TP9 - Líneas de Transmisión

Medidas Electrónicas I. Trabajo Práctico Nº9. Líneas de Transmisión.

Autores: Alcázar, Diego J.. Gutierrez, Diego. Nieto, Martín. Morini, Andrés.

Leg.: 52331 Leg.: 57972 Leg.: 60788 Leg.: 57558

Grupo Nº3

Curso 4R1

Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Córdoba

Ingeniería Electrónica

Objetivo: Determinar mediante mediciones, algunas de las características principales de una línea de transmisión. Materiales: -Osciloscopio de doble trazo. -Puntas de prueba x10. -Generador de funciones con salida de onda rectangular y ajuste de ciclo de trabajo. -Tramos de línea de transmisión, ejemplo: cable multipar UTP1. -Potenciómetro de 1KΩ o valor próximo.

Introducción. Los diversos tipos de líneas de transmisión que se utilizan en sistemas de comunicaciones y/o redes de datos para interconectar dos puntos, se distinguen entre sí por sus características mecánicas y eléctricas; respecto a estas últimas, son principalmente la impedancia característica, la atenuación y el ancho de banda que puedan soportar. En principio, la impedancia característica de una línea de transmisión puede determinarse con la ayuda de un puente de corriente alterna u otro instrumento similar que permita medir inductancia y capacitancia, ya que su valor se define como: Z0 =

√

L C

dónde L es la inductancia total de la línea medida entre los dos terminales de un extremo con el otro extremo puesto en cortocircuito, y C es la capacitancia total entre los dos terminales con el extremo terminado en circuito abierto. En la práctica no siempre es posible determinar Z 0 basándose en la anterior definición/expresión, dado que la misma no contempla las pérdidas o atenuación debidas principalmente a la resistencia asociada, y que siempre están presentes. Por otro lado hay que tener en cuenta que la medición de capacitancia e inductancia en una línea de transmisión, puede efectuarse con puentes a condición de que la longitud de onda de la frecuencia usada por el mismo sea muy grande comparada con la longitud física del tramo de línea que se mide. Una alternativa, es el empleo de métodos reflectométricos, el cual consiste en aplicar un pulso o forma de onda con flanco abrupto a una punta de la línea, se espera que al llegar al extremo opuesto se refleje, y se detecta cuando retorna al punto de partida. La comparación de la amplitud del pulso reflejado con el aplicado,

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Unshielded Twisted Pair (Par Trenzado No Blindado).

Medidas Electrónicas I.

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y la medición del tiempo que se invierte en el viaje de ida y vuelta permiten determinar varias características de la línea.

Procedimiento. Experiencia 1: Determinación de la velocidad de propagación en una línea de transmisión, mediante método reflectométrico. El método de medición por reflectometría se puede implementar mediante el uso de un osciloscopio y un generador de funciones que proporcione una forma de onda de salida que contenga un flanco abrupto, como por ejemplo un tren de pulsos rectangulares de corta duración2, el cual se aplica a uno de los extremos de la línea. Si el otro extremo se termina en un cortocircuito o en circuito abierto, se producirá una reflexión de la señal, que retorna al extremo de entrada superponiendose con la señal del generador, el cual puede observarse con el osciloscopio conectado convenientemente. La forma de onda requerida es posible obtenerla, si en el generador de funciones se ajusta el control de “simetría”, o lo que es lo mismo, el control del ciclo de trabajo de la señal, permitiendo variar el tiempo en que la señal se encuentra en alto dentro del periodo de la misma. Un ejemplo de esto se observa en la Figura 1.

Figura 1 - Representación de una señal con variación de ciclo de trabajo. Para el presente ensayo se debe montar el esquema de medición como lo señala la Figura 2.

Figura 2 - Conexiones para la medición. 2

Sino no se dispone del tren de pulsos, es posible usar una onda cuadrada.


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Lo que se espera observar en la pantalla del osciloscopio se detalla en la Figura 3, que corresponden a la línea terminada en circuito abierto ( S1/Rc abierto) y línea terminada en cortocircuito ( S1/Rc cerrado).

