如何利用4、5或6系列MSO示波器進(jìn)行高精度TDR測量？

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)行信號測量和分析。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)示波器在調試和驗證中更為常用，因此能夠使用這些"日常"的示波器應用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。為更好地理解測量系統上升時(shí)間與TDR分辨率之間的關(guān)系，詳見(jiàn)‘附錄A：帶寬對TDR的影響’。

對于激勵信號，需要脈沖/階躍發(fā)生器。單端測量使用單源，差分測量使用雙源。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）。為避免測量系統偽影，需要使用高質(zhì)量電纜和功分器。Picotest J2154A TDR源內置分離器，支持單端和差分TDR測量。

示波器上的應用軟件可簡(jiǎn)化校準、設置和測量流程。

本指南使用以下儀器：

■ 配備10GHz帶寬和6-TDR時(shí)域反射測量分析軟件選項的泰克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設置。

圖10. 使用實(shí)時(shí)示波器和PicotestTDR進(jìn)行差分TDR測量的設置。

使用示波器進(jìn)行TDR測量時(shí)，工程師可選擇單端或差分探測技術(shù)。單端探測涉及將一個(gè)探頭連接到信號線(xiàn)，而差分探測需要兩個(gè)探頭來(lái)測量差分對上的電壓。差分阻抗測量使工程師能夠分析信號完整性的各個(gè)方面，如共模噪聲抑制。此外，差分TDR對于兩端口特性分析非常有用，無(wú)論是兩個(gè)單端走線(xiàn)之間的串擾還是差分對之間的耦合。

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測試系統。

6系列MSO可配備6-TDR時(shí)域反射測量分析軟件選項。該軟件簡(jiǎn)化了配置、校準、計算和縮放過(guò)程，還能生成測量結果。安裝后，TDR測量將作為時(shí)間測量組的一部分出現，如圖12所示。添加TDR測量后，雙擊測量標記將顯示圖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測量。

圖12. 在4、5或6系列MSO上安裝TDR測量分析軟件后，用戶(hù)可通過(guò)"Time Measurements"功能組調用TDR測量功能。

圖13. TDR測量可支持單端或差分兩種測量模式。

準備進(jìn)行TDR測量：預設和校準

配置示波器和歸一化是進(jìn)行實(shí)際測量前的重要步驟。必須對整個(gè)系統（直至探頭尖端或電纜末端）進(jìn)行校準，以消除測量系統影響，從而僅關(guān)注DUT中的阻抗變化。傳統上，TDR系統使用開(kāi)路、負載和短路連接進(jìn)行校準。然而，泰克MSO上的TDR測量分析軟件允許通過(guò)單步補償，利用從入射和反射波形收集的信息完成校準。TDR測量分析軟件中的TDR預設功能可自動(dòng)配置示波器設置并歸一化rho波形。

圖14. 校準時(shí)需保持探頭或電纜遠端處于開(kāi)路狀態(tài)。

配置示波器

在進(jìn)行實(shí)際校準之前，必須將示波器通道設置為50 Ω端接，并確保水平刻度和采樣率設置能夠捕獲最佳信號。此外，垂直刻度必須設置為確保以最佳精度采集信號。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試平均20個(gè)TDR波形。所有這些步驟都通過(guò)點(diǎn)擊TDR預設按鈕完成。示波器配置完成后，預設功能將歸一化反射系數(ρ)波形。

TDR歸一化

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

從電壓波形計算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區域測量。

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

請注意，來(lái)自Picotest J2154A脈沖發(fā)生器的入射電壓波形是一個(gè)負脈沖。計算也相應地進(jìn)行。

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

由于ρ與阻抗(Z)之間固有的非線(xiàn)性關(guān)系（如圖16所示），即使ρ波形中的微小誤差也可能導致最終阻抗波形的顯著(zhù)不準確。因此，必須進(jìn)行適當的歸一化。

圖16：如圖所示，阻抗Z與反射系數ρ呈非線(xiàn)性關(guān)系，這意味著(zhù)ρ波形的微小誤差可能導致Z波形的顯著(zhù)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)。輸入信號將是一個(gè)從0V（短路）到-125mV（負載）和-250mV（開(kāi)路）的負階躍。在Rho刻度上，這些波形被轉換為-1到+1的范圍，其中-1ρ代表短路，0ρ代表50Ω負載，+1ρ代表開(kāi)路。