12 2.- Trabajo de Laboratorio EL 41B Laboratorio de Redes En el laboratorio se ocuparán los siguientes equipos: • Modulo básico SO4201-2C • Línea de transmisión coaxial SO4201-9Q • Transmisor coaxial (Tarjeta) SO4201-9P, que posee: Puentes de medición Generador de impulsos • Generador de señales • Osciloscopio • Fuente de 5 Volts Corriente Continua • Multímetro La línea de transmisión coaxial es de 60 metros, seccionada en tres partes iguales de 20 metros cada una, con una caja de terminales que permiten conectar las distintas cargas a utilizar. Para contar con los 60 metros de la línea de transmisión se debe unir el final de la línea 1 con el inicio de la línea 2, y a su vez el final de la línea 2 debe quedar unido al inicio de la línea 3. El inicio de la línea 1 debe conectarse a la tarjeta de transmisor coaxial y el final de la línea 3 debe conectarse al terminal donde se encuentran las clavijas para conexión de cargas de la línea de transmisión coaxial. Línea de Transmisión Coaxial Características, Reflexiones y Ondas Estacionarias 1.- Introducción Las líneas de transmisión se usan para transportar energía y ondas electromagnéticas (información) de un punto a otro sin que exista radiación y tratando de minimizar las pérdidas que se producen en el trayecto que recorre la información. Dichas pérdidas se deben a la presencia de materiales imperfectos: pérdidas en el dieléctrico de la línea, pérdidas en los conductores, etc. Estas pérdidas siempre son pequeñas y se relacionan con una cierta porción de energía que se pierde durante la transmisión de datos. Una línea de transmisión consiste en dos o más conductores, por ejemplo, línea de 2 conductores blindada y línea coaxial. Las líneas de transmisión coaxial son las más utilizadas en la transmisión de información en la actualidad, sobre todo en estructuras como las redes de computadores, permitiendo una alta velocidad de transmisión. Es necesario conocer las características de una línea coaxial para establecer los efectos de la línea en el generador de señal y en el transmisor. Al conocer estos parámetros podemos calcular la impedancia característica de la línea. La diferencia de impedancias entre carga, línea y generador significa desadaptación en el conjunto, cuyo efecto principal es la presencia de ondas reflejadas que provoca interferencias, pérdida de información y de potencia. El propósito de esta experiencia es caracterizar una línea de transmisión coaxial y estudiar los efectos derivados de cargas desadaptadas. En la primera parte de esta experiencia, usando circuitos puente, parámetros del circuito equivalente de una línea coaxial. se determina los En la segunda parte se observará las reflexiones en una línea coaxial usando varias formas de terminación (cargas). Se tratará de evaluar el efecto que tiene el tipo de terminación usada en una línea. Una terminación incorrecta en la línea causa reflexiones de la señal aplicada a la línea, es decir, ondas que viajan en sentido contrario. Cuando dos ondas de igual amplitud, longitud y velocidad se propagan en sentido contrario, se forman ondas estacionarias. Estas ondas son aquellas donde ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmóviles. En este tipo de ondas, las posiciones donde la amplitud es máxima se conocen como antinodos, los cuales se forman en los puntos medios entre dos nodos. Figura 1 Esquema de la Línea coaxial como se muestra en la figura siguiente: • . y se configuran cambiando la posición de los puentes de conexión. Puente de Wien. Estas características se determinan por unidad de longitud. para medir la resistencia. para una longitud de 20 metros Coloque las puntas del Osciloscopio en atenuación 1:1 Conecte el punto tierra de la tarjeta (GND) al osciloscopio Conecte el Canal 1 del osciloscopio a MP2 Conecte el Canal 2 del osciloscopio a MP3 Observe en modo dual el osciloscopio. Capacitancia y Conductancia transversal. 