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@ -57,15 +57,18 @@ Eigenschaften des Schaltkreises,
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da Widerstände generell keine Nichtlinearitäten bei DC aufweisen.
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Es wird ein Strombereich von $\SI{\pm2.6}{\nano\ampere}$
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Eingangsstrom in Schritten von $\SI{0.1}{\nano\ampere}$ vermessen.
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Abbildung \ref{fig:measurement_v1_linearity} zeigt das Ergebnis der Vermessung.
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\begin{figure}[h]
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/1G_47M_Linearity.png}
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\caption{\label{fig:measurement_v1_linearity}
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Messergebnisse der Linearitätsmessung.}
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\caption[Messergebnisse der Linearitätsmessung.]{\label{fig:measurement_v1_linearity}
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Messergebnisse der Linearitätsmessung des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
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Es sind wie gewünscht keine merklichen Nichtlinearitäten zu erkennen.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:measurement_v1_linearity} zeigt das Ergebnis der Vermessung.
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\todo[inline]{Add linearity error measurement.}
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Deutlich zu erkennen ist eine saubere, lineare Abhängigkeit der Ausgangsspannung
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vom Eingangsstrom ohne merkliche Abweichungen vom linearen Zusammenhang. Auch
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der Verstärkungsfaktor von $\SI{1}{\giga\ohm}$ wird präzise erreicht.
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@ -106,19 +109,20 @@ Durch Anlegen einer Sinus-Ausgangsspannung an die Dioden-Box und Vermessung
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der Amplitude und Phase des Sinus an den Ausgängen des TIVs kann berechnet werden,
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mit welcher Verstärkung bzw. Dämpfung die verschiedenen Frequenzen übertragen wurden.
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Hierbei werden Frequenzen im Bereich von $\SI{100}{\hertz}$ bis $\SI{500}{\kilo\hertz}$
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genutzt.
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth.png}
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\caption{\label{fig:v10_bandwidth}Bandbreiten des TIV-Teils der aufgebauten Varianten
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der ersten Platinenrevision, mit verschiedenen
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Rückkoppelwiderständen.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:v10_bandwidth} zeigt die aufgenommenen Bandbreiten
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genutzt. Abbildung \ref{fig:v10_bandwidth} zeigt die aufgenommenen Bandbreiten
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des abgeschirmten Schaltkreises mit verschiedenen
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Rückkoppelwiderständen.
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth.png}
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\caption[Messung der TIV Übertragungsfunktionen]{
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\label{fig:v10_bandwidth}Bandbreiten des TIV-Teils der aufgebauten Varianten
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der ersten Platinenrevision mit variierten
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Rückkoppelwiderständen. Zu erkennen ist die Abhängigkeit der Bandbreite
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vom Widerstand.}
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\end{figure}
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Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit der Bandbreite vom
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Rückkoppelwiderstand, wie in vorherigen Kapiteln dargelegt und berechnet wurde.
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Die tatsächliche Bandbreite ist hierbei wie erwartet geringer als die simulierten Werte
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@ -148,16 +152,18 @@ Abfall von ca. -20dB/Dekade. Lediglich die Grenzfrequenz des
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$\SI{120}{\mega\ohm}$ Schaltkreises ist relativ gering, und bietet somit
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wenig Spielraum für die nachfolgende Filterung.
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\begin{figure}[ht]
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Ebenfalls von Interesse ist die Übertragungsfunktion des gefilterten Ausgangs.
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Dieser wird mit der bereits genutzten Messung vermessen.
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Die Ergebnisse dieser Messung sind in Abbildung \ref{fig:v10_bandwidths_ch2}
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dargestellt.
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_ch2.png}
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\caption{\label{fig:v10_bandwidths_ch2}Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
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der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:v10_bandwidths_ch2} zeigt die Messungen der gefilterten
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Ausgänge derselben Platinen.
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Die Auslegung der Filterstufe soll erst ab der Grenzfrequenz
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von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ einen Abfall von -40dB/Dekate einbringen,
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wobei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nicht beeinflusst werden sollten.