Figura 3 - Ejemplos de oscilogramas a obtener. Dichas gráficas pueden ser interpretadas de la siguiente forma, la señal tren de pulsos se aplica a la línea de transmisión a través del resistor R ; centrándonos en uno de los pulsos para hacer un análisis sencillo, este se propaga por la línea hasta alcanzar el extremo final de la misma. Si la línea finaliza en circuito abierto, el pulso se refleja con la misma fase, y cuando retorna al extremo inicial (en el punto de unión de R y la línea) se superpone sumándose con la señal de entrada. Si por el contrario, la línea termina en cortocircuito, el pulso se refleja con fase opuesta y por lo tanto, cuando retorna se resta con la señal de entrada. Dado que el resistor R desadapta la impedancia del generador, el proceso se repite dando lugar a sucesivas reflexiones, cuyas amplitudes irán disminuyendo por efecto de la atenuación. En la práctica, los oscilogramas que se esperan obtener serán más parecidos a los de la Figura 4 que a los de la Figura 3.

Figura 4 - Oscilogramas a obtener en la práctica. El efecto observado en los bordes de los pulsos se debe principalmente al ancho de banda limitado del generador y del osciloscopio utilizado. Un dato importante detallado en la Figura 3, es el tiempo de propagación tp que representa el tiempo que la señal necesita recorrer la línea, ida y vuelta; es decir que para el cálculo de la velocidad de propagación vp de la línea, debe duplicarse la longitud. Ya con este dato es posible calcular la constante de propagación K . vp =

2*llínea tp

K=

vp c


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De dónde: vp : velocidad de propagación expresado en m/seg . llínea : longitud de la línea de transmisión expresada en metros. tp : tiempo de propagación expresado en segundos. K : constante de propagación. c : velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente 3* 108m/seg .

Los resultados de la presente experiencia han sido consignados en la Tabla 1.

Generador

Frecuencia 300KHz

Salida

Osciloscopio

V/Div

10V pp Ch1: 10 Ch2: 1

T/Div 500nseg

Longitud de la línea

Resistor

R

L 140m 3

470Ω

Tiempo de propagación

tp 1, 38μseg

Velocidad de propagación vp

Const. de propagación

K 2, 03 * 109m/s

0, 6768

Tabla 1 - Resultados. De éste ensayo, se obtuvo Imagen 1, correspondiente a la captura de pantalla del osciloscopio.

Imagen 1 - Determinación tiempo de propagación.

Este valor resulta de multiplicar el valor indicado en la línea por un factor de 4, véase el apartado Consideraciones Prácticas para más detalles.. 3


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Experiencia 2: Determinación de la impedancia característica de una línea de transmisión mediante método reflectométrico. La disposición de los instrumentos será la misma que la del experimento anterior, Figura 2, con idéntica forma de onda de salida del generador; se utilizará el potenciómetro colocado en el extremo final de la línea como resistor variable de tal forma que al ajustarlo la forma de onda observada con el osciloscopio en el punto de unión de R con la línea sea idéntica a la forma de onda de salida del generador4 . Esta situación se dará únicamente cuando el valor de resistencia del potenciómetro sea igual al valor de la impedancia característica de la línea, pudiendo medir de forma indirecta la Z 0 midiendo el valor del potenciómetro ajustado. En la Figura 5, se muestra un ejemplo de lo que se espera observar en el osciloscopio, cuando el valor del potenciómetro sea calibrado al valor de la impedancia característica de la línea.

Figura 5 - Oscilograma esperado al adaptar la línea con la carga. El valor de impedancia característica obtenida en el ensayo es de: Z 0 = 112Ω

En la Imagen 2, se aprecia la captura de pantalla del osciloscopio bajo la condición de impedancia adaptada.

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O sea no existe reflexión.


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Imagen 2 - Condición de línea adaptada.

Experiencia 3: Medición de la atenuación por unidad de longitud. La medida de la atenuación es conceptualmente simple, ya que en principio bastaría con aplicar una señal conocida V e en un extremo de la línea y luego medir su amplitud en la salida de la misma V s . Conocidos estos datos, la atenuación en dB se calcula como: AtenuacióndB = 20 * log(VV es )

Para los fines prácticos, se puede considerar que V e es la amplitud del pulso aplicado a la entrada de la línea y V s es la amplitud del pulso reflejado, observado en el mismo punto. La disposición de los instrumentos se hará como lo indica la Figura 6, la forma de onda empleada es la misma que en las experiencias anteriores5 , con la salvedad que en el extremo de salida de la línea de transmisión a ensayar se reemplazará el potenciómetro por una llave, la que actuará como condiciones de circuito abierto o cortocircuito.

