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Gesucht sind maximaler Durchsatz und hohe - Polyscope

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MESS- UND PRÜFTECHNIK
HF-SIGNALGENERATOR
www.polyscope.ch
Signa le ge ne r ie re n f ür Pro duk tionste sts
Gesucht sind maximaler Durchsatz
und hohe Messgenauigkeit
Der Produktionstest von HF-Komponenten wird mit Testsignalen durchgeführt, die von
HF-Signalgeneratoren generiert werden. Bei diesen Testsignalen zählen neben
den spektralen Eigenschaften hohe Pegelwiederholgenauigkeit, hoher Ausgangspegel sowie
kurze Einstellzeiten. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Qualität des Generators.
» Günther Klage und Joachim Danz
Bild 1: Der Signalgenerator R&S SMB 100A ist in verschiedenen Ausstattungen für den
Frequenzbereich bis zu 6 GHz erhältlich
Bei der Suche nach dem richtigen HF-Signalgenerator für die Produktion von HF-Komponenten sollte die Wahl auf ein Gerät mit
hohem Funktionsumfang und guten technischen Daten fallen. Es muss sich für möglichst viele verschiedene Tests an unterschiedlichen Komponenten einsetzen lassen,
sodass in der Produktionsstätte eine möglichst geringe Zahl unterschiedlicher Signalquellen benötigt wird. Gängige Produktionstests an HF-Komponenten sind:
■ Vermessen der HF-Parameter eines
Mischers wie LO/HF-Übersprechen, Linearität, Isolation und Einfügedämpfung
■ Messungen der Verstärkung sowie der
nichtlinearen Eigenschaften (Intermodulationspunkt und 1-dB-Kompressionspunkt) von HF-Verstärkern
■ Tests von A/D- und D/A-Wandlern (Spurious Free Dynamic Range und S/N-Werte)
Mischer gliedern sich klassisch in unterschiedliche Linearitätsklassen, die sich in
ihrer maximalen HF-Eingangsleistung sowie der benötigten LO-Leistung unterscheiden. Diese LO-Leistung kann bis über
20 dBm betragen und muss im Testaufbau
zur Verfügung gestellt werden. Dabei sind
auch auftretende Pegelverluste durch Kabeldämpfung oder durch die Adaptierung
an das Testobjekt zu berücksichtigen.
üblicherweise Leistungsverluste (6 dB bei
breitbandigen, resistiven Kopplern), die
ebenfalls im Ausgangssignal des HF-Signalgenerators vorzuhalten sind.
Der 1-dB-Kompressionspunkt beschreibt
den Pegel, bei dem die Verstärkung um
1 dB unter der idealen (linearen) Verstärkerkennlinie liegt. Zur Bestimmung des
P1dB-Punktes wird zunächst die Kleinsignalverstärkung gemessen und danach
der Eingangspegel des Verstärkers bestimmt, bei dem die Verstärkung um 1 dB
unter der Kleinsignalverstärkung liegt. Der
1-dB-Kompressionspunkt des Testobjekts ist
die dann gemessene Ausgangsleistung plus
1 dB. Insbesondere beim Test von Leistungsverstärkermodulen werden dabei hohe Eingangsleistungen bei guter Pegellinearität
benötigt. Verstärker für Mobilfunkanwendungen (z. B. bei GSM-Verstärkern) sind zudem oft nur für gepulste Signale geeignet.
Es braucht hohe Eingangsleistungen
bei guter Pegellinearität
Bei der Messung des Intermodulationspunkts (üblicherweise dritter Ordnung)
werden die Ausgangssignale von zwei HFSignalgeneratoren über einen Powercombiner zusammengeschaltet. So lässt sich ein
Zweitonsignal mit sehr hohem Intermodulationsabstand erzeugen. Hierbei hat man
Bild 2: Maximaler Ausgangspegel des
Generators
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nicht nur Anschaffungskosten,
sondern vereinfacht auch den
Kalibrieraufwand und erhöht
die Messgenauigkeit.
