radar kablowy (1).pdf

Projekty AVT

Radar kablowy , , ,

czyli

zbuduj własny TDR

2606

Część 1

Przyrząd opisany w artykule pozwoli naocz−

nie zaobserwować wszystkie ważne zjawi−

ska, charakterystyczne dla techniki w.cz. Bę−

dzie pełnić rolę edukacyjną. Będzie też wy−

korzystywany praktycznie przez miłośników

techniki w.cz. na przykład do badania wła−

ściwości kabli, lokalizacji uszkodzeń w sie−

ciach kablowych, do pomiaru długości (zwi−

niętych) przewodów.

Projekt powstał wskutek licznych próśb

i pytań. Na przykład do Skrzynki Porad tra−

fiają pytania dotyczące kabli. Jedno z nich

dotyczyło możliwości zmierzenia rezystan−

cji falowej kabla antenowego za pomocą

miernika uniwersalnego. Pytano o sposoby

rozróżnienia kabla 50−omowego od kabla

75−omowego. Napłynęły też prośby o przed−

stawienie przyrządu pozwalającego lokali−

zować miejsca uszkodzenia kabla metodą

impulsową.

Oczywiście omomierzem i za pomocą

prądu stałego nie da się zmierzyć parame−

trów, które dają o sobie znać dopiero przy

wysokich częstotliwościach. Nie znaczy to,

że do pomiarów kabli antenowych i innych

konieczne jest specjalistyczne i kosztowne

oprzyrządowanie. Niniejszy artykuł prezen−

tuje proste urządzenie, które nie tylko pomo−

że zmierzyć rezystancję falową kabla, ale

i sprawdzić jego tłumienie, zlokalizować

ewentualne uszkodzenia i w niecodzienny

sposób... zmierzyć jego długość bez korzy−

stania z metrówki.

Nazwa radar kablowy wskazuje na zasadę

pracy. W literaturze fachowej przyrząd taki

nazywany jest TDR (time domain reflectome−

ter, reflektometr wdziedzinie czasu). Wbada−

ny kabel wpuszczany jest krótki, stromy im−

puls. Impuls ten wędruje w kablu z prędko−

ścią mniejszą od prędkości światła. Odbija się

od wszelkich przeszkód i do punktu wyjścia

wraca echo w postaci jednego lub kilku im−

pulsów. Obserwacja tych odbitych impulsów

przynosi wiele informacji o kablu, jego dłu−

gości i właściwościach elektrycznych.

Od razu trzeba wyjaśnić, że opisane

urządzenie nie ma obwodów obrazujących

wyniki. Współpracuje z oscyloskopem, na

którego ekranie pojawiają się odpowiednie

przebiegi.

Początkującym bardzo dziwna wyda się

informacja, że impuls w kablu odbija się od

jakichś przeszkód. Zjawiska falowe nie zga−

dzają się zintuicją, choć wprzyrodzie wystę−

puje wiele podobnych proce−

sów. Dla mniej zorientowa−

nych, w drugiej części artyku−

łu podano podstawowe infor−

macje o rezystancji falowej

kabla i zjawiskach w nim za−

chodzących przy przesyłaniu

sygnałów w.cz. Osoby, które

chcą poznać to fascynujące za−

gadnienie jeszcze bliżej, po−

szukają dalszych wyjaśnień

w książkach.

Opis układu

Zasadę działania reflektometru pokazuje ry−

sunek 1 . Jak widać, cała sztuka polega na

wytworzeniu bardzo krótkich impulsów,

wpuszczeniu ich wlinię iobejrzeniu powsta−

łego echa. Większość roboty wykonuje tu fa−

bryczny oscyloskop, który pokazuje przebie−

gi w linii.

Schemat ideowy generatora impulsów

można zobaczyć na rysunku 2 . Jest to kla−

syczny generator z inwertorami U1E, U1F.

Kondensatory C3...C6 odprzęgają zasilanie.

Częstotliwość przebiegu wynosi około

1MHz. Nie jest to wartość krytyczna; można

ją zmieniać przez dobór C1, R2. Krótkie im−

pulsy oczasie trwania około 5ns uzyskuje się

wobwodzie C2R3. Impulsy te ukształtowane

przez inwerter U1D są podawane na negato−

ry U1A...U1C, które pełnią rolę buforów,

Rys. 1 Zasada działania reflektometru

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT

. Pozwoli to dopa−

sować się do wszelkich kabli.

Aby uzyskać potrzebną rezystancję, trze−

ba nałożyć jumperki na odpowiednie kołki.

Rewelacyjnie małe czasy trwania i nara−

stania impulsów uzyskano tu dzięki zastoso−

waniu bardzo szybkiego układu scalonego

z serii 74ACxx.