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La frecuencia de la señal se debe ajustar hasta obtener un oscilograma adecuado.


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Figura 6 - Esquema de conexión.

Los datos relevados se consignan en la Tabla 2. Condición en extremo de línea

Longitud de la línea

Ve

Circuito Abierto

140m

8V pp

Cortocircuito

140m

8, 8V pp

Atenuación

Vs

Total

Por unidad de longitud

6V pp

2, 49dB

8, 92 * 10−3dB/m

4, 8V pp

5, 26dB

18, 8 * 10−3dB/m

Tabla 2 - Resultados.

Imagen 3 - Segunda reflexión por efecto de la desadaptación. Circuito abierto.


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Imagen 4 - Sin segunda reflexión, adaptada del lado del generador. Circuito abierto.

Imagen 5 - Sin segunda reflexión, adaptada del lado del generador. Cortocircuito.

Consideraciones Prácticas. Un dato no menor, a tener presente, es el circuito empleado para realizar las distintas experiencias propuestas, Figura 7. Como se observa en dicha figura, se ha dispuesto los los distintos conductores del cable UTP , en forma de serie, por lo tanto la longitud física del rollo de cable, bajo estas circunstancias se vé incrementada en un factor de 4 veces.


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Figura 7 - Diagrama de conexión del ensayo.

Conclusiones. Una línea de transmisión utilizada para el transporte de señales digitales(tramas o paquetes de “ceros” y “unos”) mal adaptada, provocaría errores en los datos enviados o recibidos, ya sea desde un Transmisor y/o un Receptor debido a la aparición de reflexión. Como se muestra en la Figura 7, el cable ensayado de longitud considerable( 35m de longitud física en nuestro caso, los conductores eran de mayor longitud6 ), se lo dispuso en forma de “rollo” o bobina, simplemente para mayor practicidad. Ahora bien, esta forma de arrollamiento, eléctricamente se comporta como una bobina/inductor. Para solventar este inconveniente, se realiza en las “cajas de conexión” de las fichas RJ45 , puentes eléctricos entre los hilos conductores del cable UTP; así se está convirtiendo el arrollamiento en NO inductivo, cancelando el flujo magnético generado por la corriente que circula de derecha a izquierda (campo magnético con sentido antihorario) y la corriente que circula de izquierda a derecha (campo magnético con sentido horario); en suma, se extiende considerablemente la longitud del conductor. Consideramos necesario el uso de un arrollamiento no inductivo para evitar errores en la medición provocados por inducciones de la señal.

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Ver Consideraciones Prácticas para más detalles.


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El Crosstalk o diafonía es la perturbación producida por una señal transmitida en una línea de transmisión que afecta a otra. En el caso de cable UTP se da generalmente a acoplamientos magnéticos entre los elementos o como consecuencia de desequilibrios de admitancia entre los hilos. Se mide como la atenuación existente entre el circuito perturbador(señal presente en él) y el perturbado(dónde se induce la señal del perturbador), y se denomina a tenuación de diafonía . Para las mediciones del tiempo de propagación, vemos como ventaja utilizar la línea terminada con circuito abierto, ya que la onda reflejada presenta una amplitud importante y puede ser distinguida con facilidad. El método de medición de atenuación de la línea ensayado en la Experiencia 3 , a priori puede resultar útil y sencillo en una medición de campo (dado que se analiza desde un sólo extremo de la línea; y en un caso real los extremos de la línea pueden estar muy separados físicamente), no será aplicable si el conjunto línea de transmisión y carga se encuentran correctamente adaptados, ya que, como se comprobó en la Experiencia 2, el efecto de la adaptación de la línea y la carga eliminan los pulsos reflejados, imposibilitando así la determinación de la atenuación.

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Por último, el método reflectométrico tiene aplicación en áreas como: Radares. Diagnóstico de líneas de transmisión7 , cables coaxiales y antenas. Ecografías. Imágenes por RMN8 . Ensayos no destructivos de piezas industriales.

Por puente reflectométrico, similar a un puente de Wheatstone. Resonancia Magnética Nuclear.


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