NF- und HF-Messtechnik: Messen mit Oszilloskopen, Netzwerkanalysatoren und Spektrumanalysator

491 Pages·2015·13.388 MB·German

by  Herbert Bernstein (auth.)

Herbert Bernstein
NF- und HF-
Messtechnik
Messen mit Oszilloskopen, Netzwerkanaly-
satoren und Spektrumanalysator
NF- und HF-Messtechnik
Herbert Bernstein
NF- und HF-Messtechnik
Messen mit Oszilloskopen,
Netzwerkanalysatoren und
Spektrumanalysator
HerbertBernstein
München,Deutschland
ISBN978-3-658-07377-0 ISBN978-3-658-07378-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-07378-7
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Vorwort
Mit dem vorliegenden Werk wird angestrebt, das Thema „NF- und HF-Messelektronik“
möglichst umfassend und in sich abgeschlossen zu behandeln,sowie moderneEntwick-
lungstendenzeninderElektronikzuberücksichtigen.
DieEntwicklung,FertigungundderBetriebvonNachrichtenübertragungssystemener-
forderndenEinsatzvonMessgerätenzurBestimmungdervielfältigenKenngrößeninder
Übertragungstechnik.WennheutevielfachautomatisierteMessgeräteverwendetwerden,
deren Funktion weitgehend von einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller bestimmt
wird, so ist es doch unerlässlich, sich mit den dabei zugrunde liegenden Verfahren zur
MessungdergewünschtenKenngrößenundderengenauerDefinitionzubefassen.
DasvorliegendeBuchmöchtedemLeserdabeibehilflichsein.Miteinerausführlichen
ErläuterungderverschiedenenübertragungstechnischenKenngrößenundMessverfahren
sowie praktisch ausgeführter Messanordnungen und Messsysteme geht der Umfang des
BuchesnatürlichweitüberdenRahmeneinerVorlesunghinaus.Eswarabervonvornher-
einnichtdieAbsichtdesVerfassers,nureinLehrbuchfürStudentenzuschaffen,sondern
darüber hinaus einen weiten Kreis von Interessenten anzusprechen.Die Darstellung des
Stoffesistin diesem SinnefürjedenTechnikerverständlichunddurchzahlreicheMess-
beispielemitWertangabenstarkaufdiepraktischeAnwendungausgerichtet.
Das umfangreiche Stoffgebiet der „NF- und HF-Messverfahren“ wurde in fünf Ab-
schnitte gegliedert. Der erste Abschnitt erläutert dieGrundbegriffeund Kenngrößenaus
derÜbertragungstechnik.EinefundierteKenntnisdieserBegriffeistunerlässlichfürdas
VerständnisderMessverfahren.
Der Umfang des behandelten Stoffes machte allerdings eine exemplarische Themen-
auswahlbeidendetaillierterenBetrachtungenerforderlich.BeiderAuswahlderzahlrei-
chen Beispiele wurde einerseits darauf geachtet, dass ein abgerundetesBild der vielfäl-
tigen elektronischen Mess- und Verarbeitungsmethoden entsteht und andererseits, dass
eher die Arbeitsprinzipien der dargestellten Komponenten und Verfahren als deren ge-
naueEigenschaftenherausgestelltwerden,damittrotzraschfortschreitenderTechnikein
vorzeitiges„Veralten“derAussagenvermiedenwird.
ObwohldiesesWerkimUnterrichtaneinerTechnikerschuleentstandenist,hatderVer-
fasserkeinausgesprochenesVorlesungsmanuskript,daesübereinführendeDarstellungen
hinausgeht.EsistgedachtalsvorlesungsbegleitendeLiteraturanTechniker-,Meister-und
V
VI Vorwort
Fachhochschulen, es wendet sich aber auch an die in der Praxis tätigen Ingenieure und
Techniker.
DasBuchermöglichtdenEinstiegindieanalogeSchaltungssimulationmitdemNetz-
werkanalyseprogrammMultiSimBlueunddemonstriertzahlreicheBeispiele,dennessind
20Messinstrumente(16-Kanal-Logikanalysator,AgilentInstrumente,Amperemeter,Bo-
de-Plotter,Verzerrungsanalysator,dynamischeMessköpfe,Frequenzzähler,Funktionsge-
nerator, Multimeter, Netzwerkanalysator, 2- und 4-Kanal-Oszilloskope, Spektrumanaly-
sator, Tektronix Oszilloskop, Voltmeter, Wattmeter, Word Generator) und umfangreiche
Analyseverfahren vorhanden. Das Verständnis für die Funktionsweise der untersuchten
BauelementeundSchaltungenkannsoaufeinesehranschaulicheWeiseweiterentwickelt
werden.DasToolgibtesjetztunterhttp://www.mouser.com/MultiSimBluekostenloszum
Download.
