2013年4月28日日曜日

伝送線路の特性インピーダンスの測定 その2(簡易TDR法)

---
性能を向上させた治具の作製記事を書きました(2021/8/8)
---

その1に続いて特性インピーダンス測定ネタです。

今回は、TDR(Time-Domain Reflectometry : 時間領域反射)法を使って測定してみます。

TDR法とは、負荷からの反射波形を測定することで、伝送線路のインピーダンスを測定するものです。時間軸でインピーダンスの変化を見ることができるので、伝送線路の長さを測定したり、伝送線路上のどの位置に異常があるか等を調べることができます。

具体的な仕組みは、伝送線路に抵抗を通して立ち上がりが非常に早いパルスを与えて、線路間の電圧を測定するというものです。
市販のものでは立ち上がりが数十[ps]という高性能なものもあります。このような機器を使えば数[mm]単位で不具合箇所を特定することも可能です。

といっても趣味の電子工作でここまで早い立ち上がり信号を作ることは難しいので、今回はロジックICを使って簡単に作ってみました。

これが今回作ったTDR測定用パルス発生器です。
主に74HC14と2SC1815で構成されています。
参考までに回路図です。定数は結構適当だったりします。画像の中のON時間と基板上に書いてあるON時間が違いますね。基板写真に記載の6.8usが正しいです。電源電圧によってもビミョーに変化します。
まぁ立ち上がり時間が短いのが重要なわけで、パルス幅とか周波数とかは適当で問題ありません。
無負荷時の波形です。立ち上がりは5[ns]といったところでしょうか・・・
負荷によって波形が変わると書いていましたが、具体的な波形の例は以下の様な感じです。
終端を開放すると100%反射されて元の波に上乗せされます。短絡だと位相が反転したものが100%反射して返ってきます。
これは高校物理で出てくる固定端反射、自由端反射と同じイメージです。
終端短絡は片方が壁に括りつけられた紐(固定端反射)の波に、終端開放がプールの壁にあたって跳ね返ってきた波(自由端反射)に相当します。

伝送線路の特性インピーダンスと負荷インピーダンスが等しいと、反射波が帰ってこないので、観測される波形が平らになります。

つまり、特性インピーダンスの不明なケーブルの終端に可変抵抗を付けて、反射波が帰ってこない様な値に調整すると、その抵抗値が特性インピーダンスと等しくなっているわけです。

とりあえずやってみましょう~
こんな感じに同軸ケーブルを取り付けて測定します。
Φ1.1[mm] FEP同軸 50[Ω]です。
まずは、終端開放です。反射波が観測されているのがわかりますね。
ケーブルの長さは7.1[m]で、反射波が帰ってくるのにおおよそ68[ns]掛かっています。
光の早さは約3*10^8[m/s]なので7.1[m]のケーブルを往復するのには(7.1*2) / (3*10^8) = 47.3[ns]掛かるはずです。
しかし、実測した値はこれよりも長くなっています。
これは、ケーブルの誘電体の影響で伝播速度が遅くなっているからです。

この、光の速度に対して伝送速度がいくらか?という値は、伝播速度係数や波長短縮率[k=v(伝送路での伝播速度)/c(光速)]としてケーブルのデータシートなどに書いてあると思います。
この例ですと、47.3 / 68 = 0.695ですね。
次に終端短絡です。
DC抵抗があるので0になりきってないですがそれっぽい波形が見えています。
最後に終端に可変抵抗を取り付けて、波形が平らになるように調節したものです。
右側のカーソル付近での反射波が消えています。
可変抵抗の値を測定してみましょう。
51.29[Ω]と出ました。
規格である50[Ω]に近いですねー


次にTVのアンテナ線としてよく使われている75[Ω]の同軸ケーブルで測定してみました。
ケーブルの長さは3.9[m]です。
反射波が帰ってくるのに39.5[ns]掛かっています。
光の速度で伝播すると 7.8 / (3*10^8) = 26[ns]掛かります。
伝播速度係数は0.658ですね。
可変抵抗の値は73.51[Ω]でした。
75[Ω]に近いです。


お次はダ○ソーで売られていたRCAケーブル。
長さは2.04[m]です。
反射波が帰ってくるのに27.2[ns]掛かっています。
光の速度で伝播すると 4.08 / (3*10^8) = 13.6[ns]掛かります。
伝播速度係数は0.5ですね。小さいです。
インピーダンスは29.19[Ω]でした。


最後に秋月で売られているRCAケーブル。
75[Ω]同軸が使用されていて、無酸素銅が使われるなど高級っぽいです。
反射波が帰ってくるのに33.2[ns]掛かっています。
光の速度で伝播すると 6 / (3*10^8) = 20[ns]掛かります。
伝播速度係数は0.602ですね。
実際は接続用のオスRCAの分だけ長くなりますが、、、、
インピーダンスは74.65[Ω]でした。
ほぼ75[Ω]に一致しています。

