Praktikum Signalverarbeitung W. Lauth WS 2009/2010 Versuch 1 09.11.2009 Signale auf Leitungen I. Ziel des Versuches. Verständnis der Signalausbreitung auf Leitungen, Leitungseigenschaften wie Wellenwiderstand, Laufzeit und Dämpfung, Reflexionsfaktor und Impedanzanpassung, II. Vorkenntnisse: Experimentalphysik 2. III. Grundlagen: Erläuterungen werden im Praktikum gegeben. IV. Experimente. Es stehen folgende Geräte zur Verfügung: Digitales Oszilloskop (200 MHz, 2 Gs/s), Signalgenerator (25 MHz), Digitales Multimeter, Labornetzgerät, Steckbretter zur Aufnahme von Bauelementen, verschiedene Koaxialkabel, Abschlusswiderstände, variabler Splitter, Laptop, Drucker. 1. Machen Sie sich zunächst mit den zur Verfügung stehenden Geräten vertraut: a. Verbinden Sie den Ausgang des Signalgenerators mit Kanal 1 des Oszillographen und den Trigger-Ausgang mit Kanal 4. Erzeugen Sie einen rechteckförmigen Impuls mit einer Wiederholfrequenz von 1 khz und einer Breite von 50 ns. Der Oszillograph soll auf Kanal 4 getriggert werden. Schauen Sie sich das Signal mit und ohne Abschlusswiderstand (50 Ohm) für verschiedene Kabeltypen an.
b. Verbinden Sie den Oszillographen über USB mit dem Laptop und lesen Sie mit dem Programm TDS_Praktikum_readout.exe die Signale aus. Bei der Speicherung werden sowohl die Daten als auch die Bilder als Bitmap (bmp) abgespeichert. Sie können die Bilder dann entweder ausdrucken (Passbildformat) und hier einkleben oder direkt in dieses Dokument einbinden. c. Messen Sie die Anstiegszeit des Signals und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. Vergleichen Sie die Werte mit der Einstellung des Signalgenerators. d. Bestimmen Sie die Laufzeit der Signale und die Abschwächung von langen Kabeln (ca. 10 m) und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. Es stehen drei Kabel zur Verfügung: RG 58 Koaxialkabel (Billigware), RG 58 C/U Koaxialkabel und verdrilltes Kat. 5 Patchkabel. e. Messen Sie mit Hilfe des Multimeters die Kapazität der Kabel und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. f. Berechnen Sie aus den gemessenen Werten den Wellenwiderstand und die Induktivität pro Längeneinheit. Kabel RG 58 Billigware RG 58 C/U Patchkabel RJ 45 Laufzeit [ns/m] Abschwächung [1/10m] Kapazität* [pf/m] Wellenwid. berechnet [Ohm] Induktivität* [H/m] Wellenwid. gemessen [Ohm] Anstiegszeit [ns]
2. Reflexion und Wellenwiderstand a. Modifizieren Sie den Versuchsaufbau folgendermaßen: b. Schließen Sie das lange Kabel mit dem variablen Widerstand ab und verändern Sie den Wert solange, bis die Reflexion verschwindet. Messen Sie den eingestellten Wert und übertragen Sie diesen in die Tabelle. c. Wiederholen Sie den Versuch für das Patchkabel und das Kabel mit der Aufschrift Billigware d. Nehmen Sie Bilder auf für das lange RG 58 C/U Kabel und die Fälle: 1. das Kabel ist mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen, 2. das Kabelende ist offen und 3. das Kabelende ist kurzgeschlossen.
e. An dem Verzweigungspunkt (T-Stück) soll absichtlich eine Fehlanpassung an der Quellenseite durchgeführt werden. Schalten Sie einen 1 kohm Widerstand am Ausgang des Signalgenerators in Reihe. Wiederholden Sie die Versuche d. 1.bis3. und nehmen Sie die entsprechenden Bilder auf. f. Erklären Sie die Ergebnisse.
3. Delay Line Clipping Mit Hilfe eines kurzgeschlossenen Koaxialkabels können zeitlich lange Impulse verkürzt werden. Stellen Sie die Pulsbreite des Signalgenerators auf 1 µs und verschalten Sie die Kabel entsprechend dem nachfolgenden Bild. Nehmen Sie Bilder des Impulses auf mit und ohne Clipping Kabel. 4. Anpassung des Wellenwiderstandes a. Drei Kabel mit gleichem Wellenwiderstand (50 Ohm) sollen reflexionsfrei miteinander verbunden werden. Berechnen Sie den Widerstand der gezeigten Schaltung und bauen Sie diese auf.
b. Überzeugen Sie sich davon, dass an dem Verbindungspunkt keine Reflexionen auftreten. Sie könne das Signal mit dem Tastkopf am Verbindungspunkt messen. Nehmen Sie die entsprechenden Bilder auf. c. Wählen Sie absichtlich falsche Werte für die Widerstände und beobachten Sie das Signal.