Pokus o TDR s 74HCT14
Proč? Protože jsem ho měla, protože se mi na to dostalo návodu, protože jsem to chtěla zkusit a protože v tom není „vysoké napětí“. Tím se myslí těch cca 200V, bububu. Myšlenka je celkem jednoduchá, místo pulzu se pošle hrana. Čili stačí udělat oscilátor, který bude sypat ven obdélníky, no a jejich hrana se potom nějakým způsobem ve zkoumaném vedení odrazí. Původní zapojení používalo na generování obdélníků RC oscilátor nad jedním invertorem, přičemž zbývající spojili paralelně přes systém rezistorů, přičemž se věřilo, že výstupy se dostatečně sejdou. Já jsem se rozhodla jít cestou použití jediného hradla pro výstup, no a tudíž mi z toho vyšly dva výstupy. Nebylo to úplně šťastné řešení, což vím teď, Upřímně řečeno, já toho o tady té logice řady 74×× moc nevím, přičemž ani nevím koho se zeptat. Čili ono je to celé zajímavé i z tohoto důvodu. Vymyslela jsem tedy následující běs:
Pochopitelně IC má svoje napájení, které je blokované paralelní kombinací keramických kondenzátoru 100nF a 1μF, což se ukázalo jako důležité. Pokud se ptáte proč jsou hradla takto poházená, má to jediný smysl. Zkuste si nakreslit jak se to bude zapojovat na bastltisku. Proti vývodu 2 je vývod 13, proti vývodu 3 je vývod 12, vývody 11 a 12 jsou vedle sebe a 5 a 9 jsou zase naproti sobě. Takto máte naprosto nejkratší možné spoje.
Na rozkmitání krystalu by sice stačil jediný invertor, avšak v IC je jich dost a navíc by to znamenalo zatěžovat výstup krystalu dvěma paralelně řazenými vstupy, čemuž jsem se chtěla vyhnout. Nemám vůbec představu jakou vstupní a výstupní impedanci ty vstupy/výstupy mají.
Nezatížený výstup potom vypadá nějak takto:
Troufla jsem si použít nezatížený výstup přivedený na 1MΩ vstup osciloskopu, což v žádném ohledu není ideální, neb na vyšších kmitočtech dochází k zatížení vstupní kapacitou zesilovače, navíc může docházet k odrazům, ale vzdhledem k tomu, že vzdálenost mezi výstupem IC a vstupem osciloskopu byla v řádech nižších centimetrů a vzhledem k tomu, že výstup 74HCT×× logiky opravdu nikam nespěchá, v tom nevidím příliš velký problém. Přirozeně to limituje šířku pásma na nižší stovky MHz a poněkud více to přiohne náběžné/sestupné hrany, nicméně i tak jsem se dostala na nějakých 5.6ns, což je imho vrchol možností té technologie.
Za povšimnutí stojí zvlnění těsně před náběžnou/sestupnou hranou. Tedy těsně, nějakých 50ns. Nevím co to přesně je, ale předpokládám, že se jedná o počínající reakci na překlopení hradla distribuovanou přes napájení IC.
Nicméně zpět k zamýšlenému použití. Takto bude vypadat reakce na vedení s rozpojením na konci:
Na náběžné i sestupné hraně vidíte postupně odrazy mezi počátkem a koncem vedení. Čas 20ns tedy urazí signál přes vedení dvakrát, zpoždění 10ns tedy odpovídá elektrické délce 3m. Přesnější měření lze provést v detailu:
Obdobně lze pozorovat i reakci na zkratované vedení, zde se pochopitelně signál odráží s opačnou polaritou.
A opět detail:
Je tedy vidět, že k prostému vyhledání zkratu či rozpojení na nějakém vedení, stejně jako k určení elektrické délky vedení a z toho koeficientu zkrácení v zásadě možné je, ale ve srovnání s pulzem vytvořeným lavinovým průrazem máme daleko menší rozlišení, protože chybí strmost pulzu. Nicméně použitelné to zjevně je.
Pro úplnost ještě ukážu spektrum generovaného signálu:
Vidíte tedy celkem klasický hřebínek. Podotýkám, že v
tomto případě není výstup generátoru zatížen. Pro porovnání, totéž
získané spektrálním analyzátorem:
Podotýkám, že můj spektrální analyzátor pracuje až od 10MHz výše, na vstupu jsem tedy použila dolní propust a spínaný směšovač na 120MHz. Generátor je v tomto případě jednak zatížený 50Ω, což způsobí pokles úrovně o 6dB, dále následuje 40dB attenuátor a nějaký útlum má též spínaný směšovač.
