunsicherheit
Philip M. Fleischmann, esz AG calibration & metrology
calibration & metrology
Messpraxis Oszilloskope
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Hintergrund
• 1994: Richtlinie DKD-R1-2, Kalibrierung von Oszilloskopen
• 1996: Übernahme durch den Fachausschuss 3.12 „Kalibrierung von Messmitteln für elektrische Größen“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)
• 1998: VDI/VDE/DGQ/DKD 2622 Blatt 4 – Elektrische Oszilloskope – Entwurf (Gründruck)
• bisher kein Weißdruck aufgrund nationaler und v.a. europäischer Einsprüche
• 2010: Neuformulierung innerhalb DKD und euramet
• 2012-11: Neuauflage als Entwurf (Gründruck):
– Enthält Beispiele und Messunsicherheitsberechnungen
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Messpraxis Oszilloskope
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Inhalt der Richtlinie
• Geltungsbereich
• Kalibrierverfahren und Rückführung
– Vertikale Abweichung
– Horizontale Achse (Zeitbasis)
– Bandbreite und Frequenzgang
– Anstiegszeit
– Trigger
– interne Kalibriersignale
• Messunsicherheitsberechnung
• Beispiele
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Geltungsbereich
• Analoge Echtzeitoszilloskope
• Digitalspeicheroszilloskope
• Sampling Oszilloskope
• Transientenrecorder und angeschlossene Tastköpfe
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Bauformen
• Analoge Echtzeitoszilloskope
– typ. Bandbreiten bis 500 MHz
– Eingangsimpedanzen 50 W / 1 MW
– Umax bis >100 V @ 1 MW
• Messwerterfassung visuell
Abschwächer Vorverstärker
Schalter
Ch1
Ch2
Leucht
schirm
X
Y 50W
50W
Zeitbasis Trigger
Ch2
Ch1
• Digital Speicheroszilloskope
– Bandbreiten bis >10 GHz
– Eingangsimpedanzen oft schaltbar
50 W / 1 MW
– Umax bis >100 V @ 1 MW
– Cursor- oder Messfunktionen .
Abschwächer Vorverstärker
ADC Ch1
Ch2
Trigger
Speicher
&
Prozessor
ADC
Display
50W
50W
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Bauformen
• Abtast-/ Samplingoszilloskope
– typ. Bandbreiten bis
>80 GHz
– Umax typ. <5 V
– kein Echtzeitbetrieb
– Eingangsimpedanz 50 W
– intelligente und umfangreiche
Messfunktionen
Abtaster
ADC Ch1
Ch2
Trigger
Speicher
&
Prozessor
ADC
Display
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Kalibrierverfahren – Vertikale Achse
• Mögliche Kalibriersignale sind – geschaltete Gleichspannungen (ggf. auch Gleichspannung)
– Wechselspannungen kleiner Frequenz (1 kHz) oder
– Impulse
• Aussteuerung 80 % des Messgitters
• Alle Verstärkerstufen / alle Kanäle
• Zusätzliche Eingangsimpedanz min. 1 Messpunkt
• Einstellelemente („Offset“, „Position“, „Variable“ etc. in definierter Position)
• Rückführungsvarianten
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Geschaltete Gleichspannung
• Oszilloskopkalibrator
– geschaltete Gleichspannungen, z.B. 1kHz Rechteck
– Betriebsarten in 50 W oder in 1 MW
– Rückführung: DC Kalibrierung oder AC-Rechteck-Sampling
– Messfunktion: Amplitude
– Unsicherheitsanteile: Auflösung, Digitalisierung, Rauschen, Kalibrierung, Impedanzabweichung v.a. im 50 W Betrieb
ca. 90%
Oszilloskopkalibrator
„DC“
(Gebrauchsnormal) Digitalvoltmeter
(Bezugsnormal)
Oszilloskopkalibrator
„Geschaltet“
(Gebrauchsnormal)
Oszilloskop
Rückführung über Gleichspannung
