DE102017108955A1

DE102017108955A1 - Prüfvorrichtung und verfahren zur ortsaufgelösten impedanzmessung von datenkabeln für ein fahrzeug

Info

Publication number: DE102017108955A1
Application number: DE102017108955.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Neumeier
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-10-31
Also published as: WO2018196926A1

Abstract

Es wird eine Prüfvorrichtung (100) zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln (102) für ein Fahrzeug vorgestellt. Die Prüfvorrichtung (100) umfasst ein Pulskabel (108); eine Spannungsquelle (104) zum Laden des Pulskabels (108) über einen hochohmigen Widerstand (106); einen Schalter (110), der dazu eingerichtet ist, das Pulskabel (108) mit einem zu prüfenden Datenkabel (102) zu verbinden, um das geladene Pulskabel (108) auf das zu prüfende Datenkabel (102) zu entladen; eine Messeinrichtung (112) zum Messen eines Spannungsverlaufs (120) zwischen dem Pulskabel (108) und dem zu prüfenden Datenkabel (102), während das Pulskabel (108) auf das zu prüfende Datenkabel (102) entladen wird; und eine Auswerteeinrichtung (122), die eingerichtet ist, den Spannungsverlauf (120) auszuwerten, um eine Störstelle ortsaufgelöst zu ermitteln.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Fahrzeuge weisen neben den Versorgungs- und Steuerungsleitungen auch immer mehr Datenleitungen im Bordnetz auf. Der Anteil an Datenleitungen im Kabelbaum wird sich in den nächsten Jahren nicht zuletzt im Zuge des autonomen Fahrens stark erhöhen. Eine Prüfung der Datenleitungen hinsichtlich der Übertragungseigenschaften erfordert die Messung von Parametern, welche aus der Hochfrequenztechnik (HF-Technik) bekannt sind. Neben den sogenannten Streuparametern (S-Parametern) gibt es als weiteren Parameter den Leitungswellenwiderstand (Impedanz). Im Labor wird die Impedanz normalerweise mit Impedanz-Analysatoren oder mit vektoriellen Netzwerkanalysatoren (VNA) durch inverse Fourier-Transformation vom Frequenzbereich in den Zeitbereich (ortsaufgelöst) gemessen. Beide Messgeräte sind komplex, empfindlich und teuer bzw. im Falle eines vektoriellen Netzwerkanalysators extrem teuer und für das industrielle Umfeld in einer Kabelbaumprüfung in der Produktion als End-of-Line-Test hinsichtlich Robustheit und Kosten wenig geeignet. Eine Prüfung von Datenleitungen ist bezüglich der zu messenden Parameter wesentlich komplexer als eine reine Anwesenheits- oder Kurzschlussprüfung.
Bis jetzt wird eine stichprobenartige Prüfung bestimmter hochfrequenztechnisch relevanter Parameter durchgeführt, beispielsweise Einfügedämpfung, Rückflussdämpfung und die ortsaufgelöste Impedanz bei Unshielded Twisted Pair (UTP) Leitungen für Automotive Ethernet. Dabei werden die Kabelbäume manuell im Labor mit dem vektoriellen Netzwerkanalysator vermessen.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine kostengünstige Qualitätskontrolle für Datenleitungen zu schaffen, die als End-of-Line-Prüfung einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug umfasst ein Pulskabel, eine Spannungsquelle zum Laden des Pulskabels über einen (hochohmigen) Widerstand, einen Schalter, der dazu eingerichtet ist, das Pulskabel mit einem zu prüfenden Datenkabel zu verbinden, um das (geladene) Pulskabel auf das zu prüfende Datenkabel zu entladen, eine Messeinrichtung zum Messen eines Spannungsverlaufs zwischen dem Pulskabel und dem zu prüfenden Datenkabel, während das Pulskabel auf das zu prüfende Datenkabel entladen wird, und eine Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, den Spannungsverlauf auszuwerten, um eine Störstelle ortsaufgelöst zu ermitteln.