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@ -181,18 +187,19 @@ genug Bandbreite.
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\end{tabular}
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\end{table}
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\begin{figure}[htb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_filter_compare.png}
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\caption{\label{fig:v10_bandwidth_filter_compare}Vergleich der Übertragungsfunktion
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des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:v10_bandwidth_filter_compare} zeigt zum Vergleich
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die Bandbreiten des ungefilterten und gefilterten Ausgangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
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Die Eckfrequenz des Filters sowie der -40dB/Dekade-Abfall ist deutlich zu erkennen.
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_filter_compare.png}
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||||
\caption[Vergleich der Übertragungsfunktion
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des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.]{
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\label{fig:v10_bandwidth_filter_compare}Vergleich der Übertragungsfunktion
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||||
des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.}
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\end{figure}
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\FloatBarrier
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\newpage
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@ -204,16 +211,23 @@ Um diesen zu messen, werden die Abschirmungselektroden durch Änderung
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des Widerstandsteilers auf zu hohe/zu niedrige Spannungen
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im Vergleich zum Sollwert gelegt.
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Hiernach werden die Übertragungsfunktionen vermessen und ausgewertet.
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Abbildung \ref{fig:v10_compensation_comparison} zeigt die Übertragungsfunktionen
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in Abhängigkeit zum Verstärkungsfaktor der Abschirmung zur Signalspannung.
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\begin{figure}[H]
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\FloatBarrier
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/compensation.png}
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\caption{\label{fig:v10_compensation_comparison}Übertragungsfunktionen
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||||
des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs bei variierten Abschirmungselektrodenspannungen}
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\caption[Messung der Übertragungsfunktionen
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bei variierter Abschirmungsspannung]{
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\label{fig:v10_compensation_comparison}Übertragungsfunktionen
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des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs bei variierten Abschirmungselektrodenspannungen.
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Zu erkennen ist die starke Änderung der Übertragungsfunktion bei
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falsch angepasster Abschirmung.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:v10_compensation_comparison} zeigt die Übertragungsfunktionen
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bei variierten Abschirmungs-Spannungen. Deutlich zu erkennen ist ein starker Einfluss
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Deutlich zu erkennen ist ein starker Einfluss
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der Abschirmung auf die Verstärkungen selbst bei kleineren Frequenzen ab $\SI{500}{\hertz}$,
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wobei die Abschirmung den Frequenzgang sowohl anheben als auch absenken kann.
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So kann z.B. bei weiterer Anhebung des Frequenzganges
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@ -240,17 +254,18 @@ besaß. Der Ausgangspegel des TIVs ohne Abschirmung der Rückkoppelwiderstände
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bildet eine Rechteckwelle aus,
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welche zwischen dem maximalen und minimalen Pegel wechselt. Somit
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ist keine Bandbreitenmessung möglich, da die Eingangs-Sinus-Welle
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nie korrekt übertragen wird.
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nie korrekt übertragen wird. Die Messung dieses instabilen
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Ausgangssignals ist in Abbildung \ref{fig:v10_unshielded_waveform}
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dargestellt.
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\begin{figure}[H]
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/unshielded_47M.png}
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\caption{\label{fig:v10_unshielded_waveform}
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Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung.}
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\end{figure}
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Abbilding \ref{fig:v10_unshielded_waveform} zeigt die bereits
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genannte Ausgangs-Wellenform. Deutlich zu erkennen ist die oszilliernde Natur
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Deutlich zu erkennen ist die oszilliernde Natur
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der Spannung. Die Wellenform ist zu erklären durch den Einfluss parasitärer
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Erdungskapazitäten auf die hochohmigen Potentiale der Rückkoppelwiderstände.
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Dies wurde bereits in Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} theorisiert, und
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@ -278,9 +293,10 @@ eingebaut, um äußere Störsignale zu verringern.