MeinerFrauBrigittedankeichfürdieErstellungderZeichnungen.
E-Mail-AdressedesAutors:[email protected]
München,Sommer2015
Inhaltsverzeichnis
1 GrundbegriffederNF-undHF-Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 AufbaueinesNachrichtenübertragungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 SignaleundihreDarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Zeitfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Frequenzfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 AnalogeSignale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.4 DigitaleSignaleundCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.5 Fourier-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Frequenzband,BandbreiteundNachrichtenkanal . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1 ÜbertragungsstreckeundBandbreitenbegrenzung . . . . . . . . . . 27
1.3.2 LeitungsgrößenundLängeneinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.3 DrahtgebundenesÜbertragungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.4 PhasenkonstanteundWellenkonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4 Frequenz-undWellenbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5 DämpfungundVerstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.5.1 Dämpfungs-undVerstärkungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.5.2 Dämpfungs-undVerstärkungsmaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.6 Pegelrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.6.1 AbsoluterPegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.6.2 RelativerPegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.6.3 ZusammenhangzwischenPegelundDämpfungs-sowieVerstär-
kungsmaß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.6.4 Pegeldiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.6.5 Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.7 Verzerrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.7.1 LineareVerzerrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.7.2 NichtlineareVerzerrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.8 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.8.1 ArtenundUrsachendesRauschens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.8.2 Rauschkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.8.3 MaßnahmenzurRauschminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
2 ArbeitenmitanalogenunddigitalenOszilloskopen . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.1 AufbaueinesanalogenOszilloskops. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.1.1 Elektronenstrahlröhre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.1.2 HorizontaleZeitablenkungundX-Verstärker . . . . . . . . . . . . . 71
2.1.3 Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.1.4 Y-EingangskanalmitVerstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.1.5 Zweikanaloszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.1.6 Tastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.1.7 InbetriebnahmedesOszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.2 HandhabungeinesanalogenOszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.2.1 EinstellenderEmpfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.2.2 AnschlusseinesOszilloskopsaneineMessschaltung . . . . . . . . 94
2.2.3 TriggerverhaltenaneinerMessschaltung . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.3 DigitalesSpeicheroszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.3.1 MonitoremitDünnfilmtransistoren(TFT)undFlüssigkristallen
(LCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.3.2 TFT-MonitorinDünnfilmtransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.3.3 MerkmaleeinesdigitalenOszilloskops. . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.3.4 InterneFunktionseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.3.5 DigitaleSignalspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.3.6 Analog-Digital-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.3.7 ZeitbasisundhorizontaleAuflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.3.8 MöglichkeitendesAbtastbetriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.3.9 SpeicherungvonSignalinformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2.4 FunktionenundBedienelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
2.4.1 Parametereinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
2.4.2 Triggerfunktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2.4.3 SpezielleTriggerfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.4.4 TriggermethodenfürStörimpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.4.5 AuswertungvonMesssignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2.4.6 DigitaleFilterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
2.4.7 VorarbeitungvonMesssignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.4.8 SpezialfunktioneneinesdigitalenSpeicheroszilloskops. . . . . . . 145
2.4.9 AutomatischeMessungmitderCursorsteuerung. . . . . . . . . . . 149
2.4.10 ArbeitenmitdemMesscursor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.5 PraktischeAnwendungendesOszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.5.1 Strom-Spannungs-KennlinieeinesWiderstands . . . . . . . . . . . 157
2.5.2 Strom-Spannungs-KennlinieeinerDiode . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.5.3 UntersuchungvonRC-Integriergliedern . . . . . . . . . . . . . . . . 162
2.5.4 UntersuchungvonCR-Differenziergliedern . . . . . . . . . . . . . . 167
2.5.5 UntersuchungderPhasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.5.6 FrequenzmessungmitderLissajous-Figur. . . . . . . . . . . . . . . 173
Inhaltsverzeichnis IX
2.5.7 MessungderPhasenverschiebungmitderLissajous-Figur . . . . . 175