Mit einer entsprechenden Prüfvorrichtung wird eine industrielle End-of-Line (EOL) Prüfung eines oder mehrerer HF-Parameter möglich. Eine ortsaufgelöste Messung der Impedanz im industriellen Umfeld stellt sehr hohe Anforderungen an die Robustheit des Messgeräts und an das Messverfahren. Mittels der Prüfvorrichtung wird eine Sicherstellung der Qualität von Datenleitungen in den Kabelbäumen erreicht. Beim Verbinden des Pulskabels mit dem Datenkabel wird durch die Entladung des Pulskabels ein Messpuls erzeugt. Der Messpuls ist eine Art Stufenfunktion, d.h. die Spannung wechselt mit einer möglichst steilen Flanke von einem ersten Spannungsniveau auf ein zweites Spannungsniveau. Der Messpuls wird auch als Entladepuls bezeichnet. Die Störstelle wird auch als Fehler bezeichnet. Unter einer Störstelle kann eine Quetschung, eine Entdrillung, ein Kabelbruch, ein Knick im Datenkabel oder ähnliches verstanden werden. Eine Störstelle verändert den Wellenwiderstand des Datenkabels und hat einen negativen Einfluss auf eine Datenübertragung. Vorteilhafterweise wird die physikalische Störstelle im physikalischen Layer erkannt und nicht nur indirekt durch eine Auswertung von Protokollnachrichten oder Fehlercodes übertragener Daten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pulskabel als ein Koaxialkabel ausgebildet, insbesondere als ein unsymmetrisches Koaxialkabel, bevorzugt mit einer Wellenimpedanz von 50 Ohm, 60 Ohm oder 75 Ohm (Ω). Dies wird auch als 50-Ohm-Koaxialkabel bzw. entsprechend, bezeichnet. Ein Vorteil von einem Koaxialkabel ist neben der Eignung zum Aufladen auch, dass dieses weder Energie abstrahlt noch aufnimmt und deshalb keine zusätzlichen Störungen verursacht. Dabei ist der Wellenwiderstand des Pulskabels bekannt. Das Pulskabel kann aufgerollt sein. Alternativ kann das Pulskabel starr sein. Das Pulskabel kann beispielsweise bei einem Testsystem in der Produktion an einer Hallendecke sich linear erstrecken.
Bei dem zu prüfenden Datenkabel kann es sich um ein Koaxialkabel und ergänzend oder alternativ um ein Kabel mit paarweise verseilten Adern handeln. Ein Kabel mit paarweise verseilten Adern wird auch als UTP-Kabel oder „Twisted Pair“ bezeichnet. „Twisted Pair“ ist die englische Bezeichnung für ein Kupferkabel mit gekreuzten, verdrillten bzw. verseilten Adernpaaren. Kabel mit verseilten Adernpaaren werden schon sehr lange bei der Signal- und Datenübertragung eingesetzt. Technisch korrekt ist es, wenn man von Verseilung oder verseilten Adernpaaren spricht. Vorteilhafterweise kann eine durch eine ungleichmäßige Schlaglänge variierende Impedanz ortsaufgelöst erkannt werden, sodass Informationen zurück in den Produktionsprozess geliefert werden können, um die Qualität zu steigern.
UTP-Kabel, also Kabel mit paarweise verseilten Adern, werden in drei Gruppen unterteilt: S/UTP mit Geflechtschirmung, F/UTP mit Folienschirmung und SF/UTP mit kombinierter Geflecht-/Folienschirmung. S/UTP-Kabel haben einen Gesamtschirm für alle verdrillten Adernpaare. Eine solche Schirmung, als Geflecht- oder Folienschirmung, verbessert die Störstrahlungseigenschaften, hat auf die Nahnebensprechdämpfung (NEXT) jedoch keinen Einfluss. Normalerweise hat das UTP-Kabel 100 Ohm Impedanz, es gibt aber einige Länder, in denen eine Impedanz von 120 Ohm bevorzugt wird. Die Impedanz darf meist über den angegebenen Frequenzbereich um bis zu ± 15% vom Nennwert abweichen.
