Güç kaynağı çıkışında gürültü ölçümü

[taydin]

Elimdeki hobicilere hitap eden lineer güç kaynaklarının çıkışındaki gürültüyü ölçmek için gereken hazırlıkları yapıyorum. Güç kaynağı çıkışında hem doğrultucu çıkışındaki ripple hem de başka etkenlerden dolayı eklenen gürültü mevcut. Bu gürültüyü ölçmenin en büyük zorluğu, özellikle de lineer güç kaynaklarında seviyenin oldukça düşük olması. Yani burada milivoltlar mertebesindeki AC ölçümden bahsediyoruz. Standart osiloskoplarla bu seviyede ölçüm yapmak çok zordur, çünkü hem osiloskobun kendi gürültü tabanına oldukça yaklaşmış oluyoruz, hem de özellikle 8 bit ADC barındıran osiloskoplarda bu seviyede ölçüm yapmak için gereken çözünürlük iyi değil.

12 veya 16 bit ADC barındıran düşük gürültülü bir osiloskop ile belki ölçüm yapılabilir, ama burada da başka bir sorun devreye giriyor. Zaten zayıf olan sinyali daha da zayıflatmamak için bu ölçümün 1x prob ile yapılması lazım. Ama 1x probların da 20 MHz bant genişliğe sahip olanlarını bulmak çok zor, olanlar da gene çok pahalı.

Aslında elimde çok daha düşük voltajları minimal hata ile ölçebilen bir audio analizör var, ama bu audio analizörün ölçüm bant genişliği 1 MHz'e kadar. Halbuki endüstri konvansiyonu gereği güç kaynaklarının çıkış gürültüsü 20 MHz'e kadar ölçülüyor.

 

[taydin]

Bu ölçümü yapabilmek için, minimum masraf ile bir yükseltici devre tasarlayacağız. Bu yükseltici, çok düşük seviyeli olan gürültüyü, osiloskobun rahatlıkla ölçebileceği bir seviyeye çıkaracak. Yükseltici için tasarım hedeflerimiz:

1) Voltaj kazancı en az 10 olacak.
2) Bant genişliği en az 20 MHz olmasını istiyoruz. Ama bant genişliği kavramı -3 dB noktasını ifade ettiğinden, biz bant genişliği hedefini 50 MHz yapıyoruz. Böylece 20 MHz de herhangi bir zayıflatma olmayacak. Ölçüm için gereken 20 MHz bant sınırlandırmasını osiloskopta yapacağız.
3) Giriş empedansı en az 10 kΩ olacak.
4) Mümkün olduğunca düşük gürültülü olacak.
5) Mümkün olduğunca lineer olacak.

Ama bu devrenin tasarımına girmeden önce bu ölçümü yapmaktaki zorluğu görmek için benim 8 bitlik osiloskop ile tipik ölçümler yapıp ne derece iyi sonuç alıyoruz görelim.

 

[taydin]

Öncelikle temiz bir referans sinyali üretmek için audio analizörü kullanıyoruz ve 10 mVrms, 1 kHz lik bir sinyal üretiyoruz. Sinyalin temiz olduğunu doğrulamak için de öncelikle sinyali gene audio analizörde görüntülüyoruz:

 

[taydin]

Sonra da osiloskop ile, hiçbir tedbir almadan ölçüm yapıyoruz. Prob, osiloskobun standart 10x probu. Sinyal jeneratöründen bir koaksiyel kablo ile sinyali alıyoruz, koaksiyel'den RCA'ya dönüştürüyoruz, sonra da RCA konnektöre probu takıyoruz:

 

[taydin]

Sonuç berbat ötesi

 

[taydin]

500 mVpp ve şaseye göre asimetrik iğne parazitler var. Bunlar çok büyük bir ihtimalle yakındaki UPS'de bulunan inverterin parazitleri. UPS'i bypass moda atıyorum ve tekrar ölçüyorum. En ufak bir fark yok.

Sonra masa üzerinde duran ve içi açık olan üzerinde çalıştığım network media player var. Bu media player'in güç kaynağı SMPS de içeriyor. Onun gücünü kesiyorum. Büyük bir fark var.

 

[taydin]

Ama sonuç hala çok kötü. İşe yarar bir sonuç alma açısından bakarsan, hiçbir işe yaramayan bir sonuç. İkinci iyileştirme, aradaki koaksiyel kabloyu kaldırıyoruz ve probu direkt olarak audio analizör çıkış BNC konnektörüne bağlıyoruz:

Sonuç daha da iyileşiyor:

 

[taydin]

Ölçüm anlamında gene işe yaramayacak bir sonuç. Ama gene de sinyalin şekli belli olmaya başladığına göre kademeyi düşürebiliriz. Daha önce 100 mV kademesinde idik, artık 10 mV kademesine geçiyoruz:

 

[taydin]

Şimdi osiloskobun kendi 10x probunu çıkarıyoruz ve onun yerine 1x prob takıyoruz:

Görüldüğü gibi bunun yarattığı fark ne kadar da büyük! Neden böyle bir fark var? Çünkü daha önce çok zayıf olan sinyal bir de prob tarafından 10 kat zayıflatılıyordu! Şimdi sinyal aynen osiloskop girişine ulaşıyor.

 

[taydin]

Şimdi gürültünün etkisini azaltmak için kullanabileceğimiz başka bir tekniği devreye sokuyoruz. Ortalama aldırma. Bunu yapınca sinyalin şekli epey bir düzeliyor:

Ama dikkat ederseniz bu düzeltmeyi yapınca sinyalin genlik bilgisi artık doğru değil! Yani sinyalin görüntüsünü düzelttik, ama artık sinyal genliği yanlış. Eğer sinyal üzerindeki gürültü homojen olsaydı (bütün frekans bileşenlerini eşit oranda içeren beyaz gürültü) o zaman bu ortalama alma tekniği sonrasında genlik bilgisi bozulmazdı. Ama demekki uniform bir gürültü değil sinyalin üzerindeki ve ortalama alınca da genliğini etkiledi.

 

[taydin]

Evet, ortalama almayı kaldırıyoruz

Şimdi işi biraz daha ileriye götürüyoruz. Hiç prob kullanmıyoruz ve sinyal jeneratörü çıkışını koaksiyel kablo ile doğrudan osiloskoba takıyoruz. Şimdi burada çok güzel, ekranlanmış, empedansı uygunlaştırılmış güzel bir bağlantı olduğuna göre çok daha iyi bir sinyal bekliyoruz. Ama onun yerine şu çıkıyor:

Hmm. 1x prob durumuna göre daha fazla gürültü var! Bunun nedeni tamamen bant genişliği ile ilgili. 1x probun bant genişliği 10 MHz'i geçmez, o yüzden gürültü spektrumunun çok büyük bir bölümünü zaten probun kendisi elimine ediyor. Ama ben şimdi koaksiyel kablo ile bağlayınca, osiloskop full bant genişliği olan 1 GHz'a kadar ne gürültü varsa hepsini toparlayıp gösteriyor

 

[taydin]

Osiloskop bant genişliğini 20 MHz'e sınırlandırıyoruz. Sinyal 1x prob durumuna göre pek de düzelmişe benzemiyor.

Artık ölçüm yapmaya başlıyoruz. Sinyal jeneratörü 10 mVrms üretiyor, biz 9.89 mVrms ölçüyoruz.

 

[taydin]

Buradaki parazit de gene sanki bir SMPS'i andırıyor Tekrar benim UPS'i bypass moda sokuyorum:

Evet! Bunun UPS inverterinin paraziti olduğu kesinleşiyor Ama bu iyileştirme, voltaj ölçüm sonucuna yansımıyor, o yüzden çok önemli değil.

 

[taydin]

Şimdi tekrar ortalama alma tekniğini devreye sokuyoruz:

Şimdi genlik hatası da olmadan hem çok iyi görüntü alıyoruz hem de tatmin edici doğrulukta genlik ölçümü yapıyoruz. Buradan şu sonucu çıkarabiliriz: Bir sinyalde ortalama alarak gürültüyü elimine etmek istiyorsak, o gürültünün "uniform" (beyaz gürültü) şeklinde olduğundan emin olmamız lazım. Yoksa ortalama değer, genlik ölçümünde büyük hataya sebep olabilir.

 

[taydin]

Şimdi sinyal jeneratörüne 1 mVrms, 1 kHz ürettiriyoruz. Gene öncelikle sinyal jeneratörüne sinyalin kalitesini doğrulattırıyoruz:

 

[taydin]

Osiloskopta önce ortalama almayı kaldırıyoruz. Sonra da 10 mV olan kademeyi 1 mV'a düşürüyoruz. Bu osiloskobun en düşük kademesi.

Evet, görüntü berbat. Adeta başa döndük ...

Ama ölçüm hatası o kadar berbat değil, sadece kötü %15 gibi bir ölçüm hatası var.

 

[taydin]

Ortalama aldırınca da çok büyük bir genlik hatası alıyoruz. Demekki bu seviyedeki gürültü uniform değil.

 

[taydin]

Evet, artık mikrovoltlar seviyesindeyiz. 8 bitlik bir osiloskobun bu kadar bile ölçebilmesi bir mucize

Bir de bu osiloskobun bir "high res" modu var, güya 12 bitmiş gibi ölçüm yapıyor. Açıyorum, en ufak bir fark göremiyorum.

Bu aşamadan sonra yapılabilecek herhangi bir iyileştirme aklıma gelmiyor. Ve daha 1 mVrms (1.41 mVpp) seviyesinde tıkandık kaldık. İyi lineer güç kaynaklarında gürültü 1 mVpp değerinin altında olabiliyor!

Sonuç olarak, bu osiloskop bu haliyle lineer güç kaynağı gürültü seviyesini ölçmek için yeterli değil.

 

[taydin]

İşte bu aşamada tasarlayacağımız yükseltece geri dönelim. Eğer biz girişteki 1 mVrms lik sinyali 10 kat yükseltirsek, bu sinyal 10 mVrms seviyesine gelecek. Ve yukarıda yaptığımız testlerde, 10 mVrms seviyelerinde tatmin edici sonuçlar aldık. Hatta kazancı 20 veya 50 yaparsak, yukarıdaki aldığımız hata çok daha azalacaktır.

 

[taydin]

50 MHz bant genişliği ile 10 kat yükseltme için EN AZ 500 MHz GBW si olan bir opamp lazım. Özdisan'da bakıyorum ve AD8021'yi görüyorum. 560 MHz GBW ve fiyat da 3.82 dolar.

Bununla bir fark yükselteci devresi kuruyorum. Girişteki voltaj 5 V DC üzerine binmiş 1 MHz, 10 mVrms bir sinüs içeriyor.

Sonuç fena değil. 10 kata oldukça yakın bir yükseltme elde ediyoruz