3.1.2 Metodyka wykonywania pomiarów oscyloskopowych w sieciach Ethernet

 Do przeprowadzenia pomiarów napięć, kształtów, częstotliwości i zależności czasowych sygnałów w Ethernecie użyłem oscyloskopu₁ rejestrującego Hewlett Packard HP64546A (Fot. 14), o paśmie 500MHz, maksymalnej częstotliwości próbkowania 2 GSa/s₂, wyposażonego w szereg sond₃ pasywnych₄ i różnicową₅ sondę aktywną₆.

Fot. 14 Oscyloskop Hewlett-Packadrd 54540A [fot. własna]

 Pierwsze próby pomiarów przeprowadziłem przy użyciu sondy pasywnej LeCroy PP006₇ (Fot. 15) o następujących parametrach:

Fot. 15 Sonda pasywna LeCroy PP006 [fot. własna]

Pomiarów dokonywałem w punktach przyłączenia gniazda RJ-45 do hybrydowego zespołu transformatorów oraz po ich stronie pierwotnej, w punkcie wyjściowym układu nadajnika (Fot. 16). Pomiary odniesione do masy karty sieciowej okazały się być obarczone dużym poziomem zakłóceń indukowanych w przyłączonym kablu. Wykonanie pomiarów w odniesieniu do przeciwnego bieguna symetrycznego wyjścia, ze względu na konieczność przyłączenia masy oscyloskopu do wyjścia układu mogłoby spowodować uszkodzenie stopnia wyjściowego mierzonego układu i jako takie zostało przeze mnie wykluczone₈. Próba dokonania pomiaru na wyjściu transformatora przy podłączeniu równoległym do styków pary 1-2 powodowała znaczne, wyraźnie widoczne odkształcenie przebiegu ze względu na nierównomierne obciążenie linii. Wyraźnie widoczna asymetryczność zdyskwalifikowała zrealizowane tą drogą pomiary. Ponadto przyłączenie do układu w ten sposób powodowało zakłócenia w transmisji.

Fot. 16 Pomiar asymetryczny linii TX+, sondą pasywną w odniesieniu do masy [fot. własna]

 Znając symetryczny charakter przebiegów i problemy związane z odniesieniem mierzonych sygnałów do masy w drugim etapie poszukiwań postanowiłem wykorzystać dwie mikrosondy pasywne HP 10441A₉ (Fot. 17) o parametrach:

podłączone odpowiednio do linii TX+/TX- i masy lub styków 1 i 2 złącza RJ-45 w odniesieniu do środkowego odczepu wtórnego uzwojenia transformatora wyjściowego.

Fot. 17 Mikrosonda pasywna HP - Agilent 10441A [fot. własna]

 Jednoczesne podłączenie dwóch sond do sąsiednich styków układu było możliwe, dzięki ich niewielkim wymiarom i zaczepom (Fot. 18).

Fot. 18 Pomiar różnicowy Tx+/Tx- , dwiema sondami pasywnymi [fot. własna]

 Dzięki wykorzystaniu funkcji prezentacji różnicy sygnałów dostarczanych do dwóch kanałów oscyloskopu udało się zarejestrować przebiegi, zbliżone do oczekiwanych, niemniej jednak zawierające dużą ilość zakłóceń. Ponadto zauważalne różnice w symetrii przebiegów o dodatniej i ujemnej polaryzacji dowodzą, że nie jest to optymalna metoda wykonania pomiarów (Rys. 20).

 

Rys. 20 Pomiar różnicowy linii Tx+/Tx- dwiema sondami pasywnymi [opracowanie własne]

 Dwa złożone przebiegi z kanałów c1 (Tx+) i c2 (Tx-1) widoczne u dołu oscylogramu składają się na wyliczony przez oscyloskop przebieg widoczny w środkowej części oscylogramu. Skomplikowany sposób uzyskania wyników, poziom szumów dochodzący do 10% amplitudy rejestrowanych przebiegów i widoczne odkształcenia spowodowały że w poszukiwaniu lepszych rezultatów zmuszony byłem do sięgnięcia po różnicową sondę aktywną₁₀.

Fot. 19 Różnicowa sonda aktywna Tektronix P6046 ze wzmacniaczem i tłumikiem [fot. własna]

 Do przeprowadzenia prób wykorzystałem sondę aktywną Tektronix P6046₁₁ (Fot. 19) o następujących parametrach:

 wraz z wzmacniaczem o regulowanym wzmocnieniu, pozwalającym na ustalenia współczynnika podziału zespołu sonda – wzmacniacz w zakresie 200:1 – 1:1. Zastosowanie sondy różnicowej powoduje konieczność jej zasilenia, przełączenia wejścia oscyloskopu w tryb niskiej impedancji (50Ω) oraz uwzględnienie współczynnika podziału sondy 200:1.

Pierwszych pomiarów dokonałem przy użyciu nasadek, pozwalających regulować odstęp końcówek pomiarowych.

Fot. 20 Pomiar sondą różnicową na wyjściu układu transformatora hybrydowego [fot. własna]

 Zarejestrowałem w ten sposób przebiegi o wysokim odstępie sygnału od szumu i dobrej symetrii (Rys. 21). Uznałem, że jakość i dokładność wykonanych w ten sposób pomiarów będzie wystarczająca do potrzeb dydaktycznych, jako że zachowują one istotę przebiegów, nie zmuszając studentów do analizowania ewentualnych zakłóceń.

