1. 什么是TDR？

TDR = Time Domain Reflectometry

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

2. TDR測試原理

2.1 傳統(tǒng)時域反射計工作原理

         圖1是傳統(tǒng)時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， 上升時間35ps， 頻率250KHz的方波。

• 采樣示波器。

• 探頭系統(tǒng)。

圖1 - 傳統(tǒng)時域反射計工作原理圖

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

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

圖2 - 時域反射計測試電壓波形與傳輸線對應(yīng)關(guān)系

        TDR測量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)很簡單，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(shù) TDR 測量將在內(nèi)部執(zhí)行必要的比率計算，顯示一個數(shù)字結(jié)果。TDR測量以反射系數(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)分析儀測試方案

        網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA是測量被測件DUT頻率響應(yīng)的儀器，測量時為被測件輸入一個正弦波激勵信號，然后通過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(jié)果。

VNA測試的頻率響應(yīng)特性

        頻域和時域之間的關(guān)系可以通過傅里葉理論來描述。通過對使用VNA獲得的反射和傳輸頻率響應(yīng)特性進行傅里葉逆變換，可以獲得時域上的沖激響應(yīng)。這和在TDR示波器上觀察到的響應(yīng)特性是一樣的。由于積分計算非常耗時，因此實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行計算-- 把輸入信號的傅里葉變換和被測件的頻率響應(yīng)特性進行卷積，然后對結(jié)果實施傅里葉逆變換。

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時域波形分析

        對于有經(jīng)驗的測試工程師來說，通過TDR時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TDR 系統(tǒng)可以分辨的最小的不連續(xù)點的距離間隔的能力。

        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)點可能會平滑地轉(zhuǎn)化成波形中的一個畸變。這種效應(yīng)不僅可能會隱藏某些不連續(xù)點，而且可能會導(dǎo)致阻抗讀數(shù)不精確。上升時間、建立時間和脈沖畸變可能會明顯影響 TDR 系統(tǒng)的分辨率。

（1）. 上升時間

        阻抗不連續(xù)點的表現(xiàn)之一是上升時間等于或更可能長于（慢于）入射階躍。電路中任意兩個不連續(xù)點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(tǒng)上升時間的一半，那么測量儀器可能區(qū)分不出兩個相鄰的不連續(xù)點。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，因為它們到達(dá)不連續(xù)點，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，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示波器向前推進了一步。之后它會定期監(jiān)視基線和入射階躍幅度。這樣，可以自動補償系統(tǒng)，允許即使在階躍幅度偏置漂移的情況下實現(xiàn)可重復(fù)性非常強的測量。

（3）. 入射階躍畸變

        入射階躍畸變導(dǎo)致的最明顯問題是，如果在相對于測量的線路很短的時間內(nèi)脈沖沒有穩(wěn)定，那么則不能精確地測量反射階躍幅度。這類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(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。這將在接近測量線路的末端導(dǎo)致錯誤。

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

（4）. 噪聲

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

（5）. 互連精度和反射

        如果使用的探頭電纜很長，在測量相對于電纜末端的 DUT阻抗時要非常謹(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量精度。參考電平將移動電纜的 rho ((cable )，DUT 上的入射階躍幅度將為(1- |( cable |)。為實現(xiàn)最 大精度，可以測量這些參數(shù)，計算其阻抗。

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

（6）. 電纜損耗

        測試設(shè)置中的電纜損耗可能會導(dǎo)致多個問題。盡管可能會同時發(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)線損耗會隨著頻率一起提高。在進一步考察電纜時，這一遞增串聯(lián)阻抗結(jié)果的阻抗值會明顯提高。因此，在使用長的測試電纜時，DUT阻抗看上去要高于實際值。

        第二個問題是入射脈沖到達(dá)電纜末端的時間會使其上升時間和穩(wěn)定時間降級。這影響著分辨率和精度，因為入射階躍的有效幅度不同于預(yù)期幅度。在DUT 阻抗接近 50 歐姆時，這種阻抗不精確不會引起大的誤差，但是對較大或較小的阻抗，誤差可能會很大。

        通過使用延長電纜，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)的實例如下：

• 用已知標(biāo)準(zhǔn)阻抗的空氣線代替DUT。測量在使用這條空氣線時的實際阻抗讀數(shù)。這種測量提供了一個可以用于下一步驟中的偏置值。這個偏置值量化了在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，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）. 控制上升時間

        盡管在許多情況下，用戶希望最快的上升時間，但在某些情況下，極快的上升時間在 TDR 測量中會給出誤導(dǎo)性結(jié)果。例如，在使用上升時間為35 ps的系統(tǒng)測試電路板上微帶的阻抗時，會提供完 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 階躍上升時間相匹配。典型的高速邏輯家族如 ECL，輸出上升時間在 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，會變得非常明顯，在35 ps上升時間時可能會產(chǎn)生大的反射。上升時間為1 ns的ECL柵在實際運行中驅(qū)動的相同傳輸線可能會產(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(chǔ)