1. 什么是TDR？

TDR = Time Domain Reflectometry

時(shí)域反射計TDR用來(lái)測量信號在通過(guò)某類(lèi)傳輸環(huán)境傳導時(shí)引起的反射，如電路板軌跡、電纜、連接器等等。

2. TDR測試原理

2.1 傳統時(shí)域反射計工作原理

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

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

• 采樣示波器。

• 探頭系統。

圖1 - 傳統時(shí)域反射計工作原理圖

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

        TDR 顯示了在沿著(zhù)一條傳輸線(xiàn)傳播快速階躍信號時(shí)返回的電壓波形。波形結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。階躍信號源的上升時(shí)間決定分辨阻抗不連續點(diǎn)的能力；高速采樣電路決定阻抗變化位置的準確性。

圖2 - 時(shí)域反射計測試電壓波形與傳輸線(xiàn)對應關(guān)系

        TDR測量的數學(xué)基礎很簡(jiǎn)單，但十分重要。從本質(zhì)上看， TDR 測量基于一系列阻抗比率。大多數 TDR 測量將在內部執行必要的比率計算，顯示一個(gè)數字結果。TDR測量以反射系數( (rho)表示。系數是反射的脈沖幅度與入射脈沖幅度之比：

        對固定終端ZL，還可以用傳輸線(xiàn)特性阻抗Z0和負載阻抗ZL 表示：

2.2 網(wǎng)絡(luò )分析儀測試方案

        網(wǎng)絡(luò )分析儀VNA是測量被測件DUT頻率響應的儀器，測量時(shí)為被測件輸入一個(gè)正弦波激勵信號，然后通過(guò)計算輸入信號與傳輸信號S21或反射信號S11之間的矢量幅度比得到測量結果。

VNA測試的頻率響應特性

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

從傅里葉逆變換推導的階躍響應特性和沖激響應特性間的關(guān)系

3. TDR時(shí)域波形分析

        對于有經(jīng)驗的測試工程師來(lái)說(shuō)，通過(guò)TDR時(shí)域波形可以直觀(guān)地知道傳輸線(xiàn)路徑上阻抗突變的因素。下圖中列出了常見(jiàn)的一些情況。

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1. TDR分辨率因素

        TDR 測量可以有效地考察電路阻抗和信號完整性。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(zhù)TDR 系統可以分辨的最小的不連續點(diǎn)的距離間隔的能力。

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

（1）. 上升時(shí)間

        阻抗不連續點(diǎn)的表現之一是上升時(shí)間等于或更可能長(cháng)于（慢于）入射階躍。電路中任意兩個(gè)不連續點(diǎn)之間的物理間隔決定了在TDR波形上彼此之間相對反射位置的接近程度。如果它們的之間的距離不到系統上升時(shí)間的一半，那么測量?jì)x器可能區分不出兩個(gè)相鄰的不連續點(diǎn)。下面的公式說(shuō)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，因為它們到達不連續點(diǎn)，在主要階躍到達之前開(kāi)始產(chǎn)生反射。這些早期反射隱藏了間隔緊密的不連續點(diǎn)，降低了分辨率。

（3）. 建立畸變

        穩定畸變是指在入射階躍之后發(fā)生的畸變，如瞬變 ，這將導致反射中發(fā)生相應的畸變。這些畸變很難與測試的設備(DUT)不連續性導致的反射區分開(kāi)來(lái)。注意， TDR 儀器階躍發(fā)生器中的畸變和取樣器階躍響應中的畸變產(chǎn)生的影響幾乎完全相同。

2. TDR精度因素

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

（1）. 參考阻抗

        所有 TDR 測量都是相對的，它們通過(guò)比較反射的幅度與入射幅度得出?，F代 TDR 儀器執行所有計算，比較入射幅度和反射幅度，以rho或ohm直接表示結果。但是，這一過(guò)程仍取決于參考阻抗的精度 (Z0 )。

