低成本、高分辨率的时间测量应用

什么是时域反射法？

时域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)是一种利用送入传输线的脉冲的反射能量来测量传输线阻抗的方法。当脉冲送入传输线时，脉冲以光在介质中的传播速度进行传播（通常为真空中光速的60%到80%）。当脉冲遇到阻抗不匹配点时，不匹配的能量会反射回脉冲源，整个过程所用时间为从脉冲源到达阻抗不匹配点所用时间的两倍。图1所示为无端接传输线的脉冲源处的典型波形。

设计目标

使用TDR可以获得大量的信息，如传输线阻抗的一致性、连接器质量、连接器位置、传输线长度、短路故障或开路故障。但所要用到的测试设备成本不菲，通常需要数千美元。大多数情况下，我们关注的只是下面的三项信息之一：传输线长度、短路故障或开路故障。

这就引出了本文的主题。如果只需要获取如下信息，则可以采用低成本解决方案：（1）传输线长度、（2）开路故障点、（3）短路故障点。

本设计的目标：

? 时间分辨率不得低于1ns(相当于0.5 ft)

? 整体时间测量精度在±1%之间

? 0.5ft分辨率下的最大测量长度大于200ft

? TDR所需元件成本低于10美元

使用充电时间测量单元(CTMU)外设进行时间测量

低成本TDR系统的核心是名为充电时间测量单元（Charge Time Measurement Unit，CTMU）的外设。单片机上的CTMU外设可用于在高精度和高分辨（典型分辨率低于1ns）的情况下测量时间。

图2为简化的CTMU框图，由下列各项组成：恒流源和高速开关、模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、放电开关、模拟多路复用器。所有这些模块均集成于一个单片机中。

CTMU是一个恒流源，开关时间小于1ns。该电流可以表示为电压对时间的导数与电容的乘积。下面为相应的标准公式：

I=C(dV/dT)公式1

求出dT，然后积分可得

T=(C/I)V公式2

I是CTMU电流源的输出电流，C是ADC输入电容与所有杂散电容之和，V通过ADC测得。这样可以计算出T的值。

CTMU的电流输出连接至片上10位ADC，后者针对输入采用电容性数模转换器（DAC）。因此，我们采用开关时间低于1ns的电流源，以及具有固定输入电容的ADC。模数输入的充电时间未知，充电完成后使用ADC来测量电压。在C和I已知，并测量出V的情况下，我们可计算出T。图2所示为CTMU生成的典型波形。第一个脉冲时开关导通，开始为模数输入电容充电，电压线性上升（见图1）。第二个脉冲时开关关断，停止为模数输入电容充电。此时可测出电压，并通过公式2算出时间。

通过测量两个已知时间并计算C/I的值，可实现软件校准。

TDR设计的实现

图1所示为简化的TDR电路原理图和TDR波形。图中未显示带片上CTMU外设的16位单片机（本设计中为PIC24FJ32GA102）。该单片机向高速缓冲器发出一个脉冲，此脉冲经过50Ω电阻驱动50Ω同轴电缆。这会生成图1所示的波形。生成的波形馈送至一组双高速比较器，比较器的跳变点分别为1/4 VPULSE和3/4 VPULSE，其中VPULSE为单片机产生并输出到RF4的脉冲的幅值。比较器提供时间测量所需的边沿CTED1和CTED2，如图2所示。CTED1提供开始沿，CTED2提供停止沿。产生的电压通过ADC进行测量，此电压体现边沿1和边沿2之间的时间（或50Ω同轴电缆电气长度的两倍）。CTMU外设的分辨率小于1ns，从而令整体分辨率小于0.5ft。使用10位ADC时，最大测量长度为500ft。

图1a：简化的TDR原理图 图1b：生成的波形

结论

对照我们上文提出的目标，首先，在1ns或更佳分辨率的情况下，CTMU在测量电缆长度时可以轻松实现0.5ft的分辨率。通过执行软件校准和使用0.01%晶振，系统能够在无需电气调整的情况下轻松校准到1%的精度。10位ADC可实现的最大范围为0.5ft与1024的乘积，超出了200ft的范围要求。最后，我们来看一下TDR相关元件的大致成本，系统成本低于10美元。

因此，成本符合要求。最终得出的结论是，该TDR是可靠、易于实施和低成本的TDR。

图2a：简化的CTMU框图 图2b：典型CTMU波形