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Pipistrello sul circuito stampato - Created with AIMadre natura ci regala tante idee che aiutano a risolvere diversi problemi pratici nel settore dell’elettronica.

L’ecometro, o TDR, ne è un classico esempio. Uno strumento oggi più importante che mai per valutare come i collegamenti elettrici influenzano le prestazioni dei sistemi elettronici moderni di ogni genere.

Tutti i progettisti elettronici hanno imparato a creare e ad analizzare i circuiti elettrici analogici o digitali partendo da alcuni presupposti che ne rendono più semplice e pratico lo studio. Uno dei più importanti è quello di considerare ideali i collegamenti esistenti tra un punto l’altro del circuito elettrico.

Ovviamente si impara presto che il mondo reale è differente, e che ogni connessione, sia essa un cavo o una pista di un circuito stampato, ha una propria resistenza, capacità e induttanza, parametri caratteristici che non sempre si possono trascurare inopinatamente.

Tipica linea di trasmissione differenziale composta da tracce di circuito stampato e caviTipica linea di trasmissione differenziale composta da tracce di circuito stampato e cavi

Infatti, quando le dimensioni fisiche dei collegamenti cominciano a diventare dello stesso ordine di grandezza delle lunghezze d’onda dei segnali elettrici che vi transitano, ecco che bisogna fare i conti con la teoria delle linee di trasmissione. Lo sanno bene tutti i progettisti che professionalmente hanno scelto di occuparsi di radiofrequenza, radar e sistemi wireless, abituati da sempre ad affrontare i problemi di adattamento dell’impedenza, rapporti di onde stazionarie e molte altri fenomeni legati alla propagazione, ricorrendo sistematicamente a strumenti analitici come i parametri di scattering (parametri s) o a metodi di rappresentazione specialistici come le carte di Smith.

Tuttavia, la costante ricerca di soluzioni sempre più avanzate e dalle prestazioni sempre più spinte, tipica dell’evoluzione del mercato dell’elettronica, obbliga tutti i progettisti a occuparsi della non idealità dei collegamenti, anche nelle applicazioni in cui la frequenza dei segnali in gioco è decisamente inferiore.

Ad esempio, nel settore automobilistico sta diventano un’esigenza molto comune trasmettere centinaia di megabit su un semplice doppino telefonico, così come nell’elettronica di potenza utilizzare dei driver per il pilotaggio dei transistor di potenza di nuova generazione con forme d’onda dai fronti molto ripidi, allo scopo di migliorare il rendimento energetico.
In tutti questi casi, la non idealità dei componenti passivi, come i cavi, i connettori e le piste dei circuiti stampati, ha un effetto notevole sulle prestazioni complessive del sistema, che vanno adeguatamente affrontate.

Ecco perché oggi tutti i progettisti devono saper caratterizzare i collegamenti passivi e verificare nelle realizzazioni pratiche il rispetto dei requisiti di progetto tramite della strumentazione adeguata. Solo così potranno garantire l’integrità dei segnali, ossia riuscire a ottenere davvero un funzionamento affidabile delle loro applicazioni.

Le discontinuità che causano riflessioni

La teoria delle linee di trasmissione ci aiuta a capire i fenomeni elettrici che avvengono nelle condizioni di funzionamento reale di un circuito. Immaginando un segnale elettrico emesso da un trasmettitore, di qualsiasi forma d’onda, esso si propagherà attraverso il collegamento (un filo, una traccia di un circuito stampato) fino a raggiungere il ricevitore.
Il collegamento fisico sarà caratterizzato da una sua resistenza, capacità e induttanza, che vengono sintetizzati comunemente nel parametro indicato come impedenza caratteristica, o Z0.

Modello teorico generale delle linee di trasmissioneModello teorico generale delle linee di trasmissione

Sappiamo dalla teoria delle linee di trasmissione che il funzionamento reale del circuito coincide con quello ideale solamente quando l’impedenza di uscita del trasmettitore coincide con l’impedenza caratteristica del collegamento e quando quest’ultima coincide con l’impedenza del carico (impedenza d’ingresso del ricevitore). In tali casi, l’intero collegamento lavora in condizioni di adattamento di impedenza.

Tuttavia, ogni qual volta lungo il percorso fisico di un collegamento si incontra una discontinuità (ad esempio un connettore o un cambio di direzione o dimensioni di una traccia), l’impedenza caratteristica in quel punto cambia, creando una condizione di disadattamento di impedenza.

Nei punti di discontinuità, una parte dell’energia del segnale emesso dal trasmettitore ‘rimbalza’, ossia viene riflessa e riprende a viaggiare verso il punto di partenza.

Nel punto di discontinuità dell’impedenza lungo la traccia del circuito stampato si genera una riflessione della forma d’onda incidenteNel punto di discontinuità dell’impedenza lungo la traccia del circuito stampato si genera una riflessione della forma d’onda incidente

Il rapporto tra energia riflessa ed energia trasmessa attraverso il punto di discontinuità viene indicato con il parametro ρ (lettera greca rho), detto coefficiente di riflessione.

