Nadelimpulse auf Koaxialkabel

Fortpflanzungund Reflexion
von Nadelimpulsen
auf einemKoaxialkabel
B. Ehret
1 Einführung
In [-3] wird beschrieben,wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rechteck- bzw. Nadelimpulsen auf Kabeln gemessen werden kann. In [3] werden die Nadelimpulse mit einer
einfachen SchmittTrigger-IC-Schaltung erzeugt, so daß die
Ausbreitungsgeschwindigkeit und das Reflexionsverhalten
auf einem Koaxialkabel mit Hilfe eines üblicherweise in
einer Physiksammlung vorhandenen Oszilloskopes gemessen bzw. untersucht werden kann.
Unter Zugrundelegung der in [3] angegebenenSchaltung
wurde ein Nadelimpulsgeneratorzusammengebaut,mit dem
24
PdN-Ph.1/40.
Physik
lC-Fassungl4-polig
Dl
lN 4148
270 A
Rl
R2 2'70 0
R3
lkO
lko
R4
lko
R5
lkO
R6
R7
500
R8
500
Pl
200 0
TI
BF 244
BF 244
T2
S
Platine NG
Cl
C2
C3
C4
C5
C6
33nF
l00pF
l00nF
l00nF
l00nF
l0uF/25V Elko
4mm-Achsemit Drehknopf
Unterlegscheibe
Feldeffekttransistor
Schalterein,/aus,/einl-polig
Zubehör:
'72x56x42mm (Firma Teko) mit 4 Blech1 Gehäuse
schrauben
und Mutter
5 BNC-Buchsen50Omit Zahnscheibe
I LötöselOmm
5 cm Kabel rot
20cm Schaltdraht0,7mm g
und zweiMuttern
rot mit Unterlegscheibe
I Bananenbuchse
500 (Längez.B. 50m oder 100m)
I RolleKoaxialkabel
2 BNC-Stecker50O
Literatur
an Drähtenund Kabeln;PdN-Ph Heft
l1l W Südbeck:Laufzeit-Messungen
t0/'70
l2l E. Kagerer:Nadelimpulseauf Koaxial-Kabeln;PdN-Ph Heft 1,284
Wellen;PdNmit elektromagnetischen
l3l H. Weidner:Reflexionsversuche
Ph Heft 3/34 (1985)
Bezugsquellen:
(1) Völkner electronic,3300Braunschweig,Postfach5320
(ElektronischeBauteile,Gehäuse,Koaxialkabel)
(2) ConradElektronik,8452Hirschau,Klaus-Conrad-Str.
I
(ElektronischeBauteile,GehäusgKoaxialkabel)
Platinen und einigewenigeBausätzesind nachAnfrage über den Verfasser
zu beziehen.
Anschrift des Verfassers:
BernhardEhret, Cartenstr.4/ 1, 7056 Weinstadt
Neue Experimentiergeräte
diese Versucheim Physikunterricht und auch im Physikalischen Schülerpraktikum mit minimalem Aufwand durchgeführt werden können.
Mit Hilfe einer ausführlichen Bauanleitung kann der Nadelimpulsgenerator ohne Schwierigkeiten mit gängigen Elektronikbauteilen selbst hergestelltwerden. Es ist ohne weiteres auch möglich, daß elektronik-bastelnde Schüler dieses
Gerät zusammenbauen.
am Kabelende(Y2-Kanal)beobachtetwerden,wobei das
Kabelendean die BNC-BuchseKE des Generatorsangeschlossenwird. Ein Impuls am Kabelendeliegt zeitlich
genau zwischenzwei aufeinanderfolgenden
Impulsen am
Kabelanfang(Abb. 3, 4).
Versuch5:
Wird das Kabelendemit einemWiderstandvon 500 (Welso werden
abgeschlossen,
lenwiderstanddesKoaxialkabels)
am KabelendekeineImpulsereflektiert(Abb.5).
2 Versuchsmöglichkeiten[2, 3]
Versuch1:
mit dem Oszilloskopüber
Wird der Nadelimpulsgenerator
BNC-Kabel (BNC-BNC 50O) verbundenund die Span(wobeider Minuspol der Quelle
nungsquelleangeschlossen
an die Erdungsbuchsedes Oszilloskopesangeschlossen
der Nadelimwird), so kann die Wiederholungsfrequenz
pulsegemessen
werden.
