DE1566017A1

DE1566017A1 - Abschlusskreis fuer eine UEbertragungsleitung

Info

Publication number: DE1566017A1
Application number: DE19671566017
Authority: DE
Inventors: Zeidlhack Donald Floyd; White Richard Riehm
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1967-01-03
Filing date: 1967-12-29
Publication date: 1970-07-23
Also published as: US3532982A; GB1157730A; FR1550665A

Description

Patentanwalt

Kari A. Bros© .. . «■ ■

Dipl.-Ing.

8023 München-Pullach . ; .

. WienerStf.2-Tel.München79QS70 1 & U O U I /

Ko/Ba -11 886 München-Pullach, 28. Dez. 1967

Tektronix,Inc., 15 140 S.W. Ear1 Braun Drive, Tektronix Industrial Park, Beaverton, Oregon 97005, USA

. Abschlußkreis für eine Übertragungsleitung

Die Erfindung befasst sich im allgemeinen mit AbSchlußschaltungen für Übertragungsleitungen, die mit kapazitiven Belastungen' verbunden sind. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einer überbrückten T-Abschlußschaltung, welche eine Wechslspannungsabschluß-Impedanz hat, die der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung über einen großen Frequenzbereich gleich ist,und mit einer Gleichspannungsabschlußiijpaianz höheren Wertes, die im wesentlichen gleich ist dem Belastungswiderstand.

Die Abschlußschaltung nach der Erfindung dient insbesondere zum Verbinden eines elektrischen Tastkopfes bzw. des damit verbundenen Koaxialkabels in lorm einer-Übertragungsieitung mit einer kapazitiven Belastung, z.B. dem Eingang eines Kathodenstrahl© scilloskops. Ein Tastkopf mit der AbSchlußschaltung nach der Erfindung ist von Gleichspannung bis 300 MHz verwendbar und hat eine Einschwingzeit von weniger als 1,5 Nanosekunden. Ausserdem weist die Abschlußschaltung nach der Erfindung eine äusserst hohe Gleichspannungseingangsimpedanz auf, die im wesentlichen gleich ist dem Belastungswiderstand, der parallel zum kapazitiven Widerstand der Belastung am Eingang des Oszillographen liegt, so daß er die Signalquelle nicht erheblich beaufschlagt oder belastet. Überbrückte T-Abschlußlsreise z.B« nach der US-Patentschrift 3 155 927 haben dea Haohtieil' eines äusstrst geringen GleichspannungseingangSWiderafesnaerSs der

ÖOeUQ^ii*Ä . ■ ■ . ^8AD ORIGINAL

im wesentlichen gleich ist der 3harakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung. Dadurch bewirkt die bekannte Abschlußschaltung eine derart starke Belastung der Signalquelle, daß ein Großteil des Ausgangsströmeβ der Signalquelle durch die Abschlußschaltung fließt, wodurch wieder mehr Strom für die Signalquelle erforderlich wird.

Zur Überwindung dieses Problems der Belastung der Signalquelle ist vorgeschlagen worden, elektrische Tastköpfe mit hochohmigen Innenleitern oder Koaxialkabeln mit Mittelleitern aus Hochwiderstandsdraht zu verwenden, um die Signalreflektionen aus der kapazitiven Belastung zu dämpfen. Nachteilig ist aber bei einer solchen Schaltung, daß die Ansprechzeit sehr lang ist und zwar wegen der langen minimalen Anstiegszeit, die von der großen RO-Konstante herrührt, welche ihrerseits erforderlich ist, um die Kapazität des Koaxialkabels und die Belastung durch den hohen Widerstand des Innenleiters des Koaxialkabels oder des Taetkopfes zu laden. Die Abschlußschaltung nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile durch Verwendung des Belastungswider-Standes als hoher Gleichspannungsabschlußwiderstand zur Verringerung der Belastung der Signalquelle, wodurch der Innenleiter des Koaxialkabels der Übertragungsleitung einen niedrigen Ohm'sehen Widerstand haben kann, was wiederum zur Folge hat, daß die Schaltung schnell anspricht. Zusätzlich wird mit der Erfindung der Vorteil erreicht, daß bei der nach der Erfindung ausgebildeten Abschlußschaltung eine Signalverzerrung in Form ' des Überschießens an der Anstiegs- und der Abfallflanke bei Rechteckwellenformen vermieden wird und ausserdem schwankt die Amplitude des Signals nicht während der Zeit, die zwischen Anstieg- und Abfallflanke liegt.