Um in der Prüfvorrichtung ein als Koaxialkabel ausgebildetes Ladekabel mit einem als UTP-Kabel ausgebildetes Datenkabel zu verbinden wird bevorzugt ein sogenannter Balun zwischen diesen angeordnet. Das Wort Balun wird aus den Englischen Begriffen „balanced“ und „unbalanced“ zusammengesetzt. In der Elektrotechnik und Hochfrequenztechnik wird unter Balun ein Bauteil verstanden zur Wandlung zwischen einem symmetrischen Leitungssystem und einem unsymmetrischen Leitungssystem. Ein Balun wird auch als Symmetrierglied bezeichnet. Baluns arbeiten in beide Richtungen, daher gibt es den Begriff „Unsymmetrierglied“ nicht. Symmetrisch bedeutet, dass zwei gegen Massepotential gleich große gegenphasige Wechselspannungen vorliegen. Die unsymmetrische Signalübertragung erfolgt im Wesentlichen über Koaxialkabel oder Streifenleitungen. Wenn keine Impedanztransformation nötig ist, können Baluns verwendet werden, die nach dem Prinzip der Mantelwellensperre arbeiten. Wenn die Wellenimpedanz des Datenkabels (symmetrische Bandleitung) verschieden zur Wellenimpedanz des Pulskabels (asymmetrisches Koaxialkabel) ist, kann eine Balun-Schaltung mit einer entsprechenden Impedanztransformation eingesetzt werden, beispielsweise mit einer 2:1-Impedanztransformation.
So kann der Balun eine 50 Ohm unsymmetrische Eingangsimpedanz und eine 100 Ohm differentielle Ausgangsimpedanz aufweisen. Unter einer unsymmetrischen Eingangsimpedanz kann ein Eingang, der single-ended oder einpolig geerdet ist, verstanden werden.
Günstig ist es auch, wenn eine elektrische Länge des Pulskabels länger als eine elektrische Länge des zu prüfenden Datenkabels ist. Wenn das Pulskabel und das Datenkabel eine vergleichbare dielektrische Leitfähigkeit oder Permittivität ε aufweisen, so ist vorzugsweise die Länge des Pulskabels größer als die Länge des zu prüfenden Datenkabels. Bei einer erhöhten dielektrischen Leitfähigkeit kann das Pulskabel entsprechend kürzer sein. Wenn das Pulskabel eine größere elektrische Länge aufweist als das Datenkabel, so zeigt zuerst eine Reflektion des Entladepulses das Ende des Datenkabels, bevor ein ähnlicher Signaleinfluss durch das Pulskabel bedingt zu messen ist.
Die Auswerteeinrichtung kann einen Komparator und ergänzend oder alternativ einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) in Kombination mit einer Verarbeitungseinrichtung wie beispielsweise einen Mikroprozessor (µC) oder digitalen Signalprozessor (DSP) umfassen. So kann der Spannungsverlauf mit einem Referenzsignal verglichen werden. Wenn der Spannungsverlauf mehr als einen vorbestimmten Toleranzbereich von dem Referenzsignal abweicht, kann ein Fehler erkannt werden. Der Toleranzbereich kann beispielsweise 10% oder weniger betragen. So kann über den vordefinierten Toleranzbereich und das Referenzsignal ein Schwellwert oder ein Schwellwertsignal gebildet werden, welches mittels des Komparators mit dem Spannungsverlauf verglichen wird. Bei Über- oder Unterschreiten des Schwellwerts oder des Schwellwertsignals wird dann ein Fehler erkannt und als Fehlersignal bereitgestellt. Alternativ kann das Referenzsignal direkt als Schwellwertsignal verwendet werden und bei Über- oder Unterschreiten ein Fehler angezeigt werden. Wenn ein A/D-Wandler, auch als ADC bezeichnet, verwendet wird, kann der Vergleich digital beziehungsweise über Software-Funktionen erfolgen. Über einen Zähler oder Timer-Baustein beziehungsweise über die Zeitinformation des A/D-Wandlers kann zusätzlich ein Zeitpunkt des Fehlers oder ein Zeitintervall vom Start der Pulswelle bis zum Überschreiten der vorbestimmten Toleranz zum Referenzsignal bestimmt werden. Ein so bestimmtes Zeitintervall korreliert mit einer Ortsinformation, da eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulswelle im Datenkabel aus den Kabelparametern definiert ist, wodurch aus dem Zeitintervall die Ortsinformation als Distanz bestimmt werden kann.
