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Was ist die Beziehung zwischen Oszilloskopbandbreite und Wellenformanstiegszeit?

13. Jan 2013 | Oszilloskope

Von Chuck Newcombe

t3000 Wireless Typ-K, Thermometer-Frontbedienfeld

Dies ist die erste Frage, die mir durch den Kopf geschossen ist, als ich die Pressemitteilung für das neue ScopeMeter® Testgerät Fluke 190-502 mit einer Bandbreite von 500 MHz gelesen habe.

Die zweite Frage war: „Welche Art von Anstiegszeit könnte ich auf den digitalen Steuersignalen einer Impulsbreitenmodulation (PWM) von Motorantrieben sehen?“

Anstiegszeit vs. Bandbreite

Die erste Frage weckte die Erinnerung an die alten Stand-By-Schätzungen, die ich seit über 40 Jahren verwende, um diese zwei Spezifikationen zu vergleichen. Die Formel kann auf zwei Weisen ausgedrückt werden, abhängig davon, wonach Sie suchen. Sie wird normalerweise auf die führende Flanke eines Impulses in einem dynamischen System angewandt, und bezieht sich auf Widerstand-Kondensatorfilter-Zeitkonstanten und Einstellungszeiten.

  1. Anstiegszeit (in Sekunden) = 0,35/Bandbreite (in Hz) oder
  2. Bandbreite (Hz) = 0,35/Anstiegszeit(en)

Die Anwendung von (1) oben Genanntem auf die Eigenschaften des neuen ScopeMeter Fluke 190 Serie II zeigt, dass man bei 500 MHz in der Lage sein sollte, die Anstiegszeit in 700 Picosekunden (0,7 Nanosekunden) zu bestimmen.

Wie genau ist die Schätzung, die ich all die Jahre für Sinuswellen verwendet habe?

Abbildung 1 – Anstiegszeit der Führungsflanke einer Sinuswelle
Abbildung 1: Anstiegszeit der Führungsflanke einer Sinuswelle
Abbildung 2 – Anstiegszeit mit einer Schleife durch Null
Abbildung 2: Anstiegszeit mit einer Schleife durch Null

Ich habe entschieden, dass ich die Ursache der alten Faustregel, die die Konstante 0,35 verwendet, besser verstehen musste, da diese sich auf Sinuswellen bezieht. Die nächste zu beantwortende Frage ist „Was ist die Anstiegszeit einer 500 MHz Sinuswelle relativ zu seiner Periode?“

Die Anstiegszeit ist definiert als die Zeit, die ein Signal benötigt, um von 10 % einer ansteigenden Wellenform zu 90 % zu gelangen. Siehe Abbildung 1.

Für die hier abgebildete Sinuswelle würde die 10 % bis 90 % Zeit eines 2 V p-p Signals bei 500 MHz etwa 700 Picosekunden unter Anwendung der 0,35-Faustregel betragen.

Ich habe festgestellt, dass 108 Grad zwischen den Markern liegen und 108/360 = 0,3, man kann also 0,3 als Konstante für die Berechnung annehmen. Bei näherer Betrachtung und da die schnellste Wechselrate durch Null auftritt, denke ich, dass die Anstiegszeit einer 500 MHz Anstiegszeit dichter bei 600 Picosekunden liegt. Die erweiterte Schleife durch Null kann in Abbildung 2 betrachtet werden.

Wohin führt uns das in der realen Welt – bei Motorantriebs-Schaltkreisen?

Werfen wir einen Blick auf typische Schaltungswellenformen für einen IGBT (das steht für insulated gate bipolar transistor), wie er in aktuellen Motoren verwendet wird.

Abbildung 3
Abbildung 3
Abbildung 4
Abbildung 4

Typische Spannungs- und Stromwellenformen sind in Abbildung 3 dargestellt. Beachten Sie, dass die Spannung zunächst um etwa 50 Volt in 10 bis 20 Nanosekunden (ns) fällt. Dann bleibt es stabil, da der Strom sich langsam über 125 ns aufbaut. Dann fällt die Spannung um weitere 250 Volt, da der Strom sich bei 150 A stabilisiert.

Basierend auf obenstehenden Annahmen, hat das neue Fluke 190-502 die Spanne, die es in Bandbreiten- und Anstiegszeitenkapazität für diese Anwendung benötigt. Das größte Problem werden vielleicht das Finden eines Induktivitäts-Strom-Shunt für die Strommessung und das Sicherstellen sein, dass Sie die Spannungsfühler sorgfältig kompensiert haben, um die induzierte Ringbildung zu minimieren.

Diese Überlegungen werden wichtiger, um die Turn-Off-Wellenformen akkurat zu messen. Siehe Abbildung 4.

Hier schlingert die Spannung von Null zu einer 450 V Spitze in etwa 50 ns und der Strom fällt im gleichen Zeitraum von 150 A auf Null.

Behalten Sie die Messsicherheit im Hinterkopf

Die Größen der hier dargestellten Spannungsschwingungen erinnern uns an die Wichtigkeit der CAT IV 600V Klassifizierung des neuen ScopeMeter. Mit der verfügbaren Strommenge und der Möglichkeit von Ringbildung in den Kabeln zwischen einem Antrieb und einem Motor können wir nicht vorsichtig genug sein.

Sollten wir also 0,30 oder die altehrwürdigen 0,35 verwenden, um die Beziehung zwischen Anstiegszeit und Bandbreite zu bestimmen?

Erinnern Sie sich, dass die Spezifikationen für die Bandbreite die Frequenz indizieren, bei der die Amplitude des angesprochenen Signals durch den Roll-Off der Analogverstärker und der Verteilernetzwerke bereits vor dem A7D-Wandler des Oszilloskops um etwa 30 % gedämpft wurde. Im Zusammenhang mit diesem Roll-Off steht eine Phasenverschiebung des Signals um 45 Grad.

Unter Berücksichtigung dieser Umstände, empfehle ich, die konservativere 0,35 Konstante zu nutzen, um die entsprechenden Anstiegszeiten zu bestimmen.

Eine vielleicht bessere und viel konservativere Herangehensweise ist, anzunehmen, dass die angezeigte Bandbreite die der fünften Oberschwingung der Frequenz ist, die Sie messen wollen. Eine fünfte Oberschwingung, wahrscheinlich in einem typischen Impuls angezeigt, wird eventuell bei der genannten Bandbreite gedämpft. Dies würde indizieren, dass wir uns auf Oszilloskope mit 500 MHz Bandbreite verlassen können, um ein vollständiges und ungestörtes Bild der Eingabe bei 100 MHz darzustellen, eine gute Qualität des Signals vorausgesetzt, das Sie messen wollen.

Erfahren Sie mehr über das ScopeMeter Testgerät Fluke 190-502