使用 DMM 测试 TDR

TDR（时域反射计）可能是实验室中上升时间最快的仪器，但您可以使用直流欧姆表测试其准确性。

TDR 测量什么

在所有高速通道中，反射都很糟糕。我们尝试设计一个通道来减少反射，这些反射都会导致符号间干扰 （ISI）。

但在 TDR 中，反射是我们的朋友。当信号遇到瞬时阻抗变化时，我们使用信号的反射作为仪器运行的基础。TDR 还利用了信号的有限传播速度。这会将不连续性的位置转换为在源处测量反射的时间延迟。

TDR 仪器有两个重要元件：一个非常快速的阶跃边沿发生器和一个采样示波器，用于测量信号发射附近的电压。图 1 显示了如何使用这两个元件来传输和测量来自被测设备 （DUT） 的反射。

 

快速边沿被发射到 DUT 中，并沿互连的长度向下传播。每当边沿遇到瞬时阻抗变化时，都会产生一个反射信号，向后传播到源。当反射边缘返回到采样范围时，将检测到它。反射的大小和测量时间编码了有关阻抗变化的大小及其位置的信息。

从信号的角度来看，什么物理结构会产生瞬时阻抗的变化并不重要。它可能来自传输线几何形状的变化，也可以是串联或分流的分立电阻器。

TDR 对串联电阻和分流电阻敏感

如果互连是均匀的，则信号沿线路传播时，信号和返回路径之间会有一个恒定的瞬时阻抗。如果边沿遇到分立串联电阻，它会将其与传输线的瞬时阻抗串联。这种较高的瞬时阻抗会产生一个小的反射。但是，路径的其余部分的阻抗没有变化，因此没有进一步的反射。

小串联电阻的影响是在传输线的分布式阻抗中产生偏移。例如，当连接器因连接器脏污或连接松动而导致接触电阻时，就会出现这种情况。

例如，如果由于信号导体狭窄，互连中存在高串联电阻，则随着信号沿线路传播，阻抗将逐渐增加。区分几何结构对阻抗或串联电阻的影响的方法是从两端测量 DUT。如果瞬时阻抗增加是由于分布式串联电阻引起的，则阻抗曲线在两个方向上都将看起来是“上坡”。图 2 显示了传输线结构中这两种效应的示例。

 

当电阻是分流电阻时，穿过信号和返回路径，它与传输线的瞬时阻抗并联。如果该电阻器放置在传输线的末端，则电阻器使开路短路，其电阻在瞬时阻抗中占主导地位。

信号无法分辨均匀 50 欧姆传输线的瞬时阻抗与信号和线路末端返回之间的 50 欧姆电阻之间的差异。图 3 显示了两种结构的 TDR 响应;一条是 50 欧姆传输线，一条是 50 欧姆分流电阻器。两者都在发布时进行了小规模停产。只有等待看到同轴电缆末端开口的反射，您才能分辨出哪个是哪个。

 

来自分立电阻器的 TDR

与开路并联的电阻器的瞬时阻抗是其电阻。原则上，如果我们测量分立分流电阻器的 TDR 响应，我们应该只看到电阻器的电阻。

在实践中，分立电阻器与同轴连接器（如 SMA）的连接总是会导致较大的不连续性。由于引线较长，不连续性将始终很高，看起来像感应不连续性。图 4 显示了焊接在 SMA 连接器上的 50 Ohm 轴向引线电阻器测得的 TDR 响应示例。

 

我们可以将连接建模为一条短的、高阻抗的、均匀的传输线，一侧是 50 欧姆的 SMA，另一侧是电阻器。如果短不连续性是无损的，则不连续性的前端和后端将产生反射。而且，来自后端的反射将在不连续性内部嘎嘎作响，从每一端反射。

如果我们等待足够长的时间（大约 5 次往返时间）让所有反射消失，我们将看到源的 50 欧姆和分立电阻器的电阻之间的阻抗变化产生的净反射。这个原理可以用一个简单的模拟来说明。图 5 显示了 0.1 ns 长的 200 Ω 传输线与 75 Ohm 理想电阻器串联的仿真 TDR 响应。上升时间为 35 psec。

 

您可以看到 200 欧姆传输线内部的多次反射。它的 TD = 0.1 纳秒。200 欧姆传输线正面和背面的反射之间的往返延迟为 2 x TD = 0.2 纳秒。即使存在如此高的阻抗差，在 5 x 往返延迟 = 1 ns 后，所有反射都已消失，测得的阻抗是电阻器的阻抗，即 75 欧姆。

这提出了一种使用分立电阻器测试 TDR 精度的有效方法。

使用电阻器验证 TDR 的精度

我选择了一些轴向铅 1/4 瓦碳电阻器，其值大约为 10 欧姆、30 欧姆、50 欧姆、70 欧姆、100 欧姆、150 欧姆和 330 欧姆，并将它们焊接到 SMA 连接器上。我并没有试图设计一个低发射不连续性。我使用 Keithley 196 系统 DMM 测量了信号引脚和 SMA 外屏蔽层之间的电阻，该数字万用表的 NIST 可追溯绝对精度为 0.1%。我小心翼翼地消除了测试引线的 0.3 欧姆串联电阻的伪影。

通常，很难将接触电阻降低到 0.1 欧姆以下，这会导致 10 欧姆电阻器的误差达到 1% 的水平。

当我用 TDR 测量这些安装 SMA 的电阻器时，我测量了图 6 所示的响应。在此示例中，我使用了 50 psec 的上升时间。

 

虽然它们在发射时都有非常大的不连续性，但如果我们等待这些初始反射消失，TDR 测得的最终长时间阻抗与数字万用表测得的阻抗非常接近。以下是 DC DMM 欧姆计测量和 35 psec TDR 测量之间的差异摘要：

DMM 电阻 TDR 电阻相对误差

R = 9.96 欧姆 10.1 欧姆 0.14 欧姆/10 欧姆 = 1.4%

R = 32.3 欧姆 32.5 欧姆 0.2 欧姆/32.2 = 0.6%

R = 50.8 欧姆 50.9 欧姆 0.1/51 欧姆 = 0.2%

R = 74.1 欧姆 73.8 欧姆 0.3 欧姆/74 欧姆 = 0.4%

R = 100.0 欧姆 99.7 欧姆 0.3/100 = 0.3%

R = 153.4 欧姆 151.8 欧姆 1.6 欧姆/153 = 1.0%

R = 329 欧姆 324 欧姆 5 欧姆/329 = 1.5%

接近 50 欧姆，绝对精度小于 1%。

结论

如果您想对 TDR 的精度充满信心，很容易构建一些电阻器样本，使用 TDR 测量它们的电阻并与它们的直流电阻进行比较。只要您等待足够长的时间让所有发射不连续性消失，您就应该使用 DMM 测量与 TDR 相同的电阻。这是对 TDR 校准精度的测试。这是每个 TDR 用户都应该采取的步骤，以获得对仪器准确性的信心。