DE102017122692A1

DE102017122692A1 - Prüfvorrichtung und Prüfverfahren zum Prüfen eines Datenkabels für ein Kraftfahrzeug mittels differenzieller Spannungspegel

Info

Publication number: DE102017122692A1
Application number: DE102017122692.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Neumeier; Michael Franke
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung (10) zum Prüfen eines Datenkabels (11) für ein Kraftfahrzeug (Kfz), aufweisend eine Sendeeinheit (13) für ein LVDS, wobei die Sendeeinheit (13) zwei Signalausgänge (Q, nQ) aufweist, die mit einer Anschlusseinrichtung (18) zum Anschließen des Datenkabels (11) verbunden sind, und wobei die Sendeeinheit (13) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Wechselsignal (24) einen an dem jeweiligen Signalausgang (Q, nQ) bereitgestellten Spannungspegel (15, 16) mit einem Spannungssprung (25) zu tauschen. Eine Steuereinrichtung (23) ist dazu eingerichtet, durch Erzeugen des Wechselsignals (24) in der Sendeeinheit (13) den Spannungssprung (25) an den Signalausgängen (Q, nQ) auszulösen und, während sich der Spannungssprung (25) in das Datenkabel (11) hinein ausbreitet, an einem Spannungsabgriff (22) ein Spannungssignal (U) des Datenkabels (11) zu erfassen und einen vorbestimmten Zeitabschnitt (36) des Spannungssignals (U) auf der Grundlage eines vorbestimmtes Prüfkriteriums (26) zu prüfen, um eine Störstelle (12) des Datenkabels (11) zu erkennen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zum Prüfen eines Datenkabels für ein Kraftfahrzeug. Ein solches Datenkabel kann beispielsweise für einen Datenbus oder ein Datennetzwerk des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Mittels der Prüfvorrichtung kann erkannt werden, ob das Datenkabel eine Störstelle aufweist, die beispielsweise durch eine Unregelmäßigkeit der Geometrie des Datenkabels verursacht sein kann. Eine solche Störstelle würde im Betrieb des Kraftfahrzeugs die Übertragung von Daten stören. Die Erfindung umfasst auch ein Prüfverfahren, wie es mittels der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung durchgeführt werden kann.
Stand der Technik
Ein Datenkabel kann in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein, um digitale Daten z.B. zwischen Steuergeräten zu übertragen. Es kann ein Bestandteil eines Datenbusses, z.B. eines CAN-Busses (CAN - Controller Area Network), oder eines Datennetzwerks, z.B. eines Ethernet-Netzwerks, sein. Zum Übertragen eines die Daten repräsentierenden Spannungssignals kann ein Datenkabel zwei elektrische Leitelemente aufweisen. In einer Ausgestaltung als Twisted-Pair-Kabel können als elektrische Leitelemente zwei verdrillte Drähte vorgesehen sein. In einer Ausgestaltung als Koaxialkabel können als elektrische Leitelemente ein Innenleiter, z. B. ein Draht, und ein darum koaxial angeordneter zylindrischer Außenleiter, z.B. aus einem Drahtgeflecht, vorgesehen sein.
Eine Prüfvorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 108 954 bekannt. Die darin beschriebene Prüfvorrichtung sieht vor, ein zu prüfendes Datenkabel elektrisch aufzuladen und anschließend das geladene Datenkabel über einen Entladewiderstand wieder zu entladen. Ein sich am Entladewiderstand einstellender Verlauf eines Spannungssignals gibt Aufschluss über das Vorhandensein und die Lage einer möglichen Störstelle im Datenkabel.
Eine weitere Prüfvorrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 108 955 beschrieben. Bei dieser Prüfvorrichtung ist vorgesehen, ein so genanntes Pulskabel elektrisch aufzuladen und anschließend das geladene Pulskabel mit dem zu prüfenden Datenkabel elektrisch zu verbinden, sodass sich das Pulskabel in das Datenkabel entlädt. An der elektrischen Verbindungsstelle zwischen Pulskabel und Datenkabel kann ein Verlauf eines elektrischen Spannungssignals abgegriffen werden, anhand welchem das Vorhandensein und die Lage einer möglichen Störstelle erkannt werden kann. Um ein Twisted-Pair-Kabel prüfen zu können, sieht die Prüfvorrichtung vor, dieses über einen sogenannten Balun (Balanced Unbalanced Transformator) mit der Prüfvorrichtung zu verschalten.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Datenkabel für ein Kraftfahrzeug auf eine mögliche Störstelle hin zu überprüfen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, die durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben sind.
Durch die Erfindung ist eine Prüfvorrichtung bereitgestellt, um ein Datenkabel für ein Kraftfahrzeug zu überprüfen. Die Prüfvorrichtung weist eine Anschlusseinrichtung auf, an die ein Kabelende des zu prüfenden Datenkabels angeschlossen werden kann, damit das Datenkabel elektrisch mit der Prüfvorrichtung verbunden ist. Des Weiteren weist die Prüfvorrichtung eine Sendeeinheit für ein so genanntes LVDS (low voltage differential signaling) auf. Diese Sendeeinheit weist dabei zwei Signalausgänge auf, die mit der besagten Anschlusseinrichtung verbunden sind. Von den Signalausgängen können somit deren Signalpegel zur Anschlusseinrichtung und von dort weiter in das Datenkabel übertragen werden. Jeder der Signalausgänge ist bezüglich des jeweils anderen Signalausgangs invertiert. Mit anderen Worten werden an den beiden Signalausgängen differenzielle Spannungspegel bereitgestellt oder erzeugt. Liegt also an einen Signalausgang ein Spannungspegel für eine logische 1 oder „wahr“ an, wird entsprechend an dem anderen Signalausgang ein Spannungspegel für eine logische 0 oder „falsch“ eingestellt. Es handelt sich also um eine logische Invertierung. Jeder Signalausgang gibt also den jeweils komplementären Spannungspegel des anderen Signalausgangs aus. Die Sendeeinheit ist insgesamt dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem Eingangssignal, das hier als Wechselsignal bezeichnet ist, die an den Signalausgängen bereitgestellten Spannungspegel mit einem Spannungssprung zu tauschen. Durch das Wechselsignal wird also einer der Signaleingänge beispielsweise von logisch 1 auf logisch 0 geschaltet, wodurch der andere Signalausgang automatisch andersherum von logisch 0 auf logisch 1 umgeschaltet wird. Dies erfolgt mit einem Spannungssprung, das heißt der Spannungspegel oder die Ausgangsspannung an jedem Signalausgang wird mit dem zeitlichen Verlauf einer Sprungfunktion umgeschaltet. Insgesamt weist eine Sendeeinheit für ein LVDS für die Prüfvorrichtung den Vorteil auf, dass sie dazu eingerichtet ist, solche Spannungssprünge in schneller Folge durchzuführen, sodass eine Datenübertragung von über einem Megabit pro Sekunde möglich ist. Der Nutzen für die Prüfung besteht hierbei darin, dass der Spannungssprung eine entsprechend große Flankensteilheit aufweist. Der Spannungssprung erfolgt insbesondere innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 10 Nanosekunden, insbesondere weniger als 2 Nanosekunden. Da die Signalausgänge mit der Anschlusseinrichtung verbunden sind, wird der Spannungssprung in das Kabelende geleitet, von wo aus er in das Datenkabel propagiert. Das Datenkabel wird also von einem Spannungsstoß oder Spannungssprung durchlaufen, das heißt es läuft eine Signalwelle oder Wellenfront durch das Datenkabel. An jedem Punkt des Datenkabels ergibt sich somit eine Sprungfunktion der elektrischen Spannung. Weist das Datenkabel eine Störstelle auf, an der sich die lokale Impedanz des Datenkabels ändert, so ergibt sich eine Reflektion des Spannungssprungs oder Spannungsstoßes, die zurück zu dem Kabelende des Datenkabels propagiert und damit auch an der Anschlusseinrichtung in einem Spannungssignal enthalten oder erkennbar ist. In dem Spannungssignal ist somit die Information über eine mögliche Störstelle im Datenkabel enthalten. Entsprechend weist die Prüfungsvorrichtung auch einen Spannungsabgriff zum Erfassen dieses elektrischen Spannungssignals des Datenkabels auf. Der Spannungsabgriff ist hierzu mit der Anschlusseinrichtung elektrisch verbunden.
