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TeX/Kapitel/Vermessung.tex

@@ -44,14 +44,17 @@ 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 
+den Einfluss dieser Störquelle zu vermindern.
 
 Vermessen wird nur die abgeschirmte $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$ 
 Variante des TIVs, da Nichtlinearitäten sowie Leckströme
-eine Funktion des Verstärkers selbst sind. Die Abschirmung
-beeinflusst lediglich die dynamischen Eigenschaften des Schaltkreises, 
-während Widerstände generell keine Nichtlinearitäten bei DC aufweisen.
+eine Funktion des Verstärkers selbst sind. Abschirmung,
+Widerstandsgröße etc. beeinflusst lediglich die dynamischen
+Eigenschaften des Schaltkreises, 
+da Widerstände generell keine Nichtlinearitäten bei DC aufweisen.
 Es wird ein Strombereich von $\SI{\pm2.6}{\nano\ampere}$
-Eingangsstrom vermessen.
+Eingangsstrom in Schritten von $\SI{0.1}{\nano\ampere}$ vermessen.
 
 \begin{figure}[h]
     \centering
@@ -63,7 +66,7 @@ Eingangsstrom vermessen.
 Abbildung \ref{fig:measurement_v1_linearity} zeigt das Ergebnis der Vermessung.
 Deutlich zu erkennen ist eine saubere, lineare Abhängigkeit der Ausgangsspannung
 vom Eingangsstrom ohne merkliche Abweichungen vom linearen Zusammenhang. Auch 
-der Verstärkungsfaktor von $\SI{1}{\giga\ohm}$ ist präzise erreicht worden. 
+der Verstärkungsfaktor von $\SI{1}{\giga\ohm}$ wird präzise erreicht. 
 Lediglich an den Extremen des Messbereiches ab ca. $\SI{\pm2.4}{\nano\ampere}$ 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
@@ -77,7 +80,7 @@ lineares Verhalten vor.
 
 In diesem Abschnitt wird die Bandbreite des Systems untersucht.
 Hierbei wird sowohl die Bandbreite der TIA-Stufe ohne Filterung,
-als auch die gesamte Bandbreite mit Filterung, in Betracht gezogen.
+als auch die gesamte Bandbreite mit Filterung, vermessen.
 
 Für einen Verstärker wie den TIV ist eine Übertragungsfunktion
 gewünscht, welche möglichst flach verläuft und erst ab einer 
@@ -86,6 +89,22 @@ Der glatte Verlauf unterhalb der Grenzfrequenz erlaubt für eine
 verzerrungsfreie Übertragung eines Signals, während der steile 
 Abfall nach der Grenzfrequenz ungewünschte Signale heraus filtert.
 
+Die Übertragungsfunktionen werden mithilfe eines {\em Analog Discovery Pro 3} 
+Oszilloskop + Funktionsgenerator aufgenommen.
+Der Ausgang des Funktionsgenerators an eine Photodioden-Box angeschlossen,
+welche die Ausgangsspannung des Generators auf einen Strom im Bereich von 
+0 bis $\SI{0.7}{\nano\ampere}$ umwandelt. Der Frequenzgang dieser Box ist hierbei 
+bis in die oberen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ flach und konstant, und muss somit 
+nicht weiter beachtet werden. Der Ausgang der Photodioden-Box wird an den Eingang
+des TIVs angeschlossen. Der gefilterte und ungefilterte Ausgang des TIVs werden
+jeweils mit dem {\em Analog Discovery Pro 3} vermessen.
+
+Durch Anlegen einer Sinus-Ausgangsspannung an die Dioden-Box und Vermessung
+der Amplitude und Phase des Sinus an den Ausgängen des TIVs kann berechnet werden,
+mit welcher Verstärkung bzw. Dämpfung die verschiedenen Frequenzen übertragen wurden.
+Hierbei werden Frequenzen im Bereich von $\SI{100}{\hertz}$ bis $\SI{500}{\kilo\hertz}$ 
+genutzt.
+
 \begin{figure}[ht]
     \centering
     \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth.png}
@@ -98,10 +117,12 @@ Abbildung \ref{fig:v10_bandwidth} zeigt die aufgenommenen Bandbreiten
 des abgeschirmten Schaltkreises mit verschiedenen
 Rückkoppelwiderständen.
 Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit der Bandbreite vom
-Rückkoppelwiderstand, wie es durch vorherige Kapitel beschrieben wurde.
+Rückkoppelwiderstand, wie in vorherigen Kapiteln dargelegt und berechnet wurde.
 Die tatsächliche Bandbreite ist hierbei wie erwartet geringer als die simulierten Werte
 aus Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations}, da sich vermutlich nicht alle
-parasitären Eigenschaften akkurat modellieren ließen. Die tatsächlichen
+parasitären Eigenschaften akkurat modellieren ließen. Dennoch ist eine klare
+Verbindung zwischen Widerstandsgröße und Bandbreite erkennbar.
+Die gemessenen
 -3dB Grenzfrequenzen sind in Tabelle \ref{table:v10_bandwidths} aufgelistet.
 
