Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

"TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

zgierzman 21 Dec 2020 17:18 4485 19
  • "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Zapewne wielu z Was zastanawiało się kiedyś, jak precyzyjnie znaleźć miejsce uszkodzenia (zwarcie/przerwa) kabla antenowego czy sygnałowego, lub jak sprawdzić jaka jest impedancja falowa posiadanej skrętki, albo kabla koncentrycznego. Jakże wygodnie jest powiedzieć: "trzeba szukać na piętnastym metrze", zamiast pruć całe koryto kablowe po długości... :-D
    Do takich celów służą reflektometry TDR, a oto tania i prosta alternatywa dla fabrycznych urządzeń.
    Nie są to tanie zabawki, taki na przykład reflektometr TDR-420 firmy SONEL można kupić za około 4 kPLN brutto.

    Dla hobbystów zostają amatorskie konstrukcje wykorzystujące oscyloskop. Jeśli ktoś wie czego szuka, to oscyloskop prawdopodobnie już posiada :-), dlatego taka przystawka jest bardzo atrakcyjna cenowo w porównaniu do opcji zakupu dedykowanego urządzenia, które będzie wykorzystywanie mniej więcej tak często jak Dzwon Zygmunta.

    Wynalazki takie można wyszukać po frazie "TDR", "generator impulsów nanosekundowych" (choćby na Elektrodzie) itp. Rozwiązań jest tyle, ilu twórców.
    Ikonicznym przykładem jest konstrukcja Jima Williamsa oparta o kontrolowane przebicie lawinowe tranzystora. Opisany jest on tutaj, strona 93, polecam jednak lekturę całości. Problemem w tej konstrukcji jest wykorzystywanie cechy tranzystora, która nie jest ujęta w żadnych datasheetach. Sam autor pisze: "Q1 may require selection to get avalanche behavior. Such behavior, while characteristic of the device specified, is not guaranteed by the manufacturer. A sample of 50 Motorola 2N2369s, spread over a 12 year date code span, yielded 82%". Ten tranzystor nie jest już produkowany, nawet ze starych partii niekoniecznie trafi się sztuka, która będzie chciała działać (chociaż będzie całkowicie sprawna).
    Jest kilka innych konstrukcji opartych na tej samej zasadzie, np. https://youtu.be/I1gfUNh5PJQ?list=WL

    Ja jakiś czas temu zrobiłem to po swojemu, wykorzystując elementy które będą dostępne w sklepach, albo w przyszłości łatwo będzie znaleźć coś w zastępstwie. Gdyby ktoś chciał skopiować moją wersję, musi szukać szybkich serii - stare wersje TTL-i mogą działać gorzej albo wcale. W mojej konstrukcji tkwi 74ALVC14DR oraz 74ALVC08DR , które były wtedy dostępne w ofercie TME. Teraz ich nie ma (są np. w Mouserze), ale zapewne znajdzie się inna seria, może nawet szybsza. Trzeba spojrzeć w tabelkę "Dynamic characteristics" i szukać niskiego "propagation delay"... Liczą się też strome zbocza.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Ale do rzeczy:
    Schemat powstał w mojej głowie i jest banalnie prosty:

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Jedna bramka HC14 pracuje jako generator. Sygnał z niego trafia do dwóch gałęzi, w jednej jest negowany, w drugiej negowany podwójnie, ale z opóźnieniem. Za opóźnienie odpowiedzialny jest układ R1C1, w którym trymer pozwala wyregulować pik. Zbyt duża stała czasowa daje nam prostokąt zamiast impulsu, zbyt mała ogranicza amplitudę. Przy okazji jest to recepta na zapytania, które pojawiły się w innych wątkach dotyczących takich TDR: "a jeśli potrzebuję impulsu o określonej szerokości, a nie szpilki?". Tutaj wystarczy pomańdrować trymerkiem.
    Wyjścia obu gałęzi trafiają do bramki AND, która generuje impulsy. Jeśli w dolnej gałęzi pojawia się stan logiczny "1", to w górnej będzie "0". Ale to "0" będzie opóźnione z powodu układu RC, i tej krótkiej chwili mamy dwie jedynki. Wtedy, i tylko wtedy, na wyjściu IC1A mamy stan logiczny "1". Bramki IC1B, IC1C oraz IC1D pracują jako bufory wyjściowe, a trzy równoległe rezystory 150 omów dają 50 omów na wyjściu generatora.
    Nie mienię się wynalazcą tego układu, chociaż z niczego go nie kopiowałem. Ale ponieważ jest tak banalny, to wierzę, że nie tylko ja wpadłem na ten pomysł :-)

    Zasilanie brane jest ze złącza microUSB, stabilizator 3V3 znalazł się tu dlatego, że moje scalaki nie tolerują 5V.
    Z kondensatorami odsprzęgającymi może trochę mnie poniosło, ale od przybytku głowa nie boli :-)

    Płytka jest prosta, jednostronna, łatwa do zrobienia z domu.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Powstały dwa prototypy - jeden jako "proof of concept", niezbyt elegancki, ale działał. Drugi doczekał się obudowy i widać go na zdjęciu tytułowym. Po chyba dwóch latach być może powstanie trzeci egzemplarz, bo projekt PCB dokleiłem do innych zamawianych płytek (żeby na max wykorzystać to 10 x 10 cm :-D), więc będzie już bardziej profi...