Versuch2:
Der Kabelanfang der Koaxialkabelrollewird an den
Die mehrfach
AnschlußKA desGeneratorsangeschlossen.
reflektiertenNadelimpulsesind jetzt auf dem Yl-Kanal des
Oszilloskopeszu sehen.(Die Verstärkungdes Yl-Kanales
muß erhöht werden,da die Nadelimpulsedurch die angeKabelrollegedämpftwerden).
schlossene
Abb. 2: Reflektierte Nadelimpulse am kurzgeschlossenenKabelende (x:
0,5 pslRE. ,t': 50 mV/RE)
Abb. 1: Reflektierte Nadelimpulse (r 0,5pslRE, y: 50mV/RE;
RE = Rastereinheit)
A b b . 3 : R e f l e k t i e r t el m p u l s e a m K a b e l a n f a n gu n d - e n d e b e i g e ö f f n e t e m
Schalter
Meßergebnisse(6-fach Refl exion, Kabellänge 50 m):
,
6'2' <^^
,,:ffi:1,94.
l08ms-r;
ausc' : (eo'e,'Fo' F) 0,smit trr,= I folgt e, : 2,39.
Abnahme
Aus dem Bild (s. Abb.l) kann die exponentielle
der Amplitude der Nadelimpulse(vom erstenImpuls abgeder Amplituden aufeinansehen)durch Quotientenbildung
derfolgenderImpulsesehr schönbestimmtwerden.
Yersuch3:
so werdendie Impulse
Wird dasKabelendekurzgeschlossen,
(Abb.2).
mit umgekehrterPhasereflektiert(Phasensprung)
Versuch4:
könnendie reflekMit Hilfe einesZweikanal-Oszilloskopes
tiertenImpulsesowohlam Kabelanfang(Yl-Kanal)als auch
PdN-Ph.1/40.
Abb.4: Reflektierte Lnpulse am Kabelanfang bei geschlossenem
Schaller
Physik
3 Versucheim Physikalischen
Praktikum
Im Rahmen des PhysikalischenPraktikums wurden die Versuche mit dem Versuchsgerätdurch die Schüler durchgeführt. Der Versuchwurde von den Schülern mit besonderem
Interesse verfolgt. Der Vergleich mit dem entsprechenden
Verhalten von mechanischen Wellen bzw. Störungen liegt
nahe und vertieft das Verständnis.Für Schüler,die mit Computern arbeiten, wird die Problematik der übertragung von
digitalen Signalen greifbar.
Der Versuch ist ausbaufähig. Z, B. kann an einer beliebigen
Stelle des Koaxialkabels ein Kurzschluß im Kabel durch Einstechen einer Nadel erzeugt werden. Der Abstand dieser
Stelle vom Kabelanfang kann dann bestimmt werden [3].
Für den Lehrer hat der Versuch den Vorteil, daß er sehr
schnell aufgebaut werden kann.
Zur Vorbereitung auf den Versuch wurde den Schülern ca.
eine Woche vor der Versuchsdurchführungdie folgende Versuchsanleitungausgehändigt (s. Arbeitsblatt: Physikpraktikum 13ll).
Abb. 5: Kabelende mit Potentiometer mit R : 50O abqeschlossen
M senkrecht nach unten stehend eingelötet. Ebenso Schaltdrahtstücke von ca. l,5cm Länge in die drei Bohrungen S
zum Anschluß des Schalters.
Die Drahtstücke KA und KE werden später an die entsprechenden BNC-Buchsen angeschlossen,M dient als Masseanschluß.
7. Die Achse des Potentiometerswird in einen Schraubstock
eingespannt und mit einer Laubsäge so gekürzt, daß ein
Drehknopf noch aufgeschraubtwerden kann. Das Potentiometer wird dann auf der Bestückungsseitein die drei Bohrungen P eingelötet.
8. An die Bohrung P+ wird ein Kabel rot von ca.5cm
Länge zum Anschluß an die Bananenbuchserot (Stromversorgung plus) angelötet.
9. Bohrung des Gehäuseoberteilesnach der Bohrschablone.
Alle Bohrungen mit 1,5mm vorbohren. Dann die Bohrungen mit 3mm, 4mm usw. vorsichtig aufweiten, bis der
gewünschte Durchmesser erreicht ist. Das Gehäuse muß
zum Bohren fest eingespanntwerden. Ab 5 mm die Bohrmaschine auf kleinste Drehzahl stellen! Bohren von dünnem
Alu-Blech erfordert Umsicht und Geschick! Vorsicht, Verletzungsgefahr.