 \begin{table}[h]
@@ -145,17 +166,21 @@ wenig Spielraum für die nachfolgende Filterung.
         \hline
     \end{tabular}
 \end{table}
+\todo[inline]{Fix these up!}
 
-Abbildung \ref{fig:v10_bandwidths_ch2} zeigt die Bandbreiten der gefilterten
-Ausgänge der gleichen Platinen.
+Abbildung \ref{fig:v10_bandwidths_ch2} zeigt die Messungen der gefilterten
+Ausgänge derselben Platinen.
 Die Auslegung der Filterstufe soll erst ab der Grenzfrequenz
 von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ einen Abfall von -40dB/Dekate einbringen,
 wobei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nicht beeinflusst werden sollten.
-Diese Verhalten ist deutlich in der Messung zu erkennen.
+Diese Verhalten ist auch deutlich in der Messung zu erkennen. Die -3dB-Frequenzen
+der gefilterten Ausgänge sind in Tabelle \ref{table:v10_bandwidth_filters} aufgelistet.
+Wie bereits theorisiert ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu gering
+für die vollen $\SI{30}{\kilo\hertz}$. Die anderen beiden Varianten besitzen
+genug Bandbreite.
 
 
-
-\begin{figure}[hb]
+\begin{figure}[htb]
     \centering
     \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_filter_compare.png}
     \caption{\label{fig:v10_bandwidth_filter_compare}Vergleich der Übertragungsfunktion
@@ -293,10 +318,9 @@ entsteht eine Störung: Der Ausgang des TIVs wird instabil, wobei eine
 Rechteckwelle mit variabler Frequenz anstelle eines gefilterten und gleichmäßigen
 Signals ausgegeben wird.
 
-\begin{figure}[h]
+\begin{figure}[htb]
     \centering
-    \missingfigure{Get a measurement of the output of the old circuit with the 
-    IMS connected.}
+    \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.0-a1/Instability.png}
     \caption{\label{fig:measurement_v10_ims_instability}Ausgangsspannung des
         TIVs bei angeschlossener IMS-Röhre, mit deutlich zu erkennender
         Instabilität der Messung.}
@@ -317,8 +341,14 @@ eines TIVs von größerer Bedeutung als anfänglich erwartet.
 Es ist anzumerken, dass eine solche Instabilität nicht korrekt in den Simulationen
 mit LTSpice abgebildet wird.
 Simulationen können nicht alle realen Vorgänge korrekt abbilden, wodurch vor allem
-bei  
+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. 
 
+Die Präsenz dieser Instabilität ist für den Einsatz in einem IMS ungeeignet.
+Der instabile und schwingende Ausgang erlaubt keine Messung der feinen
+Ionenströme, wodurch dieser Schaltkreis für eben solche Messungen
+nicht geeignet ist.
 
 \section{Diskussion der Messergebnisse}
 
@@ -346,4 +376,8 @@ besitzt, welches für Messungen von Vorteil ist. Das Rauschlevel
 aller drei Platinen ist nutzbar, wobei jedoch die $\SI{120}{\mega\ohm}$
 und $\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten die besten Rauschlevel besitzen.
 
-Lediglich die Stabilität der Platine bei angelegtem 
+Lediglich die Instabilität der Platine bei angeschlossener IMS-Röhre oder
+anderer Eingangskapazitäten erlaubt es nicht, dieses konkrete TIV-Design
+zu nutzen. Als Fehlerquelle wird hierbei das Eingangsrauschen 
+des gewählten OpAmps, des LTC6268-10, erkannt, welches unerwünscht mit der
+Eingangskapazität interagiert.