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Es wird für jede Platine das FFT-Spektrum von
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$\SI{500}{\hertz}$ bis $\SI{1}{\mega\hertz}$ aufgenommen, wobei jeweils 1000 Spektren
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summiert und der Durchschnitt berechnet wird, um die durchschnittliche Verteilung
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des Rauschens zu berechnen.
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des Rauschens zu berechnen. Die aufgenommenen Spektren sind in
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Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
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\begin{figure}[H]
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\begin{figure}[hbH]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/noises.png}
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\caption{\label{fig:v10_noises_ch1}Durchschnittliches Rauschspektrum
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@ -288,7 +304,6 @@ des Rauschens zu berechnen.
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der drei Platinen.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} zeigt die Rausch-Spektren der drei Platinen.
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Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit des Rauschens von der Widerstands-Größe,
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welches der Vorhersage aus Kapitel \ref{chap:r_noise} entspricht.
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Das Rauschen ist bei allen drei Platinen relativ gleichmäßig
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@ -297,9 +312,10 @@ Es sind keine Frequenz-Spitzen zu erkennen, und keine Resonanzen.
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Zusätzlich wird das Verhalten der Filter-Stufe auf das Rauschen
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betrachtet. Es wird mithilfe des selben Messaufbaus das Rauschen
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des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet.
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des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet. Abbildung
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\ref{fig:v10_noises_ch2} zeigt die aufgenommenen Spektren.
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\begin{figure}[h]
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/noises_ch2.png}
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\caption{\label{fig:v10_noises_ch2}Durchschnittliches Rauschspektrum
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@ -307,7 +323,6 @@ des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet.
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der drei Platinen.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch2} zeigt die Rauschspektren der gefilterten Ausgänge.
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Deutlich zu erkennen ist eine starke Reduktion des Rauschens ab der $\SI{30}{\kilo\hertz}$
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Grenzfrequenz des Filters, welches das gewünschte Verhalten ist. Der Filter reduziert
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somit effektiv das Rauschen des TIV Ausgangs.
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@ -317,7 +332,7 @@ Filterung gemessen, und ist in Tabelle \ref{table:v10_noise_table} aufgelistet.
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Deutlich zu erkennen ist das niedrigere Rauschniveau der Varianten mit größeren
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Widerständen, sowie die effektivität der Filterung des Ausganges.
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\begin{table}[H]
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\begin{table}[hb]
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\centering
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\caption{\label{table:v10_noise_table}AC-RMS-Spannungen des Rauschens der Platinen}
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\begin{tabular}{ |r|r|r|r| }
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@ -352,17 +367,19 @@ Beim Verbinden des bestehenden TIVs an eine IMS-Röhre mit Faraday-Elektrode
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entsteht eine Störung: Der Ausgang des TIVs wird instabil, wobei eine
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Rechteckwelle mit variabler Frequenz anstelle eines gefilterten und gleichmäßigen
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Signals ausgegeben wird.
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Abbildung \ref{fig:measurement_v10_ims_instability} zeigt die Ausgangsspannung bei
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angeschlossener IMS-Röhre auf.
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\begin{figure}[htb]
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.0-a1/Instability.png}
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\caption{\label{fig:measurement_v10_ims_instability}Ausgangsspannung des
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\caption[Ausgangsspannung des
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TIVs bei angeschlossener IMS-Röhre]{
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\label{fig:measurement_v10_ims_instability}Ausgangsspannung des
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||||
TIVs bei angeschlossener IMS-Röhre, mit deutlich zu erkennender
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Instabilität der Messung.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:measurement_v10_ims_instability} zeigt die Ausgangsspannung bei
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angeschlossener IMS-Röhre auf.
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Zu erwarten ist eine stabile, statische Ausgangsspannung, da keine Ionen auf die Röhre
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gegeben werden. Die gemessene Ausgangsspannung jedoch zeigt ein stark variables,
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schwingendes Signal, welches bis an die Ausgangsspannungen schwingt.
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