Bei Verwendung eines A/D-Wandlers kann die Prüfvorrichtung beziehungsweise die Auswerteeinrichtung mit einem guten Datenkabel kalibriert werden und die weiteren Messwerte auf dieses „gute“ Datenkabel normiert werden. So können alle systematischen Effekte eliminiert werden. Eine Abweichung von Spannungswerten (über die Zeit) von dem zum Kalibrieren verwendeten Datenkabel kann als Fehlerschwelle verwendet werden, optional um einen Korrekturwert oder Toleranzbereich ergänzt.
Die Messeinrichtung kann eingerichtet sein, den Spannungsverlauf des Entladepulses mit zumindest 200 MHz zu erfassen. Mit anderen Worten kann die Messeinrichtung eine minimale Samplingfrequenz von 200 MHz aufweisen. Bevorzugt wird eine minimale Samplingfrequenz von 500 MHz.
Der Widerstand wird auch umgangssprachlich als hochohmiger Widerstand bezeichnet, da sein Widerstandswert größer als der Wellenwiderstand des zu ladenden Pulskabels ist. Vorteilhafterweise weist der hochohmige Widerstand einen Widerstandwert größer dem Wellenwiderstand des Pulskabels auf. So kann der Widerstand insbesondere einen Widerstandwert von zumindest 10 kOhm oder besser von zumindest 20 kOhm oder noch besser von zumindest 100 kOhm aufweisen. Der Widerstandwert des (hochohmigen) Widerstands kann mindestens das 200-fache des Wellenwiderstands des Pulskabels aufweisen. Der Ladewiderstand wird darüber hinaus auch durch die geforderte Messfrequenz und die Kapazität (Länge) des Pulskabels bestimmt.
Die erfinderische Idee lässt sich auch in einem Verfahren zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug umsetzen. Das Verfahren weist Schritte des Ladens, Verbindens, Messen und Auswertens auf, die eingerichtet sind, das Pulskabel zu Laden, mit dem Datenkabel zu verbinden und dann den Spannungsverlauf des Entladepulses über die Zeit zu Erfassen und Auszuwerten, um die Impedanz zu bewerten und einen Fehler zu erkennen.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 einen vereinfachten Schaltplan einer Prüfvorrichtung zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 einen vereinfachten Schaltplan einer Prüfvorrichtung zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine grafische Darstellung von Spannungsverläufen während eines Entladevorgangs einer Prüfvorrichtung zur ortsaufgelösten Impedanzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine relative Abweichung verschiedener Spannungsverläufe fehlerhafter Datenkabel zu einer Referenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Ablaufplan eines Verfahrens zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt einen vereinfachten Schaltplan einer Prüfvorrichtung 100 zur ortsaufgelösten Impedanzmessung eines Datenkabels 102. Bei dem Datenkabel 102 kann es sich um ein Datenkabel 102 eines Bordnetzes für ein Fahrzeug handeln. Bei dem Datenkabel 102 handelt es sich in einem alternativen Ausführungsbeispiel um ein Datenkabel 102 in einer Hausinstallation oder um ein Datenkabel 102 einer Infrastruktur. Im Folgenden wird die Prüfvorrichtung 100 am Beispiel eines Datenkabels 102, welches in einem Fahrzeug-Bordnetz eingesetzt wird, beschrieben. Dies soll jedoch den Einsatzbereich der vorgestellten Prüfvorrichtung 100 nicht ausschließlich auf diesen Einsatzzweck limitieren, auch wenn eine sinnvoll überprüfbare Länge des Datenkabels 102 durch die Prüfvorrichtung 100 begrenzt ist, wie noch ausgeführt wird.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Prüfvorrichtung 100 eine Spannungsquelle 104, einen hochohmigen Widerstand 106, ein Pulskabel 108, einen Schalter 110 sowie eine Messeinrichtung 112. Die Spannungsquelle 104 ist mit Masse GND und mit einem Eingang des Widerstands 106 verbunden. Ein Ausgang des Widerstands 106 ist mit dem Pulskabel 108 verbunden. Eine Schirmung 114 des Pulskabels 108 ist mit Masse GND verbunden. Eine dem Widerstand 106 abgewandte Seite des Pulskabels 108 ist über den Schalter 110 mit dem Datenkabel 102 verbunden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Datenkabel 102 um ein Koaxialkabel. Eine Schirmung 116 des Datenkabels 102 ist mit Masse GND verbunden. Zwischen dem Schalter 110 und dem Datenkabel 102 ist die Messeinrichtung 112 angeordnet, um einen von dem Pulskabel 108 in das Datenkabel 102 laufenden Entladepuls 118 als Spannungsverlauf 120 auszuwerten.