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Es war also eine Aufgabe der Erfindung, eine Abschlußschaltung für eine mit einer kapazitiven Belastung verbundene Übertragungsieitung zu finden, welche einen großen brauchbaren Frequenzbereich und einen hohen Gleichstromeingangswiderstand hat.

Es sollte eine überbrückte T-Schaltung für eine Übertragungsleitung mit kapazitiver Belastung gefunden werden, bei welcher der kapazitive und Ohm'sche Widerstand der Belastung einen Teil des Abschlusses bildet, um eine Gleichspannungsabschlußimpedanz zu erhalten, die im i*e seht lieh en gleich ist dem Widerstand der Belastung, und ferner eine Wechselspannungsabschlußimpedanz, die im wesentlichen gleich ist der Impedanz der Leitung. :

Weiter richtete sich die Erfindung auf eine AbSchlußschaltung für eine Übertragungsleitung mit kapazitiver Belastung, die mit einem Tastkopf und einem Koaxialkabel jeweils mit Innenleiter mit geringem Widerstand verwendet werden kann, um ein gutes Frequenz-Anspruchverbalten zu erhalten, während gleichzeitig Verzerrungen der Signalwellenform insbesondere auf Grund von überschießen verringert werden sollen.

Die Erfindung richtete sich auch auf die Schaffung einer Schaltung für den Tastkopf eines Kathodenstrahloszillographen mit überbrückter T-AbSchlußSchaltung, die eine möglichst kurze Ansprechzeit , einen großen Frequenzbereich und einen hohen Wechselspannungseingangswiderstand hat.

Weitere Vorteile und die Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Hinweis auf die Zeichnung«,

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In dieser zeigen:

Pig. 1 schematisch im Schaltbild einen Tastkopfanschlußkreis für einen Kathodenstrahloszillographen einschließlich Übertragungsleitungs-Abschluß nach der Erfindung;

Pig. 2A, 2B und 20 Vellenformen eines Impulses, der bei der Schaltung nach Fig. 1 an den Punkten A "bzw. B bzw...C auftritt; und

Fig. 3 das Blockschaltbild der Schaltung nach Fig. 1.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Tastkopf-Eingangskreis des Oszillographen liegt der Tastkopf 10 über ein eine Wellenleitung bildendes Koaxialkabel 12 am Abschlußkreis 14 am Eingang des Kathodenstrahloszillographen 16. Die Eingangsimpaäanz des Oszillographen stellt eine kapazitive Belastung des Ausgangs 18 des Abschlußkreises dar, wobei diese Belastung eine Kapazität 20 parallel mit einem Belastungswiderstand 22 zwischen dem Punkt 18 und •Erde darstellt. Normalerweise hat die Belastungskapazität 20 etwa zwischen 15 und 20 Pikofarad und der Belastungswiderstand 22 hat überlicherweise einen Wert von etwa 1 Megaohm. Wenn ein mit dem Faktor 10 dämpfender Tastkopf verwendet wird, dann weist der Tastkopf einen Ankopplungswiderstand 24 von 9 Megaohm, d.h. dem neunfachen Wert des Belastungswiderstandes 22 , und einen Kopplungskondensator 26 auf, der etwa 8,2 Pikofarad hat und parallel zum Anlqpp lungs wider stand liegt.