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Oszilloskopkalibratoren
• z.B. Fluke 55xxA-SC bis 1,1 GHz, typ. <250 ps
• Tektronix CG/SG50xx bis 550 MHz, typ. <150 ps
• Fluke 9500B bis 6 GHz, typ. <25 ps
Kalibrierung der
vertikalen Achse
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Wechselspannung
• Wechselspannungsquelle
– z.B. 1kHz Sinus
– Betriebsarten in 50 W oder in 1 MW
– Rückführung: AC Normal oder AC-Multimeter
– Messfunktion: Spitze-Spitze
– Unsicherheitsanteile: Auflösung, Digitalisierung, Rauschen, Oberschwingungen/ Klirrfaktor, Kalibrierung, Impedanzabweichung v.a. im 50 W Betrieb, Quellbelastung
≥ 60%
RMSSS UU 22
AC-Quelle
(Bezugsnormal)
Oszilloskop
AC-Quelle
(Gebrauchsnormal)
Oszilloskop
Digitalvoltmeter
(Bezugsnormal)
Rückführung über Wechselspannung
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Wechselspannungskalibrierung
• Delta Messung über Cursor oder
Messfunktion Spitze-Spitze
• Kalibrierung am
Wechselspannungskalibrator
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Unsicherheitsbeiträge vertikale Achse
Einflussgrößen
• EY eingestellte Empfindlichkeit und dessen digitale Auflösung
– zum Beispiel 10 Bit = 1024 Quantisierungsschritte
– Halbbreite für den Unsicherheitsbeiterag E/1024
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Unsicherheitsbeiträge vertikale Achse
• Sosz Umschaltabweichung (Wiederholbarkeit) des Verstärkungsfaktors
Bei wiederholter Betätigung des Empfindlichkeitsschalters zeigt sich eine geringe
Schwankung der tatsächlich eingestellten Empfindlichkeit.
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Unsicherheitsbeiträge vertikale Achse
• T Transmissionsfaktor aus 50 W/1 MW Belastung des Kalibrators
Die Eingangsimpedanz des Oszilloskops beträgt 1 MW und der Ausgangsimpedanz der
Kalibrators 50 W. Durch die Belastung des Kalibrators wird die Spannung am Eingang
des Oszilloskops um 0,005 % im Vergleich zur Leerlaufspannung vermindert.
50Ω
Source
Termination
Scope
50Ω
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Unsicherheitsbeiträge vertikale Achse
Einflussgrößen
• UKAL,Anz Basis-Herstellerspezifikation des Kalibrators
In der Spezifikation des Kalibrators für die relative Abweichung zwischen dem
Effektivwert der tatsächlichen Spannung am Ausgang und der Anzeige UKAL,Anz wird ein
entsprechender Wert von angegeben. In dieser Abweichung sind die Drift für 12
Monate und die Abweichungen für harmonische Fehlspannungen und die
Kalibrierunsicherheit eingeschlossen, sofern die Konformitätsbestätigung eindeutig ist.
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Unsicherheitsbeiträge vertikale Achse
• dUOSZ,Noise Anzeigerauschen des Oszilloskops
Das am Oszilloskop angezeigte Spannungssignal ist durch eine kleine
Rauschspannung gestört, die vom Eingangsverstärker der Vertikalablenkung
hervorgerufen wird. Der Wert der Rauschspannung bezogen auf den Eingang des
Oszilloskops wird mit dUOSZ,Noise bezeichnet. Die relative Abweichung der
Kalibrierspannung auf Grund dieses Offsets beträgt
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Messunsicherheitsbudget vertikale Achse
• Typ. Messunsicherheiten >0,4% bereits schon bedingt durch Auflösung und
Digitalisierung des DUT!
