Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik Labor Bussysteme Versuch 1

Transkript

1 Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik Versuch 1 Impulsübertragung auf Leitungen Teilnehmer: Vorname Nachname Matrikel Nummer Datum:

2 Inhalt 1 Allgemeines Ziele des Versuchs Ablauf des Versuchs Laborplatz Aufgabenstellung Schriftliche Vorbereitung Parameter des Signalgenerators Experimentelle Bestimmung der Leitungsparameter Experimentelle Bestimmung der Leitungslängen Experimentelle Bestimmung der Dämpfung Zeitbereichsreflektometrie (Störquellenortung) Anhang

3 1 Allgemeines Signale auf Übertragungsleitungen (Leitungen) werden in der Technik oft in Form von Schaltvorgängen dargestellt. Der bei einem Schaltvorgang erzeugte Gleichspannungssprung enthält nach Fourier Anteile sämtlicher Frequenzen, die sich als elektromagnetische Wellen auf der Übertragungsleitung ausbreiten. In der Leitungstheorie werden diese Vorgänge daher mit Hilfe der maxwellschen Theorie beschrieben. Wie so oft gibt es aber auch hier Spezialfälle (Näherungen), die den technischen Einsatz und das technische Verständnis erleichtern. Für den räumlichen Transport von elektrischen Signalen verwendet man in der Technik sehr häufig Leitungen mit einheitlichem Querschnittsbild, wie Koaxialkabel oder Zweidrahtleitungen. Solche Leitungen lassen sich mit wenigen Kenngrößen, wie der Signallaufzeit und der Leitungsimpedanz bzw. dem Wellenwiderstand beschreiben. Durch einen solchen, im Allgemeinen symmetrischen Aufbau, werden diese Größen dann weitestgehend nur noch von Materialkonstanten und der Leitungsgeometrie bestimmt. Ändern sich bei der Ausbreitung von Wellen die Eigenschaften des Ausbreitungsmediums, führt dieses im Allgemeinen dazu, dass ein Teil der Welle reflektiert wird (Beispiel: Licht). Bei elektrischen Leitungen, an deren Enden Impedanzen angeschlossen sind, lässt sich dann ein Reflexionsfaktor r angeben, der wie folgt definiert ist: r = Z Z a a Z + Z 0 0 Dabei ist Za die Impedanz am Leitungsende und Z 0 der Wellenwiderstand der Leitung. Im einfachsten Fall kann Za ein ohmscher Widerstand Ra sein. Folgende Spezialfälle sind dabei von Interesse: r = 0: Za = Z 0 (Anpassung) Keine Reflexion. r = 1: Za (offenes Ende) Vollständige Reflexion mit gleicher Polarität. Verdopplung der Amplitude durch Überlagerung der vorlaufenden und reflektierten Welle. r = -1: Za 0 (festes Ende bzw. Kurzschluss) Vollständige Reflexion mit Polaritätsumkehr. Amplitude am Leitungsende ist Null durch Überlagerung der vorlaufenden und reflektierten Welle. Im Allgemeinen ist r frequenzabhängig und komplex. 2

4 2 Ziele des Versuchs Bei diesem Versuch sollen Sie ohne weiter reichende Kenntnisse in Leitungstheorie oder Hochfrequenztechnik Erfahrungen bei der Impulsausbreitung auf Leitungen sammeln. Der Versuch soll Ihnen die Größen Wellenwiderstand, Reflexion, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Abschlusswiderstand näher bringen, so dass Sie bei der praktischen Arbeit mit Bussystemen auftretende Fragen und Probleme lösen können. 3 Ablauf des Versuchs Bereiten Sie sich gründlich auf den Versuch vor. Dazu gehört selbstverständlich eine selbständige Einarbeitung in die Thematik. Bringen Sie am Versuchstag die schriftliche Ausarbeitung der unter 5.1 gestellten Fragen mit. Als Vorbereitung sollten Sie ein genaues Messprogramm erstellt haben, was Sie wie messen wollen und die notwendigen Skizzen und Tabellen dazu erstellen. Tragen Sie bitte die schriftliche Vorbereitung zu den Aufgaben in diese Versuchsanleitung ein. Sollte der vorhandene Platz dafür nicht ausreichen fügen Sie bitte zusätzliche Blätter ein. Damit der Aufbau durch falsche Handhabung keinen Schaden nimmt, sollten sie sich am Versuchstag vor Beginn Ihrer Messungen mit dem Aufbau und der Bedienung gründlich vertraut machen. Ihre Ergebnisse und Skizzen tragen Sie am Versuchstag handschriftlich in diese Versuchsanleitung ein. Tipp: Es kann sehr hilfreich sein, sich vorab mit einem System bzw. Aufbau vertraut zu machen. 3

5 4 Laborplatz Am Laborplatz stehen folgende Geräte und Hilfsmittel zur Verfügung: 2 Widerstandsdekaden Zweikanal-Oszilloskop Handmultimeter Zweikanal Labornetzteil Mehrere Koaxialleitungen (RG58) mit verschiedener Länge (L 0 =17,5m, L 1, L 2, L 3 ) Signalgenerator auf Leiterplattenbaugruppe Abbildung 1: Aufbau des Laborplatzes 4

