tdr测试的原理及方法介绍

TDR概述

TDR是多个英文单词的缩写，包括：Time-Domain Reflectometry—时域反射技术，一种对反射波进行分析的遥控测量技术，在遥控位置掌握被测量物件的状况。TDR主要由三部分构成：快沿信号发生器，采样示波器和探头系统。

TDR测试原理及测试方法

随着数字电路工作速度得提高，PCB板上信号的传输速率也越来越高，如PCI-Express的信号速率已经达到2.5Gb/s，SATA的信号速率已经达到3Gb/s，新的标准如PCI-Express II、XAUI、10G以太网的工作速率更高。随着数据速率的提高，信号的上升时间会更快。当快上升沿的信号在电路板上遇到一个阻抗不连续点时就会产生更大的反射，这些信号的反射会改变信号的形状，因此线路阻抗是影响信号完整性的一个关键因素。对于高速电路板来说，很重要的一点就是要保证在信号传输路径上阻抗的连续性，从而避免信号产生大的反射。相应的，对于测试来说也需要测试高速电路板的信号传输路径上阻抗的变化情况并分析问题原因，从而更好地定位问题，例如PCI-Express和SATA等标准都需要精确测量传输线路的阻抗。下表是SATA对于系统内连接的电缆和连接器的阻抗和衰减的要求：

要进行阻抗测试，一个快捷有效地方法就是TDR（时域反射计）方法。TDR的工作原理是基于传输线理论，工作方式有点象雷达。如下图所示，当有一个阶跃脉冲加到被测线路上，在阻抗不连续点就会产生反射，已知源阻抗Z0，则根据反射系数ρ就可以计算出被测点阻抗ZL的大小。

最简单的TDR测量配置是在宽带示波器的模块中增加一个阶跃脉冲发生器。阶跃脉冲发生器发出一个快上升沿的阶跃脉冲，同时接收模块采集反射信号的时域波形。如果被测件的阻抗是连续的，则信号没有反射，如果有阻抗的变化，就会有信号反射回来。根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离，根据反射回来的幅度可以判断相应点的阻抗变化。下图是TDR的工作方式和对一个被测件的TDR波形。

TDR通常显示反射和阻抗变化情抗，TDT（时域传输）通常显示传输延迟。器件或者通道的阻抗不连续会导致传输信号失真，因此TDR/TDT是增强信号完整性的重要工具。

多年以来，Agilent86100系列Infiniium DCA 主机和54754A差分TDR模块的强大组合为TDR/TDT测量提供了卓越的解决方案。为了满足当前高速数字串行接口方面的严格要求，TDR/TDT测量功能也进行了重大改进，从而能够轻松获得精确得结果。下图是用Agilent86100和54754A模块进行TDR测试的一个实例。

影响TDR测试精度的因素

A）TDR 校准是获得正确结果的最快方式

要获得正确的测试结果，必须正确消除因测试夹具或线缆导致的系统误差。Agilent TDR校准采用数字滤波器技术，使用短路和负载参考设备建立了一个校准平面，从而消除系统误差以提供精确的结果。下图是TDR校准的工作原理和进行TDR校准前后测试结果的比较，可以看到校准后的反射波形更加清晰地反映出了阻抗的变化情况。

B）S参数测量

86100C选件202只需一键轻触，即可从时域TDR/TDT的结果快速获得频域的S参数（S11回波损耗或S21插入损耗）结果。

C）多重反射的校正：

当被测系统中有多个阻抗不连续点时，由于每个点都会产生反射，而且反射回来的波形再碰到阻抗不连续点时还有可能再反射回去，因此会造成TDR的波形变形，不利于进行精确测量。86100C选件202增加了多重反射校正功能，可以补偿多次反射对TDR波形的影响。下同是多重反射校正前后TDR波形的比较，可以看到校正后的波形去掉了多重反射的影响。

D）TDR阶跃脉冲的质量

发送到被测设备的TDR阶跃脉冲的质量会影响TDR测量的结果。精心设计的54754A模块可以最大限度减小偏差，以获得具有小国重和振荡的清晰脉冲，从而减少测量误差。从TDR校准获得的数字滤波可以模拟不同上升时间的阶跃脉冲，以验证实际信号脉冲的反射情况。使用TDR校准还可以模拟更快阶跃脉冲的反射情况。下图显示的是不同上升时间的阶跃脉冲的反射结果。

E）通过加快实际阶跃脉冲来改善分辨率

Picosecond Pulse Lab（皮秒脉冲试验室）的信号源增强模块通过应用9pS上升时间的阶跃脉冲可以提供更精细的距离分辨率。使用信号源增强模块时需要于更高带宽的接收模块配合使用，Agilent的86118A是最优秀的接收机模块，具有70G带宽和远端探头，可消除因为连接电缆导致的性能降级。下图是使用脉冲增强模块和宽带接收机进行TDR测试的实例。

F）通过PLTS进行全面的差分测试

基于TDR的N1930A物理层测试解决方案，为详细的差分线路测试提供了完整的解决方案。该系统具有16相S参数和广泛的校准测试功能。Agilent的PLTS系统同时还具有眼图模拟功能，可以模拟真实信号经过线路传输以后的眼图形状，并可以提取线路的RLCG 模型用于仿真建模分析。下图是PLTS的分析结果实例：

G）TDR附件：

为了方便地进行TDR测试，同时有尽可能减小测试误差，Agilent还提供很多TDR的测试附件。

TDR测试PCB板的线路阻抗

1、阻抗测试的行业标准

阻抗并不是想象中稳定的直线，而是波澜起伏。在前端和后端会受到探头或者开路的影响，中间由于生产制程的关系，也会有波动。

那么，我们怎么判断测试结果呢？怎么确定生产的PCB阻抗是否满足要求呢？首先来看看IPC规范，IPC2557A建议的测量区间是DUT的30%~70%区间。

再来看看Intel以及现在主流PCB板厂的测试习惯，为了避开Launch区域以及反射区域的影响，测试区间建议是DUT的50%到70%区域。

用TDR来测试线路阻抗，我们首先要了解测试区间的要求，才能准确理解测量得到的结果。

2、探头对阻抗测试结果的影响

通常来说，TDR测试的时候，会用以下几种探头：

其中，板厂通常会用手持探棒点测，Probe的影响呈现感性。SI实验室常用SMA来连接测试线缆，SMA在阻抗测试中可能呈现容性。两种探头对测试结果的影响如下图所示：

由于Probe的感性或者容性影响，最终DUT的测试结果会有一点点的偏差。