Kabel

Celem ćwiczenia jest

1. Doskonalenie umiejętności posługiwania się generatorem i oscyloskopem.
2. Kształcenie umiejętności rozpoznawania efektów odbić w kablach.
3. Pomiar prędkości rozchodzenia się impulsu w kablu.
4. Pomiar impedancji (także pojemności/indukcyjności) kabla koncentrycznego.

Do przygotowania (przed rozpoczęciem ćwiczenia):

1. Struna rozciąga się od ściany, gdzie jest zamocowana, w lewo aż do nieskończoności (rysunek w PDF). Z nieskończoności przybiega impuls prostokątny o amplitudzie A. Narysuj wychylenie struny od czasu w odległości L od ściany, przy czym czas potrzebny na przebycie długości L jest dużo krótszy niz czas trwania impulsu.
2. W równaniach (2)-(3) brakuje minusów. Gdzie?
3. Jaka jest prędkość rozchodzenia sie fal wg. równania (3)?
4. Dla prostokątnego impulsu napięcia U0 rozchodzącego się w prawo znaleźć prąd I.
5. Stosując równanie na RLoad , oblicz amplitudę impulsu odbitego U1 w funkcji obciążenia RLoad.

Przebieg ćwiczenia

Pomiary – 1 tydzień

1. Podłącz generator krótkim kablem koncentrycznym do oscyloskopu. Ustaw generator na częstotliwość 100 kHz, przebieg prostokątny, wypełnienie (duty) 20%. Ustaw trigger na oscyloskopie i pokaż asystentowi, że potrafisz zmierzyć kursorami częstotliwość, czas trwania i amplitudę impulsów z generatora.
2. Przyłącz kabel długi do końca krótkiego trójnikiem. Początek i koniec kabla długiego podłącz do kanałów 1 i 2 oscyloskopu. Zaobserwuj zbocza impulsu z generatora, dochodzące i odbite od końca kabla.
3. Zmierz czas narastania każdego ze zboczy (20-80% lub 10-90%) wg rysunku (PDF) dla jednej, wybranej długości kabla (np. 25 m).
4. Zmierz czas pomiędzy umownymi momentami nadejścia zboczy narastających dla różnych długości kabla koncentrycznego. Zmierz to samo dla zboczy opadajacych oraz dla kalba telewizyjnego.
5. Do końca kabla 25 m przyłacz równolegle z oscyloskopem potencjometr. Zmierz amplitudę impulsu odbitego w funkcji oporu obciążenia, a sam opór potencjometru – omomierzem. Zbierz 6-8 punktów pomiarowych dla dwóch rodzajów kabla. Oszacuj dokładność z jaką możesz zmierzyć amplitudę kolejnych zboczy na oscyloskopie.
6. (*) Zbuduj długi kabel (75-100 m), a następnie w pewnym miejscu kabla zasymuluj uszkodzenie: podłącz równolegle opornik (dostępny w formie „terminatora”). Czy z pomocą oscyloskopu możesz zidentyfikować, gdzie nastąpiło uszkodzenie? Czemu odpowiadają kolejne schodki widoczne na oscyloskopie?

Propozycja dodatkowych pomiarów – 2 tydzień

2. Układy całkujące/różniczkujące – wyznaczenie pojemności/indukcyjności kabla.
3. Rezonans dla sygnałów sinusoidalnych (fale stojące w kablu).
4. Przesłuchy w skrętce ethernetowej, ekranowanie sygnału.
5. Pomiar stałej dielektrycznej wody (wyznaczenie współczynnika załamania).

Opracowanie wyników po 1. tygodniu ma zawierać

1. Wykres opóźnienia w funkcji długości kabla. Odbicie i powrót odpowiadają propagacji w kablu o długości podwojonej. Dopasuj prostą i wyznacz prędkość propagacji impulsu.
2. Wykres amplitudy fali odbitej w funkcji RLoad. Dopasuj zależność z rozwiązania równania na RLoad i wyznacz impedancję kabla Z.

Dodatkowe materiały:

1. P. Horowitz, W. Hill, The Art of Electronics, 3rd ed., Cambridge Univ. Press (2015), sec. 1 and appx. H.1 and H.4 (polskie wydanie: P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WŁiK (2003), rozdz. 1 i 13.9)
2. T. Stacewicz, A. Kotlicki, Elektronika w laboratorium naukowym , PWN (1994), rozdz. 2.1, 2.2, 2.4, 2.5 i 2.10
3. T. T. Heikkila, The Physics of Nanoelectronics, Oxford Univ. Press (2013), appx. E
4. K. Hashemi, Transmission Line Analysis – w szczególności referencyjne wartości w tabelkach.