Messung und Simulation der Eigenresonanzen durch Mehrfachreflexionen in einem Leitungsnetzwerk im Frequenz- und Zeitbereich

Abstract

Feldbusse aus dem Automobilbereich wie CAN, EtherCAT, LIN oder FlexRay können die Busteilnehmer bzw. Steuergeräte in verschiedenen Verkabelungstopologien wie Bus, Ring, Stern oder Baum miteinander verbinden [4]. Verschiedene Topologien benötigen abweichende Kabellängen und bieten unterschiedliche Ausfallsicherheit oder Erweiterbarkeit. Auch die maximal erreichbare Übertragungsrate bzw. das EMV-Verhalten des Feldbusses wird durch die Topologie bestimmt, da eventuelle Mehrfachreflexionen durch fehlangepasste Leitungsenden und Knotenpunkte zu unerwünschten Signalüberlagerungen führen. Im Zeitbereich äußerst sich das durch ein Einschwingverhalten mit gedämpften Schwingungen und entsprechenden Zeitkonstanten. Im Frequenzbereich weisen solche fehlangepassten Leitungsnetzwerke scharfe Resonanzstellen mit geringer Bandbreite und entsprechend hoher Güte auf. Zur experimentellen Untersuchung solcher Feldbusnetze bieten sich im Frequenzbereich Impedanzanalysatoren [3] an, mit denen die frequenzabhängige komplexe Eingangsimpedanz an den Leitungsenden bzw. an Knotenpunkten gemessen und auf Resonanzstellen bzw. Extremwerte des Betrags oder schnelle Phasenänderungen untersucht werden kann. Für transiente Untersuchungen lassen sich Oszilloskope [5] nutzen, um z. B. das Einschwingverhalten bzw. die Sprungantwort nach einer Schaltflanke zu messen. Als Anregung können einfache Signalgeneratoren zur Erzeugung von Rechteckpulsfolgen bzw. Taktsignalen genutzt werden. In diesem Beitrag werden entsprechende Messergebnisse für ein konkretes Beispielnetzwerk aus vier Leitungen sowie vier Steuergeräten (nachgebildet durch verschiedene Lastwiderstände) diskutiert und mit zugehörigen Simulationsergebnissen aus LTspice [1] verglichen. Das gewählte Netzwerk stellt dabei eine ArtWorst-Case-Szenario mit besonders schlechter Anordnung der Leitungen und Steuergeräte dar, das aufgrund starker Fehlanpassungen viele Mehrfachreflexionen und hohe Resonanzgüten erwarten lässt. Die Idee, ein möglichst schlechtes Netzwerk zu untersuchen, um daraus Gestaltungsregeln für Netzwerke mit gutem EMV-Verhalten abzuleiten, entstammt dem Student Contest 2021 des German Chapters der IEEE EMC Society [2]. Das gleiche und weitere Netzwerke dieser Art werden auch im Beitrag [6] untersucht.