Der Schalter 110 ist dazu eingerichtet das Pulskabel 108 mit dem Datenkabel 102 zu verbinden um das über die Spannungsquelle 104 geladene Pulskabel 108 auf das zu prüfende Datenkabel 102 zu entladen. Die Messeinrichtung 112 ist dazu eingerichtet, einen Spannungsverlauf 120 zu messen. Dabei kann unter dem Messen ein Vergleich mit einem Referenzsignal entweder im analogen Bereich mittels eines Komparators oder im digitalen Bereich mittels einer entsprechenden Auswerteeinrichtung 122 verstanden werden. Die Auswerteeinrichtung 122 ist ausgebildet, den Spannungsverlauf 120 auszuwerten, um eine Störstelle in dem Datenkabel 102 zu erkennen.
Je nach Ausführungsbeispiel umfasst die Messeinrichtung 112 einen (nicht dargestellten) Komparator und optional einen (nicht dargestellten) Zähler oder alternativ einen (nicht dargestellten) Analog-Digital-Wandler in Kombination mit einem (nicht dargestellten) Mikroprozessor, um einen Fehler in dem Datenkabel 102 zu erkennen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Prüfvorrichtung 100 dazu ausgebildet, den Spannungsverlauf 120 mit einem Referenzsignal 124 zu vergleichen. In einem einfachen Ausführungsbeispiel liegt das Referenzsignal 124 an einem ersten Eingang eines Komparators an, der Spannungsverlauf 120 liegt an einem zweiten Eingang des Komparators an. Es wird ein Fehler ausgegeben, wenn der Spannungsverlauf 120 das als Schwellwert fungierende Referenzsignal 124 überschreitet oder alternativ unterschreitet. Dabei entspricht das Referenzsignal 124 einem einen Toleranzbereich umfassenden Sollwert als Maximalwert respektive Minimalwert. Wie aus 3 und 4 ersichtlich handelt es sich dabei bevorzugt um einen Maximalwert, sodass ein Fehler erkannt wird, wenn der Spannungsverlauf 120 das Referenzsignal 124 überschreitet. Um einen ersten Fehlerort zu bestimmen umfasst in einem derartigen Ausführungsbeispiel die Auswerteeinrichtung 122 zusätzlich einen nicht dargestellten Zähler. Dieser wird gestartet mit der ersten Flanke des Spannungsverlaufs 120, d. h. mit dem Start des Entladepuls 118. Der Zähler wird in dem Moment gestoppt, wenn der Spannungsverlauf 120 das Referenzsignal 124 überschreitet. Aus der Information der so ermittelten Zeitspanne und der Signalgeschwindigkeit im Datenkabel 102 lässt sich einfach und präzise der Fehlerort bestimmen. Wie aus 3 und 4 ersichtlich, maskiert ein erster Fehler eventuell später auftretende weitere Fehler, sodass diese nicht immer sicher erkannt werden können. Hierzu ist eine besondere Betrachtung einer Schwere des aufgetretenen Fehlers sinnvoll. Dies ist mittels des beschriebenen Komparators jedoch nicht möglich. Deshalb wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Spannungsverlauf 120 mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert und mittels eines Mikroprozessors ausgewertet, wobei der Spannungsverlauf 120 mit einem (virtuellen) Referenzsignal 124 verglichen wird. Somit ist eine absolute oder relative Abweichung von dem Sollwert bestimmbar, wobei die absolute oder relative Abweichung mit einer Schwere des Fehlers korreliert. Dadurch lassen sich im weiteren Spannungsverlauf 120 maskierte Fehler detektieren. Eine optimale Sampling-Frequenz des Analog-Digital-Wandlers sollte größer 100 MHz betragen, bevorzugt wird eine Sampling-Frequenz von zumindest 500 MHz, um eine entsprechende Ortsauflösung zu erzielen; dabei reicht für eine Fehlerabschätzung eine Auflösung von 8 Bit, um im Signalverlauf 120 maskierte Fehler besser heraus rechnen zu können und somit erkennen zu können, wird eine Auflösung von zumindest 12 Bit bevorzugt.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Widerstandswert des Widerstands 106 größer als der Wellenwiderstand des Pulskabels 108. Wenn das Pulskabel 108 einen Wellenwiderstand von 50 Ohm aufweist, ist ein Widerstandswert von zumindest 10 kOhm, bevorzugt zumindest 20 kOhm insbesondere bevorzugt zumindest 100 kOhm für den Widerstand 106 auszuwählen.
