Overovanie káblov a vodivých ciest na PCB v priemyselných systémoch

So stále sa zvyšujúcou rýchlosťou prenosu dát v rôznych priemyselných aplikáciách treba dbať so zvýšenou pozornosťou na kvalitu kabeláže a pripojenie. Väčšina moderných dátových protokolov je vybavená nástrojmi umožňujúcimi prekonať stratu dátových paketov. Výsledkom je však zníženie prenosovej rýchlosti prípadne vznik chýb. Ak sa takáto chyba objaví, môže okrem ľahkých nepríjemností viesť aj k závažným zlyhaniam systému.

Autor: Bohumil Vítovec

 

Dôležitým parametrom kabeláže a prepojenia vysokofrekvenčných dátových ciest je správne impedančné prispôsobenie celej dátovej cesty.

 

TDR (Time Domain Reflectometer) overí počas momentu kvalitu dátových ciest (káblov konektorov a adaptérov). Zistíte tak, ktoré časti, prípadne na ktorom mieste sa namerané hodnoty rozchádzajú s potrebnými špecifikáciami bez toho, aby bolo potrebné použiť nákladný vektorový analyzátor. Dokážete tak odhaliť napríklad chybne zapájané konektory, prešľapy a ďalšie poruchy na vedení.

 

Ako to funguje?

TDR meria impedančné neprispôsobenie a diskontinuitu, ktoré spôsobí odrazy skúšobného signálu.

Základnými prvkami TDR sú generátor signálu s rýchlou nábežnou hranou a akvizičná jednotka pre záznam priebehu odrazeného signálu.

TDR z produkcie Teledyne Test Tools T3SP15D stimuluje testovanú cestu (DUT) signálu diferenciálnymi impulzmi. T3SP15D ponúka pulzy s časmi nábehu 35 ps pre vysoké rozlíšenie priestorovej impedance (3 mm), pri dĺžkach DUT až 40 metrov a opakovacích frekvenciách až do 10 MHz. Prístroj používa rovnaké kalibračné štandardy (OSLT - Open Short Load Thru) ako vektorové analyzátory (VNA). Vďaka malým rozmerom, nízkej hmotnosti a vnútorným batériám nájde tento prístroj uplatnenie ako v testovacích laboratóriách, tak aj v teréne.

 

 

Obrázok 1: Teledyne Test Tools T3SP15D time Domain Reflectometer a jeho bloková schéma

 

TDR vysiela veľmi rýchly impulz do testovanej cesty a detekuje návratový signál, ktorého časť sa odrazí späť v miestach zmien impedance. Vďaka tomu dokáže určiť polohu chýb, ich typ a zmerať degradáciu signálu v kovových kábloch a elektrických cestách PCB. Ak poznáme materiálové parametre cesty, z nameraných časov šírenia možno spočítať polohu zmeny impedance s presnosťou až 3 mm.

Veľký vplyv na dosah merania má amplitúda vysielaného pulzu. Čím väčšia amplitúda vysielaného pulzu, tým vzdialenejšie poruchy môžeme zistiť. Príliš veľká amplitúda ale môže spôsobiť deformáciu signálu. T3SP15D vysiela pulz s amplitúdou 150mV SE, prípadne 300mV Diff, čo je dostatočné aj pre káble s dĺžkou až 40m.

 

Kalibrácia

 

Kalibrácia v časovom rozmedzí umožňuje potlačiť nežiaduce odchýlky vo výpočte impedancie. Po úspešnej kalibrácii možno rozoznať detaily v impedancii s rozlíšením 3 mm aj na 40 m dlhej dátovej ceste.

 

OSLT

Zostava pre kalibráciu OSLT je súčasťou prístroja a softvér vás urobí správnym nastavením.

 

Ako pripojiť testovanú zostavu. 

Môže sa zvoliť medzi dvoma režimami merania pre jednopólové alebo diferenciálne prenosové vedenia a káble. S diferenciálom TDR sa pre test používajú dva impulzy s inverznou polaritou a nie je potrebné žiadne uzemnenie. Pre obe metódy merania existujú špeciálne sondy. Navyše sú k dispozícii tiež adaptéry na testy káblov.