Um das Spannungssignal auszuwerten, weist die Prüfvorrichtung schließlich eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, ein Prüfverfahren durchzuführen, indem sie durch Erzeugen des besagten Wechselsignals in der Sendeeinheit den Spannungssprung an den Signalausgängen auslöst und dann, während sich der Spannungssprung in der beschriebenen Weise erstmalig von der Anschlusseinrichtung her in das Datenkabel hinein ausbreitet, an dem Spannungsabgriff das resultierende Spannungssignal zu erfassen.
Mit dem Erzeugen des Wechselsignals wird also das Datenkabel durch die Sendeeinheit von seinem Kabelende her mit einem Spannungssprung beaufschlagt. Je nach örtlichem Verlauf der Impedanz des Datenkabels, also der Ortsfunktion des Impedanzbelags oder des Wellenwiderstands des Datenkabels, ergibt sich ein zeitlicher Verlauf des Spannungssignals am Spannungsabgriff. Eine Störstelle stellt eine lokale Veränderung des Impedanzbelags oder des Wellenwiderstands im Vergleich zum angrenzenden Bereich des Datenkabels dar. An einer solchen Störstelle ergibt sich eine Reflexion des Spannungssprungs hin zu dem angeschlossenen Kabelende, wo sie im Spannungssignal erkannt oder detektiert werden kann. Die Steuereinrichtung ist entsprechend dazu eingerichtet, zum Erkennen oder Detektieren einer Störstelle einen vorbestimmten Zeitabschnitt des Spannungssignals, also einen vorbestimmten zeitlichen Abschnitt oder Signalabschnitt, auf der Grundlage eines vorbestimmten Prüfkriteriums auf eine Störstelle in dem Datenkabel hin zu prüfen. Der überprüfte Zeitabschnitt ist derjenige Signalabschnitt des Spannungssignals, der sich während der erstmaligen Ausbreitung des Spannungssprungs entlang des Datenkabels bis zu dessen anderem Kabelende einschließlich einer zusätzlichen Ausbreitungszeit des reflektierten Spannungssignals ergibt. Somit enthält dieser Zeitabschnitt die Information über den Impedanzverlauf des Datenkabels und damit über eine mögliche Störstelle in dem Datenkabel. Da die Übertragungs- oder Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Spannungssprungs in dem Datenkabel bekannt ist, kann anhand des Zeitpunkts, zu welchem eine Reflektion an dem Spannungsabgriff im Spannungssignal erkannt wird, ein Rückschluss darauf gezogen werden, wo entlang des Datenkabels, das heißt an welcher Stelle oder Lage, sich die Störstelle befindet.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Sendeeinheit für das LVDS der hierbei genutzte Spannungssprung die besagte große Flankensteilheit aufweist (Anstiegszeit oder Rise-Time kleiner als 10 Nanosekunden, insbesondere kleiner als 2 Nanosekunden), wodurch eine Störstelle örtlich mit der entsprechenden Ortsauflösung lokalisiert werden kann. Zudem kann als Sendeinheit ein im Stand der Technik verfügbarer integrierter Schaltkreis verwendet werden, wie er für die Datenübertragung beispielsweise für Serial ATA (SATA - Serial AT Attachment) im Stand der Technik verfügbar ist. Damit ergibt sich eine einfach konstruierte Prüfvorrichtung, die auch in einem industriellen Umfeld zuverlässig funktionieren kann. Zudem ist das durch die Prüfvorrichtung realisierte Prüfverfahren oder Messverfahren wegen der differenziellen Spannungspegel ebenfalls robust gegen Störeinflüsse, sodass es sich ebenfalls für die industrielle Anwendung eignet, beispielsweise in einer Abschlussprüfung des Datenkabels nach dessen Herstellung oder vor und/oder nach dessen Montage in einem Kraftfahrzeug. Die Prüfvorrichtung lässt sich kostengünstig und bauraumsparend realisieren. Beispielsweise kann die Prüfvorrichtung als ein portables Handgerät ausgestaltet oder für einen Selbsttest in einem Kraftfahrzeug integriert sein. Zudem kann das Prüfverfahren bei einer geringen Prüfspannung durchgeführt werden, das heißt die besagten Spannungspegel an den Signalausgängen können betragsmäßig kleiner als ein Volt, insbesondere kleiner als 0,5 Volt, bezüglich eines Bezugspotentials, z.B. des Massepotentials, sein.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Sendeinheit auf der Grundlage einer Komparatorschaltung gebildet. Eine Komparatorschaltung ist dazu eingerichtet, an zwei Signaleingängen eine jeweilige Eingangsspannung zu empfangen und diese beiden Eingangsspannungen zu vergleichen. Die Komparatorschaltung ist des Weiteren dazu eingerichtet, an den besagten Signalausgängen ein relatives Größenverhältnis der Eingangsspannungen zu signalisieren, also anzugeben, welche der Eingangsspannungen größer oder kleiner als die andere Eingangsspannung ist. Wird also an einem ersten Signaleingang eine erste Eingangsspannung und an einem zweiten Signaleingang eine zweite Eingangsspannung empfangen, so signalisiert einer der Signalausgänge, ob die erste Eingangsspannung größer als die zweite Eingangsspannung ist. Der invertierte Signalausgang signalisiert entsprechend andersherum, ob die erste Eingangsspannung kleiner als die zweite Eingangsspannung ist. Der jeweilige Spannungspegel des Signalausgangs steht dann also symbolisch für die Aussage „wahr“ oder „falsch“. Die Komparatorschaltung ist des Weiteren entsprechend dazu eingerichtet, bei einer Umkehr des relativen Größenverhältnisses, wenn also die eine Eingangsspannung zunächst größer als die andere Eingangsspannung ist und dann kleiner wird, die Signalausgänge entsprechend mittels des Spannungssprungs umzuschalten. Die Komparatorschaltung kann also mittels des Spannungssprungs denjenigen Moment oder Zeitpunkt signalisieren, zu welchem sich das relative Größenverhältnis der Eingangsspannungen umkehrt. Die Steuereinrichtung der Prüfvorrichtung ist dazu eingerichtet, mittels des besagten Wechselsignals eben die Eingangsspannungen zu verändern und hierdurch deren relatives Größenverhältnis an den Signaleingängen der Komparatorschaltung umzukehren und damit in der beschriebenen Weise an den Signalausgängen den Spannungssprung auszulösen. Die Steuereinrichtung kann hierzu beispielsweise zwischen den beiden Signaleingängen des Komparators eine elektrische Spannung als Wechselsignal erzeugen. Ein Nulldurchgang eines solchen Wechselsignals wird dann von der Komparatorschaltung als eine Umkehr des Größenverhältnisses erkannt. Die Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Steuereinrichtung selbst nicht dazu ausgelegt sein muss, ein Wechselsignal mit einer großen Flankensteilheit zu erzeugen. Es reicht, wenn die Steuereinrichtung ein Wechselsignal mit einem Nulldurchgang erzeugen können muss. Dies ist schaltungstechnisch einfacher als das Erzeugen eines Spannungssprungs mit einer Flankensteilheit, die einer Anstiegszeit von weniger als 10 Nanosekunden, insbesondere weniger als 2 Nanosekunden, entspricht. Die besagte Komparatorschaltung kann auf der Grundlage eines integrierten Schaltkreises realisiert werden. Ein solcher Schaltkreis für eine Komparatorschaltung ist beispielsweise unter der Produktbezeichnung „ADCMP580“ von dem Unternehmen Analog Devices ® erhältlich.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Komparatorschaltung mit den Signalausgängen und damit mit der Anschlussrichtung über eine Treiberstufe verbunden ist, welche bezüglich der Anschlusseinrichtung einen niedrigeren Innenwiderstand bereitstellt als der Komparator selbst ihn zur Treiberstufe hin bereitstellt. Mit anderen Worten ist die Anbindung der Anschlusseinrichtung an die Treiberstufe niederohmiger als die Anbindung der Treiberstufe an die Komparatorschaltung. Die Treiberstufe sorgt also für eine Impedanzanpassung. Bevorzugt wird eine Treiberstufe für eine CML (Current Mode Logic) verwendet. Die Treiberstufe weist den Vorteil auf, dass der Spannungssprung zuverlässig den zeitlichen Verlauf einer Sprungfunktion aufweist und nicht aufgrund eines Innenwiderstands des Komparators verzerrt wird, beispielsweise durch einen aufgrund des Innenwiderstands verursachten Spannungseinbruch.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die besagte Anschlusseinrichtung zum Anschließen des Kabelendes dazu eingerichtet ist, jeden der Signalausgänge mit jeweils einem Leitelement des Datenkabels zu koppeln, also elektrisch zu verbinden oder zumindest induktiv zu koppeln. Hierdurch werden also die beiden Leitelemente des Datenkabels mit einem differenziellen Spannungspegel beaufschlagt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Prüfung beide Leitelemente einbezieht.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, an dem Spannungsabgriff das Spannungssignal differenziell abzugreifen. Mit anderen Worten kann als das Spannungssignal beispielsweise eine Differenz der Spannungspegel der beiden Leitelemente erfasst werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Gleichtaktstörung, wie sie während der Prüfung oder Messung des Datenkabels in das Spannungssignal eingetragen werden könnte, kompensiert oder verringert wird.
