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什么是TDR测试,它的原理是什么?如何准确测试阻抗不连续点

2019-01-10 15:30:54

蚂蚁芯城一站式电子元器件采购服务平台为您解读:什么是TDR测试,它的原理是什么?如何准确测试阻抗不连续点。

1,TDR测试的基本概念

随着数字电路工作速度的不断提高,PCB上的传输信号速率越来越高,如 PCI-Express的信号速率己经达到2.5GB/S, SATA的信号速率达到3GB/S,10G以太网的速率更高。信号速率越高,信号上升时间越快,当上升沿信号遇到阻抗不连续点,就会产生反射,这样信号会反射回来叠加到输出信号上,使信号不稳定,很可能产生传输错误,系统崩溃。那这种阻抗不连续是怎么测试出来呢,它就是通过TDR测试,能准确测出阻抗不连续点的阻抗值及不连续点的位置。

TDR即 Time-Domain Reflectometry

它是一种时域反射分析技术。TDR测试就是通过时域反射技术,分析得出一条传输线是否连续的一种技术。

2,TDR测试,它的原理是什么

当信号在一条传输线传输的时候,在途中由于各种原因在中途有阻抗发生变化,这个时候信号一部分就会被反射回来,另外一部分则继续传输。TDR测试就是用一个阶跃信号在传输线中传输,在阻抗变化时,通过反射点电压幅值的测量得出阻抗变化点的阻值。及对传输延迟时间的测量,准确计算出阻抗变化点具体位置。

我们运用CADENCE 的PCB SI功能做一次的TDT仿真测试。模型如下

打开百度App,看更多图片

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这里为了大家能看清阻抗连续性,在前面,后面加了两个50殴姆引导阻抗,后面再加一下50欧姆阻抗接地作为匹配。

你点击仿真按钮,会看到下面的图

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这里大家能看到

0-2 n秒的时候, 电压为1V

2-4 n秒的时候, 电压为1.1V

4-8 n秒的时候, 电压为 1.33V

8n秒后的时候, 电压为1V

这图就表现出了阻抗是不连续的。我们开始是这样设计的,有四个阻抗,50欧姆,60欧姆,99欧姆,50欧姆四个阻抗。这就在仿真图中就表现出上面四段不同区段。0-2秒的时候表示的是50欧姆,2-4秒的时候表示的是60欧姆。4-8秒的时候表示的是99欧姆,8秒以后表示又表示是50欧姆。刚好应验我们开始的设置的阻抗。

看看TDR仿真结果,它为什么是这样呢?它的原理我们来分析一下。

1,0-2 n秒的时候

在CADENCE中TDR仿真信号发生器是一个电压为2V,内部阻抗为50欧姆的信号发生器。在0-2n秒,0秒时就迅速冲到1V,然后1V持续2n秒,这是因为发生器第一次碰到了第一个阻抗50欧姆。等效电器如下

?

如图中,ZTL1端的电压就是2V*ZTL1/(ZTL1+ZOUT)=1V,

因这个50阻抗传输线上传输时间是1ns,反射回来又要1ns。所示最终会持续2ns。

2,2-4 n秒的时候

同理在信号传输到60欧姆这段时,电压2V*Zdut1(Zdut1+Zout)=1.091V。与TDR仿真图是吻合的。这样,如果你测试出来这个电压时,就可以反向计算出这里的阻抗是60欧姆。是在延时2n秒处。也通过这个延时计算出准确的阻抗变化点。

3,4-8n秒的时候

这个就可以依次类推了,99欧姆段的是电压为2V*Zdut2/(Zdut2+Zout)=1.33V。测出这个电压值,你就能反向推算出这个阻抗不连续的阻抗值 。也通过这个延时时间推算出阻抗不连续的准确点。

4, 8n秒以后

8ns以后是后面加的引导阻抗50欧姆,这个测的电压也是1V。后面就连续了,所以一直保持1V。

这就是TDR测试的原理。CADENCE也提供了TDR测试仿真,也是很方便。

TDR测试仪有阶跃发射源与高速信号采样头组成。阶跃发射源发出的信号上升沿的快,慢决定了这个阻抗连续性测量的精度。如果TDR仪器发射的阶跃信号相对被测试系统不够快,那么曲线呈现出的是间距比较小的不连续点就会被平滑的表现出来,一些不连续点就被隐藏了。

但并不是越快越好。要选择跟实际系统中传输的信号相匹配。一般是实际系统信号上升沿的1/2。

TDR SCOPE是仪器采样头上的脉冲上升沿时间。TDR PROBE是仪器探头及连接线的脉冲上升时间。

而高速信号采样头的好坏就决定了这个阻抗变化点位置的准确性。

影响TDR测试仪的测试结果的准确性有诸多的因素。比如测试中的参考阻抗的精度,阶跃信号的响应能力,采样头的性能好坏,还有连接线的好坏等等。

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