    Obudowa to łatwo dostępny na chińskim portalu model 25x25x50.

    A teraz jak to działa:

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Jak widać trochę brakuje do ideału, bo jest małe przeregulowanie na zboczu opadającym, ale że w niczym mi nie przeszkadza, to nawet nie zamierzam rozkminiać jak się go pozbyć. Impuls ma ponad 3 V amplitudy, a czas narastania to 3 ns. Szerokość impulsu to ok 10 ns. No i tu jest skucha z pomiarem, bo być może parametry są nawet lepsze. Ale że mój Rigol na 100 MHz pasma, to właśnie on może wypłaszczać ten impuls.

    trise = 0,35 / BW

    Dlatego najszybsze zbocze jakie mogę zobaczyć to właśnie 3,5 ns, a nie mam dostępu do szybszego oscyloskopu.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Na tym screenie widać jak przedstawia się sygnał z podłączonym odcinkiem kabla koncentrycznego o nieznanych parametrach. Widać wyraźną szpilkę kiedy powraca impuls odbity od końca kabla.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Jeśli żyły (albo żyła z ekranem dla koncentryka) są na końcu zwarte, to pojawi się impuls zanegowany. Nie odbija się od końca, ale wraca po masie, dlatego polaryzacja jest odwrócona. Widać to poniżej.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Dlatego ważne jest dobieranie odpowiednich terminatorów, właściwych dla impedancji falowej kabla. Na przykład w transmisjach cyfrowych po skrętce - jeżeli sygnały odbite od otwartego końca nałożą się na te właściwe, to wzrośnie ilość błędów, albo transmisja w ogóle nie będzie możliwa.

    Poniższy screen dobrze to ilustruje. Na końcu mojego kabla montowałem różne rezystory i widać, że dla 50Ω odbicia całkiem zniknęły. 75Ω i 100Ω to za dużo, bo szpilki wciąż są, tyle, że niższe, ale 27Ω to za mało... Impedancja tego kabla to 50Ω, chociaż robił w instalacji AV, więc spodziewałem się raczej 75 omów :-D Widać ktoś się nie przyłożył do odrobienia pracy domowej.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Na koniec kwestia długości przewodnika i współczynnika skrócenia.
    Współczynnik skrócenia określa, o ile wolniej od prędkości światła przemieszcza się sygnał elektryczny w danym przewodniku. Znając współczynnik skrócenia i czas po jakim powrócił impuls można wyliczyć długość przewodnika. Albo jeśli znamy czas i długość, to wyliczymy współczynnik skrócenia.

    Załóżmy współczynnik skrócenia 0,65 (tak na początek), a prędkość światła c zaokrąglimy do 300 000 000 m/s.

    c = 0,3 [m/ns]

    więc gdyby impuls elektryczny podróżował z prędkością światła, to pokonywałby 30 centymetrów w ciągu nanosekundy. Jak widać wyżej, czas od impulsu do odbicia dla mojego przypadku wynosi 52 ns, więc:

    0,3 * 52 = 15,6 [m]

    Ale ponieważ impuls przemieszcza się w dwie strony: do końca i z powrotem do oscyloskopu, to:

    15,6 / 2 = 7,8 [m]

    Dokładając do tego współczynnik skrócenia, można wyliczyć, że mój kabel ma długość:

    7,8 * 0,65 = 5,07 [m]

    Prawie idealnie, zmierzony miarą zwijaną ma 5,05 metra , do tego dochodzi parę centymetrów tych wszystkich przejściówek BNC i CINCH.

    W ten sposób można zdiagnozować przerwaną lub zwartą skrętkę UTP gdzieś w korytach kablowych, uszkodzony kabel do konwertera TV SAT i inne takie rzeczy.

    Uwaga: Na schemacie mogą wystąpić błędy dotyczące wartości elementów R1 i C1. Starałem się wszystkie uwagi nanosić na bieżąco, dlatego plik ma nazwę "v04", ale czy rzeczywiście zostało 15p, to głowy za to nie dam. :-) Może zweryfikuję, kiedy znajdę czas i natchnienie żeby zbudować trzeci egzemplarz. Trymerek mógłby być 1k, bo w tej chwili zmierzona rezystancja wynosi 265Ω.

