基于泰克4、5或6系列MSO示波器的高精度TDR測(cè)量方案

顧名思義，TDR (Time Domain Reflectometry) 是一種時(shí)域技術(shù)，需要使用示波器進(jìn)行信號(hào)測(cè)量和分析。采樣示波器因其優(yōu)異的時(shí)間分辨率而常被采用。然而，實(shí)時(shí)示波器在調(diào)試和驗(yàn)證中更為常用，因此能夠使用這些"日常"的示波器應(yīng)用TDR技術(shù)具有重要價(jià)值。

6系列MSO提供的10GHz帶寬使其成為TDR的理想選擇。為更好地理解測(cè)量系統(tǒng)上升時(shí)間與TDR分辨率之間的關(guān)系，詳見‘附錄A：帶寬對(duì)TDR的影響’。

對(duì)于激勵(lì)信號(hào)，需要脈沖/階躍發(fā)生器。單端測(cè)量使用單源，差分測(cè)量使用雙源。理想的發(fā)生器能產(chǎn)生非?？焖俚倪呇兀葱〉纳仙拖陆禃r(shí)間）。為避免測(cè)量系統(tǒng)偽影，需要使用高質(zhì)量電纜和功分器。Picotest J2154A TDR源內(nèi)置分離器，支持單端和差分TDR測(cè)量。

示波器上的應(yīng)用軟件可簡化校準(zhǔn)、設(shè)置和測(cè)量流程。

本指南使用以下儀器：

配備10GHz帶寬和6-TDR時(shí)域反射測(cè)量分析軟件選項(xiàng)的泰克6系列B MSO

集成階躍發(fā)生器的Picotest J2154A PerfectPulse 差分TDR

匹配的50Ω電纜

圖10展示了使用DUT、Picotest J2154A TDR單元和泰克6系列MSO實(shí)時(shí)示波器的典型TDR設(shè)置。

圖10. 使用實(shí)時(shí)示波器和PicotestTDR進(jìn)行差分TDR測(cè)量的設(shè)置。

使用示波器進(jìn)行TDR測(cè)量時(shí)，工程師可選擇單端或差分探測(cè)技術(shù)。單端探測(cè)涉及將一個(gè)探頭連接到信號(hào)線，而差分探測(cè)需要兩個(gè)探頭來測(cè)量差分對(duì)上的電壓。差分阻抗測(cè)量使工程師能夠分析信號(hào)完整性的各個(gè)方面，如共模噪聲抑制。此外，差分TDR對(duì)于兩端口特性分析非常有用，無論是兩個(gè)單端走線之間的串?dāng)_還是差分對(duì)之間的耦合。

圖11. 采用6系列B MSO示波器配合Picotest J2154A PerfectPulse TDR和Picotest P2105A單端口低噪聲TDR探頭搭建的單端TDR測(cè)試系統(tǒng)。

6系列MSO可配備6-TDR時(shí)域反射測(cè)量分析軟件選項(xiàng)。該軟件簡化了配置、校準(zhǔn)、計(jì)算和縮放過程，還能生成測(cè)量結(jié)果。安裝后，TDR測(cè)量將作為時(shí)間測(cè)量組的一部分出現(xiàn)，如圖12所示。添加TDR測(cè)量后，雙擊測(cè)量標(biāo)記將顯示圖13所示的配置界面。該軟件支持使用Picotest J2154A作為脈沖發(fā)生器進(jìn)行單端和差分TDR測(cè)量。

圖12. 在4、5或6系列MSO上安裝TDR測(cè)量分析軟件后，用戶可通過"Time Measurements"功能組調(diào)用TDR測(cè)量功能。

圖13. TDR測(cè)量可支持單端或差分兩種測(cè)量模式。

準(zhǔn)備進(jìn)行TDR測(cè)量：預(yù)設(shè)和校準(zhǔn)

配置示波器和歸一化是進(jìn)行實(shí)際測(cè)量前的重要步驟。必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（直至探頭尖端或電纜末端）進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除測(cè)量系統(tǒng)影響，從而僅關(guān)注DUT中的阻抗變化。傳統(tǒng)上，TDR系統(tǒng)使用開路、負(fù)載和短路連接進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，泰克MSO上的TDR測(cè)量分析軟件允許通過單步補(bǔ)償，利用從入射和反射波形收集的信息完成校準(zhǔn)。TDR測(cè)量分析軟件中的TDR預(yù)設(shè)功能可自動(dòng)配置示波器設(shè)置并歸一化rho波形。

圖14. 校準(zhǔn)時(shí)需保持探頭或電纜遠(yuǎn)端處于開路狀態(tài)。

配置示波器

在進(jìn)行實(shí)際校準(zhǔn)之前，必須將示波器通道設(shè)置為50 Ω端接，并確保水平刻度和采樣率設(shè)置能夠捕獲最佳信號(hào)。此外，垂直刻度必須設(shè)置為確保以最佳精度采集信號(hào)。波形平均有助于提高垂直分辨率，軟件將示波器配置為每次測(cè)試平均20個(gè)TDR波形。所有這些步驟都通過點(diǎn)擊TDR預(yù)設(shè)按鈕完成。示波器配置完成后，預(yù)設(shè)功能將歸一化反射系數(shù)(ρ)波形。

TDR歸一化

TDR歸一化是進(jìn)行TDR測(cè)量前的重要步驟。在歸一化過程中，任何信號(hào)偏移和幅度誤差都會(huì)被校正。

從電壓波形計(jì)算ρ波形的公式為：

其中：

v(t) = 入射+反射波形的電壓采樣值

Vmean= 首次反射前電壓波形的平均值。Vmean在圖15中Meas1指示的Z0區(qū)域測(cè)量。

Vamp= 入射階躍電壓波形的幅度。Vamp是圖15中Meas2標(biāo)注描述的波形幅度。

請(qǐng)注意，來自Picotest J2154A脈沖發(fā)生器的入射電壓波形是一個(gè)負(fù)脈沖。計(jì)算也相應(yīng)地進(jìn)行。

圖15：基于開路狀態(tài)下階躍信號(hào)電壓波形的均值與幅值測(cè)量結(jié)果生成的歸一化Rho波形。

由于ρ與阻抗(Z)之間固有的非線性關(guān)系（如圖16所示），即使ρ波形中的微小誤差也可能導(dǎo)致最終阻抗波形的顯著不準(zhǔn)確。因此，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w一化。

圖16：如圖所示，阻抗Z與反射系數(shù)ρ呈非線性關(guān)系，這意味著ρ波形的微小誤差可能導(dǎo)致Z波形的顯著失真。

歸一化后，將創(chuàng)建如圖15下部波形所示的Rho波形ρ(t)。輸入信號(hào)將是一個(gè)從0V（短路）到-125mV（負(fù)載）和-250mV（開路）的負(fù)階躍。在Rho刻度上，這些波形被轉(zhuǎn)換為-1到+1的范圍，其中-1ρ代表短路，0ρ代表50Ω負(fù)載，+1ρ代表開路。