Mehrere Ausführungsformen betreffen die Ausgestaltung des besagten Prüfkriteriums, auf dessen Grundlage eine Störstelle in dem Datenkabel detektiert oder erkannt wird.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Prüfkriterium vorsieht, das Vorhandensein oder die Existenz einer Störstelle in dem Datenkabel zu signalisieren, falls der besagte Zeitabschnitt des Spannungssignals, der durch die Schalteinrichtung überprüft wird, zumindest zeitweise oder abschnittsweise außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbands liegt. Dieses Prüfkriterium signalisiert also lediglich, ob überhaupt eine Störstelle vorliegt, ohne dass hierbei die Position oder Lage der Störstelle entlang des Datenkabels ermittelt werden muss. Hierzu kann ein Toleranzband definiert werden, also ein Werteintervall, das durch einen unteren Schwellenwert und einen oberen Schwellenwert definiert sein kann. Der Zeitabschnitt des Spannungssignals muss dann vollständig innerhalb des Toleranzbands oder Werteintervalls verlaufen, damit das Datenkabel als frei von Störstellen erkannt wird. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass kein genauer Signalverlauf analysiert oder definiert werden muss, um das Vorhandensein einer Störstelle zu erkennen. Insbesondere ist keine zeitliche Auflösung des Spannungssignals notwendig. Dieses Prüfkriterium lässt sich somit mit geringem Hardwareaufwand und Berechnungsaufwand realisieren.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Prüfkriterium vorsieht, den Zeitabschnitt des Spannungssignals mit zumindest einem Schwellenwert zu vergleichen und bei Überschreiten oder Unterschreiten des jeweiligen Schwellenwerts das Vorhandensein der Störstelle zu signalisieren. Diese Ausführungsform lässt sich als analoge Schaltung auf der Grundlage zumindest einer weiteren Komparatorschaltung realisieren. Der schaltungstechnische Aufwand ist somit gering. Mit dieser Ausführungsform kann z.B. die Überwachung des beschriebenen Toleranzbandes realisiert werden. Das Prüfkriterium kann auch vorsehen, dass eine Anzahl derjenigen Ereignisse, bei denen das Überschreiten oder Unterschreiten eines Schwellenwerts signalisiert wird, gezählt oder ermittelt wird. Mittels eines Zählers wird also gezählt, wie oft der Schwellenwert über- oder unterschritten wird. Es wird bei diesem Prüfkriterium nur dann eine Störstelle signalisiert, falls die ermittelte Anzahl größer als eine vorbestimmte Mindestanzahl ist. Dies weist den Vorteil auf, dass eine Störstelle auch bei einem solchen Datenkabel erkannt werden kann, bei welchen sich aufgrund seiner baulichen Beschaffenheit auch ohne eine Störstelle eine Überschreitung oder Unterschreitung eines Schwellenwerts ergibt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn eine Schelle das Datenkabel an einer Stelle umschließt und dort eine Änderung der lokalen Impedanz verursacht. Durch Ausblenden der Mindestanzahl an Über- oder Unterschreitungen können solche bekannten Eigenschaften des Datenkabels ausgeblendet werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Prüfkriterium vorsieht, einen Zeitverlauf des Zeitabschnitts zu ermitteln. Mit anderen Worten wird der Zeitabschnitt auch zeitaufgelöst erfasst oder abgetastet. Beispielsweise kann hierzu mittels eines Analog-Digital-Wandlers und/oder eines Oszilloskops das Spannungssignal abgetastet werden. Das Prüfkriterium sieht dann des Weiteren vor, eine Position oder Lage der Störstelle entlang des Datenkabels mittels einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift zu ermitteln, welche jedem Zeitpunkt des Zeitverlaufs des Spannungssignals einen jeweiligen entsprechenden Ort entlang des Datenkabels zuordnet. Die Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise auf der Grundlage einer Tabelle oder einer Formel realisiert sein. Die Lage der Störstelle kann beispielsweise als Abstand vom angeschlossenen Ende des Ladekabels beschrieben oder definiert sein. Hierzu kann derjenige Durchtrittszeitpunkt zugrunde gelegt werden, zu welchem erkannt wird, dass das Spannungssignal einen Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet. Die Zuordnungsvorschrift kann auf der Grundlage der Signallaufzeit, die durch den Durchtrittszeitpunkt repräsentiert ist, sowie der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Spannungssignals auf dem Datenkabel ermittelt werden. Mittels dieser Ausführungsform ist also eine ortsaufgelöste Prüfung des Datenkabels möglich, sodass eine Störstelle lokalisiert werden kann, also ihre Lage ermittelt werden kann. Mittels der Ausführungsform ist auch die Erkennung von mehr als einer Störstelle und/oder die Erkennung eines Anfangs und eines Endes einer Störstelle und damit ihrer Länge möglich.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Prüfkriterium vorsieht, einen Deltawert oder Unterschiedswert einer Amplitudenänderung, welche der Zeitabschnitt des Spannungssignals aufweist, dazu zu verwenden, der Störstelle einen Wert einer Abmessung und/oder einer Beschaffenheit zuzuordnen. Der Deltawert beschreibt, wie groß eine Amplitudenänderung ist, also eine Änderung des Spannungssignals bezüglich angrenzender Signalabschnitte des Spannungssignals. Die Zuordnung von Deltawert zu Abmessungswert kann mit einer entsprechenden Zuordnungsvorschrift realisiert werden, die beispielsweise auf der Grundlage einer Tabelle oder Formel realisiert sein kann. Die Abmessung kann ein Durchmesser oder ein Ausmaß der Störstelle sein. Die Beschaffenheit kann sich z.B. auf die Änderung der Impedanz im Bereich der Störstelle beziehen. Diese Impedanzänderung ist es auch eigentlich, die die Amplitudenänderung bewirkt. Sie kann mit einer Abmessung der Störstelle korreliert sein, z.B. mit einem Abstand der beiden elektrischen Leitelemente des Datenkabels, sodass auf diesen Abstand rückgeschlossen werden kann. Mit dem ermittelten Wert wird also die Abmessung und/oder Beschaffenheit quantifiziert. Die Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass ein Einfluss oder eine Auswirkung der Störstelle auf den Betrieb oder die Eignung des Datenkabels abgeschätzt oder bewertet werden kann.