10. Bohrung für die Bananenbuchserot im Gehäuseunterteil einbringen (wie unter Pkt.9 beschrieben).
ll. Einbau der BNC-Buchsen in das Gehäuseoberteil.Jede
BNC-Buchse erhält zur Sicherung eine Zahnscheibe. Die
BNC-Buchse KA erhält zusätzlich eine Lötfahne (unter der
Abb. 6: Plantinenvorlage des Nadelimpulsgenerators
Zahnscheibe,zur Wandung mit den Bohrungen für Potentiometer und Schalter ausgerichtet), die als Masseanschluß
L Kontrolle der Platinen (s. Abb.6) auf Fehler(Brücken, dient. Die BNC-Buchsenmuttern werden mit einem SchrauRisse).
benschlüsselMl4 fest angezogen, wobei die Buchsen mit
2. Bohrung der Platinen (s. Abb.1 a u. b) mit Bohrer A
einer Zange oder im Schraubstock gegengehaltenwerden.
0,7mm.
12. Einbau der Bananenbuchserot in das Gehäuseunterteil.
Bohrungenfür Potentiometer2000 auf 1,3mm aufweiten. Es ist zweckmäßig,vor dem Einbau den farbigen Kopf vom
3. BrückeausSchaltdrahtunterIC-Fassung
auf Platineein- Metallgewinde der Buchseabzuschrauben,und den vorderen
löten.
Teil des Metallgewindes mit wenig Zweikomponentenkleber
4. Bestückung der Platine nach Bestückungsplan(s. einzustreichen.Dann wird der farbige Kopf wieder aufgeAbb.8). Zterst die Widerständeund die lC-Fassung(Brücke schraubt. Jetzt kann der Buchsenkopf hinten ebenfalls mit
nicht vergessen!)
einlöten,dann die Kondensatoren,
wobei Zweikomponentenkleber eingestrichenund in die Gehäusebei demElektrolytkondensator
auf die Polungzu achtenist.
bohrung eingesetzt werden. Der farbige Buchsenring wird
Danachdie Diode (Polungbeachten),die Spannungsregler von der Gehäuseinnenseiteher auf das Gewinde übergeund die Feldeffekttransistoren
einlöten.
streift, nachdem er ebenfalls mit Zweikomponentenkleber
5. Die WiderständeR3, R7 und R8 werden in einem bestrichenwurde. Die Bananenbuchsekann sich dann später
Abstandvon ca. 5 mm mit jeweilseinemAnschlußauf der
im Gehäuse nicht mehr lockern. Die Buchse erhält eine
Bestückungsseite
der Platinesenkrechtnachobenstehendin
Unterlegscheibeund zwei Muttern, wobei eine zum Kontern
den LötaugenI Yl und Y2 eingelötet.DieseWiderstände dient.
werdenspätermit dem zweitenAnschluß an den entspre- 13. Vor dem Einbau der Platine in das Gehäuse kann die
chendenBNC-Buchsenangeschlossen.
Spannung hinter den beiden Spannungsreglernkontrolliert
6. Auf der Kupferseiteder Platine werden kurze Schalt- werden (s. Abb.9). Dazu wird ein Voltmeter zwischen Masdrahtstückevon ca. 3 cm Längein die LötaugenKA, KE u.
seanschlußund Pin 14 der lC-Halterung (ohne eingesetztes
4 BauanleitungNadelimpulsgenerator
26
PdN-Ph.1/40
NeueExperimentiergeräte
Abb.7: Bohrschablonen (alle Bohrungen in mm). Bohrschablonen
auf das Gehäuse legen und Bohrmittelpunkte durchstechen,
a: Gehäuseoberleil; b: Gehäuseuntefieil
a)
+
o=
+ - + l-e
Buchse
Außenseite
S
P
2000
b)
C) angeschlossen.Wird zwischen Masseanschlußund P+
(Kabel rot) eine regelbare Spannungsquelle angeschlossen,
so muß die Spannung an Pin 14 ab 5 V konstant bleiben.
