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TeX/Kapitel/Vermessung.tex

@@ -6,10 +6,18 @@
 In diesem Kapitel wird der erstellte Schaltkreis auf seine Funktionstüchtigkeit
 untersucht.
 Es wird beurteilt, ob die Schaltung die festgelegten Zielparameter erreichen kann
-und welche Parameter einer Verbesserung bedürfen.
+und welche Parameter einer Verbesserung bedürfen. Zusätzlich werden
+verschiedene Auslegungen des Schaltkreises getestet, um den Einfluss verschiedener
+Komponenten und Design-Varianten zu erproben.
 
-Hierbei werden verschiedene Variationen des Schaltkreises vermessen, um
-einige Systemparameter bestimmen zu können. Diese sind:
+Relevant ist hierbei vor allem die Größe des Rückkoppelwiderstandes, welcher
+entsprechend der Simulationen das Rauschen stark beeinflusst und die Bandbreite
+des Schaltkreises fest legt. Aus diesem Grund sollen verschiedene
+Rückkoppelwiderstände getestet werden.
+Ebenso relevant ist der Einfluss der Abschirmung, welche genauer betrachtet
+wird.
+
+Somit sind folgende Schaltkreise zu vermessen:
 
 \begin{itemize}
     \item Ein Schaltkreis ohne Abschirmungen und mit $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$
@@ -19,13 +27,16 @@ einige Systemparameter bestimmen zu können. Diese sind:
         um den Einfluss der verschiedenen Widerstände charakterisieren zu können.
 \end{itemize}
 
+Die Auswahl dieser Widerstände wurde entsprechend der Abschätzungen aus 
+Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} getroffen.
+
 \section{Messergebnisse}
 
 \subsection{Linearität}
 \label{chap:v10_measurement_linearity}
 
 In diesem Abschnitt wird die Linearität des erstellten
-Schaltkreises erprobt. Diese Art der Vermessung gibt an,
+Schaltkreises evaluiert. Diese Art der Vermessung gibt an,
 auf welche Art Eingangs- und Ausgangssignal in Relation stehen.
 Für die meisten Sensorsysteme ist eine möglichst lineare
 Relation gewünscht, d.h.:
@@ -45,8 +56,8 @@ genutzt. Diese Quelle liefert Ströme mit einer Auflösung von $\SI{10}{\pico\am
 Der Ausgang dieser Quelle wird an den Eingang des gebauten TIVs 
 angeschlossen. Der Ausgang des TIVs wird mit einem digitalem
 Multimeter, dem {\em Keysight 34461A}, vermessen,
-wobei eine Mittlung von $100\cdot\SI{20}{\milli\second}$ eingestellt wird.
-Dies mittelt über 100 Perioden des 50Hz-Stromnetzes hinweg, um 
+wobei eine Mittlung von $\SI{2000}{\milli\second}$ eingestellt wird.
+Dies mittelt über 100 Perioden des $\SI{50}{\hertz}$-Stromnetzes hinweg, um 
 den Einfluss dieser Störquelle zu vermindern.
 
 Vermessen wird nur die abgeschirmte $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$ 
@@ -89,16 +100,16 @@ Es scheint ein leichter Fehler im Verstärkungsfaktor von 0.5\% vor zu liegen,
 und der Nullpunkt ist um circa $\SI{5}{\milli\volt}$ nach oben verschoben. 
 Beide dieser Fehler lassen sich durch eine lineare Kalibration entfernen, 
 der Schaltkreis besitzt somit ein nutzbares lineares Ausgangssignal.
-Lediglich an den Extremen des Messbereiches ab ca. $\SI{\pm2.4}{\nano\ampere}$ ist ein
+Lediglich an den Extremen des Messbereiches ab circa $\SI{\pm2.4}{\nano\ampere}$ ist ein
 Einknicken der Ausgangsspannung zu erkennen. Dies lässt sich durch die Versorgungsspannung
-des Verstärkers erklären, welche bei ca. $\SI{\pm2.5}{\volt}$ liegt, wodurch die
+des Verstärkers erklären, welche bei circa $\SI{\pm2.5}{\volt}$ liegt, wodurch die
 Ausgangsspannung begrenzt ist.
 
 In Zusammenfassung ist die Linearität des Schaltkreises mehr als ausreichend und
 für den gewünschten Eingangsstrom von $\SI{\pm1}{\nano\ampere}$ liegt ein komplett
 lineares Verhalten vor.
 
-\subsection{Bandbreite}
+\subsection[Verstärkerbandbreite]{Untersuchung der Verstärkerbandbreite}
 \label{chap:v10_measurement_bandwidth} 
 
 Nun wird die Übertratungsfunktion der TIVs betrachtet.
@@ -165,7 +176,7 @@ Die gemessenen
 
 Die Übertragungsfunktionen aller drei Platinen weisen akzeptables Verhalten
 auf, d.h. einen glatten Verlauf vor der Grenzfrequenz und einen 
-Abfall von ca. -20dB/Dekade. Lediglich die Grenzfrequenz des
+Abfall von circa -20dB/Dekade. Lediglich die Grenzfrequenz des
 $\SI{120}{\mega\ohm}$ Schaltkreises ist relativ gering und bietet somit
 wenig Spielraum für die nachfolgende Filterung.
 
