時(shí)域反射計(jì)TDR原理詳細(xì)解析

早在60年代就產(chǎn)生了時(shí)域反射計(jì)TDR（Time-Domain Reflectometry）技術(shù)。該技術(shù)包括產(chǎn)生沿傳輸線傳播的時(shí)間階躍電壓。用示波器檢測來自阻抗的反射，測量輸入電壓與反射電壓比，從而計(jì)算不連續(xù)的阻抗。

傳統(tǒng)時(shí)域反射計(jì)TDR缺點(diǎn)

傳統(tǒng)TDR可作為定性工具使用，下面列出影響其精度和實(shí)用性的限制：

1. 有限的上升時(shí)間

2. 采樣示波器的同步抖動(dòng)

3. 差的信噪比

4. 大的階躍電壓會(huì)損壞有源器件

5. 需要直流通路

傳統(tǒng)時(shí)域反射計(jì)工作原理

時(shí)域反射計(jì)TDR是最常用的測量傳輸線特征阻抗的儀器，它是利用時(shí)域反射的原理進(jìn)行特性阻抗的測量。

圖1是傳統(tǒng)TDR工作原理圖。

圖1時(shí)域反射計(jì)TDR工作原理

TDR包括三部分組成：

1）快沿信號(hào)發(fā)生器：典型的發(fā)射信號(hào)的特征是：幅度200mv，上升時(shí)間35ps，頻率250KHz方波。

2）采樣示波器：通用的采樣示波器。

3）探頭系統(tǒng)：連接被測件和TDR儀器。

測試信號(hào)的運(yùn)行特征參考圖2所示。由階躍源發(fā)出的快邊沿信號(hào)注入到被測傳輸線上，如果傳輸線阻抗連續(xù)，這個(gè)快沿階躍信號(hào)就沿著傳輸線向前傳播。當(dāng)傳輸線出現(xiàn)阻抗變化時(shí)，階躍信號(hào)就有一部分反射回來，一部分繼續(xù)往前傳播。反射回來的信號(hào)疊加到注入的階躍信號(hào)，示波器可采集到這個(gè)信號(hào)。因?yàn)榉瓷浠貋淼男盘?hào)和注入的信號(hào)有一定的時(shí)間差，所以示波器采集到的這個(gè)疊加信號(hào)的邊緣是帶臺(tái)階的，這個(gè)臺(tái)階反映了信號(hào)傳播反射的時(shí)間關(guān)系，與傳輸線電長度對(duì)應(yīng)。

圖2 TDR測試信號(hào)在傳輸線上的運(yùn)動(dòng)特征

圖3是計(jì)算被測傳輸線特征阻抗的計(jì)算公式。當(dāng)示波器采集到這個(gè)疊加信號(hào)后，容易去掉注入的信號(hào)（有些TDR儀器注入信號(hào)是從-200mv到0v的，所以示波器采集到的邊沿臺(tái)階就是反射回來的信號(hào)）。這樣容易通過圖中公式計(jì)算出反射系數(shù)，由反射系數(shù)通過圖中公式（測試系統(tǒng)的阻抗是50歐姆）容易計(jì)算出發(fā)生反射電壓點(diǎn)的負(fù)載阻抗。

圖3 TDR計(jì)算被測件特征阻抗的計(jì)算公式

TDR比較有意義的一點(diǎn)是，示波器采集到了每一點(diǎn)的反射電壓（如果因?yàn)樽杩蛊ヅ涠鵁o反射，則假設(shè)反射的電壓為0v），從而示波器屏幕上顯示了一條TDR曲線，這個(gè)曲線與傳輸線的每一點(diǎn)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。從這個(gè)曲線上可以讀出傳輸線上每一點(diǎn)的特征阻抗。如果知道有效介電常數(shù)，可以計(jì)算出/讀出每一點(diǎn)距離測試點(diǎn)的具體長度，如圖4所示。

所以TDR儀器不僅僅可以用來測量傳輸線的特征阻抗，還可以幫助定位斷點(diǎn)或短路點(diǎn)的具體位置，比如有些工程師就用TDR來檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子設(shè)備上的軟排線是否有斷點(diǎn)或短路點(diǎn)。計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子設(shè)備用了很多的軟排線來傳輸高速信號(hào)（比如連接顯示屏的軟排線），這種軟排線的每根線都是一個(gè)小同軸電纜，由于細(xì)小，生產(chǎn)時(shí)容易短路或短路，用TDR儀器可以幫助檢查和定位問題。

圖4 TDR曲線與被測傳輸線一一對(duì)應(yīng)

當(dāng)傳輸線上存在寄生電容、電感（如過孔）時(shí)，在TDR曲線上可以反映出寄生參數(shù)引起的阻抗不不連續(xù)，而且這些阻抗不連續(xù)曲線可以等效為電容、電感或其組合的模型，因而TDR也可以用來進(jìn)行互連建模，可以直接在儀器上讀出寄生的電感或電容，或通過仿真軟件建立更詳細(xì)的模型，如圖5所示。

圖5 從TDR曲線上的波動(dòng)處可計(jì)算出寄生電容或電感