From 262c007994350ce646ffe926716e8d5621c08810 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: David Bailey Date: Mon, 12 Aug 2024 17:07:31 +0200 Subject: [PATCH] Continue writing, wheee --- Images/Datavis/plots.yml | 72 +++++++++++++ TeX/Kapitel/RevisionV11.tex | 194 +++++++++++++++++++++++++++++++++++- TeX/Kapitel/Vermessung.tex | 3 + 3 files changed, 268 insertions(+), 1 deletion(-) diff --git a/Images/Datavis/plots.yml b/Images/Datavis/plots.yml index b0de575..cd81b9a 100644 --- a/Images/Datavis/plots.yml +++ b/Images/Datavis/plots.yml @@ -7,6 +7,53 @@ defaults: Cin: $C_{in}$ plots: + - loadtype: multicsv + load: + 47M Rev. 1: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv + 47M Rev. 2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv + + + data_processing_steps: + - normalize_bandwidth + + ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB) + + load_values: ["Frequency (Hz)","Channel 1 Magnitude (dB)"] + + type: lt_sweep + colourmap: default + x_key: Frequency (Hz) + y_key: "Channel 1 Magnitude (dB)" + + xmin: 100 + xmax: 1000000 + ymin: -25 + + ofile: V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png + + - loadtype: multicsv + load: + 47M Rev. 1: V1_Measurements/noise_47M.csv + 47M Rev. 2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv + + ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) + + load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"] + + type: lt_sweep + colourmap: default + x_key: Frequency (Hz) + y_key: "Trace 1 (VHz)" + + xmin: 500 + # xmax: 1000000 + ymin: 0 + ymax: 0.00004 + + yformatter: engineering + yplaces: 2 + + ofile: V1_Measurements/revision_compare_noise.png - loadtype: multicsv load: 20M: V1_Measurements/V1.1-a1/20M/noise.csv @@ -32,6 +79,31 @@ plots: yplaces: 2 ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png + - loadtype: multicsv + load: + 20M: V1_Measurements/V1.1-a1/20M/noise.csv + 47M: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv + 82M: V1_Measurements/V1.1-a1/82M/noise.csv + 120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/noise.csv + + ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) + + load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 2 (VHz)"] + + type: lt_sweep + colourmap: default + x_key: Frequency (Hz) + y_key: "Trace 2 (VHz)" + + xmin: 500 + # xmax: 10000 + ymin: 0 + ymax: 0.0001 + + yformatter: engineering + yplaces: 2 + + ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/noises_ch2.png - loadtype: multicsv load: 20M: V1_Measurements/V1.1-a1/20M/bandwidth.csv diff --git a/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex b/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex index a56648a..e22ac03 100644 --- a/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex +++ b/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex @@ -120,6 +120,7 @@ Es werden, wenn nicht anders beschrieben, dieselben Methoden wie aus Kapitel \re genutzt. Wo angemessen, sollen Vergleiche mit der vorherigen Version gezogen werden. \subsection{Stabilität am IMS} +\label{chap:v11_measurement_ims_stability} Es wird nun als aller erstes die Stabilität an einer IMS-Röhre vermessen. Hierfür wird dieselbe Röhre wie in der Vermessung der ersten Revision genutzt, an den Eingang des TIVs @@ -135,4 +136,195 @@ das Spektrum des Rauschens dieser Variante. \caption{\label{fig:v11_ims_noise}Rauschlevel der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante mit angeschlossenem IMS.