Trefwoorden pulsgenerator meetopstelling kabelmetingen TL typering

METEN MET DE TIME DOMAIN REFLECTOMETER Inleiding Een time domain reflectometer is een instrument om transmissielijnen te kunnen bekijken op impedantiesprongen langs de lengte van de lijn. Met deze informatie is het mogelijk om onregelmatigheden langs de lijn de ontdekken als slechte verbindingen (pluggen), sluiting, de lengte bv. tot aan de antenne maar ook om de karakteristieken van zo’n transmissielijn te kunnen bepalen als karakteristieke impedantie, demping en voortplantingssnelheid. Kortom een nuttig instrument voor de radio-amateur waar transmissielijnen steeds een vast onderdeel van het station vormen. Een eenvoudige vorm van de time domain reflectometer (TDR) is gemakkelijk samen te stellen uit materialen die meestal al voorradig zijn in de shack van de doorsnee radioamateur. De benodigdheden hiervoor bestaan uit een goede oscilloscoop met een bandbreedte van minstens 50 MHz., en liever nog 100 MHz. of meer, een puls generator en een T-stukje, bv. BNC. Zo’n puls generator kan een standaard apparaat zijn zoals bv. een PM5715 van Philips. Deze heeft vele instelmogelijkheden en is daarmee zeer veelzijdig. Voor het meten aan kabels in het tijd domein is eigenlijk alleen een zeer korte puls nodig, met een niet te lange herhalingstijd en van bescheiden amplitude. Met deze eigenschappen is het ook niet moeilijk om zelf zo’n puls generator te ontwerpen, waarvoor zelfs maar een enkel, simpel IC nodig is en enkele losse componenten. De pulsgenerator Een eenvoudige puls generator kunnen we ook zelf construeren uit een bescheiden aantal onderdelen. in zijn eenvoudigste (maar voldoende!) vorm ziet het schema er als volgt uit: Deze pulsgenerator bestaat uit een enkelvoudig blokje van het type CMOS, HEF4093. Dit IC bestaat uit een viertal NAND-poorten, waarvan alle ingangen voorzien zijn van hysteresis; men noemt dit een Schmitt-trigger ingang. Deze hebben als eigenschap dat de ingangsspanning een bepaalde waarde overschreden moet hebben, voordat er enig effect optreedt. Daarnaast moet een tweede (lagere) drempelspanning overschreden zijn, voordat de schakeling opnieuw reageert. Gebruik voor deze schakeling dus geen standaard NAND-poorten, omdat het circuit daarmee niet zal werken. Al meteen de eerste trap van de schakeling maakt gebruik van deze Schmitt-trigger functie. Door het verschil in schakelspanning volstaat een enkele RC-tijd om van deze poort een oscillator schakeling te maken. In dit geval wekt deze oscillator een blokvormige spanning op, met een herhalingsfrequentie van ongeveer 400 kHz. (th = 2,6 usec.). Deze tijd is een compromis tussen een zo lang mogelijke tijd om opeenvolgende pulsen ook bij langere kabels uit elkaar te kunnenhouden, en een niet te lange tijd, ter voorkoming van te weinig licht op de oscilloscoop buis vanwege de lange interval tussen de opeenvolgende pulsen. Wanneer de tijd zou moeten worden veranderd, kan het beste eerst de waarde van de condensator van 150 pF worden gewijzigd. Na de oscillator volgt de blokpuls twee wegen. Ten eerste wordt de blok geleidt door de tweede poort in de schakeling, en ten tweede ook via het circuit met de weerstand en de trimmer van 4 – 20 pF. De volgende poort wordt daardoor geschakeld door het verschil in looptijd via de poort en de vertragingsschakeling, hetgeen aan de uitgang van deze poort resulteert in een zeer korte puls, waarvan de exacte waarde kan worden ingesteld met de trimmer. Begin daarom altijd met de maximale waarde van de trimmer en draai deze langzaam terug om de puls zo kort mogelijk te houden. Opnieuw maken we gebruik van de Schmitt-trigger ingang, die de slappere flank na de RC-tijd zonder schakel problemen zal omzetten in de standaard stijgtijd voor dit type logica. Het volgende tijd-volgorde diagram kan e.e.a. wellicht nog verduidelijken, waarbij de getallen de poort aansluitingen zijn: Op tijdstip t0 zien we de stijgende flank van de blokgolf op de uitgang van de oscillator (punt 3). Voor de overzichtelijkheid is deze blok ingekort zodat beide schakelmomenten zichtbaar zijn. De tijd tussen T0 en Th is natuurlijk de halve periodetijd van 1,3 usec. Deze stijgende flank staat ook op de ingang van de volgende poort (punten 5, 6), maar verschijnt pas op de uitgang hiervan (punt 4) na de poort vertragingstijd, die voor dit type en bij