获得信号完整性的测量技术

　　TDR（时域反射）测量可以为一根电缆或 PCB（印制电路板）走线的信号完整性提供直接描述，以及分析 IC 的性能与故障。TDR 测量沿电缆或 PCB 走线发送一个快速脉冲，并显示返回的反射，用于表示阻抗的变化。阻抗变化可以非常强，如开路或短路情况，或者是数 fF 这么微小，如一个 PCB 过孔。该技术以 OTDR（光 TDR）形式，利用了电子系统中介电常数与光学系统中折射率之间的等效性这一特点。

　　TDR 的历史

　　上世纪30 年代晚期的工程师开始采用 TDR 测量土壤的介电常数与水分含量。今天，很多工程师仍然用这种技术作多种地理测量，如地震断

层与桥梁“冲刷”，这是在快速河流下出现的危险情况，尤其是在冰冻条件下。流水从桥墩、埋藏设备和类似结构处带走沉积物，造成这种情况（参考文献 1、参考文献 2 和参考文献 3）。二战以后，工程师用独立的脉冲发生器和示波器完成 TDR 测试。数字逻辑芯片生成 5V 摆幅的脉冲，制造出足以被检测到的反射。上世纪60 年代末有一项重要进步，当时的惠普公司（现在的Agilent）推出了用于其 140主示波器的1415A插入式仪器。这款高性能仪器第一次在一部装置中集成了脉冲发生器和采样头。上世纪70年代，Tektronix推出了1502和 1503TDR测试套件，在电缆完整性测试方面获得了广泛应用。军队一直是 TDR装备的热心用户，Tek 提供这些产品的军规版。核弹测试时需要用 TDR评测数英里的电缆，以及爆炸区内的地球物理现象。

　　Tektronix 与惠普的技术实现将在今后几十年内继续下去。惠普开发了 20 GHz 的 54120A 主机和 54121A 测试头（图 1）。这些产品包括计算机化的 TDR 测试套件，并能做 TDT（时域传输），后者除了发送脉冲的输入和数字化反射以外，还需要其它用于监控电路传输的输入。这种方法可以确定电路的损耗特性；而用一种纯反射仪器不可能测出这些损耗。示波器在采样头中使用了来自惠普网络分析仪的探测器。

　　上世纪80 年代时，Tektronix 推出了 50 GHz 11801 示波器主机，以及 20 GHz SD-24 差分 TDR 模块（图 2）。为实现其它模块监控传输，11801可以完成 TDR 和 TDT，并可以评估差分信号，如 LVDS（低压差分信令）和 SCSI（小型计算机系统接口）电路中的信号。该示波器后来发展成为 11801C，而带有一个 35 ps 上升时间脉冲发生器的模块则保持不变。该示波器多年来一直在业内广为应用，尽管它的用户界面有点难以捉摸，可能更适合于通过 GPIB（通用接口总线）控制，而不是一名工程师在前面板操作。惠普并没有满足于既得的荣誉，不久以后推出了 18GHz 的 54754A 模块，用于 86100A 主机。Tektronix也跟随推出用于 CSA803（源于 11801C）的 17 ps 80E04 模块。现在 Tektronix公司的模块包括70GHz的 DSA8200主机以及50GHz的80E10 模块。同时，竞争对手 LeCroy 则提供 100GHz 的WaveExpert 100H，以及一个20GHz 的ST-20 TDR模块（图3）。

　　Picosecond Pulse Labs制造的TDR可算是终极设备：4022附加模块可接受Tektronix、Agilent或其它TDR 的脉冲，速度达到令人惊讶的 9 ps 上升时间。Picosecond 亦制造脉冲发生器，但用4022加快一台示波器脉冲速度的方法有自己的优点。Picosecond首席技术官 Clayton Smith 称：“我们把它做成可与示波器中的现有软件一起工作。” Picosecond 亦为各家示波器OEM制造TDR模块。

　　除了高档 TDR 的发展以外，还有些仪器能完成 TDR 在上世纪50年代就开始做的工作：检查长电缆有无短路、开路和断线。这一功能对美国海军非常重要，因为现代舰艇都有数英里长的电缆。广播与电视运营商亦用 TDR 寻找天线塔上同轴电缆的裂缝。Tektronix 的 TS90 TelScout TS90 100 就是一种这样的机器；另外还有 Spirent E2520 型测试仪，它可以评估长达 9800 英尺的双绞线电缆。

　　技术前提

　　TDR 的理论涉及一些有关波形传播以及传输线阻抗的数学（参考文献 4 与参考文献 5）。TDR 的物理现象既不容易理解，也不直观。一个波去试探电缆的短路或开路部分似乎很普通。多数人都能直接观察到这个现象。较有挑战性的是这个概念：向一个开路电路传播的波会加在输入波上，使其加倍，而进入一个完全短路电路的波则反射回负电势，使相关波形为 0V。如你所料，如果传输线采用其特性阻抗终端，如对 50Ω 电缆用 50Ω，则不会发生反射，并且脉冲不受损伤。唯一符合逻辑的是，终端电阻值略高于匹配阻抗时，会在脉冲反射中产生一个小凸起，而较低阻值的电阻则会在脉冲中造成一个下降。终端为感性或容性情况下的反射也很直观，因为电容是高频短路，而电感是高频开路（图 4）。