Konfektionierte Kabel testen Einseitige Qualitätskontrolle

Hochfrequenz-Testmethoden von konfektionierte Kabel.
Hochfrequenz-Testmethoden von konfektionierte Kabel.

Konfektionierte Kabel werden derzeit meist mit Gleich- und Hochspannungstests auf Fehler überprüft. So können jedoch nur bestimmte Fehler detektiert und zudem nicht lokalisiert werden. Hochfrequenz-Testmethoden erlauben eine ortsaufgelöste Charakterisierung des Kabels, das dafür lediglich von einer Seite zugänglich sein muss.

Das automatisierte Konfektionieren von Kabeln stellt aufgrund einer Vielzahl potenzieller Fehlerquellen eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Das gilt insbesondere für Kabel zur Übertragung hochbitratiger Nutzsignale (zum Beispiel USB 2.0/3.0/3.1, Gigabit-Ethernet, Low Voltage Differential Signaling, Gigabit Video Interface), da zu den üblichen Fehlern wie kurzgeschlossenen oder offenen Verbindungen auch Wellenimpedanzabweichungen und Leitungslängenunterschiede von Bedeutung sind. Diese Parameter lassen sich indes nicht mit Gleichspannungsmessungen erfassen, sodass ultrabreitbandige Hochfrequenzmessungen zum Einsatz kommen. Diese weisen den inhärenten Vorteil auf, dass sie Informationen über den Ort und die Art des Fehlers liefern. Der Ortsauflösung kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da sich ein konfektioniertes Kabel samt Anschlüssen bereits vollständig durch das Kontaktieren von nur einer Seite charakterisieren lässt.

Kabelradar

In der Leiterplattenindustrie ist die Überprüfung von Signalleitungen zur Sicherstellung ihrer Funktionsfähigkeit bereits seit vielen Jahren wichtiger Bestandteil der Qualitätskontrolle. Zum Einsatz kommen üblicherweise Zeitbereichsreflektometer (Time Domain Reflectometer, TDR), die anschaulicher auch als Kabelradar bezeichnet werden können. Ähnlich wie beim aus der Luftfahrt bekannten Radar werden elektromagnetische Signale auf das zu vermessende Objekt gesendet und die auftretenden Reflexionen detektiert. Bei hochwertigen TDRs besteht das elek­tromagnetische Signal aus einem sehr schnellen Spannungssprung mit einer Anstiegszeit von einigen Pikosekunden, der über eine Zuleitung dem Messobjekt zugeführt wird (Bild 1). Trifft das Signal auf Störstellen oder Wellenimpedanzsprünge, so entstehen dort Reflexionen. Aus dem Zeitpunkt und der Amplitude einer Reflexion können Ort, Art und Schwere der Ursache bestimmt werden.

In der vereinfachten Darstellung gemäß Bild 1 ist die TDR-Messung eines Koaxialkabels dargestellt. In der Messkurve sind einige typische Verläufe erkennbar. Der flache Verlauf am Anfang der Kurve zeigt die ungestörte Zuleitung. An der ersten Anschlussstelle ist eine Überhöhung aufgrund induktiver Einflüsse sichtbar. Im nachfolgenden Bereich ist die Wellenimpedanz des Koaxialkabels selbst zu erkennen (ungefähr 47 Ω). Im Verlauf der Kurve ist zudem eine Schädigung des Kabels (zum Beispiel durch eine Quetschung) erkennbar; das zeigt sich in Form eines Impedanzeinbruchs. Die andere Seite des Koaxialkabels ist schließlich offen, sodass das Signal dort voll reflektiert wird. Bei hochauflösenden TDRs mit Anstiegszeiten im Pikosekundenbereich kann ebenfalls die Qualität des Überganges des zweiten Anschlusses von der Totalreflexion am Ende separiert werden (in Bild 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).

Übertragungsmedien und Messausrüstung

Bei schnellen Übertragungsstandards haben sich in den letzten Jahrzehnten differenzielle (oder auch symmetrische) Übertragungsstandards durchgesetzt. Im Gegensatz zu single-ended (oder auch unsymmetrischen) Standards werden Datenströme durch zwei zueinander invertierte Signale übertragen. Am Empfänger wird die Signaldifferenz ausgewertet und eine eventuell vorhandene Gleichtaktstörung (zum Beispiel durch Netzbrummen oder Erdschleifen) effektiv unterdrückt (Bild 2).

Als differenzielle Übertragungsmedien werden zumeist paarweise verdrillte Leitungen (Twisted Pairs) oder bei zwei differenziellen Paaren die Sternvierer-Topologie (Star-Quad) mit Wellenwiderständen zwischen 100 Ω und 150 Ω eingesetzt. Beide haben gegenüber den für Single-ended-Anwendungen genutzten Koaxialkabeln den Vorteil einer platzsparenden und auch kostengünstigen Realisierung. Das gilt in besonderem Maße für die Star-Quad-Anordnung, da sich hier zwei Paare einen Schirm teilen. Ein weiterer Vorteil besteht in der um circa 20 dB besseren Koppeldämpfung symmetrischer Leitungen im Vergleich zur Schirmdämpfung unsymmetrischer Leitungen. Dieser Vorteil gilt insbesondere für niedrige Frequenzen und wird somit im Hinblick auf die zunehmende Elektrifizierung – zum Beispiel durch hybride Antriebskonzepte – weiter an Bedeutung gewinnen. Grundsätzlich sind zwei Arten von TDRs zu unterscheiden. Echte differenzielle Zeitbereichsreflektometer (True Differential TDRs) verfügen über zwei Signalgeneratoren, die synchron die zueinander invertierten Signale erzeugen. Ein Massebezug ist daher grundsätzlich nicht notwendig. Im Gegensatz hierzu gibt es auch TDRs, die eine differenzielle Messung mittels zweier sequenzieller Single-ended-Messungen emulieren, dadurch jedoch grundsätzlich langsamer sind und zudem zwingend einen Massebezug benötigen. Hierdurch kann je nach Anwendungsfall die Kontaktierung erschwert werden.