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    zgierzman
    Level 28  
    Offline 
  • #2
    conisl
    Level 5  
    Witam,

    Gratuluję bardzo pomysłowej konstrukcji. Mam tylko jedną uwagę : w kablu koncentrycznym prędkość fali elektromagnetycznej nie wynosi 300 000 000 m/s. Będzie ona wyraźnie mniejsza w zależności od przenikalności elektrycznej i magnetycznej dielektryka użytego do budowy kabla koncentrycznego.

    Pozdrawiam
  • #3
    zgierzman
    Level 28  
    conisl wrote:
    w kablu koncentrycznym prędkość fali elektromagnetycznej nie wynosi 300 000 000 m/s. Będzie ona wyraźnie mniejsza w zależności od przenikalności elektrycznej i magnetycznej dielektryka użytego do budowy kabla koncentrycznego.


    Przeczytaj jeszcze raz co napisałem o współczynniku skrócenia :-D
  • #4
    robokop
    Moderator of Cars
    Dawno nie czytałem czegoś równie interesującego. Metoda reflektometryczna jest od dawna używana do lokalizacji uszkodzeń kabli min. w energetyce. A powszechnie, w radiokomunikacji - do strojenia anten i linii zasilających, z tym że pozwala określić jedynie WFS - czyli mniej więcej o ile impedancja anteny odbiega od 50 omów, kiedy to WFS=1.
  • #5
    conisl
    Level 5  
    Sorry, nie doczytałem. Zwracam honor. :)
    Pozdrawiam.
  • #6
    djbpm
    Level 21  
    Gratuluję ciekawego projektu, satysfakcja wielka, wiadomo, że sporo się nauczyłeś. Sam kiedyś coś podobnego robiłem z ciekawości. Ale:
    - Urządzenie nie jest kompaktowe
    - Pomiar jest mało dokładny przy krótkich długościach.
    Nie wiem czy słyszałeś, ale jest taki analizator antenowy, co się nazywa NanoVNA i kosztuje jakieś 230zł (wersja H4 od Hugena) a takie bardzo chińskie klony można mieć znacznie taniej. Oprócz pomiarów anten, ma funkcję TDR, która rysuje podobne wykresy jak widzisz na Oscyloskopie. Do tego całe urządzenie mieści się w kieszeni. Wykresy są na tyle dokładne, że widać każde łączenie, a nawet ostre zgięcia kabla. Oprócz funkcji TDR do wyznaczania odbicia można użyć zwykłego wykresu Smitha i dobrać czas przy którym wykres przestanie się kręcić w kółko. Ta metoda jest bardzo dokładna.
    Np kabelek koncentryczny rg316 z wtyczkami sma po obu stronach, od końca do końca ma 162mm. Czas wyszedł 1.51ns, to jest 453mm. 453/2*0,7=158,55mm.
    Dłuższy kabelek, rg316 sma, Nm, czas 9,63ns => 2889mm => 2889/2*0,7= 1011,15mm, zmierzony 1030mm. Błąd wnosi wtyk, ponieważ Nm jest powietrzny, a więc skrócenie jest bliskie 1, oraz być może współczynnik skrócenia jest odrobinę inny niż w danych katalogowych, natomiast samo urządzenie raczej mierzy dobrze.
    Pozdrawiam ;)
  • #7
    zgierzman
    Level 28  
    djbpm wrote:
    jest taki analizator antenowy, co się nazywa NanoVNA i kosztuje jakieś 230zł (wersja H4 od Hugena) a takie bardzo chińskie klony można mieć znacznie taniej.


    Dzięki za info, poszukam. A jak sobie radzi w większymi długościami kabli? Powiedzmy naście/dziesiąt metrów, a nie centymetrów? Bo jeśli mierzy równie dobrze kabelki centymetrowe, jak takie przez pół budynku, to jest warte swojej ceny...

    Edycja:
    Zerknąłem do internetów, i zdałem sobie sprawę, że widziałem to urządzenie w sieci wielokrotnie. Ale zawsze jest opisane jakie "analizator antenowy", a nigdzie nie ma info, że jest to też Time Domain Reflectometer...
  • #8
    djbpm
    Level 21  
    zgierzman wrote:
    A jak sobie radzi w większymi długościami kabli? Powiedzmy naście/dziesiąt metrów, a nie centymetrów? Bo jeśli mierzy równie dobrze kabelki centymetrowe, jak takie przez pół budynku, to jest warte swojej ceny...
    Mierzyć mierzy, nie mierzyłem jakiegoś wzorcowego kabla, ale dla mojej instalacji radiowej 2m/70cm to wygląda tak:
    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Marker oznacza koniec metrowego konektorka pomiarowego, a więc połączenie gniazdo N wtyk N. Gniazdo N mam z H155 a założone jest na RG316, niby się starałem przy zakładaniu, ale widać, że falowo coś nie bardzo.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.

