Warstwa fizyczna sieci...

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.

 

 HP54540A Digitizing Osscilloscope

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


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

  • pasmo przenoszenia – 500 MHz,
  • współczynnik podziału 10:1,
  • oporność wejściowa 10 MΩ,
  • pojemność wejściowa 12 pF.

 

 LeCroy PP06 Passive Probe

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.

 

Assymetrical measure of Ethernet signals using passive probe

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:

  • pasmo przenoszenia – 500 MHz,
  • współczynnik podziału 10:1,
  • oporność wejściowa 1 MΩ,
  • pojemność wejściowa 9 pF;

 

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.

 

HP - Agilent 10441A Passive Micro-Probe

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).

 

 Measure of Ethernet signals using two passive probes and math functions embeded in osscilloscope

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).

 

Measure of differential Ethernet signal using two passive probes 

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.

 

Active differentail probe - Tektronix P606 with differential amplifier

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:

  • Pasmo przenoszenia – 100 MHz,
  • Współczynnik podziału 100:1,
  • Oporność wejściowa 100 MΩ,
  • Pojemność wejściowa 3 pF,
  • CMRR12 10000:1 dla 50 kHz, 5000:1 dla 1 MHz;

 

 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.

 

 Measure of Ethernet network signals using active differential probe

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.

 

Measure differential Ethernet signal using active differential probe

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.

 

Modification of Network Interface Controller by adding two sockets for differential probe

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.

Logo PZK h15 200dpi

Ruch Obywatelski Miłośników Broni