} \end{figure} -Diese Messung bestätigt dass \ No newline at end of file +Diese Messung bestätigt, dass diese Revision der Schaltung keine Oszillationen bei Anschluss einer IMS-Röhre +aufweist. Der Fehler der ersten Revision wurde somit erfolgreich behoben. + +\subsection{Linearität} + +In diesem Abschnitt wird die Linearität der neuen Revision vermessen. Die Messung erfolgt hierbei mit den +gleichen Messgeräten wie in Kapitel \ref{chap:v10_measurement_linearity}, es wird jedoch durch die höhere +Versorgungsspannung des ADA4817 ein größerer Eingangsstrombereich von \todo{Measure this} vermessen. + +\begin{figure}[h] + \centering + \missingfigure{Measure linearity of v11} + \caption{\label{fig:v11_linearity}Vermessung der Linearität der zweiten Revision, + $\SI{47}{\mega\ohm}$-Variante} +\end{figure} + +Abbildung \ref{fig:v11_linearity} zeigt die vermessene Linearität an der +$\SI{47}{\mega\ohm}$-Variante. \todo{Fill this out after measurement} + +\newpage +\subsection{Bandbreite} + +In diesem Abschnitt werden die Übertragungsfunktionen und Bandbreiten der erstellten +Platinen genauer untersucht. +Es wird hierfür dieselbe Methode wie aus Kapitel \ref{chap:v10_measurement_bandwidth} +genutzt. + +\begin{figure}[h] + \centering + \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidths.png} + \caption{\label{fig:v11_measurement_bandwidth}Messungen der Übertragungsfunktionen + der Platinen der zweiten Revision.} +\end{figure} + +Abbildung \ref{fig:v11_measurement_bandwidth} zeigt die gemessenen Übertragungsfunktionen +der zweiten Platinenrevision. +Deutlich zu erkennen ist die gewünschte glatte Übertragungsfunktion bis hin zur Eckfrequenz. +Hiernach fallen die Verstärkungen der Platinenvarianten jedoch unterschiedlich schnell ab. +Alle Platinen bis auf die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante weisen einen Abfall von circa +-20dB/Dekade auf, welcher durch das RC-Verhalten der Rückkoppelwiderstände bestimmt wird. +Die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante weist jedoch einen Abfall von -40dB/Dekate auf, welches +auf einen gedämpften Oszillator schließen lässt. Ebenfalls ist ein Knick in der +$\SI{82}{\mega\ohm}$ Variante bei circa $\SI{300}{\kilo\hertz}$ zu erkennen, und ein deutlicher +Resonanz-Peak in der $\SI{120}{\mega\ohm}$ Variante bei $\SI{600}{\kilo\hertz}$. + +Diese Diskrepanzen stören das Verhalten der Übertragungsfunktion für die hier gesetzten +Zielparameter nicht, da die beobachteten Frequenzen gänzlich überhalb der Filter-Eckfrequenz +von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ liegen. Im Falle der $\SI{47}{\mega\ohm}$ ist der +stärkere Abfall der Verstärkung sogar vorteilhaft. +Eine Vermutung der Ursache dieser Resonanz ist der kaskadierte Aufbau des Verstärkers selbst. +Die zweite Stufe des Verstärkers kann zu einer Phasenverschiebung führen, welches diverse +Einflüsse auf den Frequenzverlauf der Verstärkung haben kann. + +\todo[inline]{Check with our LTSpice simulation if we see these!} + +\begin{table}[H] + \centering + \caption{\label{table:v11_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten + TIV-Ausgangs der zweiten Revision} + \begin{tabular}{ |r|r|r| } + \hline + Widerstand & -3dB Punk \\ + \hline + $\SI{20}{\mega\ohm}$ & $\SI{97.556}{\kilo\hertz}$ \\ + $\SI{47}{\mega\ohm}$ & $\SI{54.747}{\kilo\hertz}$ \\ + $\SI{82}{\mega\ohm}$ & $\SI{32.283}{\kilo\hertz}$ \\ + $\SI{120}{\mega\ohm}$ & $\SI{26.923}{\kilo\hertz}$ \\ + \hline + \end{tabular} +\end{table} + +Tabelle \ref{table:v11_bandwidths} zeigt die -3dB-Frequenzen