Uwaga! W układzie należy zastosować

bardzo szybkie kostki 74AC04, ewentualnie

74ACT04. Gdyby ktoś chciał spróbować wy−

korzystać bipolarne układy 74F04 czy 74S04,

musi we własnym zakresie sprawdzić, czy bę−

dą one pracować przy tak dużych wartościach

rezystorów iewentualnie dobrać wartości ele−

mentów. Tylko tak szybkie układy zapewnią

impulsy o czasie trwania rzędu 4...5ns. Po−

wszechnie dostępne, wolniejsze układy

74HC04, 74HCT04, 74LS04 czy 7404 na

pewno nie wygenerują tak krótkich impul−

sów. Przy próbie ich zastosowania należy sa−

modzielnie dobrać wartości elementów, by

uzyskać możliwie najkrótsze impulsy.

Ω

Fot. 1

Połączenie zoscyloskopem zapewnia kilku−

centymetrowy odcinek przewodu zakończony

wtykiem BNC. W przypadku tego typu urzą−

dzenia przewód połączeniowy musi być jak

najkrótszy, by jego wpływ był jak najmniejszy.

Dlatego też nie przewidziano specjalnego gnia−

zda czy zacisków do podłączenia badanego ka−

bla. Żyły badanego kabla lutuje się do punktów

oznaczonych A, O1. Szczegóły można zoba−

czyć na fotografii wstępnej i fotografii 1 .

Do testowania modelu wykorzystano wie−

kowy oscyloskop produkcji byłego ZSRR

o gwarantowanym paśmie przenoszenia

50MHz. Pasmo w rzeczywistości jest znacz−

nie szersze, bo na ekranie dobrze widoczne

były impulsy o czasie trwania około 5ns.

Trzy fotografie pokazują sygnał w grubym

50−omowym kablu współosiowym (średnica

zewnętrzna 10m, długość 6,88m), gdy rezy−

stancja wyjściowa generatora wynosiła 50

był dopasowany z obu stron. Wyraźnie widać

impuls wysyłany wkabel. Odbicia są znikome

– energia impulsu została przekazana do rezy−

stora obciążenia. Fotografia 3 pokazuje prze−

bieg, gdy drugi koniec kabla był rozwarty.

Oprócz wysłanego impulsu wyraźnie widać

impuls odbity od końca kabla. Ma on taką sa−

mą biegunowość, jak impuls pierwotny. Od−

wrotną biegunowość ma impuls odbity, gdy na

końcu kabla żyły były zwarte. Teraz odbity

impuls jest ujemny – patrz fotografia 4 .

Fotografie 2...4 pokazują przebiegi przy

najszybszej podstawie czasu 0,1us/dz. Użyty

oscyloskop pozwala dodatkowo 10−krotnie

rozciągnąć przebieg na ekranie przez zwięk−

szenie wzmocnienia wzmacniacza odchylania

poziomego, dzięki czemu uzyskuje się czas

10ns/działkę. Fotografia 5 pokazuje przebieg

z rysunku 3 przy tej rozciągniętej podstawie

czasu. Jak widać, odstęp między impulsami

wynosi około 70ns (oscyloskop nie był przed

pomiarem kalibrowany). Impuls podróżuje

przez długość kabla tam i z powrotem

(13,76m), co wskazuje, że prędkość impulsu

w kablu wynosi około 200 000km/s

(v = 13,76m/ 70ns).

Gdyby oscyloskop został wcześniej skali−

browany za pomocą generatora kwarcowego,

dokładność pomiaru prędkości byłaby znacz−

na, błąd nie przekraczałby 2...3%.

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na małej płytce

drukowanej, pokazanej na rysunku 3 . Układ

prawidłowo zmontowany ze sprawnych ele−

mentów pracuje od razu inie wymaga żadnej

regulacji. Ze względu na szybkość układu

scalonego i parametry potrzebnych przebie−

gów, płytka drukowana została zaprojekto−

wana tak, żeby zminimalizować zagrożenia

charakterystyczne dla tak szybkich urządzeń.