Die besagte Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines Kabelendes des Datenkabels kann in einer Schaltung der Prüfvorrichtung ein Schaltungsabschnitt sein, der zwischen der Sendeeinheit und dem Datenkabel bereitgestellt ist. Gemäß einer Ausführungsform weist die Anschlusseinrichtung ein Twisted-Pair-Koppelelement zum Anschließen eines Datenkabels, das als Twisted-Pair-Kabel ausgestaltet ist, und/oder ein Koppelelement zum Anschließen eines platinenbasierten Zweileitersystems aufweist. Ein Twisted-Pair-Kabel ist ein verseiltes oder verdrilltes Adernpaar aus zwei Drähten. Somit kann auch ein Twisted-Pair-Kabel mittels der Prüfvorrichtung geprüft werden. Insbesondere ist ein Twisted-Pair-Koppelelement für ein UTP-Kabel (UTP - unshieled twisted pair) vorgesehen. Ein platinenbasiertes Zweileitersystem kann als Leitelemente für die Datenleitung z.B. Leiterbahnen auf einer Platine vorsehen.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Anschlusseinrichtung ein Koaxial-Koppelelement zum Anschließen eines Datenkabels, das als Koaxialkabel ausgestaltet ist, aufweist. Somit lässt sich also ein Koaxialkabel auf eine Störstelle hin überprüfen. Das Koaxial-Koppelelement kann in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise ausgestaltet sein, beispielsweise mit einem Bajonett-Anschluss oder BNC-Anschluss (BNC - Bayonet Neill Boncelman).
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Koaxial-Koppelelement einen Balun aufweist und dazu eingerichtet ist, bei angeschlossenem Koaxialkabel einen Außenleiter des Koaxialkabels mit einem Bezugspotential der Prüfvorrichtung zu koppeln. Hierdurch wirkt sich eine Spannungsveränderung aufgrund einer Störstelle ausschließlich auf das Spannungssignal des Innenleiters des Koaxialkabels aus, der über den Balun mit dem Spannungsabgriff gekoppelt sein kann. Das Bezugspotential kann ein Massepotential der Prüfvorrichtung sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung einen Signalgenerator zum mehrfachen und/oder periodischen Schalten der Schalteinrichtung aufweist, und das Prüfkriterium eine vorbestimmte Mindestanzahl an erfolgreichen Prüfdurchläufen zum Erkennen der Störstelle vorsieht, bevor die Störstelle als erkannt signalisiert wird oder bevor anders herum ein Freigabesignal, das die Abwesenheit einer Störstelle signalisiert, erzeugt wird. Jeder Prüfdurchlauf sieht dabei jeweils das einmalige Aufschalten der Konstantstromquelle auf die Anschlusseinrichtung und das Zuführen des Stroms in das Datenkabel vor. Wird dieser Prüfdurchlauf mehrmals wiederholt, so kann beispielsweise ein Fehlalarm aufgrund einer Störung ausgeschlossen werden. Hierdurch wird die Prüfung des Datenkabels zuverlässiger. Die Mindestanzahl kann in einem Bereich von 1 bis 20 liegen.
Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen können bei der Erfindung auch kombiniert werden.
Durch den Betrieb der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ergibt sich ein erfindungsgemäß vorgesehenes Prüfverfahren zum Prüfen eines Datenkabels für ein Kraftfahrzeug. Die besagte Sendeeinheit für ein LVDS stellt zwei Signalausgänge bereit, die mit einer Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines Kabelendes des Datenkabels verbunden sind. Von den Signalausgängen ist jeder ein bezüglich des jeweils anderen Signalausgangs invertierter Signalausgang. Eine Steuereinrichtung löst durch Erzeugen eines Wechselsignals in der Sendeeinheit einen Spannungssprung an den Signalausgängen aus. Die Sendeeinheit tauscht hierzu in Abhängigkeit von dem Wechselsignal mit dem Spannungssprung einen an dem jeweiligen Signalausgang bereitgestellten Spannungspegel.
Während sich der Spannungssprung von der Anschlusseinrichtung her in das Datenkabel hinein ausbreitet, erfasst die Steuereinrichtung an einem Spannungsabgriff ein Spannungssignal des Datenkabels und prüft einen vorbestimmten Zeitabschnitt des Spannungssignals auf der Grundlage eines vorbestimmtes Prüfkriteriums, das zum Erkennen einer Störstelle in der beschriebenen Weise ausgelegt oder ausgestaltet ist. Hierdurch wird das Datenkabel auf eine Störstelle hin geprüft.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass nur bei unerfülltem Prüfkriterium, wenn keine Störstelle signalisiert wird, ein Freigabesignal zum Freigeben des Datenkabels für eine Montage und/oder einen Betrieb in dem Kraftfahrzeug erzeugt wird.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Figurenliste
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung;
2 ein Flussschaudiagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen eines Wechselsignals und Spannungspegeln;
4 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen von Spannungssignalen für unterschiedliche Abschlusswiderstände eines in der Prüfvorrichtung geprüften Datenkabels;
5 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen einer Gleichtaktspannung für die unterschiedlichen Abschlusswiderstände;
6 eine schematische Darstellung eines Datenkabels, das als Twisted-Pair-Kabel ausgestaltet ist;
7 eine schematische Darstellung des Datenkabels von 6 mit einer Störstelle;
8 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen von Spannungssignalen für das Datenkabel von 7 mit unterschiedlich großen Störstellen;
9 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen von Zeitsignalen einer relativen Abweichung der Spannungsverläufe von 8 bezüglich eines Spannungsverlaufs eines störfreien Datenkabels; und
10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung für ein Koaxialkabel.

Ausführungsbeispiel
1 zeigt eine Prüfvorrichtung 10, die dazu vorgesehen sein kann, ein Datenkabel 11 nach dessen Herstellung oder vor dessen Montage in einem Kraftfahrzeug Kfz oder bei in dem Kraftfahrzeug eingebauten Zustands daraufhin zu überprüfen, ob das Datenkabel 11 eine Störstelle 12 aufweist. Durch die Störstelle 12 kann ein Impedanzbelag oder Leitungsbelag, das heißt eine lokale Impedanz im Vergleich zum übrigen Datenkabel 11 verändert sein. Das Datenkabel 11 kann somit im Bereich der Störstelle 12 beispielsweise einen anderen Wellenwiderstand als im übrigen Datenkabel 11 aufweisen. Bei einer Datenübertragung von Daten über ein solches Datenkabel 11 mit Störstelle 12 kann es beispielsweise zu Reflexionen eines Datensignals kommen, wodurch eine Kommunikation beispielsweise zwischen Steuergeräten gestört oder beeinträchtigt sein kann. Mittels der Prüfvorrichtung 10 kann das Datenkabel 11 daraufhin überprüft werden, ob es eine solche Störstelle 12 aufweist.
Die Prüfvorrichtung 10 kann beispielsweise als ein portables Handgerät ausgestaltet sein, das von einem Benutzer getragen werden kann und an welches nacheinander mehrere, zu prüfende Datenkabel 11 angeschlossen werden können.
Die Prüfvorrichtung 10 kann eine Schaltung für eine Sendeeinheit 13 zum Ausgeben oder Erzeugen eines LVDS aufweisen. Die Sendeeinheit 13 kann hierzu zwei Signalausgänge Q, nQ aufweisen und dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von einem Wechselsignal 14 einen an dem jeweiligen Signalausgang Q, nQ jeweils bereitgestellten Spannungspegel 15, 16 einzustellen. Der Signalausgang nQ kann dabei einen Signalpegel 16 bereitstellen, der bezüglich des Signalpegels 15 des Signalausgangs Q ein logisch invertierter Signalpegel sein kann. D.h. die Signalpegel 15, 16 sind ist zwar invertiert (logische 0 oder 1), aber ihr physikalischer Spannungswert ist nicht zwangsweise einfach durch eine Vorzeichenumkehr verändert (das würde z.B. +1 V und -1 V bedeuten). Dies ist durch eine Invertierung 17 im Schaltbild von 1 symbolisiert. Im beschrieben Versuchsaufbau aber 0 V und -0,4 V. Die beiden (High- und Low-) Spannungspegel können beliebig sein, z.B. auch +1,35 V und +1,05 V
Die Spannungspegel 15,16 können in Bezug auf ein Massepotential GND in einem Bereich von betragsmäßig kleiner als 1 Volt, insbesondere kleiner als 0,5 Volt liegen.
Das Datenkabel 11 kann mit einem Kabelende 18 an eine Anschlusseinrichtung 19 der Prüfvorrichtung 10 mittels eines Koppelelements 19' angeschlossen sein. Das Koppelelement 19' kann für ein Twisted-Pair-Kabel z.B. als Buchse zum Einstecken eines Steckers des Datenkabels 11 ausgestaltet sein. Die Anschlusseinrichtung 19 ist elektrisch mit den Signalausgängen Q, nQ verbunden. Ein jeweiliges Leitelement 20, 21 des Datenkabels 11 kann dabei über die Anschlusseinrichtung 19 mit jeweils einem der Signalausgängen Q, nQ verschaltet oder verbunden sein. In 1 ist beispielhaft ein Datenkabel 11 dargestellt, das als Twisted-Pair-Kabel ausgestaltet ist.
