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...
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.
Ale do rzeczy:
Schemat powstał w mojej głowie i jest banalnie prosty:
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.
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
), więc będzie już bardziej profi...
Obudowa to łatwo dostępny na chińskim portalu model 25x25x50.
A teraz jak to działa:
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.
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.
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.
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
Widać ktoś się nie przyłożył do odrobienia pracy domowej.
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