    Pozycja 2 to jest na dachu chyba duplexer albo przełącznik antenowy, już nie pamiętam.

    zgierzman wrote:
    Edycja:
    Zerknąłem do internetów, i zdałem sobie sprawę, że widziałem to urządzenie w sieci wielokrotnie. Ale zawsze jest opisane jakie "analizator antenowy", a nigdzie nie ma info, że jest to też Time Domain Reflectometer...
    Zobacz sobie filmik
    Link

    Pozdrawiam
  • #9
    paluszasty
    Level 25  
  • #11
    zgierzman
    Level 28  
    @paluszasty @^ToM^
    Macie rację, widać wyraźne podobieństwa. Wtedy, kiedy tego potrzebowałem, przeglądałem mnóstwo różnych rozwiązań, w których zawsze coś mi nie pasowało. A to jakieś egzotyczne części, a to brak możliwości regulacji wypełnienia, a to sposób skomplikowana, albo cena, albo jeszcze coś innego. Widziałem też post paluszastego, bo jest z kwietnia, a ja rzeźbiłem w lipcu 2018 (sprawdziłem daty plików w folderze projekty). Wszystko miałem w głowie, i kiedy robiłem swoją wersję, to oczywiście składałem to z jakichś klocków które mi zostały w pamięci. Takich jak stopień wyjściowy kolegi paluszastego. Wygląda identycznie, chociaż bramki są inne - u niego NAND, u mnie AND. Nie zdziwię się, jeśli ktoś odkopie jakiś schemat, i zakrzyknie "hej, taka linia opóźniająca na dwóch inwerterach i RC jest zastosowana tu: [link]". Chociaż tego akurat chyba nigdzie nie podpatrzyłem...
    Jak napisałem
    zgierzman wrote:
    Nie mienię się wynalazcą tego układu, chociaż z niczego go nie kopiowałem. Ale ponieważ jest tak banalny, to wierzę, że nie tylko ja wpadłem na ten pomysł :-)

    Po prostu jest to kompilacja składowych, które już wcześniej gdzieś, ktoś, zastosował. Tak chyba jest w większości przypadków, takich geniuszy jak Jim Williams, którzy potrafią w zupełnie nowatorski sposób wykorzystać elementy przeznaczone do czegoś innego, jest bardzo mało. Ale może zdarzyć się i tak, że wcześniej powstał układ identyczny z moim. Nie byłby to pierwszy raz, kiedy konstruktorzy na dwóch końcach świata doszli w tym samym czasie do identycznych rozwiązań :-) BTW, polecam filmy Jima Williamsa na YT - ciekawe rzeczy opowiada :-)
  • #13
    CosteC
    Level 31  
    Bardzo dobry projekt. Elegancko pokazuje zasadę działania, starannie wykonany i dokumentacja jest dostępna i dobrej jakości. Jakby jeszcze trójnik był wbudowany to byłby ideał :)

    Nie rozumiem argumentów, że jakiś produkt na rynku jest lepszy. Jest lepszy. Powinien być lepszy. Ale nie o to chodzi w DIY.
  • #15
    Robo0008
    Level 11  
    Rewelacyjny pomysł dawno na elektrodzie nie czytałem nic ciekawszego . Teraz pytanko jak mam oscyloskop do 20 MHz (taki starszawy) to tez mogę go wykorzystać ?
  • #16
    zgierzman
    Level 28  
    Robo0008 wrote:
    Teraz pytanko jak mam oscyloskop do 20 MHz (taki starszawy) to tez mogę go wykorzystać ?


    Im szybszy oscyloskop tym lepiej to działa, ale i na 20 MHz coś będzie widać.

    Dla tego pasma czas narastania sygnału to

    trise = 0,35 / BW

    czyli 17,7 ns, żebyś zobaczył szpilkę, impuls musi trwać co najmniej 35 ns.

    W przewodniku zdąży on pokonać:

    0,65 * 0,3 * 35 = 6,82 m

    Więc jeśli przewodnik będzie krótszy niż jakieś 3,5 metra, to sygnał nadawany i odbity się nałożą.
  • #18
    Darek05
    Level 11  
    zgierzman wrote:
    Gdyby ktoś miał chęć wykonać sobie takie urządzenie to informuję, że mam kilka płytek na zbyciu.

    "TDR" reflektometr dla ubogich - przystawka do oscyloskopu.


    Jestem zainteresowany płytką, jaki koszt z wysyłką?
  • #20
    tomiok
    Level 33  
    Zajefajne. Konstrukcja bardzo mi się podoba.
    Moim zdaniem mało fajnych prac tego typu.
    Plusik poleciał, ale plusik to o wile za mało.

    Gratulacje.