（2）. 階躍幅度和基線(xiàn)校正

        一般來(lái)說(shuō)，現代TDR 儀器測量和 / 或校準入射階躍幅度，根據已知的階躍幅度和基線(xiàn)電平，計算毫rho和ohm。通過(guò)在取樣模塊中置入一條已知空氣線(xiàn)，TDS8000示波器向前推進(jìn)了一步。之后它會(huì )定期監視基線(xiàn)和入射階躍幅度。這樣，可以自動(dòng)補償系統，允許即使在階躍幅度偏置漂移的情況下實(shí)現可重復性非常強的測量。

（3）. 入射階躍畸變

        入射階躍畸變導致的最明顯問(wèn)題是，如果在相對于測量的線(xiàn)路很短的時(shí)間內脈沖沒(méi)有穩定，那么則不能精確地測量反射階躍幅度。這類(lèi)錯誤只對阻抗明顯不同于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，因為反射很小。

        可能導致問(wèn)題的第二類(lèi)畸變是階躍之前的“腳”或前沖。如果 DUT 在末端存在開(kāi)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(kāi)路。這將在接近測量線(xiàn)路的末端導致錯誤。

        低頻階躍畸變會(huì )引起更加錯綜復雜的效應。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(méi)有在測量參考阻抗的同一時(shí)間內測量 DUT，那么這會(huì )導致 50 歐姆電平偏置。

（4）. 噪聲

        在測量小的阻抗偏差時(shí)，隨機噪聲會(huì )成為一個(gè)重大的誤碼源。幸運的是，現代儀器可以執行信號加權平均，降低隨機噪聲的影響。許多儀器的缺點(diǎn)是加權平均可能會(huì )明顯降慢處理速度，特別是在顯示自動(dòng)測量結果時(shí)。 TDS8000 示波器內置多部處理器，可以分擔處理工作負載，解決了這個(gè)問(wèn)題。

（5）. 互連精度和反射

        如果使用的探頭電纜很長(cháng)，在測量相對于電纜末端的 DUT阻抗時(shí)要非常謹慎，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(zhù)測量精度。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)現最 大精度，可以測量這些參數，計算其阻抗。

        互聯(lián)元器件和探頭到 DUT 接口反射也會(huì )導致問(wèn)題。探頭接口可能會(huì )產(chǎn)生大的電感反射，在進(jìn)行精確測量前必須穩定電感反射。盡量縮短探頭觸點(diǎn)和地線(xiàn)的長(cháng)度非常重要，以使這些問(wèn)題達到最小。

（6）. 電纜損耗

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

        第二個(gè)問(wèn)題是入射脈沖到達電纜末端的時(shí)間會(huì )使其上升時(shí)間和穩定時(shí)間降級。這影響著(zhù)分辨率和精度，因為入射階躍的有效幅度不同于預期幅度。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，但是對較大或較小的阻抗，誤差可能會(huì )很大。

        通過(guò)使用延長(cháng)電纜，使取樣頭更靠近DUT，可以使導線(xiàn)損耗達到最小。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(lèi)的方法，幫助解決問(wèn)題。該技術(shù)的實(shí)例如下：

• 用已知標準阻抗的空氣線(xiàn)代替DUT。測量在使用這條空氣線(xiàn)時(shí)的實(shí)際阻抗讀數。這種測量提供了一個(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 本身的所有后續測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(xiàn)性能力，保證了在使用標準空氣線(xiàn)或DUT時(shí)，階躍信號經(jīng)歷完全相同的信號源、互連和取樣器不完整性。

        比較反射方法大大改善了 r 和阻抗測量的絕 對精度。

（7）. 控制上升時(shí)間

        盡管在許多情況下，用戶(hù)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 測量中會(huì )給出誤導性結果。例如，在使用上升時(shí)間為35 ps的系統測試電路板上微帶的阻抗時(shí)，會(huì )提供完 美的分辨率。但是，即使當前使用的最 高速的邏輯家族也不能一開(kāi)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。小的不連續性，如微帶中的短線(xiàn)或銳角轉角，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)際運行中驅動(dòng)的相同傳輸線(xiàn)可能會(huì )產(chǎn)生非常小的可以忽略不計的反射。

參考文獻：

1. TDR阻抗測量：信號完整性的基礎