• Modell für die relative Abweichung der Anzeige
1
)22
1(22AnzKAL,
NoiseOSZ,
AnzKAL,
KALKALAnzKAL,
OSZYYY
U
U
U
OTRU
SEA
dd1Y
KAL
OSZ
U
U
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Kalibrierverfahren – Horizontale Achse
• Mögliche Kalibriersignale sind beliebige periodische Signale
– bevorzugt impulsförmig (Zeitmarker)
– oder Sinusspannungen
• Messfunktion Frequenz oder Periode
• oder Aussteuerung 2. bis vorletzte Hauptgitternetzlinie
A B
≥ 70%
• Einstellelemente (Offset, Position, etc. in definierter Position)
• Alle Zeitbereiche bei Analogoszilloskopen
• ein mittlerer Bereich oder Zeitbasismessung bei DSO
• Unsicherheitsanteile: Auflösung, Digitalisierung (Abstastrate), Referenzzeitbasis, Triggerung
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Kalibrierverfahren – Horizontale Achse
Signalgenerator
(Gebrauchsnormal)
Oszilloskopkalibrator /
Impulsgenerator
(Bezugsnormal)
Oszilloskop
Oszilloskop
Frequenzzähler
(Bezugsnormal)
10 MHz, Ref.
10 MHz, Ref.
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Kalibrierverfahren - Bandbreite
• Bandbreite B = Frequenz bei der die eingespeiste Spannung um
3 dB abnimmt
konstUREFein
fU
BUdB
)(
)(log2001,3 10
f in Hz
U
in V
70,7 %
100 % -3 dB Punkt
0fREF B
300
400
500
600
0,01 0,1 1 10 100 1000
Frequenz/ MHz
An
ze
ige
/ m
V
-3dB Linie
B3dB
70,7%
fref
Uref
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Bandbreite hochohmiger Bereich (meist nur bis 100 MHz)
• HF-Spannungsmessung an T-Verzweigung
Spannungs-
messgerät
(Normal)
HF-Generator
Oszilloskop
Eingang: M W
T-Verzweigung
• gemessen wird die Potentialdifferenz Ux zwischen den Leitern (analog
zur NF-Technik)
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Bandbreite • hochohmiger Bereich mit Oszilloskopkalibrator
Oszilloskop Kalibrator
Oszilloskop
Eingang: 1 MW
50W
Durchführungs -abschluss
-10,0
-9,0
-8,0
-7,0
-6,0
-5,0
-4,0
-3,0
-2,0
-1,0
0,0
0 20 40 60 80 100
Frequenz in MHz
re.l A
bw
eic
hu
ng
in
%
C= 2,5 pF
C=10 pF
C=20 pF
C=30 pF
• Verringerung des 50 W
Abschlusswiderstandes
(loading effect) durch die
Eingangskapazität C
RIN = 1MΩ, CIN = 10pF – 25pF
• Bezug ist die einfallende Spannung Uein
einXeinX UUU
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Bandbreite niederohmiger Bereich (50 W)
• HF-Leistungsmessung an sym. Leistungsteiler
• Oszilloskopkalibrator
Leistungs-
messgerät (Normal)
HF-Signal-
generator
Power - Splitter
Oszilloskop
Eingang: 50 W
inein ZPU
ineinSS ZPUU 822
Oszilloskop Kalibrator
Oszilloskop
Eingang: 50 W
• Unsicherheitsanteile: Auflösung,
Digitalisierung, Fehlanpassung,
Oberwellen, Filtersteilheit,, Kalibrierung
etc.
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Frequenzgang
• Kalibrierverfahren analog zur Bandbreitenmessung
• Relativer oder absoluter Frequenzgang möglich
• Frequenzantwort liefert Informationen zur unverzerrten Darstellung der
Signale im Zeitbereich
• Für Bewertung von Tastkopfkompensationen unbedingt empfohlen
)()( fUfFU abs )(
)()(
ref fU
fUfFU rel
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Unsicherheitsbeiträge Frequenzgang
• dMLM Fehlanpassung am Leistungsmesser
• dMOSZ Fehlanpassung am Oszilloskop
Wegen der nicht perfekten Anpassung zwischen dem Eingangstor des
Leistungsmessers und dem Ausgangstor des Leistungsteilers (Tor 1) tritt eine kleine
Abweichung der eingestrahlten Leistung aufgrund von Reflexion auf.
• Reflexion
– |Generator| 0,15 typ.
– |Last@3dB| 0,2 typ.
