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AKTUELLE MELDUNGEN

Dt. Astronaut auf ISS

Der deutsche ESA-Astronaut Dr. Alexander Gerst (KF5ONO) ist am 6. Juni 2018 an Bord einer russischen Sojus-Rakete zum zweiten Mal zur Internationalen Raumstation (ISS) gestartet, wo er 6 Monate verbringen wird. Afug-Info.de w√ľnscht gutes Gelingen der Mission "Horizons". Die schulischen Funkkontakte von Gersts erstem und zweitem Aufenthalt auf der ISS k√∂nnen hier nachgeh√∂rt werden.


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Impedanzen einfach und praktisch messen

Anwendungen mit Oszilloskop und TTL-Rechtecksignal:
- Kabelimpedanz (Wellenwiderstand) messen
- Fehlersuche in Kabeln
- Kabellänge messen

Im Folgenden wird eine einfache Methode vorgestellt, mit der der Wert unbekannter Impedanzen unabhängig von Kabellänge und Kabelart praktisch ermittelt werden kann. Leichte Abwandlungen des Messaufbaus erleichtern die Fehlersuche in Kabeln, auch wenn sie schon verlegt sind, und ermöglichen zusätzlich die Bestimmung der Kabellänge

Funkamateure wissen um die Bedeutung der Impedanz Impedanz / Wellenwiderstand, Formelzeichen Z:
Widerstand, den eine Leitung der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entgegensetzt. Der Wert ist abhängig vom Induktivitäts- und Kapazitätsbelag des Leiters.
in der Funktechnik. Umso wichtiger ist es, den Wellenwiderstand eines Kabels zu kennen. Allerdings kommt es auch vor, dass im Laufe der Jahre der Schriftzug auf einem Kabel unleserlich wird. Der Wert einer unbekannten Impedanz l√§sst sich aber nicht ohne Weiteres bestimmen. Rechnerische Methoden erscheinen wenig praktikabel und erfordern bestimmte Vorgaben. Der hier vorgestellte Ansatz erm√∂glicht die m√ľhelose Messung der Impedanz unabh√§ngig von der Kabell√§nge und ist f√ľr jede beliebige Leitung anwendbar.

Erforderlich sind lediglich Ger√§tschaften der Basisausr√ľstung, die in fast jedem Shack vorhanden sind. Au√üer ein wenig Fingerspitzengef√ľhl sind keine besonderen Vorkenntnisse erforderlich. Getestet wurden die Messanordnungen mit vier Oszilloskopen, analog und digital, mit unterschiedlichen Bandbreiten 1 MHz, 40 MHz, 100 MHz, 200 MHz; mit analogen und digitalen Funktionsgeneratoren sowie mit einem TTL-Generator basierend auf einem PIC12F675-Mikroprozessor der nachfolgend ebenfalls kurz angesprochen wird.

Benötigt wird:

Im weiteren Verlauf der Artikels wird diese Methode leicht abgewandelt und um weitere n√ľtzliche Messm√∂glichkeiten erweitert: Dann kann √ľber die Signallaufzeit die L√§nge eines Kabels ermittelt oder eine Leitung gepr√ľft werden, beispielsweise auf eingedrungene Feuchtigkeit, Kurzschluss oder Kabelbruch hin. Bei letzterem erfolgt die Messung an Ort und Stelle, ohne dass verlegte Kabel m√ľhselig abgebaut werden m√ľssen. Die Messung von unbekannten Impedanzen macht den Anfang.


Impedanzmessung

Um die Impedanz eines Kabels zu ermitteln, benötigt man ein Oszilloskop mit mindestens 1 MHz Bandbreite (ideal sind Oszis ab ca. 40 MHz) sowie einen TTL-Rechteckgenerator, ein Potentiometer und ein Ohmmeter.

In den hier vorgestellten Messaufbauten ist ein Rechtecksignal mit 0 und 5 V (TTL) sowie mit ca. 1 MHz erforderlich. Der Rechtecksignalausgang eines Oszilloskops mit standardm√§√üigen 1 oder 2 KHz ist daher nicht geeignet (√§u√üerstes Minimum f√ľr schlecht ablesbare Darstellung ist 10 KHz).

Das TTL-Rechtecksignal sollte eine Frequenz von mindestens 800 kHz aufweisen, ideal ist z.B. 1 MHz. Dar√ľber liegende Frequenzen sind f√ľr die hier vorgestellte Schaltung nicht erforderlich.

Wer √ľber keinen Funktionsgenerator verf√ľgt, kann ein TTL-Rechtecksignal auch kosteng√ľnstig anderweitig erzeugen. Beispielsweise mit einem Microcontroller, zum Beispiel PIC (brennbare hex-Datei zum Download) bzw. Atmel (Material-Kosten ca. 1 ‚ā¨), oder mit einem Quarz-Oszillator (Bauteil-Kosten ca. 1 Euro, erh√§ltlich in nahezu jedem Fachgesch√§ft). Alternativ kann auch ein LTC1799 (Kosten ca. 5 Euro) verwendet werden, allerdings ist dieses SMD-Bauteil extrem klein.

Zur Herstellung eines TTL-Rechtecksignals mit einem Mikroprozessor PIC12F675 ... hier weiterlesen

Zur Herstellung eines TTL-Rechtecksignals mit einem Quarz-Oszillator ... hier weiterlesen

Ersatzweise kann eine Timer-Schaltung verwendet werden, die jedoch mehr Aufwand erfordert als die Microcontroller- bzw. Quarz-Oszillator-L√∂sung. Zudem sind √ľbliche Timer-Bausteine (Standard: NE-555) bei 1 MHz an der obersten Grenze ihrer Leistungsf√§higkeit.

Der Aufbau zur Impedanz-Messung ist in Bild 1 dargestellt.


Bild 1: Impedanzmessung Schaltbild
Bild 1: Schematische Darstellung des Messaufbaus zur Bestimmung von unbekannten Impedanzen.


Das TTL-Rechtecksignal (wichtig: es muss ein TTL-Signal sein, 0/5 V) mit ca. 1 MHz wird √ľber einen Y-Verbinder (Stecker/Buchse/Buchse) in das Oszilloskop eingespeist. Das zu messende Kabel wird mit demselben Oszi-Kanal verbunden (Y-Verbinder). Am Ende des zu messenden Kabels ist ein Potentiometer 0 - 470 Ohm (oder 0 - 1000 Ohm) angeschlossen.

Zur bequemen Handhabung kann man beispielsweise das Poti an eine BNC-Buchse löten oder besonders elegant in ein kleines Weißblechgehäuse mit BNC-Buchse einbauen.

Das Poti ist dann so einzustellen, dass ein möglichst unverzerrtes Rechteck auf dem Oszi-Schirm zu sehen ist. Bild 2 zeigt Beispiele wie die Anzeige auf einem Digital- und Analogoszilloskop aussieht. Als Signalgenerator wurde ein PIC12F675 verwendet.

Der Wert des Potis entspricht dem Wert der Impedanz des Kabels. Man muss also nur noch den Widerstandswert des Potis mit dem Ohmmeter messen, um die Impedanz des Kabels zu bestimmen.


Bild 2: Impedanzmessung Oszillogramme
Bild 2: Mit dem Potentiometer ist ein möglichst unverzerrtes Rechteck einzustellen so wie auf dem mittleren Bild. Links ist die Anzeige eines Digitaloszillokops, rechts die eines Analogoszilloskops zu sehen. Als Signalgenerator wurde ein PIC12F675 verwendet.


Wer sich f√ľr den Einbau des Potis in ein kleines Geh√§use entschieden hat, kann dieses mit einer Skala mit den Widerstandswerten des Potis versehen (Bild 3). Damit entf√§llt die Messung mit dem Ohmmeter und der Impedanzwert kann bequem direkt von der Skala abgelesen werden.

Den Poti-Wert kann man den eigenen Bed√ľrfnissen nach w√§hlen - z.B. ein 100-Ohm-Poti, wenn man √ľberwiegend nur niedrige Impedanzen messen m√∂chte usw.


Bild 3: Impedanz Messung
Bild 3: Links ist ein Potentiometer mit BNC-Verbinder in ein Wei√üblechgeh√§use eingebaut. Die Skala erm√∂glicht das direkte Ablesen des Widerstands- bzw. Impedanzwertes ohne Ohmmeter. Das Poti ist umschaltbar von 0 ‚Äď 550 Ohm (ein un√ľblicher Wert, aber das Poti war gerade griffbereit, √ľblich sind 470 Ohm) und mit seriellem Widerstand von 430 bis 995 Ohm. Je nachdem welcher Bereich gew√§hlt wurde, gelten die blauen oder schwarzen Werte der Skala (siehe rechtes Bild: Beschaltung der optionalen Umschaltung).
Rechts neben dem Gehäuse wurde eine BNC-Buchse mit zwei Krokodilklemmen versehen, damit auch Kabel ohne BNC-Anschluss an den Messaufbau angeschlossen werden können (Universaladapter).


Mit ein wenig Fingerspitzengef√ľhl l√§sst sich auf diese Weise die Jabelimpedanz auf ¬Ī 2 Ohm genau ermitteln, wobei Koaxialkabel √ľblicherweise laut Datenblatt um zwei bis drei Ohm abweichen k√∂nnen. Die vorgestellte Messmethode ist also sehr pr√§zise und l√§sst sich nicht nur f√ľr Koaxialkabel, sondern f√ľr fast jegliche Art von Kabeln verwenden. Nebenbei sei bemerkt: F√ľr Baluns ist diese Messung nur bedingt geeignet, denn wie eigene Versuche ergaben, ist der gemessene Wert von der Frequenz des Rechtecksignals abh√§ngig.

Ist an einem Kabel ein anderer Verbinder als BNC montiert, muss man diesen nicht unbedingt entfernen. Wer keinen passenden Adapter zur Hand hat, kann eine BNC-Buchse mit zwei Krokodilklemmen zu einem behelfsm√§√üigen ‚ÄěUniversal-Adapter‚Äú umfunktionieren (Bild 3).

Die vorgestellte Messmethode ist auch zur Fehlersuche - auch bei bereits verlegten Kabeln - und zur Messung der Kabellänge geeignet.


Fehlersuche in Kabeln

Oftmals dringt Feuchtigkeit in Antennenkabel ein, was zu St√∂rungen f√ľhren kann. Ein bereits verlegtes Antennenkabel kann an Ort und Stelle mit der bereits vorgestellten Messanordnung √ľberpr√ľft werden. Hierf√ľr wird das TTL-Rechtecksignal an einer Seite des Kabels eingespeist. Ideal daf√ľr geeignet ist der oben beschriebene Mikrocontroller, denn er kann in ein kleines Geh√§use eingebaut und mit Batterien (Versorgungsspannung: 3 bis 5 Volt DC) betrieben werden. Damit stellt es keine Schwierigkeit dar, das Rechtecksignal auf dem Dach oder dem Antennenmast einzuspeisen. Die andere Seite des Antennenkabels wird mit Y-Verbinder (Stecker/Buchse/Buchse) mit dem Eingangskanal des Oszilloskops im Shack verbunden. Am selben Eingang wird √ľber den Y-Verbinder das Potentiometer angeschlossen (Bild 4).


Bild 4: Fehlersuche in Kabeln (Schaltbild)
Bild 4: Mit diesem Messaufbau k√∂nnen auch bereits verlegte Kabel auf Fehler hin, wie eingedrungene Feuchtigkeit, Kabellbruch und Kurzschluss, √ľberpr√ľft werden.


Wie schon bei der Impedanzmessung ist nun mit dem Potentiometer ein möglichst sauberes Rechteck am Oszilloskop einzustellen. Anschließend wird der Widerstandswert gemessen, der wiederum der Impedanz des Kabels entspricht. Ist Wasser in das Kabel eingedrungen, ändert sich der Wert des Wellenwiderstands. Weicht die gemessene Impedanz vom vorher schon bekannten Soll-Wert des Kabels ab, könnte dies durch Feuchtigkeit verursacht worden sein. Sind hingegen die Werte identisch, ist das Kabel als Fehlerquelle unwahrscheinlich. Im Falle eines Kabelbruchs kommt entweder kein Signal oder ein hochohmiges, nicht mehr durch das Poti einstellbares Rechtecksignal beim Oszilloskop an. Bei einem Kurzschluss ist der Wert niederohmig (kein Rechtecksignal, sondern lediglich Signalspitzen, deren Form nicht mehr durch das Potentiometer verändert werden kann).

Auf √§hnliche Weise l√§sst sich die L√§nge eines beliebigen Kabels ermitteln. Hierf√ľr ist allerdings ein 2-Kanal-Oszilloskop mit mind. 40 MHz Bandbreite erforderlich (Laufzeitmessung).

Exkurs: Es w√§re auch m√∂glich, die Kabell√§nge mit nur einem Kanal zu messen (Reflexion), daf√ľr ist aber ein Funktionsgenerator erforderlich, der Impulse mit hoher Frequenz aussendet. Es bedarf also eines h√∂heren bzw. h√∂herpreisigen Aufwands. Jetzt aber zur Methode mit minimalerem Aufwand basierend auf obigen Messaufbau.


Kabellänge ermitteln

Zur Bestimmung der Kabell√§nge m√ľssen beide Kabelenden mit dem Oszilloskop verbunden werden. Ob das Kabel dabei aufgewickelt ist, spielt keine Rolle. Der Unterschied zur Impedanz-Messung liegt lediglich darin, dass das zu messende Kabel nicht an einer Seite mit einem Potiometer abgeschlossen, sondern stattdessen √ľber einen Abschlusswiderstand im Wert der Kabelimpedanz (z.B. 50 Ohm) mit dem zweiten Kanal des Oszilloskops verbunden wird.

Über einen Y-Verbinder wird ein TTL-Rechtecksignal an einem Ende des Kabels und an einem Oszilloskop-Kanal eingespeist und am anderen Kabelende (verbunden mit dem zweiten Oszi-Kanal) gemessen, wie lange das Signal gebraucht hat, um das Kabel zu durchlaufen (Signallaufzeit). Mit diesem Wert lässt sich dann die Länge des Kabels ermitteln. Der schematische Aufbau ist in Bild 5 dargestellt.


Bild 5 - Kabellänge messen (Laufzeit), Schaltbild
Bild 5: Diese Anordnung erlaubt die Messung der Kabell√§nge √ľber die Signallaufzeit.


Kabellänge Laufzeitmessung (Oszi)
Bild 6: Die Signallaufzeit auf dem Schirm eines Digitaloszilloskops (links) und eines Analogoszilloskops (rechts).


Die Laufzeit selbst l√§sst sich vom Oszilloskopschirm ablesen, wenn die Rechtecksignale beider Kan√§le √ľbereinander positioniert werden (nur einen Kanal triggern). Der Versatz ist die Laufzeit. Die Laufzeit in Nanosekunden muss man dann nur noch in folgende Formel einsetzen:


L Kabel = ( t / 3,3) * Vk

L Kabel Kabellänge
t Laufzeit in ns
3,3 Konstante, leitet sich vom Kehrwert der Lichtgeschwindigkeit her
Vk Verk√ľrzungsfaktor des Kabels

Liste mit den Verk√ľrzungsfaktoren der g√§ngisten Kabel im Amateurfunk


Beispiel:
Angenommen die Laufzeit eines RG-58-Kabels (Verk√ľrzungsfaktor: 0,66) betr√§gt 25 ns, dann lautet die Formel mit den eingesetzten Werten:

L Kabel = ( 25 / 3,3 ) * 0,66         (Ergebnis: 5 m)

Das Kabel ist also f√ľnf Meter lang.


Je genauer die Laufzeit bestimmt wird, desto genauer ist das Ergebnis. Mit ein wenig Übung kann die Kabellänge auf wenige Zentimeter genau berechnet werden.


Stellt man obige Formel um, so kann man bei bekannter Kabell√§nge und Laufzeit, einen unbekannten Verk√ľrzungsfaktor errechnen, der unter anderem f√ľr Stichleitungen (stub) relevant ist.


Vk = ( LKabel * 3,3 ) / t

Vk Verk√ľrzungsfaktor des Kabels
L Kabel Kabellänge
3,3 Konstante, leitet sich vom Kehrwert der Lichtgeschwindigkeit her
t Laufzeit in ns

Fazit

Die Messung von unbekannten Werten wie der Impedanz eines Leiters ist also mit einfachen Mitteln m√∂glich. Neben einer effektiven Anwendungsm√∂glichkeit von Oszilloskop und Funktionsgenerator, zeigt sich auch, wie simpel kosteng√ľnstige Microcontroller f√ľr den Amateurfunk praktisch genutzt werden k√∂nnen.


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