der gemessenen +Übertragungsfunktionen. Im Vergleich zur ersten Revision +bieten die $\SI{20}{\mega\ohm}$ und $\SI{47}{\mega\ohm}$ varianten der Platinen +eine höhere Bandbreite als die Platinen der ersten Revision, während die +$\SI{120}{\mega\ohm}$ Variante eine niedrigere Bandbreite aufweist. +Diese Diskrepanz liegt vermutlich ebenfalls am beobachteten Verhalten der Kaskadenschaltung, und +ist erneut im Falle der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante von Vorteil. + +\begin{figure}[h] + \centering + \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png} + \caption{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der + $\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision.} +\end{figure} + +Abbildung \ref{fig:v11_comparison_bandwidth} zeigt einen direkten Vergleich der +Bandbreiten der TIV-Stufen der vorherigen und neuen Revison für +die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die +leicht höhere -3dB-Frequenz der zweiten Revision +ist hierbei deutlich zu erkennen. + +Da die Filterstufe zwischen den Revisionen nicht geändert wurde, +da das Filterverhalten bereits als ausreichend empfunden wurde, wird hier nicht +erneut darauf eingegangen. + +Zusammengefasst besitzen die Varianten der $\SI{82}{\mega\ohm}$ und +$\SI{120}{\mega\ohm}$ eine zu geringe Bandbreite, während +die $\SI{47}{\mega\ohm}$ und $\SI{20}{\mega\ohm}$ Varianten beide mehr als ausreichend +Bandbreite besitzen. Die neue Revision der Platine erfüllt somit die Anforderungen. + +\FloatBarrier +\newpage + +\subsection{Rauschen} + +In diesem Abschnitt wird das Rauschen der neuen Revision vermessen, und mit der vorherigen +Revision verglichen. Es wird beschrieben ob und wie sich das Rauschverhalten geändert hat. +Das Spektrum des Rauschens wird mit dem selben Aufbau aus Kapitel \ref{chap:v10_measurement_noise} +vermessen. + +\begin{figure}[h] + \centering + \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png} + \caption{\label{fig:v11_measurement_noise}Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen + der zweiten Revision.} +\end{figure} + +Abbildung \ref{fig:v11_measurement_noise} zeigt die Rauschspektren der zweiten +Platinenrevision. +Wie in der ersten Revision ist hier deutlich eine Abhängigkeit des Rauschlevels +vom Rückkoppelwiderstand zu erkennen, wobei erneut ein kleinerer Widerstand +ein höheres Rauschniveau einbringt. +Zusätzlich ist die Verteilung des Rauschens merklich anders. Für alle Versionen +scheint eine kleine Erhöhung um $\SI{30}{\kilo\hertz}$ zu liegen, wobei +diese in der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante merklich stärker ausfällt. +Ebenso sind Spitzen im Rauschspektrum zu erkennen. Für $\SI{20}{\mega\ohm}$ +liegt eine deutliche Spitze bei $\SI{7}{\kilo\hertz}$ vor, +für $\SI{47}{\mega\ohm}$ die Erhöhung bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$, und für die +$\SI{120}{\mega\ohm}$ Variante eine deutliche Erhöhung bei +circa $\SI{700}{\kilo\hertz}$. Diese Eröhungen des Rauschens liegen auf den +gleichen Frequenzen wie die Resonanzen in der Bandbreite. Somit ist zu vermuten, +dass die gleiche Ursache für beide Effekte zuständig ist. + +\begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_noise.png} + \caption{\label{fig:v11_v10_comparison_noise}Vergleich des Rauschspektrums + der Revisionen der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante.} +\end{figure} + +Abbildund \ref{fig:v11_v10_comparison_noise} zeigt den direkten +Vergleich der ungefilterten Rauschspektren der ersten und zweiten Revision +der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Version des Schaltkreise. +Trotz des kleineren Eingangsspannungsrauschens des ADA4817 liegt ein +insgesamt leicht größeres Rauschniveau vor. Dies stimmt jedoch nur bei offenem +Eingang. Das Rauschen der ersten Revision mit dem LTC6268-10 vergrößert sich bei +steigender Eingangskapazität, während das Rauschen der zweiten Revision +kaum von der Eingangskapazität abhängt (siehe Kapitel \ref{chap:v11_measurement_ims_stability}). +Unter realen Bedingungen ist somit das +Rauschen der zweiten Revision besser. + +\begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/noises_ch2.png} + \caption{\label{fig:v11_measurement_noise_ch2}Rauschspektren des + gefilterten Ausgangs der zweiten Revision des TIVs.} +\end{figure} + +Abbildung \ref{fig:v11_measurement_noise_ch2} zeigt die Rauschspektren der +gefilterten Ausgänge. Wie in der vorherigen Version ist zu erkennen, dass die +Filterstufe das Rauschlevel deutlich und effektiv senkt. +Die bereits identifizierten Erhöhungen im Rauschen werden, mit Ausnahme der +Spitze des $\SI{20}{\mega\ohm}$ TIVs, herausgefiltert. + +Die RMS-Werte der Rauschlevel für den ungefilterten und gefilterten Ausgang +sind in Tabelle \ref{table:v11_noise_table} aufgelistet. Dort ist deutlich +zu erkennen, dass die Filterstufe das Rauschen merklich verringert, da der +ADA4817 mehr Rauschen in den höheren Frequenzen besitzt als der vorherig +genutzte LTC6268-10. + +\begin{table}[H] + \centering + \caption{\label{table:v11_noise_table}AC-RMS-Spannungen des Rauschens der Platinen} + \begin{tabular}{ |r|r|r|r| } + \hline + Widerstand & Rauschen des + & Rauschen des & Eingangsbezogenes \\ + & ungefilterten Ausgangs & gefilterten Ausgangs & Rauschen \\ + \hline + $\SI{20}{\mega\ohm}$ & $\SI{20.831}{\milli\volt}$ & $\SI{6.331}{\milli\volt}$ & $\SI{6.331}{\pico\ampere}$ \\ + $\SI{47}{\mega\ohm}$ & $\SI{7.251}{\milli\volt}$ & $\SI{3.898}{\milli\volt}$ & $\SI{3.898}{\pico\ampere}$ \\ + $\SI{82}{\mega\ohm}$ & $\SI{16.853}{\milli\volt}$ & $\SI{3.270}{\milli\volt}$ & $\SI{3.270}{\pico\ampere}$ \\ + $\SI{120}{\mega\ohm}$ & $\SI{16.751}{\milli\volt}$ & $\SI{3.123}{\milli\volt}$ & $\SI{3.123}{\pico\ampere}$ \\ + \hline + \end{tabular} +\end{table} + +Insgesamt ist somit das Rauschen der zweiten Revision des TIVs nutzbar. +Zwar ist das Rauschen im Vergleich zur ersten Revision geringfügig erhöht, jedoch +bieten alle Versionen der Schaltung mit Ausnahme des $\SI{20}{\mega\ohm}$ TIVs +ein akzeptabel geringes Rauschen. \ No newline at end of file diff --git a/TeX/Kapitel/Vermessung.tex b/TeX/Kapitel/Vermessung.tex index 756b630..9c6ed53 100644 --- a/TeX/Kapitel/Vermessung.tex +++ b/TeX/Kapitel/Vermessung.tex @@ -22,6 +22,7 @@ einige Systemparameter bestimmen zu können. Diese sind: \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, @@ -78,6 +79,7 @@ für den gewünschten Eingangsstrom von $\SI{\pm1}{\nano\ampere}$ liegt ein komp lineares Verhalten vor. \subsection{Bandbreite} +\label{chap:v10_measurement_bandwidth} In diesem Abschnitt wird die Bandbreite des Systems untersucht. Hierbei wird sowohl die Bandbreite der TIA-Stufe ohne Filterung, @@ -256,6 +258,7 @@ dass die bestehende Abschirmungsgeometrie ausreichend ist um diese Instabilität \newpage \subsection{Rauschen} +\label{chap:v10_measurement_noise} In diesem Abschnitt wird das Rauschen des Schaltkreises genauer untersucht. Das Rauschverhalten ist relevant für die Signalqualität, und somit für die