ということで、前回の簡易測定よりも正確に測定できているのが分かります。

300[Ω]のフィーダー線も測定してみたかったのですが、持ってませんでした。
一台あるとイロイロ使えて便利だと思います。

計算式、測定方法等間違ってるかも知れません。
コメント欄で指摘していただけるとありがたいです。


画像ばっかりの記事になってしまいましたが以上で終わります。

2013年4月24日水曜日

micro DRSSTC 動作確認

2次コイルをΦ0.11mmで巻き直したmicro DRSSTCですが、バラックで動作させてみると6cmほど放電しました。

今回は2次側のアースから位相信号を取り出しています。こちらのほうが上手く動くようです。

アースは簡易的に25cm×20cmの生基板を使用しました。このアース板は、大地に繋がってるアース線と繋ぐと放電距離が短くなるようです。。イロイロ謎ですが

とりあえず写真とか(つべのスクショ
共振周波数が1MHzと高いため、放電に触れても痛くないですね。
あと、ゲートドライバICの電源電圧を高くしたほうが放電距離が伸びるんですが、定格ギリギリで使用していると煙が出てきてパッケージが割れましたw
電源電圧は12V程度にして、GDTの巻数比を変更するほうがよさそうです。

動画はつべに上げておきました。

--- メモ ---

2次側フィードバック方式
バス電圧: 220[V] (ZVS driver)
共振周波数: 約1[MHz]
2次コイル巻線直径: 0.11[mm]
2次コイルまきとり高さ: 10[cm]
2次コイル直径: 32[mm]
トロイド: 缶ビールの底
トロイド直径: 66[mm]
共振コンデンサ: 0.01[uF] 3[kV]
1次コイル巻き数: 3ターン
1次コイル直径: 58[mm]
スイッチング素子: IRFP260 * 2

制御基板と受光素子、スイッチング素子を1枚の基板に再構築しようとしたんですが、部品が足らないのでまとめはもうちょっと先かな(飽きてるかも)

2013年4月23日火曜日

伝送線路の特性インピーダンスの測定 その1(適当)

最近、授業で特性インピーダンスの話が出てきたのでなんだか実験をしたくなりまして、、

高周波回路について詳しくないので、伝送線路の特性インピーダンス測定方法についていろいろ調べていると、簡易的に調べる方法が載っているサイトがあったので、そこを参考に自分でも試してみました。

難しい話は置いといて、、
まず、伝送線路の一般的な等価回路は下のようになっています。
なぜこのような等価回路に置き換えられるかは、おおよそ想像できると思います。
Rは線路の直列抵抗、Lはインダクタンス、Gはコンダクタンス、Cはキャパシタンスです。

超伝導で無い限り直列抵抗がありますし、電流が流れる線路には磁界が生じますのでインダクタンス成分もあります。
コンダクタンスは線路間の漏れ電流から、キャパシタンスは同じく線路間の静電容量から生じます。
といってもこのまま特性インピーダンスの式で表すと

Zo = √((R+jωL)/(G+jωC)) [Ω]

となって計算がややこしいので上記の回路を簡略化します。
具体的には、等価回路の抵抗RとコンダクタンスGを無視して以下の様な回路(無損失の場合)として考えます。
とてもシンプルになりました。
RとGが消えたことで上記の式は以下のようになります。

Zo = √(L/C) [Ω]

これだとLとCの値を測って代入するだけなので、とても簡単になりますねー
L、Cの測り方は上記サイトのを参考にします。

測定に使うLCRメータはDE-5000で、測定対象は外径1.1mm FEP同軸ケーブル 50Ωです。
微小なLCを測定するので測定前にはあらかじめキャリブレーションをしておきます。

まず、同軸ケーブルの終端を開放してCを測定します。
C = 672.5[pF]。

次に終端を短絡してLを測定します。

L = 2.178[uH]です。
さて、電卓で計算してみると、、

Zo = 56.9[Ω]

と出ました。
誤差にしては大きいですね。

次に一般家庭でもよく使われている75Ωの同軸ケーブル。
C = 270.4[pF]。
L = 1.708[uH]です。

こちらは

Zo = 79.5[Ω]

です。 なんか大きめにでるなー
LCRメータがアレなので微小な値の誤差が大きいのでしょうか?
次はもうちょっと正確に測定できる方法を試してみますw


話が変わりますが、某氏からΦ0.11mmのUEW線を格安で頂きました。ありがとうございます。
これで小型TCの製作がはかどりますねーw

こいつはコイルの巻取り高さが10cmのチビDRSSTCです。巻線がΦ0.18mmだったので巻き直しました。
巻き直す前の二次コイル共振周波数が約2MHzだったのが、1MHz程度まで下がりました。
上手く動くといいですが・・・

2013年4月18日木曜日

オシロ到着。

eBayで購入したディジタルオシロSDS7102Vが本日届きました。
文章打つのが面倒なので画像メインで。(毎回だけど

この状態で届いた。
思ったより梱包されてないが、箱は大丈夫。

くぱぁ。

角がちょっと潰れてる。

同梱品一式。

おまけでワニ口とICクリップの付いたケーブルが入ってたが、作りがめちゃくちゃ安っぽい()
これはあまり使わないかな。。

本体の大きさは前のと同じくらいだが、薄さは半分くらい。

やっぱり液晶が見やすい!流石TFT


追跡画面のスクショ。

手持ちの水晶発振器の出力波形を観測してみた。

画面のスクリーンショットをUSBメモリにビットマップ形式で保存できる。
4MHz

8MHz

32MHz

 48MHz

もう少し行けそうなので、NS73Mを使用したトランスミッタの出力を見てみた。
周波数85MHz、出力電力2mWです。

綺麗な正弦波。。

FFT解析も出来るようです。


他の方が沢山レビュー書いてるので詳しいことはそちらで、、

今後の工作ネタとして蛍光灯インバータ、12V mini DRSSTCのユニット化、TCガン等を考えてます。。

記事が雑になって来ましたが気のせいです。
以上で終わります。