Zum Abgreifen oder Erfassen eines elektrischen Spannungssignals U kann die Prüfvorrichtung 10 einen Spannungsabgriff 22 aufweisen, der hierfür eine differenzielle Spannungserfassung zwei Abgriffspunkte A, B aufweisen kann. Die zwischen den Abgriffspunkten A, B abfallende elektrische Spannung stellt das Spannungssignal U dar. Das Spannungssignal U kann von einer Steuereinrichtung 23 erfasst werden. Die differenzielle Spannungserfassung kann hierbei vorsehen, dass die Signalpegel 15, 16 voneinander subtrahiert werden. Die Steuereinrichtung 23 kann beispielsweise einen Komparator und/oder einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen Mikroprozessor und/oder einen Mikrocontroller und/oder ASIC (application specific integrated circuit) aufweisen.
Die Steuereinrichtung 23 kann mit Signaleingängen 30, 31 der Sendeeinheit 13 verbunden sein und an den Signaleingängen 30, 31 z.B. mittels eines Funktionsgenerators GEN ein Wechselsignal 24 erzeugen oder einstellen. Das Wechselsignal 24 ist ein Auslösesignal oder Triggersignal, durch welches die Sendeeinheit 13 die Spannungspegel 15, 16 an den Signalausgängen Q, nQ vertauscht oder umkehrt, wodurch im angeschlossenen Kabelende 18 ein Spannungssprung 25 erzeugt wird, der durch das Datenkabel 11 hindurch zu einem gegenüberliegenden Kabelende 18' übertragen wird.
Während dieser Übertragung oder Ausbreitung des Spannungssprungs 25 im Datenkabel 11 kann die Steuereinrichtung 23 das Spannungssignal U erfassen und auf der Grundlage eines Prüfkriteriums 26 das Spannungssignal U darauf überprüfen, ob es auf eine Störstelle 12 im Datenkabel 11 hinweist. Bleibt das Prüfkriterium 26 unerfüllt, wird also keine Störstelle 12 erkannt, so kann die Steuereinrichtung 23 ein Freigabesignal 27 erzeugen oder ausgeben, durch welches signalisiert wird, dass das Datenkabel 11 für die Nutzung in dem Kraftfahrzeug KFZ geeignet ist. Ist das Prüfkriterium 26 erfüllt, so bedeutet dies, dass eine Störstelle 12 erkannt wurde. Daraufhin wird das Freigabesignal 27 nicht erzeugt oder unterdrückt. Es wird damit signalisiert, dass das Datenkabel 11 ungeeignet für die Verwendung im Kraftfahrzeug KFZ ist. Es kann dann z.B. stattdessen eine Lage L der Störstelle 12 beispielsweise als Abstand zum Kabelende 18, und/oder ein Wert betreffend eine Abmessung und/oder eine Beschaffenheit der erkannten Störstelle 12 ausgegeben werden.
Zum Erzeugen des Spannungssprungs 25 kann die Sendeeinheit 13 auf der Grundlage einer Komparatorschaltung 28 (CMP) mit nachgeschalteter Treiberstufe 29 (CML) ausgestaltet sein. Die Komparatorschaltung 28 kann an den beiden Signaleingängen 30, 31 jeweils eine Eingangsspannung VP, VN empfangen und diese vergleichen. Die Komparatorschaltung 28 kann dann ein relatives Größenverhältnis 32 (z.B. VP>VN) an den Signalausgängen Q, nQ signalisieren. Eine Umkehr des relativen Größenverhältnisses 32 ergibt sich immer dann, wenn das Wechselsignal 24 einen Nulldurchgang aufweist oder durchführt. Die Treiberstufe 29 kann zwischen den Signalausgängen Q, nQ hierbei eine Impedanzanpassung bewirken oder einen Ausgangswiderstand bereitstellen, der kleiner ist als der Ausgangswiderstand der Komparatorschaltung 28 bezüglich der Treiberstufe 29. Die Komparatorschaltung 28 zusammen mit der Treibestufe 29 kann beispielsweise auf der Grundlage des bereits beschriebenen integrierten Schaltkreises ADCMP580 bereitgestellt sein.

1 zeigt den Schaltplan des Komparators 28 (ADCMP580) zur Messung der ungestörten Spannungssignale der CML-Treiberstufe 29. Die detaillierte Beschaltung des Komparators 28 kann in der folgenden Tabelle abgelesen werden und änderte sich während der Prüfungen mit Ausnahme der Beschaltung an der Anschlusseinrichtung 19 nicht:

VTP	Offen 50Ω Abschluss nicht-invertierender Eingang
VP	Rechteckspannung ±0.5V gegen GND
	Eingangsspannung von einem Funktionsgenerator GEN (siehe 1)
VN	0V	Invertierender Eingang
VTN	Offen 50Ω Abschluss invertierender Eingang
VCCI	+5V	Positive Spannungsversorgung
nLE	Über 1kQ verbunden mit -5V
		Latch Enable Input differenziell (negativ)
LE	0V	Latch Enable Input differenziell (positiv)
VTT	0V	Abschluss für LE Pin
GND	0V	Ground / Massepotential
nQ		Signalausgang (differenziell negativ) DUT UTP
Q		Signalausgang (differenziell positiv) DUT UTP
VEE	-5V	Negative Spannungsversorgung
HYS	-5V	Komparator Hysterese-Einstellung
VCCI	+5V	Positive Versorgungsspannung

An den Abgriffspunkten A und B kann das Ausgangsignal mittels Koaxialkabel und einem Oszilloskop gemessen werden. Die Eingänge des Oszilloskops können mit 50 Ω abgeschlossen sein, um eine Systemimpedanz von 50 Ω zu gewährleisten, für den Fall der direkten Messung des Spannungssignals U in einer 50Ω-Umgebung.
2 veranschaulicht noch einmal das von der Prüfvorrichtung 10 durchgeführte Prüfverfahren P. In einem Schritt S10 kann die Steuereinrichtung 23 das Wechselsignal 24 erzeugen. Die Sendeeinheit 10 kann in einem Schritt S11 mit dem Spannungssprung 25 die Spannungspegel 15, 16 an den Signalausgängen Q, nQ tauschen. Während sich der Spannungssprung 25 von dem Kabelende 18 her in das Datenkabel 11 hinein ausbreitet, kann in einem Schritt S12 die Steuereinrichtung 23 an dem Spannungsabgriff 22 das Spannungssignal U des Datenkabels 11 erfassen. In einem Schritt S13 kann die Steuereinrichtung 23 das Spannungssignal U auf der Grundlage des Prüfkriteriums 26 daraufhin prüfen, ob eine Störstelle 12 in dem Datenkabel 11 erkannt werden kann, und dann in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Prüfung das Freigabesignal 27 erzeugen.
3 veranschaulicht über der Zeit t einen beispielhaften Verlauf des Wechselsignals 24 und die sich hieraus ergebenden zeitlichen Verläufe der Spannungspegel 15, 16 an den Signalausgängen Q, nQ der Sendeeinheit 13. Die Zeit t ist in Nanosekunden [ns] angegeben, die Spannungswerte in Volt [V]. Auch die übrigen Diagramme von 4, 5, 8 und 9 zeigen Verläufe über der Zeit t in Nanosekunden [ns]. 4, 5 und 8 sind dabei Angaben in Volt [V].
Nach einem Nulldurchgang 33 des Wechselsignals 14 ergibt sich gemäß 3 in der beschriebenen Weise nach einer bekannten Reaktionszeit 34 der Sendeeinheit 13 der Spannungssprung 25, bei welchem die Spannungspegel 15, 16 an den Signalausgängen Q, nQ getauscht werden. Eine Sprungdauer oder Anstiegszeit 35 kann kleiner als 10 Nanosekunden, insbesondere kleiner als 2 Nanosekunden, sein. Die Zeitverzögerung durch die Reaktionszeit 34 ist für die unten beschriebene Anwendung unerheblich.
