Vektorieller Netzwerkanalysator mit LabView

Es ist wohl die Standardaufgabe in jedem Elektroniklabor: Ein Netzwerk ist gebaut und nun soll es für einen gewissen Frequenzgang 'durchgeklingelt' werden, also der Amplituden- und Phasengang aufgenommen werden. Dafür gibt es spezielle Geräte, sogenannte Netzwerkanalysatoren. Nicht immer ist so ein Gerät zur Hand, professionelle Geräte stellen in der Regel einen hohen Kostenfaktor dar. Dafür findet sich in fast jedem Elektroniklabor ein Oszilloskop und ein Frequenzgenerator. Verbindet man diese beiden Geräte mit einer entsprechenden Software, erhält man einen vektoriellen Netzwerkanalysator, dessen Ergebnisse denen einer professionellen Lösung in nichts nachstehen. Im Gegenteil, so ein selbst zusammengestellter Netzwerkanalysator kann genau auf den nötigen Frequenzbereich optimiert werden.

Das Setup

Im Fall des Anpassnetzwerkes für die Magnetfeldsonde an der Vineta wurde dieser Weg beschritten. Als Frequenzgenerator diente ein Sony-Tektronix AFG320, als Oszilloskop ein LeCroy WavePro 950. Das Bild zeigt das Setup, der Prüfling besteht aus einem Testmagnetfeld und der Magnetfeldsonde inklusive Verstärker. Angesteuert werden beide Geräte über den GPIB-Bus über ein LabView-VI.

Der Algorithmus

In einer Schleife wird ein Serie von Frequenzen abgefahren, den den gewünschten Bereich überdecken. Bei jedem Schleifendurchlauf wird auf dem Frequenzgenerator zunächst die Frequenz eingestellt. Anschließend wird der Level am Oszilloskop so justiert, dass der Messbereich möglichst gut ausgenutzt ist. Die Zeitbasis wird so gesetzt, dass eine definierte Anzahl von Wellenzügen aufgenommen wird. Es werden dann zwei Signale parallel aufgezeichnet, die Referenz direkt vom Funktionsgenerator und das Signal vom Prüfling. Über eine gemittelte FFT wird das Kreuzleistungsspektrum ermittelt, wobei Amplitude und Phase des Hauptpeaks für den gesuchten Frequenzgang gespeichert werden.

Das Ergebnis

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Flexibilität bei großen Frequenzbereichen über mehrere Größenordnungen. Im hier gezeigten Beispiel konnte der Frequenzgang des Anpassnetzwerkes der Magnetfeldsonde im Bereich von 100kHz bis zu 100MHz sauber aufgenommen werden.

Interpretation des Beispiel-Frequenzganges

Zusammen mit der Schaltung lässt sich der Frequenzgang gut verstehen. Zunächst passiert das Signal einen symmetrischen LRC-Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 1MHz. Der Amplitudengang liegt tiefen Frequenzen dementsprechend bei 0dB Dämpfung sowie einer Phase um 0°. Bei Erreichen der Grenzfrequenz gibt es einen Phasensprung um 180° bei 1MHz, der aufgrund des resistiven Anteils des Filters nicht scharf ausgeprägt ist. Von 1 bis 10MHz fällt die Amplitude mit 12dB pro Oktave wie man es von einem LC-Filter erwartet. Bei 13.56MHz wird der erste Notch-Filter aktiv mit einer Dämpfung von bis zu -90dB und einem sehr scharfen Phasensprung von 180°. Er dient der Eliminierung der Betriebsfrequenz des Plasmas. Die zweite Harmonische wird durch den zweiten Notch-Filter stark gedämpft, ein weiterer Phasensprung von 180° ist gut zu erkennen. Der weitere Verlauf des Frequenzganges auf auf die Wechselwirkung der zwei Notch-Filter zurückzuführen, hat aber keine technische Bedeutung. Die aufgenommen Magnetfeldsignale bewegen sich im Bereich unterhalb von 1MHz, wo der Filter nur eine schwache Dämpfung mit einem leichten Phasengang aufweist.