Ověřování kabeláže a vodivých cest na PCB v průmyslových systémech

Se stále se zvyšující rychlostí přenosu dat v různých průmyslových aplikacích je třeba dbát se zvýšenou pozorností na kvalitu kabeláže a připojení. Většina moderních datových protokolů je vybavena nástroji umožňujícími překonání ztráty datových paketů. Výsledkem je však snížení přenosové rychlosti případně vznik chyb. Pokud se taková chyba objeví, může kromě lehkých nepříjemností vést i k závažným selháním systému.

Autor: Bohumil Vítovec

 

Důležitým parametrem kabeláže a propojení vysokofrekvenčních datových cest je správné impedanční přizpůsobení celé datové cesty. 

 

TDR (Time Domain Reflectometer) ověří během okamžiku kvalitu datových cest (kabelů konektorů a adaptérů). Zjistíte tak, které části, případně v kterém místě se naměřené hodnoty rozchází s potřebnými specifikacemi, aniž by bylo nutné použít nákladný vektorový analyzátor. Dokážete tak odhalit například chybně zapájené konektory, přeslechy a další poruchy na vedení. 

 

Jak to funguje?

TDR měří impedanční nepřizpůsobení a diskontinuitu, které způsobí odrazy testovacího signálu. 

Základními prvky TDR jsou generátor signálu s rychlou náběžnou hranou a akviziční jednotka pro záznam průběhu odraženého signálu. 

TDR z produkce Teledyne Test Tools T3SP15D stimuluje testovanou cestu (DUT) signálu diferenciálními impulzy. T3SP15D nabízí pulzy s časy náběhu 35 ps pro vysoké rozlišení prostorové impedance (3 mm), při délkách DUT až 40 metrů a opakovacích frekvencích až do 10 MHz. Přístroj používá stejné kalibrační standardy (OSLT - Open Short Load Thru) jako vektorové analyzátory (VNA). Díky malým rozměrům, nízké hmotnosti a interním bateriím nalezne tento přístroj uplatnění jak v testovacích laboratořích, tak i v terénu. 

 

 

Obrázek 1: Teledyne Test Tools T3SP15D time Domain Reflectometer a jeho blokové schéma

 

TDR vysílá velmi rychlý impulz do testované cesty a detekuje návratový signál, jehož část se odrazí zpět v místech změn impedance. Díky tomu dokáže určit polohu chyb, jejich typ a změřit degradaci signálu v kovových kabelech a elektrických cestách PCB. Pokud známe materiálové parametry cesty, lze z naměřených dob šíření spočítat polohu změny impedance s přesností až 3 mm. 

Velký vliv na dosah měření má amplituda vysílaného pulsu. Čím větší amplituda vysílaného pulsu, tím vzdálenější poruchy můžeme zjistit. Příliš velká amplituda ale může způsobit deformaci signálu. T3SP15D vysílá puls o amplitudě 150mV SE, případně 300 mV Diff, což je dostatečné i pro kabely o délce až 40 m. 

 

Kalibrace

 

Kalibrace v časové doméně umožňuje potlačit nežádoucí odchylky ve výpočtu impedance. Po úspěšné kalibraci lze rozeznat detaily v impedanci s rozlišením 3 mm i na 40 m dlouhé datové cestě. 

 

OSLT

Sestava pro kalibraci OSLT je součástí přístroje a software Vás provede správným nastavením. 

 

Jak připojit testovanou sestavu. 

 

Lze volit mezi dvěma režimy měření pro jednopólové nebo diferenciální přenosové vedení a kabely. S diferenciálem TDR se pro test používají dva impulsy s inverzní polaritou a není nutné žádné uzemnění. Pro obě metody měření existují speciální sondy. Navíc jsou k dispozici také adaptéry pro testy kabelů. 

 

 

Obrázek 2: kalibrační souprava, různé možnosti připojení T3SP15D k testované sestavě pomocí kabelů, fixtury anebo pomocí sond. 

 

Zjednodušené a standardizované měření

 

V případě, že některá rychlá měření musí být provedena bez nutnosti ukládat data a/nebo výsledky, lze použít provozní režim rychlého měření. 

Pokud je třeba opakovat stejnou sekvenci měření (volitelně s různými režimy měření nebo různými nastaveními impedance) opakovaně, lze použít makro režim. 

Software podporuje uživatelsky definované masky impedance. Masky lze definovat ručně, načíst z definičního souboru XML nebo vytvořit pomocí integrovaného generátoru masek. 

Uživatelsky definované toleranční masky lze použít pro analýzu pass / fail. Software dává uživateli možnost podrobně specifikovat měřenou sestavu a vytvořit zprávu ve formátu PDF s výsledky měření a dalšími informacemi. Výsledky lze také exportovat do dalších formátů (např. Excel, CSV, Matlab, Touchstone). 

 

ESD ochrana

 

Vysokofrekvenční měřicí zařízení jsou extrémně citlivá na elektrostatický výboj (ESD) a tyto výboje mohou vést k trvalému poškození Vašeho měřicího zařízení. Mnoho laboratoří má navíc povinnost přijmout zvláštní opatření k ochraně svých elektronických zařízení před poškozením způsobeným ESD. Řada přístrojů T3SP15D zmírňuje riziko poškození poskytnutím vyššího stupně ochrany před tímto nebezpečím. Každý model řady T3SP15D je vybaven modulem ochrany ESD na bázi vysoce výkonných koaxiálních RF přepínačů. 

 

Příklady z měření. 

Impedance konektorů SMA

 

 

Obrázek 3: časový průběh impedance v testovaných kabelech RG405 s různě připojenými SMA konektory

 

 

Obrázek 4: koaxiální kabel RG405 zakončený SMA

• správně sestavený konektor (zelený)
• špatně sestavený konektor (červený)
• špatně sestavený konektor dobře detekovatelný z obou stran

Impedance RG405 kabelu je mimo specifikaci (50Ω ± 1Ω)

 

Nestíněný kroucený pár kabelů pro průmyslový ethernet (UTP)

 

 

Obrázek 5: odstraňování problémů; test předběžné shody nestíněných kroucených kabelů pro automobilový Ethernet: 

• HDBBaseT
• 1000BASE-T1
• BraoadR-Reach

 

Klíčové vlastnosti přístroje T3SP15D

 

• diferenciální TDR s prostorovým rozlišením < 3 mm
• malé rozměry a napájení z baterie
• S-parametry do 15 GHz
• rise Time 35 (T3SP15D) 50 ps (T3SP10D)
• paměť až 50 000 bodů
• testování standardů sériových dat
• automatická ochrana ESD
• kalibrovaná přesnost < 1 % chyba
• lze zobrazit časovou doménu nebo S-parametry
• záznam z TDR lze uložit jako csv, Touchstone a další

 

 

Obrázek 6: záznam měření přístrojem T3SP15D na kabelu antény, plochém kabelu, kroucené dvoulince a drátu reproduktoru

 

 

Obrázek 7: ukázka exportu dat z T3SP15D do csv formátu

 

 

Obrázek 8: změřený průběh impedance přístrojem T3SP15D na PCB mezi SMA konektory. 

 

Více informací naleznete na našich stránkách www.blue-panther.cz. Zároveň si Vás dovolujeme pozvat na volně dostupné webináře společnosti 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