1. 什么是TDR？

TDR = Time Domain Reflectometry

時(shí)域反射計(jì)TDR用來測(cè)量信號(hào)在通過某類傳輸環(huán)境傳導(dǎo)時(shí)引起的反射，如電路板軌跡、電纜、連接器等等。

2. TDR測(cè)試原理

2.1 傳統(tǒng)時(shí)域反射計(jì)工作原理

         圖1是傳統(tǒng)時(shí)域反射計(jì)的工作原理圖。由三部分組成：

•  快沿信號(hào)發(fā)生器。典型發(fā)射信號(hào)的特征是： 幅度200mV， 上升時(shí)間35ps， 頻率250KHz的方波。

• 采樣示波器。

• 探頭系統(tǒng)。

圖1 - 傳統(tǒng)時(shí)域反射計(jì)工作原理圖

       原理： 信號(hào)在某一傳輸路徑傳輸，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)被反射，另一部分信號(hào)會(huì)繼續(xù)沿傳輸路徑傳輸。TDR是通過測(cè)量反射波的電壓幅度，從而計(jì)算出阻抗的變化；同時(shí)，只要測(cè)量出反射點(diǎn)到信號(hào)輸出點(diǎn)的時(shí)間值，就可以計(jì)算出傳輸路徑中阻抗變化點(diǎn)的位置。

        TDR 顯示了在沿著一條傳輸線傳播快速階躍信號(hào)時(shí)返回的電壓波形。波形結(jié)果是入射階躍和階躍遇到阻抗偏差時(shí)產(chǎn)生的反射的組合。階躍信號(hào)源的上升時(shí)間決定分辨阻抗不連續(xù)點(diǎn)的能力；高速采樣電路決定阻抗變化位置的準(zhǔn)確性。

圖2 - 時(shí)域反射計(jì)測(cè)試電壓波形與傳輸線對(duì)應(yīng)關(guān)系

        TDR測(cè)量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)很簡(jiǎn)單，但十分重要。從本質(zhì)上看， TDR 測(cè)量基于一系列阻抗比率。大多數(shù) TDR 測(cè)量將在內(nèi)部執(zhí)行必要的比率計(jì)算，顯示一個(gè)數(shù)字結(jié)果。TDR測(cè)量以反射系數(shù)( (rho)表示。系數(shù)是反射的脈沖幅度與入射脈沖幅度之比：

        對(duì)固定終端ZL，還可以用傳輸線特性阻抗Z0和負(fù)載阻抗ZL 表示：

2.2 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試方案

        網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA是測(cè)量被測(cè)件DUT頻率響應(yīng)的儀器，測(cè)量時(shí)為被測(cè)件輸入一個(gè)正弦波激勵(lì)信號(hào)，然后通過計(jì)算輸入信號(hào)與傳輸信號(hào)S21或反射信號(hào)S11之間的矢量幅度比得到測(cè)量結(jié)果。

VNA測(cè)試的頻率響應(yīng)特性

        頻域和時(shí)域之間的關(guān)系可以通過傅里葉理論來描述。通過對(duì)使用VNA獲得的反射和傳輸頻率響應(yīng)特性進(jìn)行傅里葉逆變換，可以獲得時(shí)域上的沖激響應(yīng)。這和在TDR示波器上觀察到的響應(yīng)特性是一樣的。由于積分計(jì)算非常耗時(shí)，因此實(shí)際上使用的方法是在頻域中根據(jù)傅里葉變換的卷積原理進(jìn)行計(jì)算-- 把輸入信號(hào)的傅里葉變換和被測(cè)件的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行卷積，然后對(duì)結(jié)果實(shí)施傅里葉逆變換。

從傅里葉逆變換推導(dǎo)的階躍響應(yīng)特性和沖激響應(yīng)特性間的關(guān)系

3. TDR時(shí)域波形分析

        對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試工程師來說，通過TDR時(shí)域波形可以直觀地知道傳輸線路徑上阻抗突變的因素。下圖中列出了常見的一些情況。

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1. TDR分辨率因素

        TDR 測(cè)量可以有效地考察電路阻抗和信號(hào)完整性。但是，并不能以“一刀切”的方式創(chuàng)建TDR解決方案。許多因素影響著TDR 系統(tǒng)可以分辨的最小的不連續(xù)點(diǎn)的距離間隔的能力。

        如果 TDR 系統(tǒng)的分辨率不足，那么間隔很小或間隔緊密的不連續(xù)點(diǎn)可能會(huì)平滑地轉(zhuǎn)化成波形中的一個(gè)畸變。這種效應(yīng)不僅可能會(huì)隱藏某些不連續(xù)點(diǎn)，而且可能會(huì)導(dǎo)致阻抗讀數(shù)不精確。上升時(shí)間、建立時(shí)間和脈沖畸變可能會(huì)明顯影響 TDR 系統(tǒng)的分辨率。