Das aus Innenleiter 28 und Aussenleiter 30 bestehende Koaxialkabel hat eine charakteristische Impelanz von etwa 163 0hm, wobei dieser Widerstand im wesentlichen gleichförmig über die Länge des Kabels ist. Der Innenleiter 28 besteht aus niederohmigem Material

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von etwa 120 Ohm pro Meter; er kann auch aus einem solchen Material bestehen, daß der Ohm'sche Widerstand praktisch vernachlässigbar klein ist..Wenn ein einen merkbaren Widerstand aufweisender innerer Leiter verwendet wird, dann ändert sich die charakteristische Impedanz Z mit der Frequenz des Eingangssignals nach der Formal

wobei R der Ohm'sche Widerstand des Innenleiters ist«, Der Aussenleiter 30 des Koaxialkabels ist geerder und das Kabel selbst ist am Ausgang des Innenleiters 28 an den Eingangspunkt 32 des Abschlußkreises 14- gelegt.

Der in überbrückter T-Schaltung ausgeführte Abschlußkreis 14 weist eine erste und eine zweite Induktivität 34 bzw. 36 auf, die in Reihe geschaltet und durch ihre Induktivität miteinander gekoppelt sind. Dadurch können die Induktivitäten 34 und 36 praktisch durch eine in der Mitte abgegriffene Spule von etwa 0,35 Mikrohenry gebildet werden, wobei der Mittelabgriff dieser gemeinsamen Spule am Ausgangsanschluß 18 liegt« das andere Ende der Induktivität 36 ist geeicht und zwar über einen erstenWiderstand 38 und eine erste Kapazität 40, die zusammen mit der.zweiten Induktivität 36 eine erste Seriensehaltung zwischen dem Ausgangspunkt 18 und Erde bilden. Der erste Widerstand 38 ist ein veränderlichsr Widerstand von 1 Kiloohm und der erste Kondensator 40 hat eines festen Wert von 10 Pikofarad» Bas andere Ende der ersten Induktivität 34 ist über einen zweiten Widerstand 42, der ein veränderlicher Widerstand mit 500 Ohm sein kann₉ an &i® BingangakXemm© 32 ge.legt_o

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Ein zweiter Kondensator 44 liegt parallel zu den "beiden in Reihe geschalteten Induktivitäten 34 und 36; dabei handelt es sich um einen zwisehen 2 und 8 Pikofarad variablen Kondensator. Um Veränderungen der Eingangskapazität des Oszillographen - dargestellt vom Kondensator 20 zu kompensieren, ist ein dritter Kondensator 46 in Rejbe mit einem dritten Widerstand 48 von der Verbindungsstelle der Induktivitäten 34- "und 36 an Erde gelegt, um so eine zweite Serienschaltung zwischen der Ausgangsklemme 18 und Erde zu "bilden. Der dritte Kondensator ist dabei ein veränderlicher Kondensator, dessen Weib zwischen 5>5 und 18 Pikofarad geändert werden kann, während der dritte Widerstand 48 ein veränderlicher Widerstand mit 2 Kiloohm ist.

Wie bereits eingangs erwähnt wurde j besteht eine äusserliehe Ähnlichkeit der hier gezeigten Schaltung mit der in der US-Patentschrift 3 155 927 gezeigten. Wie· Fig. 3 zeigt, ist der Querbalken des "T" zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Abschlußschaltung vom zweiten Kondensator Gp und der damit in Reihe liegenden Induktivität Lo gebildet. Die Verbindungsstelle zwischen Cp und Lp liegt an Erde über die Reihenschaltung des ersten Widerstandes R^ und des ersten Kondensators C^, welche den hochstehenden Balken des "T^ilden. Die erste Induktivität L,, bildet dabei die "Brücke" über dem Querbalken des ⁿTⁿ zwischen Eingang und Ausgang der Abschlußschaltung. Es ist-darauf hinzuweisen, daß der zweite Widerstand 42, der dritte Kondensator 46 und der dritte Widerstand 48 fortgelassen werden können, wes- ' halb sie auch in dem Blockdiagramm in Fig. 3 nicht erscheinen. So kann der zweite Widerstand 42 eliminiert werden, wenn ein Widerstandsdraht vom richtigen Wert als Innenleiter 28 des Koaxialkabels Verwendung findet. Ebenso können der dritte Kondensator 46 und der dritte Widerstand 48 eliminiert werden, wenn άί.β

