D9 Messung von Rauschen und schwachen Signalen

Thema

Die Messung extrem schwacher Signale, die in einem deutlich stärkeren Hintergrundrauschen als das eigentliche Signal verborgen sind, zählt zu den anspruchsvollsten Aufgaben der Präzisionselektronik. Das Gesamtrauschen einer Messkette setzt sich aus den im elektronischen Rauschmodell beschriebenen Rauschquellen unterschiedlicher physikalischer Herkunft zusammen – thermischem Rauschen, Schrotrauschen und niederfrequentem Rauschen – sowie externen Störungen. Diese Rauschquellen addieren sich nicht direkt, sondern wirken statistisch, wodurch der Gesamteffekt im Vergleich zu einer einfachen Summe abgeschwächt wird.

Der Lock-in-Verstärker ist das mit Abstand leistungsstärkste Instrument zur Extraktion schwacher, im Rauschen verborgener Signale: Er multipliziert das empfangene Signal mit einer Referenzfrequenz, die der Frequenz des Nutzsignals entspricht, und filtert das Ergebnis anschließend mit einer extrem schmalen Bandbreite unter Verwendung derselben Grenzfrequenz wie im Frequenzanalysemodell beschrieben. Dadurch wird eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um mehrere Größenordnungen im Vergleich zu einer direkten Messung ohne diese Technik erzielt. Je schmaler die endgültige Filtereinstellung – was eine Mittelung über einen längeren Zeitraum impliziert – desto größer ist die Verbesserung, allerdings auf Kosten einer längeren Messzeit. Eine korrekte Erdung ist bei Präzisionsmessungen ebenso entscheidend: Bei ausreichend hohen Frequenzen verhält sich selbst ein kurzes Erdungskabel nicht mehr wie eine ideale Verbindung und weist eine messbare Impedanz auf – denselben Übergang zum Übertragungsleitungsverhalten, der im entsprechenden Modell dieses Katalogs beschrieben wird. Dadurch können Erdschleifen entstehen, die unerwünschtes Rauschen in die Messung einbringen. Elektromagnetische Abschirmung, typischerweise durch ein Metallgehäuse um die empfindliche Schaltung, dämpft den Einfluss externer elektromagnetischer Felder, die das Signal andernfalls verfälschen würden.

Deshalb schließt dieses Modul, das mit der statistischen Kombination von Rauschquellen beginnt, mit einer letzten Optimierung des Lock-in-Verfahrens selbst: Modulationstechniken, die ein kontinuierliches Signal gezielt in ein Wechselsignal mit bekannter Frequenz umwandeln – dieselbe Modulation, die bereits im Modell der elektronischen Kommunikation beschrieben wurde, hier jedoch nicht zur Kommunikation, sondern zur Messung eingesetzt –, ermöglichen es, das volle Potenzial dieses Instruments auszuschöpfen, selbst bei der Messung von Größen, die ursprünglich zeitlich konstant sind.

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