Pokračování spektra s vyřazeným směšovačem. Zde je názorně vidět, že logika řady 74HCT×× opravdu nikam nespěchá. Dále je vidět, že jediné hradlo má s 50Ω výstupem, tedy proudem 50mA, již opravdu hodně práce, takže paralelní řazení hradel je možná lepším řešením. Celkově mne to tedy vede k přesvědčení, že myšlenka je použitelná, ale 4MHz jsou možná trochu moc bude-li třeba vyšetřovat delší vedení.
Závěrem předvedu ještě jednu variantu, kde používám oba výstupy. Jeden z nich se používá jako reference a trigger (kanál 2 osciloskopu), druhý se používá pro vlastní napájení měřeného vedení přes SMA T-kus, přičemž napětí se v T-kusu snímá pomocí sondy 1:10 a BNC redukce (do kanálu 1 osciloskopu). Podotýkám, že v tomto případě je výstup méně dušen parazitní kapacitou 1MΩ vstupu osciloskopu, takže hrany se jeví jako strmější (to je mimochodem důvod, proč se má primárně používat sonda 1:10, tedy není-li k disposici nějaká aktivní. Prvním problémem je rozdílná délka kabelu vedení mezi výstupem generátoru a vstupem 2 osciloskopu na jedné straně a přívodním kabelem sondy na straně druhé. Přirozeně by šlo udělat (elektricky) stejně dlouhé kabely, ale je to spousta šolichání, takže zpozdit jeden ze signálů přímo v osciloskopu se jeví jako snadnější řešení. Proto tedy kanál 1 osciloskopu pokračuje do Resample na kanále D, odkud vede na Average na kanále B. Kanál 2 vede na Average na kanále A. A současně připojíme vedení zakončené rozpojením. Výsledek potom vypadá takto:
A zde vidíme opět naše obligátní cca 20ns zpoždění (vedení je stále stejné napříč celým článkem). Za povšimnutí stojí i jakýsi „průlez“ odražené hrany do pomocného kanálu, což prozatím netuším jak se děje, předpokládám, že se to do sebe nějakým způsobem probíjí přes napájení, přeci jen nelze nikterak blokovat napájení každého jednotlivého hradla (toto je možná nejzajímavější poznatek na tom celém a myslím, že se můj další průzkum logiky řady 74×× bude ubírat tímto směrem, tedy pokud k němu vůbec dojde).
Dále si ukážeme vedení zakončené zkratem:
A opět totéž v detailu náběžné hrany:
A též sestupné hrany, která je poněkud strmější než náběžná, takže i odrazy jsou poněkud „kontrastnější“:
Povšimněte si prosím rozdílu mezi strmostí referenční hrany (kanál A) a hrany získané z druhého výstupu pomocí sondy 1:10 a 1MΩ vstupu (kanál B). A to celé ještě můžete porovnat s hranou přivedenou přímo na vstup osciloskopu (výše). Rozdílná strmost, ve které se mimo jiné odráží i kmitočtová šířka vstupu osciloskopu, je v tomto případě jasně nápadná. A to ta 74HCT×× logika opravdu nikam nespěchá.
Pro úplnost se ještě podíváme na vedení zatížené 50Ω terminátorem, tedy vedení zatížené jeho charakteristickou impedancí:
Jak vidíte, na vedení nejsou patrny žádné odrazy a to ani v detailu:
Nevím má-li smysl pokračovat tímto směrem s dalšími experimety. Především, snadným řešením je použití pulzu z lavinového průrazu. Je to konstrukčně jednoduché a zatím to vracelo nejlepší výsledky. Pokud bych se už chtěla zbavit vyšších napětí, nabízí se použití nějakého budiče pro optické vysilače (což je ale cesta, kterou absolutně nemám prošlápnutou), kde se dá dosáhnout strmosti hrany řádově v desítkách až stovkách ps. Myslím si, že kdybych ten 74HCT14 nenašla v šuplíku, asi bych se tím vůbec nezabývala, na druhou stranu se ale může jednat o použitelné řešení. Já jsem svoje řešení s 74HCT14 postavila na bastltisku v průběhu zhruba jedné hodiny.
Pulser založený na lavinovém průrazu jsem stavěla z MMBT3904, čili SMT, metodou prototypování známou z mikrovlných konstrukcí, kde se spoje vystřihují ze samolepicích měděných pásků, což je technika, která bude pro mnoho zájemců jistě novinkou, navíc málokdo má v dnešní době na stole zdroj do 200V.
No a ještě jedno ponaučení z toho plyne. O logice řady 74×× toho opravdu moc nevím, což by příležitostně stálo za průzkum bojem. Ony tedy tyto obvody v dnešní době nejsou nějak zvlášť užitečné (a je poměrně diskutabilní zda někdy v minulosti byly), nicméně zajímavé by to jistě bylo.
Komentáře
Okomentovat