如何使用J2151A测量PCB

受控阻抗印刷电路板（PCB）通常包括测量“试样”，其通常包括6英寸长的样品迹线，并构造为印刷电路板面板的一部分。测量它们以确保PCB叠层和PCB传输线的精度。这些试样以及实际的PCB信号走线，互连和电缆通常使用时域反射仪（TDR）测量。 TDR通常是一种昂贵的大型仪器，包括高速边沿脉冲和采样示波器。

大多数现代电路设计依赖于准确性逻辑接收器处的逻辑信号。这种保证基于印刷电路板（PCB）传输线，互连和电缆的精心设计。就此而言，建议定期验证仪器电缆和互连。电缆压接经常会降低，特别是在低成本电缆中，并且会显着影响测量质量。

PerfectPulse®

PerfectPulse®来自Picotest，是一款低成本的口袋大小的脉冲发生器（J2151A）。信号发生器与附带的电阻端口分配器和实时示波器相结合，可用作精确的TDR/TDT测量系统。它可以测量PCB测试试样阻抗，电缆和坏卷曲，走线长度，介电常数（Dk）和速度因子（V f ）。本应用笔记介绍了如何使用J2151A测量PCB，电缆和互连阻抗，介电常数，速度系数和电缆长度。

TDR理论测量

信号在空气中以光速传播，大约3∙10 ^ 8米/秒［1］。在介电材料上行进时信号速度减慢。它减速的量是信号传输的速度因子（V f ），有时也称为传播速度。

同轴电缆规格通常包括速度因子，通常在60％和90％之间（1）。速度系数为70％的电缆意味着信号以光速的0.7倍或2.1∙10 ^ 8米/秒的速度传播。

速度因子与传输介电常数直接相关线。电缆或印刷电路板的介电常数与自由空间的介电常数之比是传输线或PCB的介电常数。介电常数有时表示为εr，有时表示为Dk。典型的介电常数值范围从低约2到高达约24。

速度因子和介电常数之间的关系是：

由于我们知道信号通过电缆或PCB以速度因速度减小的速度传播，因此可以将时间和距离联系起来。

以英寸和皮秒为单位求解信号传播

因此，通过迹线或电缆的往返是

并从已知长度求解Dk

在单端TDR测量中，高速边沿从传输线的开始行进到传输线的末端，然后反射到测量它的仪器。信号通过传输线进行往返，仪器使用入射和返回信号来测量传播时间和反射系数Γ，后者用于计算传输线阻抗。

其中Z TL 是传输线阻抗，Z o 是参考阻抗，通常为50Ω。

求解阻抗，

将这一切放在一起，TDR源产生一个快速边沿信号，该信号被分成两个相等幅度的信号。示波器使用一个信号监视反射信号，另一个信号传送到传输线。反射电压用于计算阻抗，而往返信号时间用于计算传输线的介电常数或传输线的长度，这取决于哪个值是未知的。介电常数可以从信号传播时间确定，长度可以从信号传播时间和速度因子Vf确定。

测量设置

图1显示了TDR测量设置的图片。一个TDR分配器端口连接到示波器。由于许多较低带宽的示波器使用BNC连接器，因此可能需要RF适配器。建议使用高质量的适配器，最好是校准品质的适配器。第二个TDR端口使用高质量电缆，高带宽1端口探头或适用的连接器连接到测量样品。图2显示了本应用笔记中测量中使用的Picotest演示板。

进行TDR连接的一般步骤是，

1。将J2151A连接到端口分配器，并将端口分配器连接到示波器，如图1所示。将同轴电缆或探头连接到分离器的TDR端口。

2。将示波器触发斜率设置为下降沿，并将触发器设置为靠近屏幕左侧。

3。使用测量功能或放置光标来测量负脉冲的宽度。每个测量所使用的功能或方法将在以下部分中讨论。

图1： TDR测量的测量设置本应用笔记。该设置使用PerfectPulse®USB连接TDR和分路器（包括），其中一个输出连接到DUT，另一个连接到示波器。

图2： Picotest TDR演示板。

测量PCB，电缆和互连阻抗

测得的示波器电压可通过以下公式转换为阻抗，

其中 R DUT 是被测设备（DUT）的阻抗， R GEN 是发电机输出阻抗（50欧姆）， V SCOPE 是示波器接收的电压（-500 mV） 。这可以进一步减少，

通常可以使用数学函数在示波器中应用公式来获得阻抗。范围值也可以导出以与Mathcad，Matlab或Octave等程序一起使用，以使用此公式绘制DUT阻抗函数。

图3：图3所示的Picotest TDR演示板顶部的迹线4测量结果显示阻抗的阶跃变化为47至52欧姆。使用（9）绘制阻抗。

测量介电常数和速度因子

介电常数的测量无需校准。这是时间测量并且基于已知的长度值，介电常数D k 可以从（5）确定。速度因子（V f ）可以从（1）确定已知的长度值。测量设置如图1所示。

图4 测量第3个跟踪图3所示的Picotest TDR演示板中的顶部。信号以944 ps向前移动 3“向前和向后移动3”。因此，基于（5），Dk = 3.45，基于（1），Vf = 53.84％。

测量走线或电缆长度

假设在测量之前已知电缆速度因子，并且大多数电缆制造商发布此参数。如果没有，可以切割一小段已知的电缆以测量速度因子，如上一节所示。在使用TDR示波器组合测量往返时间后，我们可以使用（4）用已知的V f 值测量长度。一个例子如图5所示。

图5：测量速度系数为70％的RTK028电缆。往返时间为4.47 ns，因此根据（4）计算长度为0.47 m。 （电缆的实际长度为0.5米）。

测量提示

使用高质量的电缆和探头。如果需要RF适配器，请使用校准质量适配器。

测量阻抗信号的最平坦部分。这通常在迹线/电缆长度的50％到75％之间。

使用门控光标获得此范围内的平均值。

减少带宽会降低分辨率但会提供降低噪音的结果。通常可以使用1GHz-2GHz示波器测量标准IPC优惠券。

结论

使用现有的示波器，Picotest J2151A是低成本TDR/TDT的理想选择。它可用于测量PCB测试试样阻抗，测试电缆和不良压接，走线长度，Dk和速度系数。本应用笔记介绍了如何使用J2151A测量PCB，电缆和互连阻抗，介电常数（D k ），速度系数（V f ）和长度。

［1］实际光速为2.99792458∙10 ^ 8米/秒，所以3 ∙10 ^ 8米/秒是合理的近似值。