パルス信号測定のためのインピーダンスマッチング

質問

0-2V、300nsのパルス信号を同軸ケーブルで15ｍほど引っ張ってきて、
カウンターやレートメータで測定を行っています。

このカウンターの入力インピーダンスは3kΩ、
信号の特性インピーダンスは75Ωです。

信号を直接つなげると当然反射が起きるので、
75Ωの終端抵抗を付けていますが、
パルス波高は半分の1Vに下がってしまいます。

現状ＳＣＡやアンプで増幅させていますが、
信号の遅れ、計器誤差、機器較正等を考えると、
あまり余計な機器を経由せず直接測定したいと考えています。
ただし、所有のカウンターは1.5V以下のパルス信号は
測定できないので増幅なしで測定できず困っています。

単純に100Ω等、75Ω以上の終端抵抗にすれば、
パルス波高は半分より大きくなると思うのですが、
検索すると増幅させるにはそういう方法もあると書いてあるサイトや、
マッチングさせる場合は同じインピーダンスにするのが
基本と記載されているものがあり、難しくてよくわかりません。

100Ωの終端抵抗をつないで反射やパルス波形の歪みが
起きなければＯＫなのでしょうか？
それとも他に良い方法があればご教示いただけるとありがたいです。

回答No.6

178-tall

ANo.3 の反省文です。

>ユニポーラ・300ns だと、同軸ケーブル長 15m が (波長短縮率 80% 前後として) 基本周波で 1/4 波長近辺ですね。ヤバイかも…。

何が「ヤバイかも…」なのか、追求をサボッてる。
「基本周波で 1/4 波長」qだから「何となく…」という、根拠の見当たらぬコメントです。

…ならばと、テブナン流で検討してみると、
「等価電圧源」はもとの電源に同軸ケーブルの遅延をあたえたもの、
「等価電圧インピーダンス」は 75Ω、
…らしい。

つまり、ANo.2 さんの「終端抵抗を付けないという方法」が第一案、と思われます。

回答No.5

tadys

＞所有のカウンターは1.5V以下のパルス信号は測定できないので
型名は何でしょう？ぜひ教えて欲しいものです。

測定対象はパルスの回数やパルスレートでしょう。
それなら、信号の遅れ、計器誤差、機器較正等を考えるのは考えすぎでしょう。

信号源のインピーダンスが75Ωで同軸ケーブルが75Ωであれば測定器側の終端はマッチングしていなくても問題ありません。

信号源から２Vのパルスが線路に加えられると、
線路には２V×75Ω／（75Ω＋75Ω）＝1Vの電圧が加えられ、1V／75Ω＝13mAの電流が流れます。
加えられたパルスは１V｜13mAの関係を保ったまま伝播し、線路の終端に到達します。
線路が75Ωで終端されていると13mAが流れて1V発生して反射は発生しません。
終端が3kΩの場合、13mAが流れると39Vの電圧になるのですがそこには75Ωの線路が接続されているので39Vにはなりません。
そのとき発生する電圧は2V×3kΩ／（75Ω＋3kΩ）＝1.95Vです。
この電圧の内進行してきた1Vを除く0.95Vが反射波として信号源に戻っていきます。
信号源と線路のインピーダンスが75Ωなので新たな反射は発生せず、線路全体の電圧は1.95Vで安定します。
これを線路の終端側で見るとパルスが送出されてから線路による遅延時間後に電圧が1.95Vになり安定します。
線路の入力側で見ると当初は１Vの電圧が発生し、往復の遅延時間後に電圧が1.95Vで安定します。

電気信号の伝わる早さ（真空中）を300m/usとして15ｍの同軸ケーブルを電気信号が伝わる時間を求めると、
15m／（300m/us）／0.67＝75ns
になります。
0.67は同軸線路を伝わる早さが真空中より遅いことによる短縮率です。

パルス幅300ns、パルス周期600ns、立ち上がり／立下り時間1ns、電圧2V、線路長75nsでシミュレーションした結果を添付します。
緑が信号源側、赤が終端側の電圧です。
線が見やすくなるように太い線で上書きしています。

回答No.4

mink6137

＞信号の特性インピーダンスは75Ωです。
75Ωは同軸ケーブルの特性インピーダンスでしょうね。

測定の基本は、信号に適合するカウンタを使うことです。
他部門から一時借用するか、レンタル品を借りれば良いでしょう。

どちらもダメなら、パルス源側の直列終端でやって見て下さい。
この場合、パルス源の出力インピーダンスと終端抵抗の和が75Ωになるように調整します。

回答No.3

178-tall

ユニポーラ・300ns だと、同軸ケーブル長 15m が (波長短縮率 80% 前後として) 基本周波で 1/4 波長近辺ですね。ヤバイかも…。

直流と基本周波成分ぐらいはマッチングとるのが良さそうな感じですが、はて？

ケーブル受端に 2 次バターワースを入れるのが簡単そう。
素子値は、参考 URL　↓　のトップにある TABLE 11-2 Butterworth LC Element Values / n=2　などから算出。
　75 (Ω) - L2 - C1 - 75*Rs (Ω)
として使用すれぱいい。

参考URL：

http://probenotes.com/Notes/Filter/NormalizedFilterDesignTables.pdf

回答No.2

bravo-z

正しい方法かどうか分かりませんが、終端抵抗を付けないという方法があります。以前、そういう機器があり、疑問に思って先輩にきいたところ、終端で反射した信号が送端のインピーダンスで吸収されるので問題ないのだそうです。実際に調べてみるとレベルが低下する事無く平坦な周波数特性が得られます。長いケーブルでうまく行くかどうか分りませんが、波形が変わらなければ問題ないでしょう。

回答No.1

lumiheart

オーディオ屋さんからは怒られそうですが
＞100Ωの終端抵抗をつないで反射やパルス波形の歪みが起きなければＯＫなのでしょうか？

これでＯＫでしょう

そもそも同軸７５Ωが必須なの？
１００ＭＨｚ以上とかならそうでしょうけど

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