10 KHz y conecte en SNin Conecte la Línea Coaxial como carga (entre MP3 y GND) y cortocircuite la salida del Cable Coaxial. Superponga las señales y mueva el potenciómetro P2 hasta que las dos señales sinusoidales posean la misma amplitud. Figura 3 Esquema para cálculo de resistencia de los conductores • • • • • • • • • • Conecte la alimentación de 0 y 5 Volts al módulo de trabajo SO4201-2C Ajuste el generador de señales a una onda seno de 10Volts peak-to-peak . en Ω/m Repetir los pasos anteriores para longitudes de 40 y 60 metros.1 Cálculo de la Resistencia del conductor interior y exterior Tabla 1 Cálculo de Resistencias de los conductores Longitud de Línea [m] Rp2 [Ω] R’ [Ω] 20 40 60 • Calcule el valor promedio de la resistencia de línea. para lo cual se emplea un Megóhmetro. para medir la capacitancia. llenando la tabla 1 Figura 2 Modelo de parámetros distribuidos para una línea de transmisión Para medir las tres primeras cantidades se ocupan circuitos puente: Puente de Wheatstone. Insertar tarjeta SO4201-9P en el módulo de trabajo SO4201-2C • Inserte los puentes conectores en la tarjeta SO4201-9P. normalmente se mide en corriente continua el recíproco. Puente de Maxwell. para medir la inductancia. Estos circuitos puente están insertos en la tarjeta SO4201-9P. que es la resistencia de aislación. En el caso de la última cantidad. Inductancia. mediante un multímetro.Determinación de las Características de una Línea Coaxial Las características de la línea son: Resistencia de los conductores.3 4 3.. (Condición de equilibrio del puente) Desconecte el generador de señales y saque los puentes conectores del potenciómetro P2 Mida la resistencia del potenciómetro P2. Objetivo: Se trata de medir la resistencia de una línea coaxial para varias longitudes ocupando el puente de Wheatstone inserto en la tarjeta y calcular al valor promedio. El valor característico de la resistencia de línea se determina por medio de la siguiente ecuación: R R′ = P2 L Donde RP2: Resistencia medida del potenciómetro P2 L: Longitud de línea del cable coaxial • 3. 3 Cálculo de la Inductancia de la Línea Objetivo: medir la inductancia de una línea coaxial para varias longitudes ocupando el puente de Maxwell inserto en la tarjeta y calcular al valor promedio. usando un multímetro. Coloque las puntas del Osciloscopio en atenuación 1:1 Conecte la tierra de la tarjeta (GND) al osciloscopio Conecte el Canal 1 del osciloscopio a MP2 Conecte el Canal 2 del osciloscopio a MP3 Observe en modo dual el osciloscopio. en pF/m 3. como se muestra en la figura: Figura 4 Esquema para cálculo de capacitancia de la línea Conecte la alimentación de 0 y 5 Volts al módulo de trabajo SO4201-2C Ajuste el generador de señales a una onda seno de 10 Volts peak-to-peak y 100 KHz y conecte en SNin • Conecte la Línea Coaxial como carga (entre MP3 y GND) y deje la salida del Cable Coaxial abierta (circuito abierto). como se muestra en la figura: Calcular el valor promedio de la capacitancia de línea. llenando la tabla 2 Conecte la alimentación de 0 y 5 Volts al módulo de trabajo SO4201-2C Ajuste el generador de señales a una onda seno de 10 Volts peak-to-peak y 200 KHz y conecte en SNin Conecte la Línea Coaxial como carga (entre MP3 y GND) y cortocircuite la salida del Cable Coaxial. • Coloque las puntas del Osciloscopio en atenuación 1:1 • Conecte tierra de la tarjeta (GND) al osciloscopio • Conecte el Canal 1 del osciloscopio a MP2 • Conecte el Canal 2 del osciloscopio a MP3 • Observe en modo dual el osciloscopio. luego modifique el potenciómetro P1 hasta que las dos señales estén a la misma fase.2 Cálculo de la Capacidad de la Línea (dieléctrico entre conductores) Objetivo: medir la capacidad de una línea coaxial para varias longitudes ocupando el puente de Wien inserto en la tarjeta y calcular al valor promedio. para una longitud de 20 metros. Superponga las señales y mueva el potenciómetro P1 hasta que las dos señales sinusoidales posean la misma amplitud. (Condición de equilibrio del puente) . • • Insertar tarjeta SO4201-9P en el módulo de