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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

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.

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}

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
+eine Instabilität und Oszillation auftreten. Zudem ist ein möglichst flacher Frequenzgang
-gewünscht.\\
+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