Auch die Überschwinger im Wechselsignal 14 stören das Spannungssignal der Sendeeinheit 13 nicht.
Die gemessenen Spannungspegel 15, 16 sind in 3 zusammen mit dem Wechselsignal 24 gezeigt. Beim Umpolen des Wechselsignals 24 reagieren die Signalausgänge Q, nQ der Sendeeinheit 13 mit einer Verzögerung oder Reaktionszeit 34 von ca. 20ns. Dabei wechselt der differenziell positive Signalausgang Q z.B. von -0.4V auf 0V und der differenziell negative Signalausgang nQ von 0 auf z.B. -0.4V. Die Treiberstufe 29 (CML) kann ausgelegt sein, um eine Spannung von 400mV an einem 50Ω Abschluss zu erzeugen. Das heißt, dass bei einer differenziellen Messung der Spannungspegel 15, 16 (an Q und nQ) im Falle eines Abschlusses mit einer differenziellen Impedanz von 100Ω beim Umschalten ein Spannungssprung 25 von 0.8V zu erwarten ist (siehe 4).
4 veranschaulicht zwei mögliche Verläufe des Spannungssignals U in Reaktion auf den Spannungssprung 25. Für den Praxiseinsatz ist es interessant, das Verhalten des Spannungssignals in Abhängigkeit vom Zustand des Datenkabels 11 am gegenüberliegenden Kabelende 18' zu bestimmen. In der Praxis ist es z.B. denkbar, dass ein zu prüfendes UTP-Kabel oder ein anderes Datenkabel 11 in keinem definierten Zustand (offen oder kurzgeschlossen) vorliegt. Daher zeigt 4 zwei verschiedene Spannungsverläufe. Die Kurve A∞ zeigt das differenzielle Spannungssignal U eines UTP-Kabels bei offenem Ende und die Kurve A0 zeigt das differenzielle Spannungssignal U bei kurzgeschlossenem Ende. Veranschaulicht sind über der Zeit t beispielhafte Verläufe des Spannungssignals U für unterschiedliche am Ende 18' des Datenkabels 11 wirksame Abschlusswiderstände A0, A∞. Die Abschlusswiderstände bedeuten hier:

A0: Kabelende 18' kurzgeschlossen
A∞: Kabelende 18' offen.

Der Umschaltzeitpunkt lag für dieses Beispiel bei t=0ns. Im Fall des offenen Kabelendes 18' (A∞) springt das Spannungssignal U vom Minimalwert -0.7V auf knapp unter 0.1V. In dem Zeitabschnitt 36 zwischen t=0 und t=50ns ist die Information über die Impedanz des UTP-Kabels unmittelbar und ungestört von Mehrfachreflexionen enthalten. Die Information über die Impedanz ist ab t=50 ns auch noch vorhanden und unter Umständen messbar (siehe hierzu 8, zwischen 55 und 60 ns). Nach dem Erreichen des Endes 18' (bei t=50ns) des UTP-Kabels springt das Spannungssignal U auf den positiven Maximalwert von knapp über 0.7V. Genau genommen (aber für die Erläuterung der Erfindung nicht relevant) gibt es mehrere schrittweise abnehmende Sprünge alle 50 ns (erkennbar 4 am Verlauf A0), was durch die besagten Mehrfachreflexionen hervorgerufen wird.
Für das Prüfkriterium 26 kann ein vorbestimmter Zeitabschnitt 36 des Spannungssignals U zugrunde gelegt werden, welcher derjenigen Zeit entspricht, die der Spannungssprung 25 benötigt, um erstmals von dem Kabelende 18 zum Kabelende 18' zu gelangen, zuzüglich der Zeit, die eine Reflexion eines Spannungssignals am Ende 18' bis hin zum Spannungsabgriff 22 benötigt. Bei bekannter Länge des Datenkabels 11 und bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Spannungssignals im Datenkabel 11 kann der Zeitabschnitt 36 somit festgelegt werden. Für den Zeitabschnitt 36 kann ein Toleranzband 37 vorgegeben sein, innerhalb welchem gemäß dem Prüfkriterium 26 der Zeitabschnitt 36 des Spannungssignals U verlaufen muss, damit das Freigabesignal 27 erzeugt wird. Es kann ein unterer Schwellenwert 38 und ein oberer Schwellenwert 39 vorgegeben werden, zwischen welchen der Zeitabschnitt 36 des Spannungssignals U verlaufen muss, damit das Freigabesignal 27 erzeugt wird. Durch die Steuereinrichtung 23 kann auch der zeitliche Verlauf des Zeitabschnitts 36 selbst beispielsweise durch Abtasten mittels eines Analog-Digital-Wandlers erfasst werden.
5 veranschaulicht die Common-Mode-Spannungssignale (Gleichtaktsignale) am Datenkabel 11. Für den Einsatz im Feld ist es nämlich auch wichtig zu wissen, auf welchem Potenzial sich das Datenkabel während der Messung oder Prüfung befindet. Deshalb wurde mit einem differenziellen Tastkopf auch der Common-Mode-Anteil des Datenkabels gemessen. Es bestätigten sich die in 5 dargestellten Werte. Die Kurve A∞ zeigt den Spannungsverlauf bei offenem und die Kurve A0 bei kurzgeschlossenem UTP-Kabel. Es zeigt sich, dass das Datenkabel 11 während den Messungen auf einem Potential von ca. - 0.4V gegen das Massepotential GND liegt. Bevorzugt isoliert man daher das Datenkabel 11 während der Messung gegen das Massepotential GND.
6, 7 und 8 demonstrieren das Messprinzip anhand der Vermessung eines UTP-Kabels als Beispiel für ein Twisted-Pair-Kabel.
6 zeigt ein Datenkabel 11 in einer Ausführung als Twisted-Pair-Kabels (hier als UTP-Kabel, UTP - Unshielded Twisted Pair) mit zwei verdrillten Leitelementen 20, 21, die hier jeweils als Draht ausgestaltet sind. Das Datenkabel 11 gemäß 6 weist keine Störstelle auf. Dieser Zustand ist im Folgenden als D0 bezeichnet.
7 zeigt das Datenkabel 11 von 6, bei welchem nun eine Störstelle 12 eingebracht wurde, indem die beiden Leitelemente 20, 21 entdrillt wurden, sodass eine Schlaufe oder ein Auge 40 zwischen den Drähten 32 gebildet ist. Ein Durchmesser des Auges 40 beschreibt eine Abmessung D der Störstelle 12. Im Folgenden ist davon ausgegangen, dass die folgenden verschiedenen Abmessungen D1, D2, D3 für die Schlaufe oder das Auge 40 der Störstelle 12 zugrunde gelegt werden:

D1: Augenöffnung 10 Millimeter
D2: Augenöffnung 20 Millimeter
D3: Augenöffnung 30 Millimeter

8 veranschaulicht die sich ergebenden Verläufe des Spannungssignals U für die unterschiedlichen Abmessungen D der Störstelle 12. Der jeweilige Verlauf des Spannungssignals U für die unterschiedlichen Abmessungen D1, D2, D3 verletzte das Prüfkriterium 26 dahingehend, dass in dem Beispiel von 8 das Toleranzband 37 durch den Zeitabschnitt 36 verlassen wird oder anders gesagt der obere Schwellenwert 39 überschritten wird. Ein Durchtrittszeitpunkt t0 des Verlassens des Toleranzbands 37 beziehungsweise des Überschreitens des oberen Schwellenwerts 39 kann einer Position oder Lage L der Störstelle 12 entlang des Datenkabels 11 zugeordnet werden (siehe 1). Beispielsweise kann die Lage L relativ zum Kabelende 18 angegeben sein.