trabajo SO4201-2C Inserte los puentes conectores en la tarjeta SO4201-9P. (Condición de equilibrio del puente) • Desconecte el generador de señales y saque los puentes conectores • Mida la resistencia del potenciómetro P1. Superponga las señales y mueva el potenciómetro P2 hasta que las dos señales sinusoidales posean la misma amplitud. para una longitud de 20 metros. El valor característico de la capacidad de la línea se determina por medio de la siguiente ecuación: C ⋅R C ′ = 1 P1 L ⋅ R3 Donde C1=10 nF . R3=100 Ω (valores de las ramas del puente) RP1: resistencia medida del potenciómetro P1 L : Longitud de la línea del cable coaxial • • • Figura 5 Esquema para cálculo de inductancia de la línea • • • • • • • • Repetir los pasos anteriores para longitudes de 40 y 60 metros.5 6 Tabla 2 Cálculo de la capacidad de la línea 3. • • Longitud de Línea [m] 20 40 60 • Rp1 [Ω] C’ [pF] Insertar tarjeta SO4201-9P en el módulo de trabajo SO4201-2C Inserte los puentes conectores en la tarjeta SO4201-9P. 7 8 • • Desconecte el generador de señales y saque los puentes conectores Mida la resistencia del potenciómetro P2. usando varias formas de terminación (cargas al final de la línea). Objetivos: • Apreciar como reacciona la línea a una incorrecta terminación. con un multímetro. para luego concluir con la medición de ciertos valores de importancia. la forma de montar el equipo es la siguiente: • Calcular el valor promedio de la inductancia de línea. El valor característico de la inductancia de la línea se determina por medio de la siguiente ecuación: R ⋅ R ⋅C L′ = 3 P2 1 L Donde C1=10 nF .2 Montaje del Equipo Se debe aplicar una señal constante mediante la fuente de poder.1 Equipamiento adicional de Laboratorio Adaptador T modelo BNC Cargas de diferentes tipos y valores 4. R3=100 Ω (valores del puente) RP2: resistencia medida del potenciómetro P2 L: Longitud de la línea del cable coaxial 4. • Figura 6 Esquema para Montaje del Equipo Determine la Impedancia característica y la constante de propagación de la línea • Inserte la tarjeta SO4201-9P en el módulo de trabajo (Adaptador de mesa).Reflexiones Se espera en este ejercicio determinar las reflexiones en una línea coaxial con diferentes terminaciones. • Determinar las reflexiones en una línea coaxial. calcule la impedancia característica de la línea a partir de los valores medidos. para ello es importante trabajar con el osciloscopio y observar los resultados que se puedan obtener en forma visual. • Repetir los pasos anteriores para longitudes de 40 y 60 metros..4 Cálculo de la Impedancia Característica de la Línea Coaxial En teoría. • Conecte la fuente de alimentación de 0 a 5 Volts al módulo de trabajo. . la impedancia característica de una línea con pérdidas se calcula ocupando la siguiente expresión: Z= R ′ + jω L ′ G ′ + jωC ′ • Considerando pérdidas pequeñas. con ello se pueden observar las reflexiones en la línea de transmisión para distintos largos de la línea y distintas terminaciones. llenando la tabla 3 Tabla 3 Cálculo de inductancia Longitud de Línea [m] 20 40 60 Rp1 [Ω] Rp2 [Ω] L’ [nH] 4. en nH/m 3. usando la siguiente expresión (simplificada): Z= L′ C′ Observación: esta expresión se aplica solo para frecuencias por encima de 10kHz. • Conecte el adaptador T modelo BNC en la clavija de salida del pulso "Impuls out". Esta fórmula simplificada es independiente de la frecuencia. con los datos que se pueden observar mirando las señales en el osciloscopio. La tabla 4 se debe llenar con las demoras de pulso (tiempo) para las diferentes cargas con un cierto largo determinado de la línea de transmisión. La figura siguiente muestra el montaje del equipo en forma simple. . Cable de osciloscopio con punta para poder engancharlo a la pieza T BNC.1 Equipamiento adicional de Laboratorio Generador de funciones 5 MHz. • Para diferentes configuraciones de carga de la línea de transmisión coaxial SO4201-90. complete las tablas de valores que se piden a continuación. Es decir. ciertos puntos de la onda llamados nodos. Terminación L=20 metros L=40 metros L=60 metros 0 [ohm] 25 [ohm] 50 [ohm] 100 [ohm] oo 10 [nF] Tabla 4. El otro adaptador BNCV / BNC se requiere para el punto MP2. de esta observación mediante el osciloscopio se podrán medir ciertas características interesantes. 