Formula rho

Si dimostra facilmente che il coefficiente di riflessione può anche essere espresso in funzione dell’impedenza in un determinato punto e l’impedenza caratteristica della linea, secondo la formula:

Formula rho Z

Dall’eco alle misure di impedenza

Sapendo che in ogni punto di discontinuità una parte del segnale viene riflessa, possiamo sfruttare il principio dell’eco per misurare il coefficiente di riflessione, e di conseguenza il corrispondente valore di impedenza, in ogni punto della linea di trasmissione in esame.

Per farlo, si usa uno strumento che si comporta da ‘pipistrello’. Invia sulla linea degli impulsi e ascolta il segnale di ritorno dovuto alle riflessioni, annotandone ampiezza e ritardo rispetto all’emissione originale.

Il rapporto in ogni istante tra l’ampiezza dell’impulso emesso e l’ampiezza dell’impulso ritardato ricevuto a causa della riflessione corrisponde al coefficiente di riflessione in corrispondenza di un determinato tempo di ritardo. Dal coefficiente di riflessione misurato si può ottenere immediatamente, applicando la formula inversa a quella citata precedentemente, il valore dell’impedenza ZL in corrispondenza di un determinato tempo di ritardo.

Conoscendo la velocità di propagazione del segnale lungo il percorso, funzione della geometria e della costante dielettrica del tipo di materiale di cui sono composti il cavo o le piste del circuito stampato, lo strumento può tracciare un grafico dei risultati in cui l’asse delle ascisse che corrisponde alla distanza dal punto di collegamento dello strumento, mentre l’asse delle ordinate corrisponde all’impedenza della linea.

Andamento dell’impedenza di linea in funzione della distanza misurato da un TDRAndamento dell’impedenza di linea in funzione della distanza misurato da un TDR

I punti di discontinuità dell’impedenza misurata dallo strumento lungo la linea corrispondono ai punti di discontinuità fisica che il segnale incontra nel suo cammino, dovuti per esempio alla presenza di connettori, giunti o via che collegano più piani di un circuito stampato, oppure a difetti nei conduttori.

Lo strumento che effettua tali misure si chiama ecometro, o TDR (Time Domain Reflectometer), ossia riflettometro nel dominio del tempo.

Esso è sostanzialmente costituito da un generatore di impulsi, la cui resistenza di uscita è attentamente controllata, e da una testina campionatrice a banda larga (simile ad un oscilloscopio) che ricostruire la forma d’onda del segnale riflesso nel tempo. Naturalmente, sono presenti anche dei sistemi di elaborazione del segnale che permettono di ricostruire e visualizzare facilmente i risultati di misura in forma grafica o tabellare.

Gli elementi costruttivi fondamentali di un TDRGli elementi costruttivi fondamentali di un TDR

Più lo strumento è capace di generare impulsi dai fronti ripidi, e di registrarne i corrispondenti riflessi con una banda elevata, più si possono caratterizzare con grande accuratezza linee di trasmissione dalla banda passante elevata e maggiore è la risoluzione spaziale con la quale si riescono a identificare e discriminare i punti di discontinuità.

Strumenti di semplice utilizzo

Esistono da tempo sul mercato moltissimi ecometri, di varia accuratezza e con diverse funzionalità aggiuntive. Tuttavia, per chi non si occupa quotidianamente di questo tipo di misure, è molto importante disporre di strumenti di facile utilizzo, ma che garantiscono al contempo la certezza dei risultati ottenuti.

Inoltre, in moltissime applicazioni moderne, ad esempio nel settore automobilistico o dei macchinari industriali, risulta indispensabile effettuare le prove direttamente sul veicolo o all’interno di ambienti poco accessibili, per verificare che i collegamenti fisici si comportino davvero come ipotizzato dal progettista. In tali casi, risulta molto comodo disporre di un TDR piccolo e compatto, possibilmente alimentabile anche a batteria.

nterfaccia di semplice utilizzo per organizzare prove e misure con il TDRUn'interfaccia di semplice utilizzo per organizzare prove e misure con il TDR

Il TDR portatile T3SP15D di Teledyne Test Tools utilizzato nelle prove sui cablaggi di un veicoloIl TDR portatile T3SP15D di Teledyne Test Tools utilizzato nelle prove sui cablaggi di un veicoloPer rispondere a tali esigenze Teledyne LeCroy propone due tipologie di TDR innovativi, i modelli WavePulser 40iX e T3SP15D.

Entrambi gli strumenti permettono di eseguire tutte le principali misure di caratterizzazione dei cablaggi, anche su collegamenti differenziali, oggi sempre più diffusi. Sono inoltre estremamente compatti e utilizzabili in modo molto semplice tramite un software ad hoc che ricorda un semplice foglio elettronico per organizzare al meglio prove e risultati.

Il modello WavePulser 40iX è di fascia più alte e consente di effettuare anche molte misure avanzate. Il modello T3SP15D è invece molto piccolo e leggero e si può alimentare a batteria.

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