%3%100)( GLMismatchXd
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Unsicherheitsbeiträge Frequenzgang
• dPS Unsymmetrie des Leistungsteilers
Die eingestrahlten Leistungen Pinc,1 und Pinc,2 an den beiden Toren (1) und (2) des
Leistungsteilers können sich geringfügig unterscheiden (siehe Kalibrierschein).
• dUAd Adaptereinfluss N-BNC
Das Oszilloskop hat an seinem Eingangstor ein BNC Konnektor. Um das Oszilloskop
mit dem N-Konnektor Leistungsteiler verbinden zu können muss ein BNC-N Adapter
zwischengeschaltet werden. Die relativen Spannungsverluste bedingt durch diesen
Adapter müssen als Unsicherheitsbeitrag berücksichtigt werden, bei fRef sind die
Verluste vernachlässigbar.
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Unsicherheitsbeiträge Frequenzgang
• dUHarm Einfluss von Oberschwingungen
Thermische HF-Leistung vs. selektiver Messung!
Für den HF-Generator sind z.B. im Datenblatt für den Oberwellenabstand OA bei der
Referenzfrequenz fRef,OA = - 45 dBc und bei der Frequenz fc = - 40 dBc angegeben. Bei
einem Pegel von 1 V der Messspannung UOSC betragen dann die möglichen
Abweichungen auf Grund von Oberwellen bei fRef dUHarm(fRef) = 0,005 6 V und bei fc
dUHarm(fc) = 0,010 V.
• dUKon Konnektorwiederholbarkeit
Mit jeder Wiederholungsverbindung ändern sich die Verluste im Eingangsstecker des
Oszilloskops. Diese schwankenden Verluste, die mit der Frequenz ansteigen, werden
durch die Abweichung dUKon berücksichtigt.
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Unsicherheitsbeiträge Frequenzgang
dnxzy Einfluss des Leistungsmessers oder Kalibrators
(Nichtlinearität, Spezifikation, endliche Auflösungen)
dhcal beschreibt die mögliche Drift des Wertes für den
Kalibrierungsfaktor seit der letzten Kalibrierung
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Unsicherheitsbeiträge Bandbreite
Zusätzlich bei der Bandbreitenmessung:
• SR Sensitivität der Abbildung Spannung -> Frequenz
Filtersteilheit / Empfindlichkeit bei „Abbildung“ von Spannung auf Frequenz
Dieser Sensitivitätskoeffizient wird z.B. für einen Gauss-Tiefpass berechnet, da er als
worst-case-Fall der möglichen Filterverhalten des DUT betrachtet werden kann. Iim 3-
dB-Punkt zum Beispiel zu Sr(fc) = 0,49
x f B = /
U x /U( ) 0
0
1
1
- 3 dBd(U(x)/U )/dx 1/20
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Messunsicherheitsbudget Frequenzgang
• Bandbreite: zus. Anteile der Filtersteilheit und Spannungsmessung UOSZ(fref)
• MU typ. >1,5%
• Modell für die eingestrahlte Spannung
HarmAnzOSZ,Kon
OSZLM
calcal
GenLMOSZ 1)5,01()(
1)1()(
UUU
MMMMPSf
UUfU
ddd
ddddhh
d
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Anstiegszeit
• Kalibrierung mit „schnellerem“ Puls als
Oszilloskop
• Einstellelemente am Oszilloskop müssen in definierter Position sein
(Offset, x/y-Position)
• Zusammenhang zwischen B und ta nur für Gauss-Tiefpass gültig
• „Flat-Response Oszilloskope“ lassen keine berechnete Anstiegszeit zu
2
a_Normal
2
a_mess ttta B
ta
34,0 ?
bis B
ta
4,0
Bta
5,0
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Anstiegszeit
• Kalibrierverfahren mit Pulsgenerator als Normal
• Unsicherheitsanteile: Bestimmung der 90% und 100%-Spannungen,
Zeitbasis, Sampling, Jitter, Pulsanstiegszeit, Modellgleichung
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Einflussgrößen Anstiegszeit
• tr_normal Unsicherheit des Pulsgenerators (aus dem
Kalibrierschein oder der Spezifikation)
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Einflussgrößen Anstiegszeit
• dttoplevel, Unsicherheit des Wertes für das „Dach“
Unbekannte Korrektur bedingt durch eine Abweichung des Dachwertes (100 %) der
Pulsspannung. Da das Pulsdach nicht ganz flach ist, kann man den Dachwert
U100% zum Beispiel nur mit einer relativen Abweichung von 2% ermitteln. Damit hat
auch die am Oszilloskop gemessene Anstiegszeit tr_mess die gleiche relative
Abweichung von 2 %.
