From b586d8c40e5ff7d9de3be9596a3108464ba0a487 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: David Bailey Date: Thu, 8 Aug 2024 17:23:30 +0200 Subject: [PATCH] Finish writing first measurement chapter, starting work on next one :> --- TeX/Arbeit.tex | 3 +- TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex | 1 + TeX/Kapitel/RevisionV11.tex | 31 ++++++++++ TeX/Kapitel/Vermessung.tex | 71 +++++++++++++++------- 4 files changed, 83 insertions(+), 23 deletions(-) create mode 100644 TeX/Kapitel/RevisionV11.tex diff --git a/TeX/Arbeit.tex b/TeX/Arbeit.tex index ef45e51..5c457b3 100644 --- a/TeX/Arbeit.tex +++ b/TeX/Arbeit.tex @@ -113,8 +113,9 @@ \include{Kapitel/Auslegung/PCBDesign} \include{Kapitel/Vermessung} +\include{Kapitel/RevisionV11} -\chapter{(Optional) Erstellung eines vollintegrierten TIV-Frontends} +% \chapter{(Optional) Erstellung eines vollintegrierten TIV-Frontends} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Literaturverzeichnis diff --git a/TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex b/TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex index 4f30b43..39e5ccf 100644 --- a/TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex +++ b/TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex @@ -9,6 +9,7 @@ wird die Schaltung des TIAs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert. \subsection{TIA} \subsubsection{OpAmp Auswahl} +\label{chap:v10_opamp_choice} In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten TIA-Eingang eingegangen. diff --git a/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex b/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex new file mode 100644 index 0000000..b416263 --- /dev/null +++ b/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex @@ -0,0 +1,31 @@ + +\chapter{Revision der Platine} + +In diesem Kapitel wird auf die zweite Revision der Platine eingegangen. +Diese Revision ist notwendig, um die Instabilität der ersten Revision +der Platine zu beheben, welche in Kapitel \ref{chap:v10_instability} +gemessen wurde, da diese Instabilität einer Verwendung der Platine +in einem echten IMS im Wege steht. + +\section{Diskussion der Fehlerquelle} + +In Kapitel \ref{chap:v10_instability} wurde eine Instabilität der +Schaltung bei angeschlossenem IMS festgestellt. +Zusätzlich hierzu wurden andere Effekte wie z.B. die Steigerung +des Rauschniveaus bei angelegten externen Schaltungen festgestellt. + +Eine Vermutung ist, dass die Sensitivität des Schaltkreises auf externe +Kapazitäten höher als erwartet ist. Das hierfür maßgebliche Bauteil +ist der gewählte Operationsverstärker selbst, der {\em LTC6268-10}. +Dieser Verstärker wurde wegen seiner hohen Geschwindigkeit gewählt +(siehe Kapitel \ref{chap:v10_opamp_choice}), +besitzt jedoch ein vergleichsweise hohes Eingangsspannungsrauschen, welches +in Kombination mit einer erhöhten Eingangskapazität zu den beobachteten +Effekten führen kann. + +Eine Simulation der Instabilität war nicht erfolgreich, da der simulierte +Schaltkreis in LTSpice mit einem reelen Verstärkermodell keine Instabilitäten +aufwies. Es ist somit zu vermuten dass es sich um nicht akkurat modellierte Effekte +des Verstärkers handelt. + +\section{Schaltungsdesign} \ No newline at end of file diff --git a/TeX/Kapitel/Vermessung.tex b/TeX/Kapitel/Vermessung.tex index 2dbf5ab..756b630 100644 --- a/TeX/Kapitel/Vermessung.tex +++ b/TeX/Kapitel/Vermessung.tex @@ -1,6 +1,7 @@ \chapter{Vermessung} +\label{chap:measurements} In diesem Kapitel wird der erstellte Schaltkreis auf seine Funktionstüchtigkeit untersucht. @@ -125,7 +126,7 @@ Verbindung zwischen Widerstandsgröße und Bandbreite erkennbar. Die gemessenen -3dB Grenzfrequenzen sind in Tabelle \ref{table:v10_bandwidths} aufgelistet. -\begin{table}[h] +\begin{table}[H] \centering \caption{\label{table:v10_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten TIV-Ausgangs} \begin{tabular}{ |r|r|r| } @@ -153,21 +154,6 @@ wenig Spielraum für die nachfolgende Filterung. \end{figure} -\begin{table}[h] - \centering - \caption{\label{table:v10_bandwidth_filters}-3dB-Frequenzen der gefilterten Ausgänge des TIVs} - \begin{tabular}{ |r|r|r| } - \hline - Widerstand & -3dB Punk \\ - \hline - $\SI{20}{\mega\ohm}$ & $\SI{58.484}{\kilo\hertz}$ \\ - $\SI{47}{\mega\ohm}$ & $\SI{49.355}{\kilo\hertz}$ \\ - $\SI{120}{\mega\ohm}$ & $\SI{32.111}{\kilo\hertz}$ \\ - \hline - \end{tabular} -\end{table} -\todo[inline]{Fix these up!