Vorteilhafterweise ist die Prüfvorrichtung 100 dazu eingerichtet, das Datenkabel 102 einseitig zu kontaktieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Pulskabel 108 als Koaxialkabel ausgebildet. Die Wellenimpedanz des Koaxialkabels beträgt in einem weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel 50 Ohm.
Die elektrische Länge des Datenkabels 102 ist kürzer als die elektrische Länge des Pulskabels 108. Wenn es sich bei dem Datenkabel 102 um ein zu dem Pulskabel 108 vergleichbares Koaxialkabel, d. h. mit näherungsweise identischen physikalischen Parametern, handelt, so ist bevorzugt die physische Länge des Pulskabels 108 länger als die physische Länge des Datenkabels 102. Um vermeintliche Fehler, die durch eine Signalreflexion am offenen Kabelende des Datenkabels 102 entstehen, zu vermeiden, wird angestrebt, dass das Pulskabel 108 zumindest 10 % länger ist, als das zu prüfende Datenkabel 102.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere darin, dass es sich bei dem Datenkabel 102 anstelle eines Koaxialkabels um ein Kabel mit zwei verseilten Adern handelt. Deshalb muss der unsymmetrische Entladepuls 118 mittels eines Baluns 230 in einen symmetrischen Entladepuls 232 gewandelt werden. Gleichzeitig ist der Balun 230 bevorzugt dazu eingerichtet, eingangsseitig an die Impedanz des Pulskabels 108 und ausgangsseitig an die Impedanz des angeschlossenen Datenkabels 102 angepasst zu sein bzw. die Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz anzupassen. In einem typischen Anwendungsfall weist der Balun eine 50 Ohm unsymmetrische Eingangsimpedanz und eine 100 Ohm differenzielle Ausgangsimpedanz auf. Wegen seiner Funktion, einen unsymmetrischen Puls in einen symmetrischen Puls zu wandeln, wird ein Balun auch als ein Symmetrierglied bezeichnet. Der symmetrische Entladepuls läuft auf das zu prüfende Datenkabel 102. Der Spannungsverlauf 120 wird zwischen dem Schalter 110 und dem Balun 230 überwacht.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel dient ein RG58C/U-Koaxialkabel mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm und einer Länge von 10 m als Pulskabel 108. Das Pulskabel 108 wird mit einer Spannung von 20 V über einen hochohmigen Widerstand 106, der einen Widerstandswert von 100 kOhm aufweist, geladen. Um einen ungestörten Entladepuls 118 zu sehen, kann das Pulskabel beispielsweise über einen 50 Ohm Abschlusswiderstand entladen werden. Dabei ist zu sehen, dass die Spannung während der Entladung bei der Hälfte der Quellspannung, d. h. 10 V aufgrund des Spannungsteilers zwischen Wellenwiderstand des Pulskabels 108 und Entladewiderstand ist. Dabei ist die Pulslänge proportional zur Länge des Pulskabels 108 mit einer Konstante von ca. 10 ns pro Meter in Reflektion.