5.. • Cálculo de las ganancias que se producen en una línea de transmisión y como dichas ganancias dependen del largo de la línea.Demora de pulso [µs]. De las observaciones de los pulsos en el osciloscopio responda a la siguiente pregunta: ¿Cuál es el efecto de usar un capacitor de 10 [nF] como carga? 5. de modo de observar mediante el osciloscopio los efectos que produce en la línea de transmisión coaxial.Amplitud de pulso [V]. acá se puede apreciar donde se encuentra conectada la fuente generadora de señales (punto MP1) y los canales del osciloscopio (canal 1 al punto MP2 y el canal 2 al punto de carga de la línea de transmisión).. • Encienda la fuente de alimentación y ajuste el osciloscopio de manera de poder observar las reflexiones. Objetivos: Los objetivos en esta parte de la experiencia son los siguientes: • Cálculo de la velocidad de propagación de ondas mediante dos métodos que deben coincidir plenamente en cuanto a sus valores.Ondas Estacionarias Cuando dos ondas de igual amplitud. una señal de entrada y otra de salida. La tabla 5 debe ser llenada con la amplitud de pulso (voltaje). se debe alimentar en forma directa la línea de transmisión coaxial con el generador de señales y observar para distintos largos de la línea de transmisión y distintas cargas en la terminación de la línea. A partir de los valores de la tabla 1 calcule el retraso de tiempo promedio de la línea de transmisión en segundos / metros. Adaptador T modelo BNC (mas de 1). Ahora se utiliza un generador de funciones que permite manipular la frecuencia de una señal de entrada a la línea. • Conecte el osciloscopio a la otra entrada del adaptador T modelo BNC por medio de una punta de prueba de atenuación 10:1. permanecen inmóviles y las posiciones donde la amplitud es máxima se conocen como antinodos. Adaptador BNC/BNC 5.9 10 • Inserte el puente en la clavija de selección "5/10 µs". • Conecte la línea de transmisión coaxial SO4201-9Q a una de las entradas del adaptador T modelo BNC. • Varíe los distintos largos de la línea de transmisión coaxial (20 – 40 – 60 metros) y coloque las distintas cargas . nuevamente para distintas cargas en la terminación de línea y diferentes largos de línea. longitud y velocidad se propagan en sentido contrario. Para esto se requiere un adaptador T modelo BNC.2 Montaje del Equipo En esta parte de la experiencia se deja de utilizar el transmisor coaxial de la tarjeta SO4201-9P y la fuente de poder.. se forman ondas estacionarias. los cuales se forman en los puntos medios entre dos nodos. El generador de señales esta conectado directamente a la entrada de la línea de transmisión y también el canal 1 del osciloscopio. Terminación L=20 metros L=40 metros L=60 metros 0 [ohm] 25 [ohm] 50 [ohm] 100 [ohm] oo 10 [nF] Tabla 5. En estas ondas. MP3 y MP4) de manera de poder llenar la tabla 3. punto MP1 de la figura 7 Conecte el canal 1 del osciloscopio al inicio de la línea de transmisión (punto MP1) y el canal 2 al punto final de la línea. se ha formado una onda estacionaria y la longitud de la línea es un múltiplo entero de la longitud de onda. calcule la velocidad de propagación en la línea coaxial mediante la siguiente expresión: λ= v/f es decir. . los valores Ul. Ajuste el osciloscopio en el modo DUAL de modo de visualizar ambos canales y mida la frecuencia del generador de señales en el osciloscopio. f min. • Complete la siguiente tabla de valores: Carga Angulo 1 Volts º U1 G1 dB Angulo 2 Volts º U2 G2 dB Angulo 3 Volts º U3 G3 dB Angulo 4 Volts º U4 G4 dB Parte II. punto MP1 de la figura 7. = frecuencia mínima determinada en la parte anterior. MP2. v = velocidad de propagación a calcular ∆t = tiempo de demora medido. Base de