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Einflussgrößen Anstiegszeit
• dtreflevel, Unsicherheit der Werte bei 10% und 90% und deren
Abbildung auf die t-Achse
Einfluss auf Grund von Abweichungen der 90 % and 10 % Spannungswerte der
Dachspannung (100 %). Bei der Ermittlung der t90% und t10% Werte –entsprechend
der Spannungswerte U90% und U10%- entstehen relative Abweichungen, die z.B. mit
0,5 % des Dachspannungswertes (0,5 V) abgeschätzt werden. Bedingt durch die
Steigung der u-t Charakteristik von beispielsweise u/t = 0,8 0,5V / 9,2 ps
betragen die Abweichungen dt90% und dt10% der beiden gemessenen Zeiten t90% und
t10% dann je 0,06 ps.
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Einflussgrößen Anstiegszeit
• dttimebase Unsicherheit des Zeitbasis durch die Abtastung und
Samplingrate SR
Unbekannte Korrektur bedingt durch die Digitalisierung des Zeitbasiswertes. Der
Erwartungswert (bester Schätzwert) für dttimebase ist E[dttimebase] = 0 ps, nur die
Grenzen von dttimebase sind mit +/-SR aus Datenblatt und der Kalibrierung der
Zeitbasis bekannt.
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Einflussgrößen Anstiegszeit
• dtmethod Unsicherheit der Näherung durch die
Methodengleichung
Die Korrektur auf Grund der vereinfachten geometrischen Subtraktion der
Anstiegszeit des Pulsnormals von der gemessenen Anstiegszeit kann bis zu 2%
betragen. Der Ansatz ist nur gültig wenn Puls- und Oszilloskopanstiegszeit groß
genugen Abstand haben (Puls muss mindestens 3mal „schneller“ sein als das
Oszilloskop). Ist der Anstand groß genug kann der Einfluss vernachlässigt werden.
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Messunsicherheitsbudget Anstiegszeit
• MU typ. >3% oder >2 ps
• Modell für die gemessene Anstiegszeit )2
r_normal
2
r_messr_dut ttt
refleveltopleveltimebasemessr tttttt ddd 1090_
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Trigger
• Triggerempfindlichkeit und Triggerbandbreite liefern Aussage zur Darstellung von
Signalen in Grenzbereichen der Frequenz und Spannung
• Unsicherheitsanteile: Wiederholbarkeit, Hysterese, Frequenz-
/Spannungsabstimmung, Frequenz-/Spannungssensitivität
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Weitere Quellen • Tektronix Inc., XYZs of Oscilloscopes, 2009
• Tektronix Inc., Understanding Oscilloscope Bandwidth, Rise Time and Signal Fidelity
• E. Schuon; H. Wolf: Nachrichtenmesstechnik, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
• Agilent Technologies, Application Note 1420, Understanding Oscilloscope Frequency Response and Its Effect on
Rise-Time Accuracy, 2002
• Agilent Technologies, Application Note 1608, What is the difference between an equivalent time sampling
oscilloscope and areal-time oscilloscope?
• Agilent Technologies, Application Note 1404, The Truth About the Fidelity of High-Bandwidth Voltage Probes
• Dennis Weller, Relating wideband DSO rise time to bandwidth, Electronic Design Europe Dec. 2002 p. 46-49
• Käs / Pauli, Mikrowellentechnik, Franzis-Verlag, München 1991
• DIN IEC 351 Teil 1, Angaben der Eigenschaften von Elektronenstrahloszilloskopen, Nov. 1981