 

 

Obrázok 2: Kalibračná súprava, rôzne možnosti pripojenia T3SP15D k testovanej zostave pomocou káblov, fixtúry alebo pomocou sond.

 

Zjednodušené a štandardizované merania

 

V prípade, že niektoré rýchle merania sa musia vykonať bez potreby uchovávania údajov a/alebo výsledkov, môže sa použiť prevádzkový režim rýchleho merania.

Ak je potrebné opakovať rovnakú sekvenciu meraní (voliteľne s rôznymi režimami merania alebo rôznymi nastaveniami impedance) opakovane, môže sa použiť makro režim.

Softvér podporuje užívateľsky definované masky impedance. Masky možno definovať ručne, načítať z definitívneho súboru XML alebo vytvoriť pomocou integrovaného generátora masiek.

Užívateľsky definované tolerančné masky možno použiť na analýzu pass / fail. Softvér dáva užívateľovi možnosť podrobne špecifikovať meranú zostavu a vytvoriť správu vo formáte PDF s výsledkami meraní a ďalšími informáciami. Výsledky možno tiež exportovať do ďalších formátov (napr. Excel, CSV, Matlab, Touchstone).

 

ESD ochrana

 

Vysokofrekvenčné meracie zariadenia sú mimoriadne citlivé na elektrostatický výboj (ESD) a tieto výboje môžu viesť k trvalému poškodeniu vášho meracieho zariadenia. Mnohé laboratóriá majú okrem toho povinnosť prijať osobitné opatrenia na ochranu svojich elektronických zariadení pred poškodením spôsobeným ESD. Mnohé prístroje T3SP15D zmierňujú riziko poškodenie poskytnutím vyššieho stupňa ochrany pred týmto nebezpečenstvom. Každý model radu T3SP15D je vybavený modulom ochrany ESD na základe vysokovýkonných koaxiálnych RF prepínačov.

 

Príklady z meraní. 

Impedancia konektorov SMA

 

 

Obrázok 3: Časový priebeh impedance v testovaných kábloch RG405 s rôznymi pripojenými SMA konektormi

 

 

Obrázok 4: Koaxiálny kábel RG405 ukončený SMA

• správne zostavený konektor (zelený)
• zle zostavený konektor (červený)
• zle zostavený konektor dobre detekovateľný z oboch strán)

Impedance RG405 kábla je mimo špecifikácie (50Ω ± 1Ω)

 

Netienený krúžený pár káblov pre priemyselný ethernet (UTP)

 

 

Obrázok 5: Odstránenie problémov; test predbežnej zhody netienených krútených káblov pre automobilový Ethernet:

• HDBBaseT
• 1000BASE-T1
• BraoadR-Reach

Kľúčové vlastnosti prístroja T3SP15D

 

• diferenciálne TDR s priestorovým rozlíšením < 3 mm
• malé rozmery a napájanie z batérie
• S-parametre do 15 GHz
• rise Time 35 (T3SP15D) 50 ps (T3SP10D)
• pamäť až 50 000 bodov
• testovanie štandardov sériových údajov
• automatická ochrana ESD
• kalibrovaná presnosť < 1 % chyba
• možno zobraziť časovú doménu alebo S-parametre
• záznam z TDR možno uložiť ako csv, Touchstone a iné

 

 

Obrázok 6: Záznam meraní prístrojom T3SP15D na kábli antény, plochom kábli, krúžené dvojlínie a drôtu reproduktora

 

 

Obrázok 7: Príklad exportu dát z T3SP15D do csv formátu

 

 

Obrázok 8: Nameraný priebeh impedancie prístrojom T3SP15D na PCB medzi SMA konektormi.

 

Viac informácií nájdete na našich stránkach www.blue-panther.sk. Zároveň si Vás dovoľujeme pozvať na voľne dostupné webové stránky spoločnosti Teledyne LeCroy: 

 

T3SP Time Domain Reflectometers

Teledyne LeCroy T3SP Time Domain Reflectometers

TDR a analyzátory S-parametrů

 

Webinar (part 1): Mastering the TDR in 45 minutes 

Webinar (part 2): Taking the TDR for a Spin: Interpreting Impedance Profiles

Webinar (part 3): Diferential Impedance Webinar: How Not to Be Confused