Kondensator C3 (1nF ceramiczny) miał być

lutowany wprost do końcówek 7, 14 układu

calonego. W modelu pokazanym na fotogra−

fiach nie zastosowano kondensatora C3

i układ pracował poprawnie.

czyli kabel był dopasowany z jednej strony

(od strony generatora). Fotografia 2 pokazuje

przebieg, gdy na drugim końcu dołączono

najzwyklejszy rezystor 51

Ω

Rys. 2 Schemat ideowy

Ω

, czyli gdy kabel

Rys. 3 Schemat montażowy

Elektronika dla Wszystkich

zapewniając małą rezystancję wyjściową ge−

neratora impulsów. Na wyjściu otrzymuje się

impulsy dodatnie względem masy. Sieć rezy−

storów R4...R11 i zworek J1...J8 pozwala

uzyskać rezystancję wyjściową generatora

wzakresie około 5...2,2k

Projekty AVT

Kolejne trzy fotografie pokazują analo−

giczne przebiegi dla... zwykłego kabla gło−

śnikowego 2x2,5mm 2 o długości 4,4m. Tym

razem podstawa czasu była rozciągnięta

imiała szybkość 10ns/dz. Opóźnienie odbite−

go impulsu wyniosło, jak widać, około 40ns,

co wskazuje, że prędkość impulsu w tym ka−

blu jest nieco większa i wynosi około

220000km/s.

Fotografie 6 i 7 pokazują przebiegi przy

zwarciu i rozwarciu drugiego końca kabla.

Przebieg z fotografii 8 praktycznie nie za−

wiera odbicia. Powstał on przy dołączeniu do

końca przewodu rezystora 140

kowego). Choć tego typu przewody nie są

wykorzystywane w technice w.cz. ze wzglę−

du na duże tłumienie i podatność na zakłóce−

nia, nie należy się dziwić, że kabel „m.cz.“

ma właściwości typowe dla elementów w.cz.

Każdy kabel ma jakąś oporność falową i tłu−

mienność. Wtechnice w.cz. wykorzystuje się

przewody, które mają optymalne właściwo−

ści w pożądanym paśmie częstotliwości (do−

kładnie określoną rezystancję falową, nie−

wielkie tłumienie iodporność na zakłócenia).

Tu widać, iż opisany przyrząd doskonale

nadaje się do oznaczania oporności falowej

kabla. Jest to zadanie niezwykle proste: do

wolnego końca kabla należy dołączać różne

rezystory, by uzyskać sygnał bez odbić. Jeśli

po dołączeniu rezystora impuls odbity jest

dodatni, wartość rezystora należy zmniej−

szyć. Jeśli odbity impuls jest ujemny, rezy−

stancja dopasowania jest większa. Jeśli

wprzebiegu nie widać odbicia, dołączona re−

zystancja jest równa oporności falowej kabla.

Ten prosty sposób pozwoli też szybko

i pewnie sprawdzić, czy dany kabel koncen−

tryczny ma rezystancję charakterystyczną

Fot. 6

. Taką war−

tość dobrano eksperymentalnie itaka właśnie

jest oporność falowa badanego kabla (głośni−

Ω

Fot. 7

Przy niedopasowaniu na dalekim końcu

kabla dadzą też o sobie znać ewentualne

odbicia związane z niedopasowaniem opor−

ności wyjściowej generatora. Przebieg poka−

zany na fotografii 9 wystąpił, gdy rezystan−

cja wyjściowa generatora wynosiła 2,2kΩ,

a daleki koniec kabla był rozwarty (oczywi−

ście impulsy był małe i trzeba było zwięk−

szyć czułość oscyloskopu). Badany był

wspomniany 50−omowy kabel współosiowy

odługości 6,88m. Wtakiej sytuacji obustron−

nego niedopasowania impuls odbija się wie−

lokrotnie od obu końców kabla i przebieg

przypomina grzebień. Fotografia 10 pokazu−

je sytuację, gdy rezystancja wyjściowa gene−

ratora była bliska zeru (punkt A został połą−

czony kawałkiem drutu z wyjściami bramek

U1A...U1C), a daleki koniec kabla też był

zwarty. Powstały grzebień pozwala ocenić

wielkość strat w kablu. Jeśli kolejny impuls

jest zdecydowanie mniejszy od poprzedniego,

wtedy straty w kablu są duże. Gdy impulsy

maleją wmniejszym stopniu, straty wkablu są

mniejsze. Wystarczy więc zbadać wten sposób

odcinki kilku różnych kabli ojednakowej dłu−

gości, by przekonać się, który z nich będzie

najmniej tłumił sygnał w.cz.

Opisany przyrząd może oddać nieocenione

usługi przy poszukiwaniu uszkodzeń w sie−

ciach kablowych, na przykład komputerowych

sieciach LAN. Gdy wszystko jest dopasowane,

nie powinny występować odbicia. Każde roz−

warcie, zwarcie, czy nawet niejednorodność

wkablu spowodują powstanie odbicia, którego

biegunowość i opóźnienie względem impulsu

pierwotnego wskazują na charakter uszkodze−

nia iodległość od generatora. Kilka pomiarów

pozwoli szybko znaleźć uszkodzenie nawet

w rozbudowanych sieciach.

czy 75

Ω

Fot. 2

Fot. 3

Fot. 8

Fot. 9

Fot. 4

Fot. 5

Fot. 10

Elektronika dla Wszystkich

Ω

Projekty AVT

s odstępu między impulsami wskazuje, iż

kabel ma 100...110m długości (lub że w tej

odległości od początku kabla znajduje się ja−

kieś uszkodzenie).

