Eine Aussage über die Qualität der Stromversorgung

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Größter Rauschanteil kommt vom Netzteil

Ein Gaussscher Rauschanteil lässt sich nicht verhindern. Er entsteht durch das thermische Rauschen der Elektronenbewegung in den Leitern. Das ist allerdings nicht der größte Rauschanteil. Der größte Anteil kommt von dem Schaltnetzteil selbst und die Anteile, die durch die Stromveränderungen von den geschalteten elektronischen Modulen und ICs verursacht werden.

Das Rauschen des Schaltnetzteils korrespondiert mit den im Schaltnetzteil vorherrschenden Schaltfrequenzen und den Harmonischen. Mit einem Oszilloskop lässt sich auf die Schaltfrequenz des Schaltnetzteils oder auf die Taktsignale des Moduls triggern. Nun haben Echtzeit- oder Breitband-Oszilloskope ein Eigenrauschen genauso wie die verwendeten Tastköpfe. Sind beide Rauschanteile gleich groß, so lassen sie sich nicht voneinander trennen.

Auch die Dynamik ist nicht trivial, wenn das Rauschen gemessen werden soll. Das Gleichspannungsnetzteil hat einen beliebigen (geforderten) Gleichanteil, der von einer AC-Rauschspannung überlagert ist. Der hat einen geringeren Pegel als die DC-Spannung. So wird das Oszilloskop auf eine höhere vertikale Empfindlichkeit eingestellt, um das Rauschen genauer zu analysieren. Das Scope kann nicht immer den DC-Level kompensieren. Eine höhere Scope-Empfindlichkeit reduziert nicht zwangsläufig den Eingenrauschanteil des Scopes.

10 Tipps, die Spannung einer Stromversorgung zu messen

1. Messpfad mit geringem Rauschen: Will man das Rauschen auf der Gleichspannung beobachten, so soll das Rauschen des Oszilloskops so klein wie möglich sein. Bei den meisten Oszilloskopen lässt sich die Eingangsimpedanz zwischen 50 Ω oder 1 MΩ umschalten. Dabei hat der 50-Ω-Pfad ein geringeres Rauschen als der 1-MΩ-Pfad. Das lässt sich überprüfen, indem der Eingang der Tastspitze und die Bezugsmasse miteinander kurzgeschlossen werden. Diese Nullmessung ist zu empfehlen. Man bekommt einen Rauschpegel angezeigt, der sich mit dem späteren Messwert für das Rauschsignal des Netzgerätes vergleichen lässt. Allerdings müssen die Einstellungen des Scopes und der Tastspitze der späteren Messung entsprechen. Verwendet man einen differenziellen Tastkopf, müssen die beiden Eingänge miteinander kurz geschlossen werden.

2. Bandbreite begrenzen, um Rauschen zu reduzieren: Nicht immer ist eine große Bandbreite von Vorteil. Wird die Bandbreite des Oszilloskops und der Tastspitze soweit für die notwendige Messung reduziert, wird auch die Rauschspannung reduziert, die bei der Messung zum Tragen kommt. Das Bild 4 zeigt eine vergleichende Messung. Angewandt wurde die Nullmessung und einem Oszilloskop der S-Serie von Keysight (10 Bit A/D-Wandler, 20 GS/s) mit unterschiedlichen Bandbreiten und dem 1:1-Tastkopf N7020A (2 GHz, 1:1 Abschwächung). Der Tastkopf ist speziell für Messungen an DC-Netzteilen. Das Ergebnis zeigt die Tabelle.

3. Tastkopf mit Abschwächung 1:1: Das Bild 5 zeigt die gleichzeitige Messung von einem Sinunssignal mit 20 MHz und 50 mV_ss. Einmal gemessen mit einem 10:1-Tastkopf und einem 1:1-Tastkopf. Einziger Unterschied ist das Abschwächerverhältnis. Die Spannung bei dem 1:1-Tastkopf beträgt 52 mV_ss, während beim 1:10-Tastkopf die Spannung 65 mV_ss beträgt. Die höhere Abschwächung überhöht die Messung mit einem um 25 Prozent höheren Wert. Gründe sind ein höherer Abschwächungsfaktor und der bewerteten Zuordnung in der Anzeige. Problematisch sind kleine Signal, wenn das Oszilloskop- und Tastkopfrauschen nicht berücksichtigt wird. Zum Messen der Rauschpegel sollte ein 1:1-Tastkopf herangezogen werden.

4. Offset-Einstellung des Tastkopfes: Die Offset-Einstellung einer aktiven Tastspitze ermöglicht es, den DC-Anteil eines Signals zu kompensieren. Das hilft, wenn kleine Wechselspannungen vermessen werden, die dem Gleichspannungssignal überlagert sind. In Bild 6 sind die Ergebnisse auf einer DC-Ausgangsspannung von 1,5 V mit und ohne einer Offsetkompensation durch den Tastkopf gemessen. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse einmal mit und ohne Offsetkompensation durch den Tastkopf abweichen.

Der Grund für den Unterschied ist die unterschiedliche Abschwächung durch das Oszilloskop bei größeren Empfindlichkeits-Einstellungen (V/div). Doch Vorsicht: Viele der aktiven Tastköpfe, die eine Offset-Kompensation bieten, haben einen Abschwächungsfaktor ungleich 1:1. Das widerspricht dem Ziel, das Systemrauschen des Scopes zu reduzieren. Der Power-Rail-Tastkopf N7020A von Keysight hat ein 1:1-Tastverhältnis und kompensiert DC-Spannungen von ±24 V.

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