|
Time Domain Reflectometer
|
inleiding
|
Onderstaande artikel is geïnspireerd door Alan; W2AEW.
Een TDR schakeling, ofwel Time Domain Reflectometer schakeling, is een oscillator waarmee een blokgolf kan worden gegenereerd met erg steile flanken. Met deze TDR schakeling is het mogelijk om in combinatie met een oscilloscoop de lengte van een kabel te kunnen bepalen. (Of bijvoorbeeld een draadbreuk op de kunnen sporen.) Ook is het mogelijk om de impedantie van een coax kabel te kunnen bepalen.
De steilheid van de blokgolf uit een "gewone" functie generator is vaak te langzaam. Door het toepassen van onderstaande eenvoudige schakeling is het mogelijk om voor weinig geld een geschikt signaal te verkrijgen met erg steile flanken.
|
|
schakeling
|
Voordat de daadwerkelijke TDR schakeling wordt behandeld, is het belangrijk om de eigenschappen van een Schmitt trigger en een inverter te begrijpen.
Een inverter is een component dat een "logisch" signaal "omkeert". Als de ingang 0 VDC (laag) is, is de uitgang 5VDC (hoog) en omgekeerd. Ofwel, het signaal wordt geïnverteerd. (De Engelse term hiervoor is "invert", vandaar de naam "inverter".) Een "normale" inverter schakelt om bij één specifieke spanning. Bijvoorbeeld bij 2,5 VDC. Een Schmitt trigger heeft een andere spanning nodig voor het inschakelen dan het uitschakelen. Voor het inschakelen is een hogere spanning nodig en voor het uitschakelen is een lagere spanning nodig.
Een inverter dat "niet omkeert" wordt een buffer genoemd. Het nut van een buffer is bijvoorbeeld een zwak signaal te versterken. Er zijn "gewone buffers"(afgebeeld als een driehoekje) en Schmitt trigger buffers (afgebeeld met het "Schmitt" tekentje). Wanneer er een rondje achter een de driehoekje staat, betekent dat er een inverter aan de buffer is toegevoegd. Voor het gemak is het voorbeeld hieronder zonder inverter uitgelegd.
Hieronder staat het gedrag van een buffer en een Schmitt trigger buffer van een test signaal. Wanneer het test signaal door lijn "M" gaat, zal een "normale" inverter omschakelen. De Schmitt trigger schakelt pas in als de "H" lijn wordt doorkruist en schakelt pas uit als de "L" lijn wordt doorkruist. Het effect is ook goed zichtbaar. De Schmitt trigger inverter vertoont zo een rustiger gedrag omdat het andere signaal "klappert". Van de eigenschappen van een Scmitt trigger kan goed gebruik worden gemaakt voor de TDR schakeling hieronder.
Hieronder staat de schakeling afgebeeld van de TDR. De basis van de schakeling is een 74AC14 (AC = Advanced CMOS) of 74HC14 Schmitt trigger met inverter. Eén inverter is ingezet als oscillator en vijf inverters zijn in serie gezet als versterkers om voldoende stroom te kunnen leveren. Er zijn zes Schmitt trigger inverters in één chip geplaatst, dus er is maar één chip nodig voor deze schakeling. De oscillator bestaat uit drie componenten. Een Schmitt trigger inverter, een weerstand en een condensator. Wanneer de ingang van de inverter 0 VDC (laag) is, is de uitgang 5 VDC (hoog) en omgekeerd. Doordat de uitgang van de inverter "hoog" is, loopt er een stroom via de weerstand naar de ingang van de inverter en de condensator. Hierdoor laadt de condensator op en stijgt de spanning aan de ingang van de inverter. Wanneer een kritische spanning wordt bereikt, schakelt de uitgang van de inverter van "hoog" naar "laag". Het gevolg is dat de opgeladen condensator via de weerstand wordt ontladen omdat de uitgang van de inverter laag is. De spanning aan de ingang van de inverter daalt zodat de kritische ondergrens van de schakel spanning wordt bereikt en de uitgang van de inverter van laag omschakelt naar hoog. Dit proces herhaalt zich waardor er een oscillator ontstaat. De grootte van de weerstand en de condensator bepaalt de snelheid van (ont)laden en hiermee ook de frequentie van de blokgolf. Voor 47 uF en 6,8 Kilo Ohm is er een frequentie van ongeveer 6 KHz. Voor het meten an de lengte van een kabel is dit een prima frequentie. Een te hoge frequentie kan problemen geven bij het meten aan erg lange kabels.
Het blokgolf signaal wordt in de vijf overige inverters weer "omgekeerd". Het hadden ook "gewone" buffers kunnen zijn, maar dan zou er een tweede chip nodig zijn. De buffer functie wordt hier alleen benut en het omkeren en het Schmitt effect is niet bezwaarlijk. De stroom dat één inverter kan leveren is beperkt, door er vijf parallel te zetten, is de stroom ook vijf keer groter. De kans van beschadigen van een inverter is hiermee ook kleiner. De weerstanden achter de inverters zorgen ervoor dat de uitgang van het circuit ongeveer 50 Ohm is. Vijf weerstanden van 220 Ohm (gedeeld door vijf) komt neer op 44 Ohm gemeenschappelijk. Vijf weerstanden van 250 Ohm zou nog mooier zijn, maar voor het gemak is hier gekozen voor componenten uit de E12 reeks. Eén weerstand van 50 Ohm na het samenvoegen van de vijf signalen zou ook kunnen, maar alle inverters niet op exact hetzelfde moment schakelen, zou er kortsluiting kunnen ontstaan. Dit is niet gevaarlijk, maar dit kan de levensduur van de inverters verkorten. Als één uitgang 0 VDC is en de overige vier 5 VDC, is er een (kleine) kortsluiting. Door de 220 Ohm weerstanden zou de stroom erg beperkt blijven en er geen schade ontstaan aan de inverters. Uiteraard is het mogelijk om de weerstanden aan te passen op de gewenste uitgang impedantie. 50 Ohm is redelijk gebruikelijk, vandaar dat deze waarde is gekozen.
Er is ook een 7805 spanning regelaar te zien om een stabiele 5 VDC spanning te verzorgen voor de chip. De diode is opgenomen in de schakeling om schade (ontploffende elco of kapotte spaningsregelaar/chip) door ongewenst ompolen van de voeding te voorkomen.
Bij voorkeur zijn de draden tussen de oscillator (pin 2) en de ingangen van de overige inverters (3, 5, 9, 11 en 13) even lang en zo kort mogelijk. Verschil in lengte van draden kan zorgen voor fase verschillen en de steile flanken minder stijl maken. Een rommelige schakeling kan zelfs beter presteren dan een nette schakeling met verschillende lengtes van draden!
|
|