Rys. 21 Pomiar sondą różnicową na wyjściu układu transformatora-filtra hybrydowego [opracowanie własne]

 Ze względu na konieczność przeprowadzenie wielu różnorodnych pomiarów i związane z tym niedogodności₁₃ (Fot. 20) przy jednoczesnej obsłudze oscyloskopu, komputera wyposażonego w badaną kartę i przyłączanie sondy postanowiłem dokonać modyfikacji badanej karty (Fot. 21) poprzez zainstalowanie dodatkowych gniazd pomiarowych. Rozwiązanie to pozwoliło wykonać serię pomiarów w różnych punktach bez konieczności manualnego trzymania sond. Zastosowane gniazda koncentryczne pochodzą z zestawu sondy P6046. Gniazda zostały przyłączone do mierzonego układu za pomocą skręconej pary przewodów w izolacji teflonowej, przylutowanych do wybranych par punktów np.: wyjścia Tx+/Tx- nadajnika, styki 1 i 2 gniazda RJ-45.

Fot. 21 Modyfikacja karty 3Com 3C 905C-TX-M, pozwalająca na pomiar różnicowy przed transformatorem liniowym na karcie zainstalowanej w komputerze [fot. własna]

powrót do rozdziału 3

1. Oscyloskop – elektroniczny przyrząd pomiarowy służący do zobrazowania przebiegu wartości napięcia w funkcji czasu. Często oprócz samego zobrazowania pozwala na dokonanie pomiarów czasu, częstotliwości, napięcia, współczynnika wypełnienia, nachylenia zbocza i wielu innych parametrów charakterystycznych – przyp. aut. Pełna specyfikacja oscyloskopu cyfrowego HP54540A patrz: „HP 54520 and HP 54540 Series Oscilloscopes user's Reference” (98).
2. GSa/s (ang. Giga Samples / seconds) – liczba próbek (sampli) pobieranych z mierzonego przebiegu w ciągu sekundy, wyrażona w milionach – przyp. aut.
3. Sonda oscyloskopowa – sonda przeznaczona do dokonywania pomiarów w układach elektrycznych i elektronicznych przy użyciu oscyloskopu. Odpowiednio dobrana sonda pozwala podłączyć oscyloskop do mierzonego obwodu w sposób zapewniający pomiar niezakłócający pracy mierzonego obwodu, zapewniając przy tym wierne odwzorowanie kształtu przebiegu. Zazwyczaj wprowadza opóźnienie wynikające z zastosowanego wzmacniacza/dzielnika i długości przewodu pomiarowego – przyp. aut.
4. Sonda pasywna – sonda wyposażona w skompensowany częstotliwościowo dzielnik napięcia, o stosunku 10:1 (lub innym znanym), nadaje się do wielu zastosowań, gdzie mierzony jest sygnał w jednym punkcie, odniesiony do potencjału zerowego (masy). Charakterystycznymi parametrami takiej sondy są: oporność wejściowa – zazwyczaj ok. 10 megaomów, pojemność wejściowa 5-7 pF, współczynnik podziału, Pasmo przenoszenia i dopuszczalne napięcie wejściowe – zazwyczaj do 250 V – przyp. aut.
5. Sonda różnicowa – sonda pozwalająca mierzyć sygnały symetryczne względem potencjału zerowego (masy) jak również nie odniesione do potencjału zerowego. Ze względów konstrukcyjnych – niezbędny wzmacniacz różnicowy na wejściu jest to odmiana sondy aktywnej – przyp. aut.
6. Sonda aktywna – sonda wyposażona w zintegrowany wzmacniacz którego wejście znajduje się w głowicy sondy, tuż przy badanym obwodzie. Oferuje lepsze parametry, mniej obciąża badany obwód, zapewnia większą dokładność pomiaru, posiada szczątkową pojemność wejściową (poniżej 1pF) i impedancję w zakresie od setek megaomów do gigaomów. Zakres napięć wejściowych sond aktywnych sięga kilkunastu woltów – przyp. aut.
7. Pełna specyfikacja parametrów sondy LeCroy PP06 – patrz: „Probe PP006 User's Manual” (99).
8. Więcej informacji na temat metodyki wykonywania pomiarów sygnałów elektrycznych za pomocą oscyloskopu cyfrowego, a także interpretacji wyników badań przeprowadzonych za jego pomocą – patrz: „Pomiary oscyloskopowe” (91).
9. Pełna specyfikacja parametrów sond HP10441A – patrz: „HP 10400A Miniature passive probes operating note” (100).
10. Informacje o metodach pomiaru sygnałów w Ethernecie – patrz: „Ethernet Return Loss Measurements on a Scope” (53) i „Tektronix Test Methods of Implementation Ethernet 1000Base-T PHY” (23).
11. Pełna specyfikacja aktywnej sondy różnicowej Tektronix P6046 oraz współpracującego oz nią wzmacniacza – patrz: „P6046 Differential probe and amplifier user's manual” (101).
12. CMRR (ang. Common Mode Rejection Ration) – współczynnik tłumienia sygnałów współbieżnych – parametr charakterystyczny sond różnicowych. Zdolność do odfiltrowania przebiegów o identycznym kształcie i wartości, dostarczonych jednocześnie do wejścia odwracającego i nieodwracającego sondy – przyp. aut.
13. Poważnym utrudnieniem przy wykonywaniu pomiarów jest konieczność podłączania sond w trudnodostępnych miejscach (i ich długotrwałego utrzymania w jednym punkcie), jednoczesnego regulowania parametrów oscyloskopu i obsługi komputera - przyp. aut.