Mit der TDR Messmethode kann man die Länge eines Kabels und seinen Wellenwiderstand ermitteln. Dazu findet man genügend Literatur Netz. Inzwischen gibt es auch spezialisierte Messgeräte, die aber eher selten im Heimlabor zu finden sind.

Hier möchte ich untersuchen was man mit den im Heimlabor typischerweise zu findenden Messgeräten erreichen kann, wo die Grenzen sind und wie man sie vielleicht umgehen kann.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild einer TDR Messung. 

Der Ausgang eines Rechteckgenerators speist das zu messende Kabel, direkt an der Einspeisestelle wird auch mit einem Scope gemessen.

Schauen wir zunächst auf das Scope. Ich habe ein Hameg HMO1524 mit 150 MHz Bandbreite.

Seine Rise und Fall Time ist im Datenblatt mit <= 2,4 nsec angegeben (10 - 90 %).

Eine Messung mit einem geliehenen LVDS Generator zeigte ca. 1,5 nsec Rise Time bei 10 bis 90%, etwa 1 nsec bei 20 bis 80%. Im weiteren wird die Steigzeit bei 20 – 80% gemessen.

Mein Funktionsgenerator, gemessen mit dem Scope, bei direkter Kabelverbinung mit einem 50 Ohm Kabel und 50 Ohm Abschluss im Scope zeigt eine Rise Time (20 – 80%) von etwa 4 nsec bei einem Rechtecksignal von 100 kHz und 1 Vpp Amplitude (into open). Bild 2 zeigt das Ergebniss.

Bei der TDR Messung muss man allerdings möglichst nahe an der BNC Buchse des Generators messen und mit möglichst geringer Beeinträchtigung des Signals.

Es liegt also nahe den ersten Versuch mit einem guten Tastkopf zu starten.

Am Ausgang des Funtionsgenerator befestigt man ein BNC T-Stück, an einem Ende wird später das zu messende Kabel angeschlossen, am anderen wird der Tastkopf kontaktiert. Seine Spitze wird vorsichtig an den Signal Kontakt gehalten, seine Masse Leitung an das Metall geklemmt wie im Bild 3 zu sehen.

Bild 4 zeigt das Messergebniss. Die Rise Time ist kaum verändert, nach dem Signalanstieg sieht man eine Welligkeit. Aus Erfahrung kann man vermuten dass es etwas mit der Masse Anbindung zu tun haben könnte. Für meinen Tastkopf gibt es einen Adapter um direkt in einer BNC Buchse zu messen, siehe Bild 5. Damit verschwindet die Welligkeit, Bild 6 zeigt die Kurvenform.

Für die erste Messung wurde nun ein 2 m langes 50 Ohm Kabel ohne Abschluss angeschlossen, seine Laufzeit wird im Bereich von 5 nsec pro Meter sein. Im Bild 7 sieht man das Ergebnis. Das „Plateau“ in der Mitte hat den doppelten Wert der Laufzeit des Kabels. Allerdings ist es bedingt durch die im Verhältnis zur Laufzeit schlappen Steigzeit nicht einfach die Laufzeit zu messen. Hier kann die automatische Steigzeit (20 – 80%) Messfunktion des Scopes helfen. Im ersten Schritt misst man die Steigzeit ohne angeschlossenes Kabel und zieht sie von der Steigzeit mit Kabel ab und erhält so die doppelte Laufzeit des Kabels.

 Man kann auch messen welchen Wellenwiderstand das Kabel hat. Die Amplitude des Generators wird so eingestellt, dass das Scope einen Pegel von 1 Vpp nach Abklingen der Reflektionen anzeigt.

 Danach misst man die Spannung der Stufe. Ist sie 500 mV groß, so kann man annehmen dass das Kabel einen Wellenwiderstand von 50 Ohm hat. (Unter der berechtigen Annahme dass die Ausgangsimpedanz des Generators 50 Ohm beträgt)

Zum Vergleich wird nun ein 75 Ohm Videokabel der Länge 3,1 m angeschlossen.