Ponieważ prędkość rozchodzenia się fali

jest odmienna w różnych kablach, uzyskana

dokładność zależy od znajomości tej prędko−

ści. W praktyce oznacza to, że trzeba prze−

prowadzić próby z odcinkami różnych kabli

oznanej długości, co potem pozwoli określić

długość lub odległość od miejsca uszkodze−

nia z dużą dokładnością.

ratora, stosując C1 o wartości

470pF...1nF. Trzeba też przez

zwiększenie R3 zwiększyć dłu−

gość impulsu, by był on widocz−

ny na danym oscyloskopie.

Potem wtrakcie testów należy

wykorzystywać kable o długości

co najmniej 5m. Do pierwszych

prób warto wziąć kabel koncen−

tryczny (antenowy), który gwa−

rantuje mniejsze tłumienie impul−

sów niż kable symetryczne.

Dla osób, które chciałyby

praktycznie wykorzystać taki

reflektometr przydatne też będą

następujące informacje:

Długość impulsu wpuszcza−

nego w kabel i stromość jego

zboczy powinny być związane

z długością kabla i jego tłumie−

niem. Do krótkich, kilkumetro−

wych kabli i precyzyjnych po−

miarów potrzebne są krótkie im−

pulsy o stromych zboczach.

Do pomiarów krótkich kabli wystarczą

króciutkie, nanose−

kundowe impulsy.

Jeśli rozdzielczość

ma wynosić 1m,

czasy narastania

i opadania impulsu

muszą być mniejsze

niż 10ns. To akurat

nie jest trudne do

spełnienia. Kostki

z rodzin 74AC,

74ACT, 74F mają

czasy narastania

iopadania rzędu kil−

ku nanosekund.

Do kabli dłu−

gich, zwłaszcza

o dużych stratach,

impulsy powinny

być dłuższe. Do po−

miaru kabla o dłu−

gości kilku czy kil−

kunastu kilometrów

potrzebny będzie

impuls o czasie

trwania rzędu 1us.

Krótszy miałby za

małą energię, by

można było zaob−

serwować impuls

odbity, poważnie

stłumiony po dwu−

krotnym przejściu

tak dalekiej drogi.

Zwykle amplitu−

da wysyłanych im−

pulsów jest rzędu

Możliwości zmian

Uwaga! Posiadacze najtańszych oscylosko−

pów o paśmie rzędu 10MHz nie będą mogli

zaobserwować na ekranie 5−nanosekundo−

wych impulsów. Nie znaczy to, że wykona−

nie podobnych pomiarów jest niemożliwe.

Trzeba tylko zmniejszyć częstotliwość gene−

Rys. 4 Układ pierwotny

REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA

Rys. 5 Płytka drukowana

1...5V. Zbyt mała amplituda może uniemożli−

wić obserwację echa w instalacjach, gdzie

występują szumy izakłócenia. Gdyby zkolei

wytwarzane impulsy miały dużo większą

amplitudę, mogłyby zakłócać pracę innych

urządzeń.

Podczas przygotowywania artykułu na po−

czątek został zaprojektowany generator

z układem scalonym 74AC14 (sześć inwerte−

rów zwejściem Schmitta) według rysunku 4 .

Zaprojektowano płytkę drukowaną, pokazaną

na rysunku 5 . Ze względu na chwilowe kło−

poty ze zdobyciem układu 74AC14 układ ten

nie został wykonany i przebadany – szybko

powstał opisany w artykule generator z kost−

ką 74HC04. Kto chciałby sprawdzić genera−

tor według rysunku 4, może zmontować go

choćby w “pająku”, pamiętając o odsprzęga−

niu zasilania ikrótkich połączeniach. Zamiast

sieci rezystorów wyjściowych można zasto−

sować potencjometr (220

lub 470

Ω

8 numerów za darmo w prenumeracie − strona 75

Elektronika dla Wszystkich

Znając prędkość rozchodzenia się fali

w kablu można obliczyć długość kabla czy

odległość od miejsca uszkodzenia na podsta−

wie czasu opóźnienia odbitego impulsu. Jako

punkt wyjścia można przyjąć informację, że

), który

pozwoli dopasować się do badanej linii.

PiotrGórecki

Ciąg dalszy w n astęp nym numerze EdW.

Ω

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: