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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Thermisches Rauschen in/durch Messspitze


Autor: Antal 377 (antal)
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Hallo,

eine kurze Frage von einem Elektronikanfänger:

Ich schließe eine 10:1 Messspitze (also 10MOhm Innenwiderstand) mit 
150MHz Bandbreite an ein Oszilloskop mit 150MHz Bandbreite an und 
verbinde die Messspitze mit ihrer Masseklemme. Ergebnis: Ich sehe ein 
Rauschen mit einem U_rms von ca.3mV.

Die Frage ist: Wie berechne ich so etwas? Für thermisches Rauschen kenne 
ich die Formel U_th = Wurzel aus (4*k*T*R*B)
Mit k=Boltzmann-Konstante (1.38*10-23), T=Temperatur in Kelvin (300), 
R=Widerstandswert (10MOhm), B=Bandbreite (150MHz)

Mit dieser Formel (Werte wie oben beschrieben eingesetzt) komme ich 
jedoch auf ein thermisches Rauschen von 5mV, also schon deutlich mehr 
als der gemessene Wert. Habe ich etwas falsch berechnet?

Hintergrund der Frage: Ich habe mich schon immer über die verrauschten 
Kurven auf dem Oszi gewundert, wenn ich Messspitzen benutze...jetzt 
würde ich gerne mal wissen, wieso das so aussieht ;)

Autor: Andreas K. (a-k)
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Antal . . wrote:

> verbinde die Messspitze mit ihrer Masseklemme. Ergebnis: Ich sehe ein
> Rauschen mit einem U_rms von ca.3mV.

Da berechnest du zunächst garnichts. In der Grössenwordnung ist das was 
du siehst
- erstens das Grundrauschen vom Oszi selbst,
- zweitens Einstrahlung von Störquellen aus der Umgebung.

Das Grundrauschen erkennst du an dem, was völlig ohne Tastkopf angezeigt 
wird. Und wenn es ein digitales ist, und du das Teil nicht aus einem 
High-End-Labor geklaut hast, solltest du über 3mV eher glücklich als 
unzufrieden sein.

Und wenn du die Spitze berührst, wirkst du als Antenne und fängst 
dadurch noch sehr viel mehr Strahlung ein als der Tastkopf alleine.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Das ist vor allem Netzbrumm, die Masseleitung wirkt als 
Induktionsschleife.

Die 10:1 Teilung heißt ja, dass der Eingang des Oszillokops noch eine 
Dekade empfindlicher ist, dort also das Rauschen 0,3mV (an 1 MOhm) 
beträgt.

stimmen die Einheiten?   k*T*R*f  entspricht VAs/K  K  V/A * 1/s da 
bleibt V^2 übrig
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermisches_Rauschen da steht auch Wurzel , 
die fehlt in deiner Rechnung

Autor: Stefan Salewski (Gast)
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Der Antwort von Andreas Kaiser sollte man vielleicht noch eines 
hinzufügen:

Wenn das berechnete/theoretische Rauschen größer als das gemessene ist, 
ist das schon sehr seltsam. Grund ist vermutlich:

Im Oszilloskop und in der Messspitze sind nicht nur Ohmsche Widerstände 
mit ihrem thermischen Rauschen, sondern auch parallel geschaltete 
Kondensatoren, die dass Rauschen kurz schliessen. Du darfst in diesem 
Fall also nicht mit der vollen Bandbreite rechnen, sondern mit 
wesentlich weniger.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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ach da steht ja "Wurzel aus" hatte ich übersehen

Autor: Antal 377 (antal)
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Danke für die Antwort - wenn ich gar nichts ans Oszilloskop anschließe, 
ist mein Rauschen noch wesentlich geringer - so ein Spitzenoszi ist es 
glaube ich allerdings auch nicht. Das ich die Messspitze bei der Messung 
nicht in der Hand halte und etwas Abstand halte, ist selbstverständlich.

Aber zur Erklärung mal, wie ich auf die Frage komme:

Ich habe eine Filterschaltung aufgebaut und per Messspitze das 
Ausgangssignal (Ausgangswiderstand der Schaltung 10kOhm) gemessen. 
Ergebnis: verrauschtes Ausgangssignal
Dann habe ich an den Ausgang direkt mein BNC-Kabel gelötet und das 
andere Ende ans Oszi angeschlossen. Ergebnis hier: Signal deutlich 
sauberer.

