时域反射计TDR原理详细解析

早在60年代就产生了时域反射计TDR（Time-Domain Reflectometry）技术。该技术包括产生沿传输线传播的时间阶跃电压。用示波器检测来自阻抗的反射，测量输入电压与反射电压比，从而计算不连续的阻抗。

传统时域反射计TDR缺点

传统TDR可作为定性工具使用，下面列出影响其精度和实用性的限制：

1. 有限的上升时间

2. 采样示波器的同步抖动

3. 差的信噪比

4. 大的阶跃电压会损坏有源器件

5. 需要直流通路

传统时域反射计工作原理

时域反射计TDR是最常用的测量传输线特征阻抗的仪器，它是利用时域反射的原理进行特性阻抗的测量。

图1是传统TDR工作原理图。

图1时域反射计TDR工作原理

TDR包括三部分组成：

1）快沿信号发生器：典型的发射信号的特征是：幅度200mv，上升时间35ps，频率250KHz方波。

2）采样示波器：通用的采样示波器。

3）探头系统：连接被测件和TDR仪器。

测试信号的运行特征参考图2所示。由阶跃源发出的快边沿信号注入到被测传输线上，如果传输线阻抗连续，这个快沿阶跃信号就沿着传输线向前传播。当传输线出现阻抗变化时，阶跃信号就有一部分反射回来，一部分继续往前传播。反射回来的信号叠加到注入的阶跃信号，示波器可采集到这个信号。因为反射回来的信号和注入的信号有一定的时间差，所以示波器采集到的这个叠加信号的边缘是带台阶的，这个台阶反映了信号传播反射的时间关系，与传输线电长度对应。

图2 TDR测试信号在传输线上的运动特征

图3是计算被测传输线特征阻抗的计算公式。当示波器采集到这个叠加信号后，容易去掉注入的信号（有些TDR仪器注入信号是从-200mv到0v的，所以示波器采集到的边沿台阶就是反射回来的信号）。这样容易通过图中公式计算出反射系数，由反射系数通过图中公式（测试系统的阻抗是50欧姆）容易计算出发生反射电压点的负载阻抗。

图3 TDR计算被测件特征阻抗的计算公式

TDR比较有意义的一点是，示波器采集到了每一点的反射电压（如果因为阻抗匹配而无反射，则假设反射的电压为0v），从而示波器屏幕上显示了一条TDR曲线，这个曲线与传输线的每一点有一一对应关系。从这个曲线上可以读出传输线上每一点的特征阻抗。如果知道有效介电常数，可以计算出/读出每一点距离测试点的具体长度，如图4所示。

所以TDR仪器不仅仅可以用来测量传输线的特征阻抗，还可以帮助定位断点或短路点的具体位置，比如有些工程师就用TDR来检验计算机、消费电子设备上的软排线是否有断点或短路点。计算机和消费电子设备用了很多的软排线来传输高速信号（比如连接显示屏的软排线），这种软排线的每根线都是一个小同轴电缆，由于细小，生产时容易短路或短路，用TDR仪器可以帮助检查和定位问题。

图4 TDR曲线与被测传输线一一对应

当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不不连续，而且這些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR也可以用來进行互连建模，可以直接在仪器上读出寄生的电感或电容，或通过仿真软件建立更详细的模型，如图5所示。

图5 从TDR曲线上的波动处可计算出寄生电容或电感