Man erkennt die mehrfachen Reflektionen. Die Stufe im Bild 8 hat einen Pegel von 600 mV und entspricht damit dem Spannungsteiler von 50 und 75 Ohm.

Die Längenmessung eines Kabels wird in meinem Beispiel durch die recht langsamen Flanken meines Funktionsgenerators beschränkt. Es ist daher naheliegend sich nach einer Signalquelle mit kürzerer Steigzeit umzusehen. Danach muss man aber untersuchen ob die Messmethode mit dem Tastkopf noch gut genug ist?
Kennt jemand einen schnellen digitalen Treiber neben einem 74Fxx?
Bitte Vorschläge an mich: alfred_rosenkraenzer@gmx.de

TDR Measurements in the Home Lab
 
The TDR (Time-Domain Reflectometry) measurement method allows one to determine a cable's length and characteristic impedance. Plenty of literature on this subject can be found online. Specialized measuring instruments exist, though they are rarely found in home labs.
Here, I want to investigate what can be achieved using the test equipment typically found in a home lab, what the limitations are, and how those limitations might be circumvented.
Figure 1 shows the block diagram of a TDR setup.
The output of a square-wave generator feeds the cable under test, and measurements are taken with an oscilloscope directly at the injection point.
Let’s look at the oscilloscope first. I have a Hameg HMO1524 with a 150 MHz bandwidth.
Its rise and fall times are specified in the datasheet as ≤ 2.4 ns (10–90%).
A measurement using a borrowed LVDS generator showed a rise time of approx. 1.5 ns (10–90%) and about 1 ns (20–80%). In the following, the rise time is measured over the 20–80% range.
When measured with the oscilloscope—using a direct connection via a 50-ohm cable and a 50-ohm termination within the scope—my function generator shows a rise time (20–80%) of approximately 4 ns for a 100 kHz square-wave signal with 1 Vpp amplitude (into open circuit). Figure 2 shows the result.
For TDR measurements, however, it is necessary to measure as close as possible to the generator's BNC jack while minimizing signal disturbance.
It therefore makes sense to start the first experiment using a high-quality oscilloscope probe.
A BNC T-connector is attached to the function generator's output; the cable under test will be connected to one end, while the probe is attached to the other. Its tip is carefully held against the signal contact, and its ground lead is clipped to the metal, as shown in Figure 3.
Figure 4 shows the measurement result. The rise time is barely changed, but a ripple is visible after the signal rise. Experience suggests this might be related to the ground connection. An adapter is available for my probe to allow direct measurement in a BNC jack; see Figure 5. This eliminates the ripple; Figure 6 shows the resulting waveform.
For the first measurement, a 2-meter-long, unterminated 50-ohm cable is connected; its propagation delay is in the range of 5 ns per meter. Figure 7 shows the result. The "plateau" in the middle corresponds to twice the cable's propagation delay. However, measuring the delay is not straightforward because the rise time is sluggish relative to the propagation delay itself. The oscilloscope's automatic rise-time measurement function (20–80%) can help here. First, measure the rise time without the cable connected, then subtract this from the rise-time measurement taken with the cable attached; the result is twice the cable's propagation delay.
You can also measure the cable's characteristic impedance. Adjust the generator's amplitude so that the oscilloscope displays a level of 1 Vpp after the reflections have settled.
Then, measure the voltage of the step. If it is 500 mV, you can assume the cable has a characteristic impedance of 50 ohms (based on the valid assumption that the generator's output impedance is 50 ohms).
For comparison, a 3.1-meter-long 75-ohm video cable is now connected.
Multiple reflections are visible. The step in Figure 8 has a level of 600 mV, corresponding to the voltage divider formed by the 50-ohm and 75-ohm impedances. In my example, the length measurement of a cable is limited by the relatively slow edges of my function generator. It therefore makes sense to look for a signal source with a faster rise time. However, one must then investigate whether the measurement method using the probe remains adequate.
 
To be continued.