Ebenso kann die Spannung hinter dem Spannungsregler
78 L 15 kontrolliert werden, indem das Voltmeter an die beiden Anschlüsse von C3 angeschlossenwird. Hier muß die
Abb. 8: Bestückungsplan NG (vergrößert 1:1,4)
*@r\
ül rl
öö
?A
",
.r@l*)h
:fios
-T
10pF
PdN-Ph.1/40.
Brücke
äil
Spannungab 15V konstantgehaltenwerden.Bei eingesetztem IC 74132beträgtdie Stromstärkeca. 40m4.
Die Platine
14. Einbau der Platinein das Gehäuseoberteil.
wird vom Potentiometer im Gehäuseoberteilgehalten.
Damit sie nicht auf dem Alu-Blech aufsteht, wird eine
Unterlegscheibezwischen Potentiometerund Alu-Blech
unterlegt.
15. Einbau des Schalters in das Gehäuseoberteil(s.
Abb.10-12).
16. Anschluß des Schalters,der BNC-Buchsenund des
an die Platine (siehePkt.5 u. 6). Die
Masseanschlusses
Drahtenden dürfen dabei nicht stramm angelötet werden,
Abb.9: Schaltplan Stromversorgung mit Spannungsreglern und Verpolungsschutzdiode
f,frKffi
max
20\,/
@lr _ '
27
Physik
Abb. 10: Schaltung des Nadelimpulsgeneraton NG [3]
8F244 -
'I'E-
c3l
f-t
8F244
Koäxialkabel
sondernsie sind zu Schlaufenzu verbiegen(auch bei den
Widerständen),so daß keine mechanischenSpannungen
auftreten
desGehäuses
beim Drückenauf die Seitenwände
können.
Kabelrot
17. VerbindungdesStromversorgungsanschlusses
der beiden
rot. BeimZusammenbau
mit der Bananenbuchse
Gehäusehälftenist darauf zu achten, daß die BananenbuchsekeinenKontakt mit anderenTeilenhabenkann.
4.1 Anschtußder BNC-Steckeran das Koaxialkabel
Ahb. ll:
\ l d e l i m p r r l s g e n e r a l o ri m ( i e h a r r s e
'1
,, ir
, 11g'n111
, ,
Abb. 12: Schaltung im Gehäuseoberteileingebaut
Abb.13: Anschluß der BNC-Stecker am Koaxialkabel
l. Die Schraube@ die Unterlegscheibe
@ die Gummitülle
@ und der Metallringkonus@ werdenüber das Kabelende
gestreift.
2. Vom Kabelmantel@ wird mit Hilfe einerRasierklingeein
Stückvon 9mm Längevorsichtigentfernt.Dabeidürfen die
nicht verletztwerden!
Drähte@ desAbschirmgeflechtes
B.
einer Zirkelspitze entz.
mit
Hilfe
Drahtgeflecht
3.
flechten.
etwasIsolier4. Ggf.'mußbei zu kleinemKabeldurchmesser
band @ um das Kabelendegewickeltwerden, so daß der
sitzt.
konischeMetallring @ fest am Isolierschlauchende
werdenca. zweiMilli5. Die DrähtedesAbschirmgeflechtes
meter über den konischenMetallring überstehendabgeschnittenund gleichmäßigverteiltum den Konusherumgebogen.
O.ble Gummitülle@, die Unterlegscheibe
@ und die ÜberKonusring
den
an
werden
wurfmutter @
@ herangeschoben.
7. Die Isolierung@ der Kabelseele
@ wird 4mm über den
mit Hilfe einer RasierklingevorKonusring@ Uberstehend
sichtigentfernt.Dabei darf die Kabelseele
@ nicht verletzt
werden.
8. In die Bohrung des Stiftes @ wird lätzinn gebracht,
indem der Stift @ senkrechtstehendgehaltenund mit dem
Iötkolben erwärmt wird. Die Kabelseele@ wird verzinnt
und in die Bohrung des Stiftes@ eingelötet.
und
mit Bajonettverschluß
9. Das BNC-Buchsen-Vorderteil
gesteckt
mit
der
und
Rändelringwird über den Stift @
im
oder
(Vorderteil
mit
Zange
Schraube@ fest verschraubt
gegenhalten).
Schraubstock
Stückliste:Nadelimpulsgenerator
IC I Spannungsregler
lC 2 Spannungsregler
IC 3 4-fach SchmittTrigger
28
78L15
78L05
sN 74 132
PdN-Ph.1/40.