Das hat mich auf den Schluss gebracht, dass mir meine Messspitze einiges 
an Rauschen reinbringt. Wo kann das dran liegen, wenn es sich nicht um 
das thermische Rauschen handelt? Die Erklärung hätte ich nämlich 
verständlich gefunden (bis auf die negative Abweichung zum berechneten 
Wert).

Autor: Andreas K. (a-k)
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Antal . . wrote:

> Danke für die Antwort - wenn ich gar nichts ans Oszilloskop anschließe,
> ist mein Rauschen noch wesentlich geringer - so ein Spitzenoszi ist es
> glaube ich allerdings auch nicht.

Analog oder Digital? Für eines der üblichen digitalen Geräte wäre das 
ein recht gutes Ergebnis: Beitrag "Oszi-Kaufberatung en detail"

Autor: Antal 377 (antal)
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In der Zwischenzeit sind ja schon neue Antworten da, vielen Dank :)

Die Einheiten sollten stimmen, aber die Erklärung mit den 
parallelgeschalteten Kondesatoren hört sich schlüssig an, da in der 
Messspitze in der Tat ein paar pF vorhanden sind - danke für den Tipp, 
werde mal sehen, ob ich damit dann näher an den berechneten Wert 
herankomme.

Ich nehme mal an, ich versuche es dann am besten mit der 3dB-Frequenz 
als Bandbreite?

Autor: Stefan Salewski (Gast)
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>Dann habe ich an den Ausgang direkt mein BNC-Kabel gelötet und das
>andere Ende ans Oszi angeschlossen. Ergebnis hier: Signal deutlich
>sauberer.

Es wurde doch schon erklärt:

Die Mess/Prüfspitze wirkt als Antenne -- sie ist ja nicht vollständig 
geschirmt. Das BNC-Kabel schon!

Besonders wenn man eine hochohmige Quelle hat, die das Rausch-Signal 
nicht stark kurzschließt, kann man mit der Prüfspitze starke Störungen 
einfangen.

Autor: Stefan Salewski (Gast)
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>Dann habe ich an den Ausgang direkt mein BNC-Kabel gelötet

Übrigens: Ein typisches BNC-Kabel hat 1pF/cm Kapazität. Wenn Deine 
Schaltung einen hohen Ausgangswiderstand hat, baust Du Dir mit dem 
direkt angeschlossenen Kabel zusätzlich einen Tiefpass -- dadurch 
erscheint das Rauschen nochmals geringer.

Autor: Antal 377 (antal)
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Danke für die Tipps!
Bin halt noch ein Anfänger, daher verstehe ich nicht jede Erklärung beim 
ersten Versuch. Jetzt habe ich das Problem mit der Messspitze aber denke 
ich verstanden - werde aber morgen noch ein wenig experimentieren.

Das Oszilloskop ist übrigens analog, kein digitales.

Autor: JensG (Gast)
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noch ein Tip, auch wenn schon 1 Tag zu spät ;-)

Du kannst nicht die 10MOhm zugrundelegen, denn der Spannungsteiler im 
Tastkopf ist ja eigentlich nur ein 9MOhm R, der zusammen mit den 1MOhm 
im Oszi den SPannungsteiler bildet. Wenn Du jetzt die Meßspitze mit 
Masse verbindest, dann liegen ja beide R's parallel  (9 || 1 MOhm).
Du hast also irgendwas <1MOhm als Rauschwiderstand. Und da wird schon 
eher ein Schuh draus. Da siehts nämlich um den Faktor (reichlich) Wurzel 
10 schon besser aus - wird also irgendwas im Bereich 1,... mV liegen.
Da machen die Werte dann mehr Sinn, denn die Rauschzahlen von 
Halbleitern sind in der Regel bei solchen Breitband-Anwendungen alles 
andere als "berauschend", und somit ist der praktisch gemessene Wert 
schon merklich höher als die rein ohmsch berechnete Rauschspannung. 
Zusätzlich kommen dann natürlich noch irgendwelche Störungen rein - eine 
relativ kleine Leiterschleife am Tastkopf ermöglicht abends schon z.T. 
den Empfang von Radio - viel Spaß beim Radioempfang ;-)

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