（1）. 上升時(shí)間

        阻抗不連續(xù)點(diǎn)的表現(xiàn)之一是上升時(shí)間等于或更可能長(zhǎng)于（慢于）入射階躍。電路中任意兩個(gè)不連續(xù)點(diǎn)之間的物理間隔決定了在TDR波形上彼此之間相對(duì)反射位置的接近程度。如果它們的之間的距離不到系統(tǒng)上升時(shí)間的一半，那么測(cè)量?jī)x器可能區(qū)分不出兩個(gè)相鄰的不連續(xù)點(diǎn)。下面的公式說明了這一概念。

（2）. 提前畸變

        這是在主要入射階躍之前發(fā)生的畸變，提前畸變特別討厭，因?yàn)樗鼈兊竭_(dá)不連續(xù)點(diǎn)，在主要階躍到達(dá)之前開始產(chǎn)生反射。這些早期反射隱藏了間隔緊密的不連續(xù)點(diǎn)，降低了分辨率。

（3）. 建立畸變

        穩(wěn)定畸變是指在入射階躍之后發(fā)生的畸變，如瞬變 ，這將導(dǎo)致反射中發(fā)生相應(yīng)的畸變。這些畸變很難與測(cè)試的設(shè)備(DUT)不連續(xù)性導(dǎo)致的反射區(qū)分開來。注意， TDR 儀器階躍發(fā)生器中的畸變和取樣器階躍響應(yīng)中的畸變產(chǎn)生的影響幾乎完全相同。

2. TDR精度因素

        許多因素影響著 TDR 測(cè)量的精度，包括 TDR 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)、互連反射和 DUT 損耗、階躍幅度精度、基線校正和測(cè)量中使用的參考阻抗的精度(Z0 )。

（1）. 參考阻抗

        所有 TDR 測(cè)量都是相對(duì)的，它們通過比較反射的幅度與入射幅度得出。現(xiàn)代 TDR 儀器執(zhí)行所有計(jì)算，比較入射幅度和反射幅度，以rho或ohm直接表示結(jié)果。但是，這一過程仍取決于參考阻抗的精度 (Z0 )。

（2）. 階躍幅度和基線校正

        一般來說，現(xiàn)代TDR 儀器測(cè)量和 / 或校準(zhǔn)入射階躍幅度，根據(jù)已知的階躍幅度和基線電平，計(jì)算毫rho和ohm。通過在取樣模塊中置入一條已知空氣線，TDS8000示波器向前推進(jìn)了一步。之后它會(huì)定期監(jiān)視基線和入射階躍幅度。這樣，可以自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，允許即使在階躍幅度偏置漂移的情況下實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性非常強(qiáng)的測(cè)量。

（3）. 入射階躍畸變

        入射階躍畸變導(dǎo)致的最明顯問題是，如果在相對(duì)于測(cè)量的線路很短的時(shí)間內(nèi)脈沖沒有穩(wěn)定，那么則不能精確地測(cè)量反射階躍幅度。這類錯(cuò)誤只對(duì)阻抗明顯不同于50歐姆的 DUT 阻抗特別重要。在這種情況下，精度在很大程度上取決于反射階躍幅度精度。阻抗越靠近50歐姆，精度越取決于反射阻抗，因?yàn)榉瓷浜苄　?/p>

        可能導(dǎo)致問題的第二類畸變是階躍之前的“腳”或前沖。如果 DUT 在末端存在開路，那么階躍的這一部分將在看到階躍明顯上升邊沿之前反映開路。這將在接近測(cè)量線路的末端導(dǎo)致錯(cuò)誤。

        低頻階躍畸變會(huì)引起更加錯(cuò)綜復(fù)雜的效應(yīng)。這些畸變可以在軌跡中顯示為一個(gè)斜坡，還使用一個(gè)完 美的50歐姆端接代替 DUT。如果沒有在測(cè)量參考阻抗的同一時(shí)間內(nèi)測(cè)量 DUT，那么這會(huì)導(dǎo)致 50 歐姆電平偏置。

（4）. 噪聲

        在測(cè)量小的阻抗偏差時(shí)，隨機(jī)噪聲會(huì)成為一個(gè)重大的誤碼源。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代儀器可以執(zhí)行信號(hào)加權(quán)平均，降低隨機(jī)噪聲的影響。許多儀器的缺點(diǎn)是加權(quán)平均可能會(huì)明顯降慢處理速度，特別是在顯示自動(dòng)測(cè)量結(jié)果時(shí)。 TDS8000 示波器內(nèi)置多部處理器，可以分擔(dān)處理工作負(fù)載，解決了這個(gè)問題。