3 zeigt vier verschiedene Spannungsverläufe 120, die mit einer Prüfvorrichtung 100 entsprechend 2 aufgezeichnet wurden, wobei das zu prüfende Datenkabel 102 ein UTP-Kabel, d. h. ein Kabel mit paarweise verseilten Adern, oder mit der englischen Bezeichnung ein „Unshielded Twisted Pair“ Kabel mit einer Länge von 5 m und einem Wellenwiderstand von nominell 100 Ohm ist und bei drei Signalverläufen 120", 120"', 120"" eine zunehmende Entdrillung als Fehler eingebracht wurde. Als Referenz oder Vergleichsgröße dient ein fehlerfreies Datenkabel 102 und ein hiervon gewonnener Signalverlauf 120'.
In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse die Zeit in Nanosekunden [ns] und auf der Ordinate die Spannung in Volt [V] dargestellt. Zu Beginn beträgt die Spannung 0 V um dann mit einer stark steigenden Flanke auf 1,6 V anzusteigen. Dabei ist bis etwa 10 ns ein leichtes Einschwingen zwischen 1,3 V und 1,7 V zu erkennen. Der Fehler ist im Zeitraum zwischen in etwa 24 ns und 28 ns zu erkennen, mit einem Maximum bei ca. 26 ns. Der erste Spannungsverlauf 120' weist keinen Fehler auf, der zweite Spannungsverlauf 120" weist eine Entdrillung von 10 mm auf, der dritte Spannungsverlauf 120'" weist eine Entdrillung von 30 mm auf und der vierte Spannungsverlauf 120"" weist eine Entdrillung von 50 mm auf. So steigt die Spannung des vierten Spannungsverlaufs 120"" zum Zeitpunkt des Fehlers auf 1,75 V an, was einer Abweichung auf über 108 % des Vergleichssignals 120' bedeutet, wie aus 4 ersichtlich ist. Der zweite Spannungsverlauf 120" und der dritte Spannungsverlauf 120'" liegen entsprechend dazwischen und weisen eine Abweichung von in etwa 1,5 % respektive knapp 4 % auf. So zeigt 4 wie 3 auf der Abszisse die Zeit in Nanosekunden, jedoch auf der Ordinate des kartesischen Koordinatensystems eine relative Abweichung der Spannung vom ungestörten Kabel in Prozent. So lassen sich die genannten Abweichungen aus 4 direkt ablesen. Insbesondere beim vierten Spannungsverlauf 120"" wird in 4 deutlich, dass nachfolgende, geringe Fehler maskiert sein könnten.
Im Fall eines koaxialen Datenkabels kann aus dem Spannungsverlauf des Entladepulses die zeitabhängige (ortsaufgelöste) Impedanz nach folgender Formel direkt berechnet werden: $Γ (t) = \frac{U (t)}{U_{G} - U (t)} Γ_{P}$

Γ(t): Wellenwiderstand des Prüflings zur Zeit t
U_G: Generatorspannung
U(t): Gemessene Spannung zur Zeit t
Γ_P: Wellenwiderstand des Pulskabels

Im Fall eines verdrillten Datenkabels muss die Charakteristik des Baluns bei Berechnung der Impedanz berücksichtigt werden.
Die ortsaufgelösten Impedanzverläufe können über die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kabel aus den zeitaufgelösten Impedanzverläufen gemäß der unteren Formel berechnet werden. Hierbei ist der Faktor zwei durch das Reflektionssignal zu beachten. $x = \frac{c_{0} \cdot t}{\sqrt{ε_{r}} \cdot 2}$

x: Ort
c₀: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
t: Zeit
ε_r: Relative Permittivität des Materials zwischen den Leitern

5 zeigt ein Verfahren zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln für ein Fahrzeug. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Laden S1, Verbinden S2, Messen S3 sowie Auswerten S4. Im Schritt S1 des Ladens wird ein Pulskabel über einen Widerstand geladen. Das geladene Pulskabel wird im Schritt S2 über einen Schalter mit einem zu prüfenden Datenkabel verbunden, um das (geladene) Pulskabel auf das zu prüfende Datenkabel (- mit einem Entladepuls) zu entladen. Im Schritt S3 wird ein Spannungsverlauf zwischen dem Pulskabel und dem zu prüfenden Datenkabel gemessen, wenn das Pulskabel auf das zu prüfende Datenkabel entladen wird. Schließlich wird im Schritt 4 der Spannungsverlauf ausgewertet, um eine Störstelle zu ermitteln. Über eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs ist eine Ortsauflösung zu ermitteln.