} - Abbildung \ref{fig:v10_bandwidths_ch2} zeigt die Messungen der gefilterten Ausgänge derselben Platinen. Die Auslegung der Filterstufe soll erst ab der Grenzfrequenz @@ -179,6 +165,20 @@ Wie bereits theorisiert ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu für die vollen $\SI{30}{\kilo\hertz}$. Die anderen beiden Varianten besitzen genug Bandbreite. +\begin{table}[H] + \centering + \caption{\label{table:v10_bandwidth_filters}-3dB-Frequenzen der gefilterten Ausgänge des TIVs} + \begin{tabular}{ |r|r|r| } + \hline + Widerstand & -3dB Punk \\ + \hline + $\SI{20}{\mega\ohm}$ & $\SI{30.22057}{\kilo\hertz}$ \\ + $\SI{47}{\mega\ohm}$ & $\SI{30.199}{\kilo\hertz}$ \\ + $\SI{120}{\mega\ohm}$ & $\SI{25.118}{\kilo\hertz}$ \\ + \hline + \end{tabular} +\end{table} + \begin{figure}[htb] \centering @@ -192,6 +192,7 @@ die Bandbreiten des ungefilterten und gefilterten Ausgangs des $\SI{47}{\mega\oh Die Eckfrequenz des Filters sowie der -40dB/Dekade-Abfall ist deutlich zu erkennen. \FloatBarrier +\newpage \subsubsection{Einfluss der Abschirmung} \label{chap:measurements_v10_shielding} @@ -202,7 +203,7 @@ des Widerstandsteilers auf zu hohe/zu niedrige Spannungen im Vergleich zum Sollwert gelegt. Hiernach werden die Übertragungsfunktionen vermessen und ausgewertet. -\begin{figure}[h] +\begin{figure}[H] \centering \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/compensation.png} \caption{\label{fig:v10_compensation_comparison}Übertragungsfunktionen @@ -214,8 +215,9 @@ bei variierten Abschirmungs-Spannungen. Deutlich zu erkennen ist ein starker Ein der Abschirmung auf die Verstärkungen selbst bei kleineren Frequenzen ab $\SI{500}{\hertz}$, wobei die Abschirmung den Frequenzgang sowohl anheben als auch absenken kann. So kann z.B. bei weiterer Anhebung des Frequenzganges -eine Instabilität und Oszillation auftreten. Zudem ist die ein möglichst flacher Frequenzgang -gewünscht.\\ +eine Instabilität und Oszillation auftreten. Zudem ist ein möglichst flacher Frequenzgang +gewünscht. + Hieraus kann geschlossen werden, dass die Abschirmungen einen merklichen und wichtigen Einfluss auf die Stabilität des Frequenzganges haben. Die korrekte Abstimmung der Abschirmung ist somit notwendig für die Funktionalität des TIVs. @@ -233,7 +235,7 @@ welche zwischen dem maximalen und minimalen Pegel wechselt. Somit ist keine Bandbreitenmessung möglich, da die Eingangs-Sinus-Welle nie korrekt übertragen wird. -\begin{figure}[h] +\begin{figure}[H] \centering \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/unshielded_47M.png} \caption{\label{fig:v10_unshielded_waveform} @@ -250,6 +252,9 @@ bei zu kleiner Abschirmung hin. Die Instabilität bei keiner Abschirmung ist somit erwartet, und weißt zusätzlich darauf hin dass die bestehende Abschirmungsgeometrie ausreichend ist um diese Instabilität zu vermeiden. +\FloatBarrier +\newpage + \subsection{Rauschen} In diesem Abschnitt wird das Rauschen des Schaltkreises genauer untersucht. @@ -267,7 +272,7 @@ $\SI{500}{\hertz}$ bis $\SI{1}{\mega\hertz}$ aufgenommen, wobei jeweils 1000 Spe summiert und der Durchschnitt berechnet wird, um die durchschnittliche Verteilung des Rauschens zu berechnen. -\begin{figure}[h] +\begin{figure}[H] \centering \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/noises.png} \caption{\label{fig:v10_noises_ch1}Durchschnittliches Rauschspektrum @@ -299,14 +304,36 @@ Deutlich zu erkennen ist eine starke Reduktion des Rauschens ab der $\SI{30}{\ki Grenzfrequenz des Filters, welches das gewünschte Verhalten ist. Der Filter reduziert somit effektiv das Rauschen des TIV Ausgangs. -\todo[inline]{Add calculated RMS noise levels} +Es wird zudem das RMS-Level des Rauschens sowohl vor als auch nach der +Filterung gemessen, und ist in Tabelle \ref{table:v10_noise_table} aufgelistet. +Deutlich zu erkennen ist das niedrigere Rauschniveau der Varianten mit größeren +Widerständen, sowie die effektivität der Filterung des Ausganges. + +\begin{table}[H] + \centering + \caption{\label{table:v10_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 + $\SI{20}{\mega\ohm}$ & $\SI{10.356}{\milli\volt}$ & $\SI{4.484}{\milli\volt}$ & $\SI{4.484}{\pico\ampere}$ \\ + $\SI{47}{\mega\ohm}$ & $\SI{7.999}{\milli\volt}$ & $\SI{3.367}{\milli\volt}$ & $\SI{3.367}{\pico\ampere}$ \\ + $\SI{120}{\mega\ohm}$ & $\SI{5.791}{\milli\volt}$ & $\SI{3.115}{\milli\volt}$ & $\SI{3.115}{\pico\ampere}$ \\ + \hline + \end{tabular} +\end{table} Insgesamt ist das Rauschverhalten der Platinen somit gut geeignet für die Messungen, mit einem breit verteiltem Rauschen ohne spezifische Töne und einem niedrigen Rauschlevel. +\FloatBarrier +\newpage \subsection{Stabilität am IMS} +\label{chap:v10_instability} In diesem Abschnitt soll auf das Verhalten des Schaltkreises bei angeschlossenem IMS eingegangen werden. Die Präsenz des restlichen