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Durch die Verwendung des ersten Kondensators 4-0 im senkrechten Baien der überbrückten T-Abschlußschaltung zur Verhinderung irgendeines , Gleichstromflusses durch diesen Zweig unterscheidet sich die vorliegende Schaltung von der aus der erwähnten US-Patentschrift 5 155 927, da der ganze Gleichspannungs-Signalström durch den Belastungswiderstand 22 zur Erde fließen muß. Dadurch ist der Gleichspannungs-Eingangswiderstand bei der nach der Erfindung ausgebildeten Abschlußschaltung sehr hoch, weil er im wesentlichen gleich ist dem Belastungswiderstand plus den kleinen Widerständen im zweiten Widerstand 42 und der ersten Induktivität 34. Wegen des hohen Gleichspannungseingangswiderstandes der Abschlußschaltung wird die an der Eingangsklemme oder Spitze 50 des Tastkopfes liegende Signalquelle nicht wesentlich durch die Abschlußschaltung und den Tastkopf belastet. Bei Verwendung des oben erwähnten, um den Faktor 10 dämpfenden Tastkopf es, wird eine Gesamt-Gleichspannungseingangsimpaä.anz von 10 Megaohm parallel zur Signalquelle gelegt, die wesentlich größer ist als die Ausgangsimpedanz der Signalquelle und damit wird sehr wenig Signalstrom von der Quelle abgeleitet.

Die Wechselspannungs-Abschlußimpedanz des Abschlußkreises 14 wird bei hohen Frequenzen im wesentlichen durch den Widerstand 38 und den Kondensator 40 gebildet, und bei mittleren und niedrigen Frequenzen vom Widerstand 42 und der Belastungskapazität 20 zusammen mit dem Widerstand 46. Der Widerstand 38 wird normalerweise auf einen Wert gestellt, der etwa gleich ist der Impedanz der vom Koaxialkabel gebildeten WellenMtung 12 und der zweite Widerstand 42 wird auf einen experimentell bestimmten Wert eingestellt, bei dem SignaliefleifcLonen in der gewünschten Weise gedänpft werden. Der so erhaltene Abschlußkreis hat einen Arbeits-

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bereich von O - 300 MHz. Die Ansprechzeit, d.h. die Anstiegszeit der Schaltung nach Fig. 1 ist kleiner als 1,5 Nanosekunden und die Welligkeit (sh. Fig. 2G) der Signale ist weniger als 2 %.

Wenn ein Bechteckimpuls etwa nach Fig. 2A an den Tastkopfeingang 50 bei A in' Fig. 1 angelegt wird, dann wird er durch den Tastkopf und das Koaxialkabel geleitet und erscheint etwa in Gestalt der in. Fig. 2B wiedergegebenen Form am Punkt B, d.h. am Eingangsanschluß der Abschlußschaltung. Das geringfügige Überschießen an der Anstiegskante der Wellenform nach Fig. 2B hat seinen Grund im geringen Widerstand des Innenleiters 28 des Koaxialkabels 12. Der Impuls wird dann durch die Abschlußschaltung 14 geführt und erscheint am Punkt C, d.h. am Eingang zum Oszillographen selbst («Ausgang der Abschlußschaltung) mit der etwa in Fig. 20 gezeigten Gestalt, wobei dieser Impuls nur ein sehr geringes Überschießen zeigt und ausserdem eine nur ganz geringe Welligkeit an der oberen linken Kante des Impulses, die Amplitudenmässig weniger als 2 % der Gesamtamplitude des Impulses beträgt. Der Kondensator C, wird so eingestellt, daß er alle Veränderungen des Wertes der Belastungskapazität 20 kompensiert und der dritte Widerstand 48 gestattet eine Einstellung des Ladestroms für Änderungen des dritten Kondensators G-,. Deapfc weite Widerstand 42 wird auf minimales Überschießen eingestellt und der erste Widerstand $8 und der zweite Kondensator sind veränderlich um ein weiteres Gestalten der Wellenform zu ermöglichen, und zwar im Sinne einer optimalen Anstiegszeit und eines optimalen Ansprechverhaltens.