tiempo 0. • • • • • • • • Frecuencia: Mínimo Señal: Onda seno Amplitud : 2 Volts peak-to-peak Ajuste el osciloscopio en modo ADD de manera que se puedan observar ambos canales en forma simultánea y sea clara la resolución de las señales. Donde : λ= Longitud de onda determinada en la parte anterior. • Variando la frecuencia del generador de señales. Cálculo de la velocidad de propagación usando la longitud de onda • Ajuste el generador de señales como sigue: Frecuencia : 2 [MHz]. Deje el final de la línea en circuito abierto. Observando el osciloscopio mida el retraso de tiempo ∆t entre las señales de entrada y salida. A esta frecuencia se alcanza λ/2 = 40 m • Usando los valores obtenidos de frecuencia mínima y de longitud de onda. mida la amplitud de voltaje y fase de oscilación. controlando bien los ejes de tiempo y voltaje (eje X y eje Y) Conecte el adaptador T BNC al inicio de la línea de transmisión. • Ajuste el osciloscopio en el modo ADD (suma de canales 1 y 2). Calcule la ganancia de señal. Amplitud : 2 Volts peak-to-peak. Ux: Amplitud de voltaje medido en MPx. v = λ * f min. • Compare con el valor de la velocidad de propagación calculado en la parte I y discuta. ángulo 1 y Gl corresponden a valores medidos en el punto MP1. encuentre una amplitud mínima.. (punto MP4 de la figura 7). Parte III Cálculo de la ganancia de la señal con diferentes cargas • Figura 7 Montaje del equipo • Parte I. Ohm 0 50 oo Tabla 6. Cálculo de velocidad de propagación midiendo tiempos de tránsito de una onda • • Ajuste el generador de señales como sigue: Frecuencia : 1 [MHz]. y así sucesivamente.1 µ seg • Conecte el canal 1 del osciloscopio al punto MP1 y el canal 2 al punto MP3. Ajuste el osciloscopio de manera que sea nítida la señal. esta ganancia de señal se puede calcular mediante la siguiente expresión: Gx = 20Log(Ux/Ul) [dB] Ajuste el generador de señales como sigue: Donde Gx: ganancia de la señal en el punto MPx medido con el canal 2. En los puntos de medición.Medición de ganancia de la la señal. Calcule la velocidad de propagación usando la siguiente expresión: s = v * ∆t Donde: s = longitud de la línea de transmisión.11 12 • Estando en fase la oscilación en el comienzo y en el final de la línea. Señal : Onda seno. Señal : Onda seno. Repita la operación para cada una de las cargas indicadas en la tabla 3. Amplitud : 2 Volts peak-to-peak. Conecte el generador de señales al inicio de la línea de transmisión l . Conecte el canal 1 del osciloscopio al punto MP1 y el canal 2 moviéndolo de punto a punto (por MP1. Deje el final de la línea en circuito abierto. En las tablas que siguen. Velocidad de propagación Reflexión de ondas en líneas de transmisión. Temas de interrogación Fenómenos físicos representados por los parámetros del modelo de línea de transmisión Circuitos puente. • Obtenga los gráficos de las ganancias de ambas tablas para las distintas cargas. Factores de reflexión Concepto de onda estacionaria . ¿ Qué conclusiones puede sacar de las gráficas?. . Consideraciones para el informe . Condiciones de equilibrio Propagación de ondas en líneas. con la correspondiente presentación y comentarios. de la experiencia (Tema Ondas estacionarias ) deben ser incluidos en el informe identificando las distintas curvas para todas las cargas en la obtención de las ganancias.. de la experiencia (Tema Reflexiones) y en la parte 5.Todas las tablas obtenidas durante la experiencia deben ser incluidas en el informe.Los gráficos obtenidos en la parte 4. Complete la misma tabla anterior: Carga U1 Volts Ohm 0 50 oo Angulo 1 º G1 dB U2 Volts Angulo 2 º G2 dB U3 Volts Angulo 3 º G3 dB U4 Volts Angulo 4 º G4 dB Tabla 7.En cada una de las partes de esta experiencia se debe obtener una conclusión que muestre el manejo que se tiene con respecto a lo que se esta trabajando.13 • Duplique la frecuencia en el generador de señales y repita las mediciones.Medición de la ganancia de la señal para frecuencia de dos veces el valor de la frecuencia mínima. .