6 5 Aufgabenstellung 5.1 Schriftliche Vorbereitung Als Vorbereitung auf den Versuchstermin arbeiten Sie bitte folgende Fragen in schriftlicher Form aus: Frage 1: Beschreiben Sie in eigenen Worten, was man unter Leitungswellenwiderstand und Leitungsabschluss versteht und erklären Sie den Leitungswellenwiderstand einer idealen Leitung (mit Formel). Wie berechnet sich der Leitungswellenwiderstand bei einem idealen Koaxialkabel (Formel mit Erlärung). Frage 2: Stellen Sie aus der Literatur für Koaxialkabel und Zweidrahtleitungen typische Werte für: Leitungswellenwiderstand Signallaufzeiten pro Meter Dämpfung zusammen. Frage 3: Was versteht man unter Zeitbereichsreflektometrie und welche Rolle spielt sie im Zusammenhang mit Bussystemen? Frage 4: Was versteht man unter der Topologie eines Netzwerks? Stellen Sie die wichtigsten Topologien mit ihren Vor- und Nachteilen zusammen (mit Skizzen). Welche Topologie wird bei CAN verwendet? Frage 5: Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen der Übertragungsrate, der Bitzeit und Signallaufzeit am Beispiel von CAN und Ethernet. 5

7 5.2 Parameter des Signalgenerators Bestimmen Sie mit dem Oszilloskop vor Beginn der eigentlichen Messungen folgende Parameter des Signalgenerators: U 0 =, f 0 = Anstiegszeit T on = Abfallzeit T off = Notizen während des Versuchs: 6

8 5.3 Experimentelle Bestimmung der Leitungsparameter Für die Bestimmung der Leitungsparameter wird folgender Aufbau verwendet: R a = 0 (Kurzschluss) R i variable mit Widerstandsdekade L 0 mit einer Länge von 17,5 m Oszilloskop: Kanal 1 an JP4 und Kanal 2 an JP5 Bestimmen Sie durch Messung die Leitungsimpedanz Z 0 und die Signallaufzeit pro Meter v 0. Vergleichen Sie v 0 mit der Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum. Bei Ihren Messungen müssen Sie R i solange variieren bis R i = Z 0 ist. In diesem Fall ergibt sich am Eingang (JP5) der Leitung ein ganz typischer zeitlicher Spannungsverlauf. Erklären Sie diesen zeitlichen Spannungsverlauf Anhand eines ohmschen Spannungsteilers. Notizen Vorbereitung: Messergebnisse und Auswertung: 7

9 Notizen während des Versuchs: 8

10 5.4 Experimentelle Bestimmung der Leitungslängen Für die Bestimmung der Leitungslängen L 1, L 2 und L 3 wird folgender Aufbau verwendet: R a = 0 (Kurzschluss) R i = Z 0 Oszilloskop: Kanal 1 an JP4 und Kanal 2 an JP5 Bestimmen Sie durch Messung die Längen aller vorhandenen Leitungen. Verwenden Sie dazu auch die Ergebnisse aus den bereits gemachten Messungen. Machen Sie eine Abschätzung über die zu erzielende Genauigkeit Ihrer Längenmessung und überlegen Sie sich, wie Sie die Genauigkeit erhöhen können. Wie würden Sie ein Gerät konzipieren, das automatisiert Leitungslängen bestimmt? Notizen Vorbereitung: Messergebnisse und Auswertung: 9

11 Notizen während des Versuchs: 10

12 5.5 Experimentelle Bestimmung der Dämpfung Für die Bestimmung der Dämpfung wird folgender Aufbau verwendet: R a = (offenes Ende) R i = 0 L 0 Oszilloskop: Kanal 1 an JP5 und Kanal 2 an E Bestimmen Sie durch Messung und grafisch die Dämpfung d, indem Sie die gemessenen Amplituden der Reflexionen am Ende der Leitung über der Nummer ihres Auftretens halblogarithmisch auftragen. Verwenden Sie zur Auswertung den Ansatz: m x y = a 10 Schauen Sie sich dazu auch den Drehpendelversuch aus dem Labor Grundlagen Elektrotechnik an (logarithmisches Dekrement). Vergleichen Sie Ihre Messung mit den Werten aus der Literatur in 5.1. Notizen Vorbereitung: Messergebnisse und Auswertung: 11

13 Notizen während des Versuchs: 12

14 5.6 Zeitbereichsreflektometrie (Störquellenortung) Zur Bestimmung von Störquellen wird folgender Aufbau verwendet: R a = Z 0 (abgeschlosses Ende) R i = Z 0 L 0 und L 2 mit T-Stück vebinden Am T-Stück verschiedene Störquellen erzeugen Oszilloskop: Kanal 1 an JP4 und Kanal 2 an JP5 Der vorhandene Aufbau stellt eine abgeschlossene Linientopologie mit einem Leitungsabzweig (T-Stück) dar, wie er bei CAN üblich ist. Erzeugen Sie am T-Stück verschiedene Störfälle und diskutieren Sie die daraus resultierenden Messergebnisse. Welche Informationen über die Art der Störquellen lassen sich aus solchen Messungen gewinnen? Notizen Vorbereitung: Messergebnisse und Auswertung: 13

15 Notizen während des Versuchs: 14

16 6 Anhang Abbildung 2: Schaltplan des Signalgenerators 15

17 Abbildung 3: Leiterplattenbaugruppe des Signalgenerators 16