Das Koaxialkabel 12 kann auch eine künstliche Übertragungsleitung mit punktförmig verteiltem Widerstand in einer anderen Schaltung sein.

Alle dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung von Be-

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deu-cung.

2'NAi

Claims

PAMTANSPRÜÖHE

1. Schaltung mit Übertragungsleitung, an deren einem Ende eine Belastungsimpedanz mit Belastungskapazität und Ohm¹sehen Widerstand und an deren anderem Ende eine Abschlußschaltung liegt, dadurch g e k e η η ζ ei ohne t, daß die Abschlußschaltung (14) eine Wechselspannungsabschlußimpedanz im wesentlichen gleich der charakteristischen Impedanz der ■Übertragungsleitung (12) und einen hohen GleichSpannungsabschlußwiderstand ■ im wesentlichen von der Größe des Belastungwiderstandes (22) aufweist. _ .

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale; die AbSchlußschaltung weist zwischen Eingang(32) und Ausgang (18) eine erste Induktivität (34·) auf | mit der ersten Induktivität (34) liegt in Reihe induktiv gekoppelt eine zweite Induktivität (36), deren eines Ende am Ausgang (18) der Abschlußschaltung (14) liegt; Am anderen Ende der zweiten Induktivität (36) liegt ein erster Widerstand (R/.), mit diesem in Reihe ein erster Kondensator (40) so daß die zweite Induktivität (36) der erste Widerstand (R^) und der erste Kondensator (O^) eine erste Reihenschaltung zwischen Ausgang (18) der Abschlußschaltung (14) und Erde "bilden; parallel zur Reihenschaltung der "beiden Induktivitäten (34,36). liegt ein zweiter Kondensator (G₂).

3.Schaltung nach Anspruii 2, gekennzeichnet durch einen Widerstand (Rq) zwischen erster Induktivität (34) und Eingang (32) der Ab Schluß schaltung (14).

4. Schaltung nach Anspruch 3* gekennzeichnet durch ©inen Wider-sband (H,) dessen einer Anschluß am Ausgangspunkt (18) de.? Abschlußschaltung (14) liegt und dessen anderer Anschluß üoer" einen . ' - 009830/0422

BAD ORIGWAL

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Kondensator (C^) zur Bildung eines .weiteren Reihenkreises
zwischen Ausgang (13) und Erde liege,

5. Schaltung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die

an den Induktivitäten (24-,36) liegenden Widerstände (R,,, Rp, R?) der die in Reihe liegenden Induktivitäten überbrückende Kondensator (Op) und der mit der Stelle zwischen den Induktivitäten (34-,3O) über einen veränderbaren Widerstand (R₃J verbundene
mit der anderen Klemme an Erde liegende Kondensator (C^) veränderlich bzw. einstellbar sind.

6. Schaltung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs sch altpunkt (32) der Abschlußschaitung (14-) am Ausgang einer Wellenleitung (12) von im wesentlichen gleichförmiger
charakteristischer Impedanz liegt, und daß der Ausgangsschaltpunkt (18) der Abschlußschaltung (14·) an einer Belastungskapazität (20) liegt, die mib einem Belastungswiderstand (22) geshuntet ist.

7« Schaltung nach -Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Belastungswiderstand (22) mehrmals größer ist als die
kennzeichnende Impedanz der Wellenleitung (12).

8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung ein Koaxialkabel ist, welches einen Tastkopf (10) und dem eine Kapazität und einen 0hm'schen Widerstand aufweisenden Eingang eines Kathodenstrahlcszillographen (16) ist,

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