@@ -272,7 +283,7 @@ notwendig für die Funktionalität des TIVs.
 \subsubsection{Messung ohne Abschirmung}
 
 Um zu bestätigen dass die Abschirmung notwendig ist, wird
-eine PCB-Variante ohne jegliche Abschirmungen angefertigt,
+ein separates Platinendesign ohne jegliche Abschirmungen angefertigt,
 und dessen Übertragungsfunktion sollte vermessen werden.
 Dies war jedoch nicht möglich, da die Platine keinen stabilen Ausgang
 besaß. Der Ausgangspegel des TIVs ohne Abschirmung der Rückkoppelwiderstände
@@ -321,7 +332,12 @@ eingebaut, um äußere Störsignale zu verringern.
 Es wird für jede Platine das FFT-Spektrum von 
 $\SI{500}{\hertz}$ bis $\SI{1}{\mega\hertz}$ aufgenommen, wobei jeweils 1000 Spektren
 genutzt werden, um die durchschnittliche Verteilung
-des Rauschens zu berechnen. Die aufgenommenen Spektren sind in 
+des Rauschens zu berechnen. Die Aufnahme der Spektren erfolgt mit dem
+{\em Analog Discovery 3},
+wobei die Rauschgrenze dieses Messgerätes bei circa $\SI{0.5}{\micro\volt\per\sqrt{\hertz}}$
+liegt und somit die gemessenen Rauschlevel nicht
+merklich beeinflusst.
+Die aufgenommenen Spektren sind in 
 Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
 
 \begin{figure}[ht]
@@ -338,11 +354,11 @@ Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
 Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit des Rauschens von der Widerstands-Größe,
 welches der Vorhersage aus Kapitel \ref{chap:r_noise} entspricht.
 Das Rauschen ist bei allen drei Platinen relativ gleichmäßig 
-verteilt, mit einer flachen Spitze bei ca. $\SI{30}{\kilo\hertz}$.
+verteilt, mit einer flachen Spitze bei circa $\SI{30}{\kilo\hertz}$.
 Es sind keine Frequenz-Spitzen und keine Resonanzen zu erkennen.
 
 Zusätzlich wird das Verhalten der Filter-Stufe auf das Rauschen
-betrachtet. Mithilfe des selben Messaufbaus wird das Rauschen 
+betrachtet. Mithilfe desselben Messaufbaus wird das Rauschen 
 des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet. Abbildung 
 \ref{fig:v10_noises_ch2} zeigt die aufgenommenen Spektren.
 
@@ -360,8 +376,8 @@ des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet. Abbildung
 
 \FloatBarrier
 
-Deutlich zu erkennen ist eine starke Reduktion des Rauschens ab der $\SI{30}{\kilo\hertz}$ 
-Grenzfrequenz des Filters, welches das gewünschte Verhalten ist. Der Filter reduziert 
+Deutlich zu erkennen ist eine starke Reduktion des Rauschens ab $\SI{30}{\kilo\hertz}$ 
+, welches das gewünschte Verhalten ist. Der Filter reduziert 
 somit effektiv das Rauschen des TIV Ausgangs.
 
 Es wird zudem das RMS-Level des Rauschens sowohl vor als auch nach der 
@@ -371,7 +387,7 @@ Widerständen, sowie die Effektivität der Filterung des Ausganges, sind deutlic
 
 \begin{table}[htb]
     \centering
-    \caption{\label{table:v10_noise_table}AC-RMS-Spannungen des Rauschens der Platinen}
+    \caption{\label{table:v10_noise_table}RMS-Spannungen des Rauschens der Platinen}
     \begin{tabular}{ |r|r|r|r| }
         \hline
         Widerstand & Rauschen des 
@@ -436,8 +452,8 @@ Es ist anzumerken, dass eine solche Instabilität nicht korrekt in den Simulatio
 mit LTSpice abgebildet wird.
 Simulationen können nicht alle realen Vorgänge korrekt abbilden, wodurch vor allem
 bei transienten Vorgängen oder denen in der Nähe der Arbeitsgrenzen, so z.B. der 
-maximalen Ausgangsspannung, Abweichungen von der Realität auftreten. Diese 
-Instabilität ist somit nur experimentell aufweislich. 
+maximalen Ausgangsspannung, Abweichungen von der Realität auftreten.
+Diese Instabilität kann somit nur experimentell untersucht werden.
 
 Die Präsenz dieser Instabilität ist für den Einsatz in einem IMS ungeeignet.
 Der instabile und schwingende Ausgang erlaubt keine Messung der feinen