（5）. 互連精度和反射

        如果使用的探頭電纜很長(zhǎng)，在測(cè)量相對(duì)于電纜末端的 DUT阻抗時(shí)要非常謹(jǐn)慎，以降低電纜損耗的影響。但是，在這種情況下，電纜阻抗直接影響著測(cè)量精度。參考電平將移動(dòng)電纜的 rho ((cable )，DUT 上的入射階躍幅度將為(1- |( cable |)。為實(shí)現(xiàn)最 大精度，可以測(cè)量這些參數(shù)，計(jì)算其阻抗。

        互聯(lián)元器件和探頭到 DUT 接口反射也會(huì)導(dǎo)致問題。探頭接口可能會(huì)產(chǎn)生大的電感反射，在進(jìn)行精確測(cè)量前必須穩(wěn)定電感反射。盡量縮短探頭觸點(diǎn)和地線的長(zhǎng)度非常重要，以使這些問題達(dá)到最小。

（6）. 電纜損耗

        測(cè)試設(shè)置中的電纜損耗可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)問題。盡管可能會(huì)同時(shí)發(fā)生導(dǎo)線損耗和絕緣體損耗，但導(dǎo)線損耗通常占大多數(shù)。導(dǎo)線損耗是由電纜中金屬導(dǎo)線的有限阻抗導(dǎo)致的，由于集膚效應(yīng)，導(dǎo)線損耗會(huì)隨著頻率一起提高。在進(jìn)一步考察電纜時(shí)，這一遞增串聯(lián)阻抗結(jié)果的阻抗值會(huì)明顯提高。因此，在使用長(zhǎng)的測(cè)試電纜時(shí)，DUT阻抗看上去要高于實(shí)際值。

        第二個(gè)問題是入射脈沖到達(dá)電纜末端的時(shí)間會(huì)使其上升時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間降級(jí)。這影響著分辨率和精度，因?yàn)槿肷潆A躍的有效幅度不同于預(yù)期幅度。在DUT 阻抗接近 50 歐姆時(shí)，這種阻抗不精確不會(huì)引起大的誤差，但是對(duì)較大或較小的阻抗，誤差可能會(huì)很大。

        通過使用延長(zhǎng)電纜，使取樣頭更靠近DUT，可以使導(dǎo)線損耗達(dá)到最小。如果不可能使用這種方法，那么則可以采用比較反射技術(shù)之類的方法，幫助解決問題。該技術(shù)的實(shí)例如下：

• 用已知標(biāo)準(zhǔn)阻抗的空氣線代替DUT。測(cè)量在使用這條空氣線時(shí)的實(shí)際阻抗讀數(shù)。這種測(cè)量提供了一個(gè)可以用于下一步驟中的偏置值。這個(gè)偏置值量化了在DUT 之前互連單元的影響。
• 在 DUT 本身的所有后續(xù)測(cè)量中加上或減去偏置值。
• TDS8000示波器等支持TDR功能的儀器具有杰出的線性能力，保證了在使用標(biāo)準(zhǔn)空氣線或DUT時(shí)，階躍信號(hào)經(jīng)歷完全相同的信號(hào)源、互連和取樣器不完整性。

        比較反射方法大大改善了 r 和阻抗測(cè)量的絕 對(duì)精度。

（7）. 控制上升時(shí)間

        盡管在許多情況下，用戶希望最快的上升時(shí)間，但在某些情況下，極快的上升時(shí)間在 TDR 測(cè)量中會(huì)給出誤導(dǎo)性結(jié)果。例如，在使用上升時(shí)間為35 ps的系統(tǒng)測(cè)試電路板上微帶的阻抗時(shí)，會(huì)提供完 美的分辨率。但是，即使當(dāng)前使用的最 高速的邏輯家族也不能一開始就與 35 ps 的 TDR 階躍上升時(shí)間相匹配。典型的高速邏輯家族如 ECL，輸出上升時(shí)間在 200 ps 到 2 ns 之間。小的不連續(xù)性，如微帶中的短線或銳角轉(zhuǎn)角，會(huì)變得非常明顯，在35 ps上升時(shí)間時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生大的反射。上升時(shí)間為1 ns的ECL柵在實(shí)際運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)的相同傳輸線可能會(huì)產(chǎn)生非常小的可以忽略不計(jì)的反射。

參考文獻(xiàn)：

1. TDR阻抗測(cè)量：信號(hào)完整性的基礎(chǔ)