een voedingsspanning van 10 V. ligt tussen 40 en 80 nsec. De stijgende oscillator flank komt via de weerstand van 8k2 ook op de instelbare condensator (trimmer), die zich zal gaan opladen. Na een zekere tijd ts bereikt de spanning op de condensator de drempelwaarde waarop de Schmitt ingang van de derde poort (punt 12) zal omslaan. Op dat moment zijn beide ingangen van deze poort hoog, waarop de uitgang (punt 11) omlaag gaat. Na de poort vertragingstijd van de tweede poort gaat zijn uitgang omlaag, waarop de uitgang van de volgende poort (punt 11) weer omhoog gaat. Het pulsje op punt 11 wordt aldus gevormd door het verschil in vertragingstijd van de R-C combinatie en de poortvertraging. Is de R-C vertraging te groot, dan is ingang 13 na afloop van de poortvertraging al omlaag gegaan, en wordt er helemaal geen puls gevormd. De kortste puls tijd, die we graag instellen omdat hiermee het kortste stukje kabel nog gemeten kan worden zonder dat de start puls en de reflectie elkaar overlappen, moet daarom worden ingesteld met de trimmer, waarbij de minimum waarde waarschijnlijk niet de kortste puls tijd zal opleveren. Op tijdstip Th wordt er geen puls meer gevorm, omdat de R-C vertragingstijd al voorbij is en de ingang (12) daarmee op ‘0’ houdt; de uitgang blijft dan hoog. Alleen bij uitzonderlijk lange vertragingstijden kan ingang 12 nog als hoog worden gezien, wanneer de vertragingstijd van de poort op punt 13 al is afgelopen. In dat geval wordt een puls gevormd waarvan de lengte langer wordt naarmate de capaciteit groter wordt (omgekeerd t.o.v. de voorflank). Dit is echter een minder gewenste (want minder stabiele) situatie. Denk er om dat bij deze korte verschijnselen elke parasitaire capaciteit sterk mee telt. Er moet daarom zo capaciteits-arm mogelijk worden gebouwd. Maak daarom eerst op papier een zo uitgekiend mogelijk bedradingsplan, met zo kort mogelijke bedrading. De laatste poort maakt van de negatieve puls weer een positief verschijnsel en zal deze puls in amplitude nog versterken en bufferen. De schakeltransistor (bv. BSX20) dient als laatste energie versterker. Merk op dat er aan de uitgang een weerstand van 50 Ohm naar aarde de testkabel afsluit. Deze weerstand zorgt er tevens voor, dat een gereflecteerde puls in een testkabel met ook een karakteristieke impedantie van 50 Ohm op de juiste wijze is afgesloten. De gereflecteerde puls wordt dan in deze weerstand geabsorbeerd, en wordt niet opnieuw naar de kabel gestuurd. Bij een niet-50 Ohm kabel kun je zich herhalende pulsen zien, steeds op een tijdafstand gelijk aan die van de startpuls tot aan de eerste reflectie, met een steeds verder afnemende amplitude. Dat hoeft geen probleem te zijn, zolang alle berekeningen en conclusies zich maar beperken tot de eerste reflectie. Zo’n situatie met multipele reflecties treedt bv. ook op wanneer 300 Ohm transmissielijn gemeten wordt. De hele schakeling trekt niet meer dan ca 1,1 mA, zodat een 9 V. blokbatterij volstaat en de voeding daarmee voor lange tijd garandeert. Een simpele uitvoering zou er als volgt uit kunnen zien: De schakeling werd gemonteerd op een klein stukje gaatjesboord, met een BNC chassisdeel aan de zijkant om direct op kabels en apparatuur te kunnen aansluiten. Het stukje gaatjesboord is verder zo lang gelaten, dat hierop tevens een blokbatterijtje van 9 V. past, dat met een bandje of elastiekje kan worden vast gezet. De batterij aansluiten fungeert dan meteen als aan-uit schakelaar. Met een maximaal stroomverbruik van 1,1 mA hoeven we ook niet al te zuinig te zijn op zo’n batterij. Het blauwe hulpstukje bevat de samenbouw van weer een BNC chassis deel, nu met een goede kwaliteit kool potentiometer van 250 Ohm. Hiermee kan een onbekende kabel worden afgesloten zodat gemakkelijk de karakteristieke impedantie kan worden bepaald. Hierover meer in de rest van dit verhaal. De Time domain reflectometer opstelling Ter verkrijging van een Time domain reflectometer, kan de micropuls generator als volgt worden ingezet: De micropuls generator wordt aangesloten op een T-stukje, met op het andere einde hiervan de onbekende kabel. De verbinding met de oscilloscoop is zo kort mogelijk, en liefst met het T-stukje direct aangesloten op de ingang van de oscilloscoop. Deze ingang heeft de ‘standaard’ ingangsimpedantie van 1 MOhm parallel aan 10 pF. Als de kabel-onder-test op de