Hohe Messgenauigkeit
für Tests an A/D- und D/AWandlern
Entscheidend für die guten
spektralen Eigenschaften des
Geräts ist der HF-Synthesizer,
der bei diesem Generator als
DDS-basierter Einschleifen-Synthesizer realisiert wurde. Dank
eines neu entwickelten, patentierten Algorithmus zur DDSBild 3: Gemessener Oberwellenabstand bei +18 dBm
Frequenzerzeugung werden daAusgangspegel
bei spektrale Eigenschaften
erzielt, die mit herkömmlichen
Einschleifen-Synthesizern bisUm die Verstärker nicht zu beschädigen,
lang nicht erreicht werden konnten. Im
müssen also gepulste Testsignale zur VerfüFrequenzbereich bis 1500 MHz werden bei
gung stehen.
besten Phasenrauschwerten typ. –85 dBc
Bei Messungen an Mixed-Signal-BauNebenlinienabstand erreicht (Bild 4).
steinen wie D/A- oder A/D-Wandlern werDie guten Spektraleigenschaften gelten für
den HF-Signale zum Takten der Wandler
den ganzen Frequenzbereich des SMB 100A.
und bei A/D-Wandlern auch analoge EinGeht es darum, tiefere Frequenzen zu ergangssignale gebraucht. Zur Messung des
zeugen, z. B. für einen Frequenzbereich
SFDR (Spurious Free Dynamic Range) eines
unterhalb 250 MHz, wird üblicherweise
Wandlers müssen diese Eingangssignale
ein sogenannter Down-Konverter verweneinen ausreichend hohen Nebenlinienabdet. Dieser mischt das Frequenzsynthesesigstand besitzen. Der Nebenlinienabstand des
nal mit einem festen LO (z.B. 1 GHz) herunter,
analogen Eingangssignals eines A/D-Wanddie spektrale Reinheit des Signals in diesem
lers muss dabei besser sein als der zu mesBereich nimmt ab. Um dies zu vermeiden,
sende SFDR-Wert. Bei der Bestimmung des
wurde bei diesem Messgerät stattdessen der
Signal-Rausch-Abstands sind deshalb das
Phasenrauschen sowie das BreitbandrauLanges Kalibrierintervall
schen des HF-Signalgenerators entscheireduziert Ausfallzeiten
dend. Diese müssen ausreichend gut sein,
um die Messergebnisse möglichst wenig zu
beeinflussen.
Teilerbereich des Gerätes bis 23 MHz erweitert. Darunter erzeugt der DDS-Synthesizer
Notwendige Leistungsreserven
das Ausgangssignal direkt. Das Phasenfür die Produktion
rauschen ist so bei tieferen AusgangsfreMit dem SMB 100A (Bild 1) hat Rohde &
quenzen ebenfalls wesentlich besser als bei
Schwarz einen Signalgenerator entwickelt,
herkömmlichen Konzepten mit Down-Konder eine sehr hohe maximale Ausgangsleisverter-Bereich (Bild 5). Dies gilt auch für die
nichtharmonischen Nebenlinien. Das Breittung von typisch +25 dBm über einen Frebandrauschen, welches speziell beim Test
quenzbereich von 1 MHz bis 6 GHz liefert
von sehr schnellen Wandlern eine wichtige
(Bild 2). Aufgrund der hohen LeistungsreserKenngrösse ist, liegt im Frequenzbereich bis
ven bietet das Gerät selbst bei hohen Aus750 MHz bei typ. –155 dBc.
gangsleistungen sehr gute OberwellenabGerade beim Test von A/D- oder D/Astände (Bild 3). Dadurch reduziert sich der
Wandlern (SFDR oder S/N-Messungen) ist
Aufwand zur Filterung von Oberwellen, was
die gute spektrale Reinheit des HF-Signalfür bestimmte Messungen erforderlich ist
generators ein entscheidender Vorteil, da
(z. B. für das analoge Eingangssignal bei
sich die Taktraten von Wandlern meist
SFDR-Messungen an A/D-Wandlern). Die
im Bereich von einigen MHz bis hin zu
hohe verfügbare Ausgangsleistung macht in
einigen 100 MHz (Highspeed-Wandler) beProduktionstestsystemen eine zusätzliche
wegen.
externe Endstufe oft überflüssig. Dies spart
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HF-SIGNALGENERATOR
die gängigen Treiber (z. B. LabView, LabWindows/CVI, VXIplug&play usw.). Anstatt
das Gerät über Einzelbefehle zu steuern,
bietet sich für zeitkritische Anwendungen
im Produktionstest die Verwendung des integrierten List-Modus an, da sich die mittleren Einschwingzeiten in diesem Modus auf
rund 650 `s reduzieren. Im List-Modus wird
eine komplette Testsequenzen mit bis zu
2000 Einstellungen im internen Speicher des
Signalgenerators gespeichert. Zum sequenziellen Aufruf der gespeicherten Einstellungen ist dann nur noch ein einziger Befehl
oder ein externes Triggersignal notwendig.
Minimale Ausfallzeiten sind im Fokus
Bild 4: Typisches Einseitenband-Phasenrauschen bei verschiedenen HF-Frequenzen
(mit Option SMB-B1 Referenzoszillator)
Der Durchsatz zählt
Besonders wichtig in der Produktion ist ein
möglichst hoher Durchsatz. In automatischen Testsystemen kommt es dabei auf
eine kurze Einstellzeit der Messgeräte an.
Die Pegeleinstellzeit ist als die Zeit definiert,
Ausgangsleistung macht
Endstufe oft überflüssig
die der Signalgenerator benötigt, bis sein
Ausgangspegel auf 0,1 dB genau den Endwert erreicht. Der SMB 100A zeichnet sich
durch eine mittlere Pegeleinstellzeit von
1,2 ms und eine mittlere Frequenzeinstellzeit von 1,6 ms im Fernsteuerbetrieb aus.
Dafür sorgt der Einsatz eines schnell einschwingenden Synthesizers, einer Pegelregelung mit hoher Regelbandbreite sowie
schneller HF-Schalter in der Signalkette.
An der Rückseite verfügt der HF-Signalgenerator zudem über einen Signal-ValidAusgang, an dem der Abschluss des Einschwingvorgangs signalisiert wird. Dies
erlaubt eine direkte Hardware-Triggerung
nachfolgender Messungen, was die Geschwindigkeit optimiert.
Einen nicht unerheblichen Einfluss auf
die Testgeschwindigkeit und damit auf den
Durchsatz hat auch die Art der Steuerung
des Signalgenerators. Der HF-Signalgenerator verfügt über integrierte Schnittstellen für
GPIB, USB und Ethernet (TCP/IP) und über
Neben dem hohen Durchsatz liegt der Fokus in der Produktion auch auf einer möglichst langen und störungsfreien Nutzungsdauer. Dies bedeutet für den Signalgenerator,
dass ungewollt in den Ausgang eingespeiste
Leistung nicht zum Ausfall des Geräts führt:
Begrenzer-Dioden limitieren im Fehlerfall
die in den HF-Ausgang eingespeiste Leistung und eine Kontrollschaltung trennt
durch ein Relais automatisch den HF-Ausgang von der Ausgangsbuchse. Durch den
Aufbau aus vier kompakten Modulen lässt
sich im Servicefall der Modultausch schnell
und einfach vor Ort durchführen. Der integrierte Selbsttest hilft, das defekte Modul zu
lokalisieren. Dieses kann der Anwender
selbst austauschen, was minimale Ausfallzeiten und hohe Verfügbarkeit gewährleistet. Denn die Austauschmodule sind komplett auf Datenhaltigkeit getestet, sodass
das Gerät nach einem Baugruppentausch
voll funktional zur Verfügung steht. Letztlich minimiert auch das lange Kalibrierintervall von drei Jahren die Ausfallzeiten
des Testsystems.
«
Autoren
Günther Klage, Leiter Entwicklung HF-Signalgeneratoren, Rohde & Schwarz, und
Dr.-Ing. Joachim Danz, Entwicklung HFSignalgeneratoren, Rohde & Schwarz
Infoservice
Bild 5: Einseitenband-Phasenrauschen bei 20 kHz Offset: Der HF-Signalgenerator im
Vergleich zu einem herkömmlichen Konzept
Markus Haymoz
Leiter Messtechnik und
Testsysteme
Roschi Rohde & Schwarz AG
Mühlestrasse 7, 3063 Ittigen
Tel. 031 922 15 22
Fax 031 921 81 01
sales@roschi.rohde-schwarz.com
www.roschi.rohde-schwarz.ch
Polyscope 1-2/08
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Ex-Bereich EEx ia IIC T4 / ATEX
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