3 Filtertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.1 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.1.1 Filtertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.1.2 Wobbelmessgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.1.3 WobbelgeneratormitMAX038 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.2 Bode-Plotter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.2.1 PassiverRC-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.2.2 PassiverRC-Tiefpass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.2.3 PassiverRL-TiefpassundRL-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.2.4 RCL-Reihenschwingkreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.2.5 RCL-Parallelschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.2.6 RealeSchwingkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
3.2.7 GüteundBandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3.2.8 PassivesLC-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.2.9 PassivesT-und -Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.2.10 PassivesTiefpass-Doppelsiebglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.2.11 BandpassmitWienbrücke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.3 PassiveFilterschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
3.3.1 CL-Bandpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
3.3.2 CL-Bandsperre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.3.3 KritischeBandfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.3.4 m-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.4 AktiveFilterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
3.4.1 VergleichzwischendenaktivenFilterschaltungen . . . . . . . . . . 227
3.4.2 PassiverHoch-undTiefpass1.Ordnung. . . . . . . . . . . . . . . . 228
3.4.3 RC-FilternachGauß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
3.4.4 FilternachGauß,Bessel,Butterworth,CauerundTschebyscheff. 231
3.4.5 AmplitudengangvonaktivenFiltern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.5 AktiveTief-undHochpassfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.5.1 AktiverTiefpass1.Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.5.2 AktiverHochpass1.Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
3.5.3 AktiveTiefpassfilter2.OrdnungmitZweifachgegenkopplung . . 238
3.5.4 UmwandlungvonTiefpass-inHochpassfilter. . . . . . . . . . . . . 240
3.6 AktiveBandpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
3.6.1 SelektiverVerstärkermitSchwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . 242
3.6.2 SelektivesFilter2.OrdnunginGegenkopplung . . . . . . . . . . . 243
3.7 EinstellbareFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
3.7.1 EinstellbaresTiefpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.7.2 EinstellbaresHochpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
3.7.3 EinstellbaresBandsperrfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
X Inhaltsverzeichnis
3.7.4 Allpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
3.8 AktiverTiefpassfilterhöhererOrdnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
3.8.1 BerechnungsbeispielefüraktiveTiefpassfilter . . . . . . . . . . . . 251
3.8.2 AktivesTiefpassfilter3.Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
3.8.3 AktivesTiefpassfilter4.Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
4 Spektrumanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
4.1 OszilloskopundSpektrumanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4.1.1 UnterschiedlicheDarstellungdesgleichenSignals . . . . . . . . . 259
4.1.2 Referenzpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
4.1.3 CharakterisierungeinesSpektrumanalysators. . . . . . . . . . . . . 265
4.2 ElektromagnetischeVerträglichkeit(EMV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
4.2.1 EMV-Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4.2.2 OszilloskopoderSpektrumanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4.2.3 AktiveFeldsonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4.2.4 DämpfungdurchGehäuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
4.2.5 AuswahlvonSignalleitungsfiltern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
4.2.6 SignalleitungsfiltermitWiderständen,KondensatorenundSpulen 283
4.2.7 Frequenz-undZeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
4.2.8 Zero-Span-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
4.2.9 Tastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
4.2.10 FehlerminimierungbeiTastköpfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
4.2.11 FeldgeführteStörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
4.3 AufbauvonSpektrumanalysatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
4.3.1 Fourier-Analysator(FFT-Analysator) . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
4.3.2 Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
4.3.3 DiskreteFourier-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
4.3.4 Abtast-Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
4.3.5 z-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
4.3.6 Inversez-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
4.3.7 SystemfunktionH(z) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
4.3.8 SchnelleFourier-Transformation(FFT) . . . . . . . . . . . . . . . . 312
4.3.9 InverseDiskreteFourier-Transformation(IDFT) . . . . . . . . . . . 317
4.3.10 ZwischenfrequenzundSuperheterodyne. . . . . . . . . . . . . . . . 318
4.3.11 FilterbänkefürFFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
4.4 SpektrumanalysatornachdemÜberlagerungsprinzip . . . . . . . . . . . . 328
4.5 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
4.5.1 Überlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
4.5.2 Amplitudenmodulation(AM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
4.6 SchaltungenvonSinusoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
4.6.1 PrinzipschaltungdesOszillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
4.6.2 LC-Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344