Die Kurve A0 zeigt den Spannungsverlauf für den Fall kurzgeschlossener Leitelemente 20, 21. Zur Diskussion sei zunächst auf den Anfang und das Ende des Spannungssignals U verwiesen. Im Falle einer differenziellen Messung ist stets zu erwarten, dass sich die Spannung auf dem UTP-Kabel zeitlich weit entfernt von Umschaltvorgang 0V annähert, da sich keine differenzielle Spannung aufbauen kann. Am Zeitpunkt t=0ns des Umschaltens der Sendeeinheit 13 beobachtet man umgekehrtes Verhalten im Vergleich zum offenen Ende 18' (vergleiche Spannungsverlauf zwischen 0 und 50ns, Kurve A∞). Die Information über die Impedanz ist wieder in dem Zeitabschnitt 36 im Zeitraum zwischen 0 und 50ns zu sehen.
Eine Störstelle 12 kann in der Produktion eines Datenkabels 11 oder beim Zusammenbau eines Kabelbaums mit dem Datenkabel 11 entstehen. Sie kann durch eine Entdrillung eines Twisted-Pair-Kabels entstehen. Darum wurde ein Schlag eines UTP-Kabels sukzessive von 10mm bis 30mm entdrillt (Abmessungen D1 bis D3) und dabei die Impedanz gemessen (8). Eine Entdrillung führt zu einer Erhöhung der Impedanz und es wird erkannt, dass die Impedanz mit dem Durchmesser der Entdrillung steigt.
Der Ort der Entdrillung kann im Rahmen der Ortsauflösung bestimmt werden.
Zur Umrechnung des Spannungsverlaufs U als Funktion der Zeit t in eine elektrische Länge als Funktion der Orts x muss die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen auf dem Kabel berücksichtigt werden (typischerweise 0,7 * Lichtgeschwindigkeit c0). Der Verkürzungsfaktor vr (also hier z.B. 0,7) ist abhängig von der Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den beiden Leitelementen des Datenkabels 11. Zusätzlich ist der Faktor 2 durch die Reflexionsmessung zu beachten. Es kann somit folgende Zuordnungsvorschrift vorgesehen sein: $x = (vr \cdot c 0 \cdot t) / 2$

wobei t die Laufzeit im Datenkabel 11 seit dem Umschalten der Schalteinrichtung 15 oder seit Beginn des Zeitabschnitts 28 ist.
Ergibt sich nach Erzeugung des Spannungssprungs 15 bei t=0ns für den Durchtrittszeitpunkt t0 z.B. eine Veränderung der Amplitude des Spannungssignals U aufgrund einer Störstelle 12 (siehe 1), so kann die Lage L der Störstelle 12 berechnet werden zu $L = (vr \cdot c 0 \cdot t0) / 2.$
Ohne Weiteres kann die Zeitachse aller Graphen also in eine Ortsachse umgerechnet werden. Für eine Abschätzung kann man bei den gemessenen UTP-Kabeln eine Ausbreitungskonstante von ca. 9.42ns/m in Reflektion annehmen.
9 zeigt ein Diagramm, um die relative Änderung R im Spannungssignal U darzustellen. Es ist die relative Änderung R zum nicht entdrillten Kabel (D0) aufgetragen. Dargestellt ist das gemessene Spannungssignal U für ein UTP-Kabel mit unterschiedlicher Entdrillung relativ zum Spannungsverlauf des unversehrten Datenkabels 11 (Fall D0). Angegeben ist die jeweilige Abmessung D1 bis D3 der Augenöffnung nach Entdrillung. 9 zeigt die relative Abweichung R des gemessenen Spannungssignals U vom ungestörten Zustand D0 normiert auf das Datenkabel 11 (hier wieder ein UTP-Kabel) ohne Störstelle. Um ein aussagekräftiges Kriterium für die relativen Abweichungen zu erhalten, wurde zu jedem Spannungsverlauf ein Wert von 0.7V addiert, um den Negativ-Offset der Kurven zwischen t=-10ns und t=0ns zu kompensieren. Ansonsten wären die relativen Abweichungen künstlich vergrößert im Vergleich zum Spannungsverlauf auf dem Kabel vor und nach der Störstelle. 9 zeigt die relativen Abweichungen der Spannungssignale von 8 normiert auf das Spannungssignal U ohne Entdrillung (Fall D0). Die relativen Abweichungen an der Störstelle 12 (bei ca. t=38ns) sind zuverlässig zu erkennen.
Die jeweilige Amplitudenänderung 41 ist ein Maß für die Abmessung D der Störstelle 12 (hier beispielhaft veranschaulicht für D1 und D3). Es kann daher auch vorgesehen sein, aus der Amplitudenänderung 41 direkt eine Impedanz aus dem gemessenen Spannungssignal U zu berechnen, da eine Kalibrierung mit bekannten Impedanzen jederzeit möglich ist.
Die relative Abweichung R des Spannungssignals U vom ungestörten Zustand ergibt allgemein ein Maß für die Detektierbarkeit und/oder Quantisierbarkeit von Störstellen 12.
10 veranschaulicht eine Prüfvorrichtung 10, bei welcher das Koppelelement 19' zum Anschließen eines Datenkabels 11 ausgestaltet ist, dass ein Koaxialkabel ist. Mittels eines Balun 42 kann bei dem angeschlossenen Koaxialkabel ein Leitelement 21, das einen Außenleiter des Koaxialkabels dargestellt, mit einem Bezugspotential der Prüfvorrichtung 10 gekoppelt werden. Das Bezugspotential kann das Massepotential GND der Prüfvorrichtung sein.
Insgesamt erlaubt die Prüfvorrichtung 10 in allen Ausführungsformen ein einfaches und robustes Messverfahren oder Prüfverfahren P für die ortsaufgelöste Impedanz von Datenkabeln 11, insbesondere Koaxial- und UTP-Kabeln. Eine differenzielle Spannungsstufe, welche für eine Messung der ortsaufgelösten Impedanz notwendig ist, wird durch eine Sendeeinheit 13 für ein LVDS (Low Voltage Differential Signaling) mit Treiberstufe erzeugt. In einer speziellen Ausführung wurde als Baustein ein Komparator 28 (z.B. ein Ultrafast SiGe Voltage Comparator), wie er von dem Unternehmen Analog Devices (R) als „ADCMP580“ bezogen werden kann, mit einer Current Mode Logic (CML) Treiberstufe 29 benutzt, um eine solche differenzielle Spannungsstufe zu erzeugen.
Die geringe Komplexität kombiniert mit der Robustheit des Prüfverfahrens P schafft die Eignung für eine industrielle Nutzung zur Integration in eine Prüfanlage. Die geringe Risetime 35 der Anstiegsflanke des Spannungssprungs 25 erlaubt eine Ortsauslösung, mit welcher die Lage L ermittelt werden kann.
Der Stand der Technik bei Impedanz-Analysatoren besteht normalerweise in der Erzeugung des Spannungsverlaufs einer Stufenfunktion mit einer sehr steilen Anstiegsflanke, welche auf das zu prüfende Datenkabel geschaltet wird. Während sich das Signal ausbreitet, entsteht ein Spannungsteiler zwischen Innenwiderstand der Quelle und Wellenwiderstand des zu prüfenden Kabels. Wenn man die Spannung während dieser Ausbreitungsphase misst, erhält man ein zeitaufgelöstes Spannungssignal U, welches man in eine ortsaufgelöste Impedanz umrechnen kann. Die Erzeugung einer steilflankigen Stufenfunktion oder eines steilflankigen Spannungssprungs 25 ohne Über- bzw. Unterschwinger ist mit diskreten Bauteilen nicht trivial.
In diesem Zusammenhang wird zur Erzeugung des Pulses oder Spannungssprungs 25 eine LVDS-Sendeeinheit 13, z.B. in Form eines Treiberbausteins, verwendet. Je steiler die Flanke (höhere Bandbreite), eine entsprechende Samplingrate der Spannungsmessung vorausgesetzt, umso höher ist die Ortsauflosung des gemessenen Wellenwiderstandes.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass diese Prüfung mittels eines Baluns 42 (siehe 10) auf jegliche unsymmetrische Zweileiterkonfigurationen (z.B. Koaxialkabel) erweitert werden kann.