juiste, karakteristieke wijze is afgesloten, is er geen reflectie en vind je de pulsen uit de generator terug na elke 2,6 usec. Het plaatje geeft hiervan een voorbeeld, al is de startpuls hier vrijwel onzichtbaar en is er in dit voorbeeld geen kabel aangesloten. Je ziet dat de puls hier een amplitude heeft van ruim 600 mV. Je kunt bij het afregelen van de puls met de trimmer van 4 – 20 pF de amplitude groter maken, tot ca 2,5 V. toe. Hiermee wordt deze puls ook breder, en daarmee verlies je oplossend vermogen, d.w.z. dat de kortste kabel die je nog kunt meten, langer is dan je had kunnen meten. Denk er verder aan dat je hier de onbelaste puls ziet. Wanneer een kabel wordt aangesloten op het T-stuk wordt de puls kleiner van amplitude. Het is de gevoeligheid van de oscilloscoop die bepaalt hoe ver je hierin kunt gaan.; hoe groter de gevoeligheid, hoe kleiner de puls kan zijn, dus ook hoe korter en dus ook hoe groter het tijd-oplossend vermogen van de TDR. Bij de verdere metingen speelt de amplitude van de puls voorlopig geen rol. Kabelmetingen Sluiten we een open kabel aan op de reflectometer, dan kan het plaatje er als volgt uit zien: In dit scoop plaatje zie je de beginpuls en na 105 nsec. een reflectie van deze puls. Deze reflectie is afkomstig van een niet-afgesloten transmissielijn van het type RG58C/U. Deze heeft een snelheidsfactor (Vf) van 0,66; d.w.z. dat de voortplantingssnelheid gelijk is aan 0,66 x de lichtsnelheid, dus hier bijna 200.000.000 m/sec. Denk er aan dat de puls eerst naar het uiteinde is gesneld, daar werd gereflecteerd en vervolgens weer is teruggekeerd naar het begin. De kabel lengte werd hierbij twee maal doorlopen. De totaal afgelegde weg van deze puls is dus: 2.10^8 x 105.10^-9 = 21 m. De werkelijke kabellengte is dus de helft en wel: 10,5 m. en zo was dat ook (ongeveer: 10,1 m.). Het verschil tussen deze getallen zit in de (on-)nauwkeurigheid van de meting maar ook in de specificatie van de kabel, waarvan snelheidsfactor ook een zekere tolerantie vertoont. Omgekeerd kun je dus, wanneer de kabellengte bekend is, uit deze meting direct de (echte) snelheidsfactor berekenen. In het volgende plaatje zien we opnieuw een totale reflectie na dezelfde tijd. Wanneer de kabel niet werd open gelaten, maar werd kortgesloten op het einde, wordt opnieuw de puls volledig gereflecteerd. Omdat bij een kortsluiting een fase sprong van 180 graden optreedt, wijst de gereflecteerde puls nu in omgekeerde richting. De voorgaande plaatjes lieten enkele beelden zien die je kunt verwachten bij niet afgesloten transmissielijnen in onderbroken of kortgesloten toestand. Wanneer de lengte van de transmissielijn en de snelheidsfactor bekend zijn, kun je hiermee dus meteen de plaats van de kortsluiting of onderbreking vinden, of ook het effect van slechte pluggen ‘onderweg’ of onjuiste aanpassing bij de antenne aan het uiteinde. Wanneer je wat meer bedreven bent met deze methode, kun je bij bekende kabeldemping uit het verschil in amplitude van de startpuls en de gereflecteerde puls, ook iets zeggen over de mate van misaanpassing. Transmissielijn karakterisatie We kunnen deze TDR ook inzetten om een kabel van onbekende samenstelling te karakteriseren. We zagen al dat we op eenvoudige wijze de snelheidsfactor kunnen achterhalen wanneer de lengte van de kabel bekend is. Verder kunnen we de kabel afsluiten met een (variabele) weerstand, en daarmee de karakteristieke impedantie van die kabel bepalen. Hiervoor gebruiken we het blauwe hulpstukje van de eerste foto. Dit sluiten we aan op het einde van de kabel, en draaien totdat de gereflecteerde puls juist is verdwenen. In die situatie is de kabel op karakteristieke wijze afgesloten en geeft dus geen reflectie. Op de scoop zien we dan het volgende plaatje: Opnieuw zien we de beginpuls maar op de plaats van de reflectie zien we nu een nauwelijks waarneembaar ‘deukje’. Wanneer we nu met een standaard Ohm-meter de losgenomen testweerstand nameten, dan vinden we direct de karakteristieke impedantie van die kabel. Opnieuw kun je hieruit leren, dat een kabel van bv. 50 Ohm niet helemaal 50 Ohm hoeft te zijn, maar hiervan een beetje kan afwijken. Met deze informatie zou het mogelijk moeten zijn om zelf verder te experimenteren met deze zeer eenvoudige, maar o zo nuttige Time Domain Reflectometer. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl