ï»ż Afug-Info.de - Amateurfunk und mehr... ï»ż Afug-Info.de - Amateurfunk und mehr... ï»ż Afug-Info.de - Amateurfunk und mehr...
Afug-Info.de
Ohne  Java
Ohne  Flash
Ohne  Skripte
Ohne  Werbung
Ohne  Social Plugins

Willkommen bei Afug-Info.de
ï»ż Afug-Info.de - Amateurfunk und mehr...

Impedanzen einfach und praktisch messen

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

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

Funkamateure wissen um die Bedeutung der Impedanz Impedanz / Wellenwiderstand, Formelzeichen Z:
Widerstand, den eine Leitung der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entgegensetzt. Der Wert ist abhÀngig vom InduktivitÀts- und KapazitÀtsbelag 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 lĂ€sst sich aber nicht ohne Weiteres bestimmen. Rechnerische Methoden erscheinen wenig praktikabel und erfordern bestimmte Vorgaben. Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht die mĂŒhelose Messung der Impedanz unabhĂ€ngig von der KabellĂ€nge und ist fĂŒr jede beliebige Leitung anwendbar.

Erforderlich sind lediglich GerĂ€tschaften der BasisausrĂŒstung, die in fast jedem Shack vorhanden sind. Außer ein wenig FingerspitzengefĂŒhl 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 nĂŒtzliche Messmöglichkeiten erweitert: Dann kann ĂŒber die Signallaufzeit die LĂ€nge eines Kabels ermittelt oder eine Leitung geprĂŒft werden, beispielsweise auf eingedrungene Feuchtigkeit, Kurzschluss oder Kabelbruch hin. Bei letzterem erfolgt die Messung an Ort und Stelle, ohne dass verlegte Kabel mĂŒhselig abgebaut werden mĂŒssen. 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 standardmĂ€ĂŸigen 1 oder 2 KHz ist daher nicht geeignet (Ă€ußerstes Minimum fĂŒr schlecht ablesbare Darstellung ist 10 KHz).

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

Wer ĂŒber keinen Funktionsgenerator verfĂŒgt, kann ein TTL-Rechtecksignal auch kostengĂŒnstig anderweitig erzeugen. Beispielsweise mit einem Microcontroller, zum Beispiel PIC (Software zum Download) (Kosten ca. 1 €) bzw. Atmel, oder mit einem Quarz-Oszillator (Bauteil-Kosten ca. 1 Euro, erhĂ€ltlich in nahezu jedem FachgeschĂ€ft). Alternativ kann auch ein LTC1799 (Kosten ca. 5 Euro) verwendet werden, allerdings ist dieses 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-Lösung. Zudem sind ĂŒbliche Timer-Bausteine (Standard: NE-555) bei 1 MHz an der obersten Grenze ihrer LeistungsfĂ€higkeit.

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

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 ĂŒber 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 WeißblechgehĂ€use 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.

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 fĂŒr den Einbau des Potis in ein kleines GehĂ€use entschieden hat, kann dieses mit einer Skala mit den Widerstandswerten des Potis versehen (Bild 3). Damit entfĂ€llt die Messung mit dem Ohmmeter und der Impedanzwert kann bequem direkt von der Skala abgelesen werden.

Den Poti-Wert kann man den eigenen BedĂŒrfnissen nach wĂ€hlen - z.B. ein 100-Ohm-Poti, wenn man ĂŒberwiegend nur niedrige Impedanzen messen möchte usw.

GehÀuse / Universal-Adapter
Beschaltung 2 Skalen
Bild 3: Links ist ein Potentiometer mit BNC-Verbinder in ein WeißblechgehĂ€use eingebaut. Die Skala ermöglicht das direkte Ablesen des Widerstands- bzw. Impedanzwertes ohne Ohmmeter. Das Poti ist umschaltbar von 0 – 550 Ohm (ein unĂŒblicher Wert, aber das Poti war gerade griffbereit, ĂŒblich sind 470 Ohm) und mit seriellem Widerstand von 430 bis 995 Ohm. Je nachdem welcher Bereich gewĂ€hlt wurde, gelten die blauen oder schwarzen Werte der Skala (siehe rechts daneben: Beschaltung der optionalen Umschaltung).
Rechts neben dem GehÀuse wurde eine BNC-Buchse mit zwei Krokodilklemmen versehen, damit auch Kabel ohne BNC-Anschluss an den Messaufbau angeschlossen werden können (Universaladapter).

Mit ein wenig FingerspitzengefĂŒhl lĂ€sst sich auf diese Weise die Jabelimpedanz auf ± 2 Ohm genau ermitteln, wobei Koaxialkabel ĂŒblicherweise laut Datenblatt um zwei bis drei Ohm abweichen können. Die vorgestellte Messmethode ist also sehr prĂ€zise und lĂ€sst sich nicht nur fĂŒr Koaxialkabel, sondern fĂŒr fast jegliche Art von Kabeln verwenden. Nebenbei sei bemerkt: FĂŒr Baluns ist diese Messung nur bedingt geeignet, denn wie eigene Versuche ergaben, ist der gemessene Wert von der Frequenz des Rechtecksignals abhĂ€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 behelfsmĂ€ĂŸigen „Universal-Adapter“ umfunktionieren (Bild 3).

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

Fehlersuche in Kabeln

Oftmals dringt Feuchtigkeit in Antennenkabel ein, was zu Störungen fĂŒhren kann. Ein bereits verlegtes Antennenkabel kann an Ort und Stelle mit der bereits vorgestellten Messanordnung ĂŒberprĂŒft werden. HierfĂŒr wird das TTL-Rechtecksignal an einer Seite des Kabels eingespeist. Ideal dafĂŒr geeignet ist der oben beschriebene Mikrocontroller, denn er kann in ein kleines GehĂ€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 ĂŒber den Y-Verbinder das Potentiometer angeschlossen (Bild 4).

Fehlersuche in Kabeln (Schaltbild)
Bild 4: Mit diesem Messaufbau können auch bereits verlegte Kabel auf Fehler hin, wie eingedrungene Feuchtigkeit, Kabellbruch und Kurzschluss, ĂŒberprĂŒft 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, Ă€ndert 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 verĂ€ndert werden kann).

Auf Ă€hnliche Weise lĂ€sst sich die LĂ€nge eines beliebigen Kabels ermitteln. HierfĂŒr ist allerdings ein 2-Kanal-Oszilloskop mit mind. 40 MHz Bandbreite erforderlich (Laufzeitmessung).

Exkurs: Es wĂ€re auch möglich, die KabellĂ€nge mit nur einem Kanal zu messen (Reflexion), dafĂŒr ist aber ein Funktionsgenerator erforderlich, der Impulse mit hoher Frequenz aussendet. Es bedarf also eines höheren bzw. höherpreisigen Aufwands. Nichtsdestotrotz wird diese Methode demnĂ€chst gesondert beschrieben. Jetzt aber zur Methode mit minimalerem Aufwand basierend auf obigen Messaufbau.

KabellÀnge ermitteln

Zur Bestimmung der KabellĂ€nge mĂŒssen 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 ĂŒber 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 lĂ€sst sich dann die LĂ€nge des Kabels ermitteln. Der schematische Aufbau ist in Bild 5 dargestellt.

KabellÀnge messen  (Schaltbild)
Bild 5: Diese Anordnung erlaubt die Messung der KabellĂ€nge ĂŒber die Signallaufzeit.

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

Die Laufzeit selbst lĂ€sst sich vom Oszilloskopschirm ablesen, wenn die Rechtecksignale beider KanĂ€le ĂŒbereinander 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
Vk Verkürzungsfaktor des Kabels
3,3 Konstante, leitet sich vom Kehrwert der Lichtgeschwindigkeit her

Liste mit den VerkĂŒrzungsfaktoren der gĂ€ngisten Kabel im Amateurfunk

Beispiel:
Angenommen die Laufzeit eines RG-58-Kabels (VerkĂŒrzungsfaktor: 0,66) betrĂ€gt 25 ns, dann lautet die Formel mit den eingesetzten Werten:

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

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

Das Kabel ist also fĂŒnf Meter lang. Je genauer die Laufzeit bestimmt wird, desto genauer ist das Ergebnis. Mit ein wenig Übung kann die KabellĂ€nge auf wenige Zentimeter genau berechnet werden.

Stellt man obige Formel um, so kann man bei bekannter KabellĂ€nge und Laufzeit, einen unbekannten VerkĂŒrzungsfaktor errechnen, der unter anderem fĂŒr Stichleitungen (stub) relevant ist.

Vk = ( LKabel * 3,3 ) / t

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

Fazit

Die Messung von unbekannten Werten wie der Impedanz eines Leiters ist also mit einfachen Mitteln möglich. Neben einer effektiven Anwendungsmöglichkeit von Oszilloskop und Funktionsgenerator, zeigt sich auch, wie simpel kostengĂŒnstige Microcontroller fĂŒr den Amateurfunk praktisch genutzt werden können.

WeiterfĂŒhrende Links:



Copyright (Text und Bilder): Sabine Saurer, KF5DVW. Jegliche VervielfÀltigung dieses Textes und/oder Bilder bedarf der vorherigen Genehmigung von KF5DVW. Kontakt: http://www.afug-info.de

Seitenanfang

ï»ż Afug-Info.de - Amateurfunk und mehr...