Das Ausführungsbeispiel zeigt, wie eine ortsaufgelöste Impedanzmessung mit einer LVDS-Sendeeinheit mit CML-Treiberstufe realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Prüfvorrichtung
11: Datenkabel
12: Störstelle
13: Sendeeinheit
14: Wechselsignal
15: Spannungspegel
16: Spannungspegel
17: Invertierung
18: Kabelende
18': Kabelende
19: Anschlusseinrichtung
19': Koppelelement
20: Leitelement
21: Leitelement
22: Spannungsabgriff
23: Steuereinrichtung
24: Wechselsignal
25: Spannungssprung
26: Prüfkriterium
27: Freigabesignal
28: Komparator
29: Treiberstufen
30: Eingangsspannung
31: Eingangsspannung
32: Relatives Größenverhältnis
33: Nulldurchgang
34: Reaktionszeit
35: Anstiegszeit
36: Zeitabschnitt
37: Toleranzband
38: Unterer Schwellenwert
39: Oberer Schwellenwert
40: Auge
41: Amplitudenänderung
42: Balun
A, B: Abgriffspunkt
D: Abmessung
GND: Bezugspotential
Q, nQ: Signalausgang
S10-S13: Verfahrensschritt
U: Spannungssignal
VP, VN: Eingangsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017108954 [0003]
DE 102017108955 [0004]

Claims

Prüfvorrichtung (10) zum Prüfen eines Datenkabels (11) für ein Kraftfahrzeug (Kfz), aufweisend: - eine Anschlusseinrichtung (19) zum Anschließen eines Kabelendes (18) des Datenkabels (11), - eine Sendeeinheit (13) für ein LVDS, wobei die Sendeeinheit (13) zwei Signalausgänge (Q, nQ) aufweist, die mit der Anschlusseinrichtung (18) verbunden sind und von denen jeder ein bezüglich des jeweils anderen Signalausgangs (Q) invertierter Signalausgang (nQ) ist, und wobei die Sendeeinheit (13) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Wechselsignal (24) einen an dem jeweiligen Signalausgang (Q, nQ) bereitgestellten Spannungspegel (15, 16) mit einem Spannungssprung (25) zu tauschen, - einen mit der Anschlusseinrichtung (19) verbundenen Spannungsabgriff (22) zum Erfassen eines elektrischen Spannungssignals (U) des Datenkabels (11), - eine Steuereinrichtung (23), die dazu eingerichtet ist, durch Erzeugen des Wechselsignals (24) in der Sendeeinheit (13) den Spannungssprung (25) an den Signalausgängen (Q, nQ) auszulösen und, während sich der Spannungssprung (25) von der Anschlusseinrichtung (19) her in das Datenkabel (11) hinein ausbreitet, an dem Spannungsabgriff (22) das Spannungssignal (U) zu erfassen und einen vorbestimmten Zeitabschnitt (36) des Spannungssignals (U) auf der Grundlage eines vorbestimmtes Prüfkriteriums (26) zum Erkennen einer Störstelle (12) des Datenkabels (11) zu prüfen.
Prüfvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Sendeinheit (13) auf der Grundlage einer Komparatorschaltung (28) gebildet ist, welche dazu eingerichtet ist, an zwei Signaleingängen (30, 31) eine jeweilige Eingangsspannung (VP, VN) zu empfangen und zu vergleichen und ein relatives Größenverhältnis (32), welches angibt, welche der Eingangsspannungen (VP, VN) größer oder kleiner als die andere Eingangsspannung (VP, VN) ist, an den Signalausgängen (Q, nQ) zu signalisieren und bei einer Umkehr des relativen Größenverhältnisses (32) die Signalausgänge (Q, nQ) mittels des Spannungssprungs (25) umzuschalten, und wobei die Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, mittels des Wechselsignals (24) die Eingangsspannungen (VP, VN) zu verändern und hierdurch deren relatives Größenverhältnis (32) an den Signaleingängen (30, 31) der Komparatorschaltung (28) umzukehren und damit an den Signalausgängen (Q, nQ) den Spannungssprung (25) auszulösen.
Prüfvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Komparatorschaltung (28) mit den Signalausgängen (Q, nQ) über eine Treiberstufe (29) verbunden ist, welche bezüglich der Anschlusseinrichtung (19) zwischen den beiden Signalausgängen (Q, nQ) einen niedrigeren Innenwiderstand bereitstellt als der Komparator (28) selbst ihn zur Treiberstufe (29) hin bereitstellt.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlusseinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, jeden der Signalausgänge (Q, nQ) mit jeweils einem Leitelement (20, 21) des Datenkabels (11) zu koppeln.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, an dem Spannungsabgriff (22) das Spannungssignal (U) differenziell abzugreifen.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prüfkriterium (26) vorsieht, das Vorhandensein der Störstelle (12) in dem Datenkabel (11) zu signalisieren, falls der Zeitabschnitt (36) des Spannungssignals (U) zumindest teilweise außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbands (37) liegt.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prüfkriterium (26) vorsieht, den Zeitabschnitt (36) des Spannungssignals (U) mit zumindest einem Schwellenwert (38, 39) zu vergleichen und bei Überschreiten oder Unterschreiten des jeweiligen Schwellenwerts (38, 39) das Vorhandensein der Störstelle (12) zu signalisieren.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prüfkriterium (26) vorsieht, einen Zeitverlauf des Zeitabschnitts (36) zu ermitteln und eine Lage (L) der Störstelle (12) entlang des Datenkabels (11) mittels einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift, welche jedem Zeitpunkt des Zeitverlaufs einen jeweiligen Ort entlang des Datenkabels (11) zuordnet, zu ermitteln.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prüfkriterium (25) vorsieht, einem Deltawert einer Amplitudenänderung, welche der Zeitabschnitt (28) des Spannungssignals (U) aufweist, der Störstelle (12) einen Wert einer Abmessung (D) und/oder einer Beschaffenheit zuzuordnen.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlusseinrichtung (17) ein Twisted-Pair-Koppelelement (19') zum Anschließen eines Datenkabels (11), das als Twisted-Pair-Kabel ausgestaltet ist, und/oder ein Koppelelement zum Anschließen eines platinenbasierten Zweileitersystems aufweist.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlusseinrichtung (19) ein Koaxial-Koppelelement (19') zum Anschließen eines Datenkabels (11), das als Koaxialkabel ausgestaltet ist, aufweist.
Prüfvorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei das Koaxial-Koppelelement (19') ein Balun (42) aufweist und dazu eingerichtet ist, bei angeschlossenem Koaxialkabel einen Außenleiter des Koaxialkabels mit einem Bezugspotential (GND) der Prüfvorrichtung (10) zu koppeln.
Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (14) einen Signalgenerator (23) zum mehrfachen und/oder periodischen Schalten der Schalteinrichtung (15) aufweist, und das Prüfkriterium (25) eine vorbestimmte Mindestanzahl an erfolgreichen Prüfdurchläufen zum Erkennen der Störstelle (12) vorsieht, bevor die Störstelle (12) als erkannt signalisiert wird oder bevor ein Freigabesignal (26), das die Abwesenheit einer Störstelle signalisiert, erzeugt wird.
Prüfverfahren (P) zum Prüfen eines Datenkabels für ein Kraftfahrzeug, wobei eine Sendeeinheit für ein LVDS zwei Signalausgänge (Q, nQ) bereitstellt, die mit einer Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines Kabelendes des Datenkabels verbunden sind und von denen jeder ein bezüglich des jeweils anderen Signalausgangs invertierter Signalausgang ist, und wobei die Sendeeinheit in Abhängigkeit von einem Wechselsignal einen an dem jeweiligen Signalausgang bereitgestellten Spannungspegel mit einem Spannungssprung tauscht und eine Steuereinrichtung durch Erzeugen des Wechselsignals in der Sendeeinheit den Spannungssprung an den Signalausgängen auslöst und, während sich der Spannungssprung von dem Kabelende her in das Datenkabel hinein ausbreitet, an einem Spannungsabgriff ein Spannungssignal des Datenkabels erfasst und einen vorbestimmten Zeitabschnitt des Spannungssignals auf der Grundlage eines vorbestimmtes Prüfkriteriums zum Erkennen einer Störstelle des Datenkabels prüft.
Prüfverfahren (P) nach Anspruch 14, wobei nur bei unerfülltem Prüfkriterium (25), wenn keine Störstelle (12) signalisiert wird, ein Freigabesignal (26) zum Freigeben des Datenkabels (11) für eine Montage und/oder einen Betrieb erzeugt wird.