Bezugszeichenliste

100: Prüfvorrichtung
102: Datenkabel
104: Spannungsquelle
106: (hochohmiger) Widerstand
108: Pulskabel
GND: Masse
110: Schalter
112: Messeinrichtung
114: Schirmung des Pulskabels
116: Schirmung des Datenkabels
118: Entladepuls
120: Spannungsverlauf
122: Auswerteeinrichtung
124: Referenzsignal
230: Balun
232: symmetrischer Entladepuls

Claims

Prüfvorrichtung (100) zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln (102) für ein Fahrzeug mit den folgenden Einrichtungen: a) ein Pulskabel (108); b) eine Spannungsquelle (104) zum Laden des Pulskabels (108) über einen hochohmigen Widerstand (106); c) einen Schalter (110), der dazu eingerichtet ist, das Pulskabel (108) mit einem zu prüfenden Datenkabel (102) zu verbinden, um das geladene Pulskabel (108) auf das zu prüfende Datenkabel (102) zu entladen; d) eine Messeinrichtung (112) zum Messen eines Spannungsverlaufs (120) zwischen dem Pulskabel (108) und dem zu prüfenden Datenkabel (102), während das Pulskabel (108) auf das zu prüfende Datenkabel (102) entladen wird; und e) eine Auswerteeinrichtung (122), die eingerichtet ist, den Spannungsverlauf (120) auszuwerten, um eine Störstelle ortsaufgelöst zu ermitteln.
Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der das Pulskabel (108) ein Koaxialkabel ist, insbesondere ein 50-Ohm-Koaxialkabel.
Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das zu prüfende Datenkabel (102) ein Koaxialkabel und/oder ein Kabel mit paarweise verseilten Adern ist.
Prüfvorrichtung (100) nach dem vorangegangenen Anspruch, bei der das Pulskabel (108) und das als Kabel mit paarweise verseilten Adern ausgebildete Datenkabel (102) über einen Balun (230) verbunden sind.
Prüfvorrichtung (100) nach dem vorangegangenen Anspruch, bei der der Balun (230) eine 50 Ohm unsymmetrische Eingangsimpedanz und eine 100 Ohm differentielle Ausgangsimpedanz aufweist.
Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der eine elektrische Länge des Pulskabels (108) länger als eine elektrische Länge des zu prüfenden Datenkabels (102) ist.
Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (122) eingerichtet ist, den Spannungsverlauf (120) mit einem Referenzsignal (124) zu vergleichen.
Prüfvorrichtung (100) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei eine Abweichung größer einer vorbestimmten Toleranz als ein Fehler definiert ist, wobei eine Ortsinformation mit einem Zeitpunkt des Überschreitens der vorbestimmten Toleranz und/oder mit einem Zeitintervall vom Start einer Pulswelle bis zum Zeitpunkt des Überschreitens der vorbestimmten Toleranz der Abweichung vom Referenzsignal (124) korreliert
Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der hochohmige Widerstand (106) einen Widerstandwert größer dem Wellenwiderstand des Pulskabels (108) aufweist, insbesondere bei der der hochohmige Widerstand (106) einen Widerstandwert von zumindest 10 kOhm und/oder von zumindest 20 kOhm und/oder von zumindest 100 kOhm aufweist.
Verfahren zur ortsaufgelösten Impedanzmessung von Datenkabeln (102) für ein Fahrzeug mit den folgenden Schritten: a) Laden (S1) eines Pulskabels (108) über einen hochohmigen Widerstand (106) b) Verbinden (S2) des Pulskabels (108) über einen Schalter (110) mit einem zu prüfenden Datenkabel (102), um das geladene Pulskabel (108) auf das zu prüfende Datenkabel (102) zu entladen; c) Messen (S3) eines Spannungsverlaufs (120) zwischen dem Pulskabel (108) und dem zu prüfenden Datenkabel (102), wenn das Pulskabel (108) auf das zu prüfende Datenkabel (102) entladen wird; und d) Auswerten (S4) des Spannungsverlaufs (120), um eine Störstelle ortaufgelöst zu ermitteln.