如何利用4、5或6系列MSO示波器進行高精度TDR測量？

TDR (Time Domain Reflectometry) 是一種時域技術，需要使用示波器進行信號測量和分析。采樣示波器因其優異的時間分辨率而常被采用。然而，實時示波器在調試和驗證中更為常用，因此能夠使用這些"日常"的示波器應用TDR技術具有重要價值。

對于激勵信號，需要脈沖/階躍發生器。單端測量使用單源，差分測量使用雙源。理想的發生器能產生非常快速的邊沿（即小的上升和下降時間）。為避免測量系統偽影，需要使用高質量電纜和功分器。Picotest J2154A TDR源內置分離器，支持單端和差分TDR測量。

示波器上的應用軟件可簡化校準、設置和測量流程。

本指南使用以下儀器：

配備10GHz帶寬和6-TDR時域反射測量分析軟件選項的泰克6系列B MSO

集成階躍發生器的Picotest J2154A PerfectPulse? 差分TDR

匹配的50Ω電纜

圖1展示了使用DUT、Picotest J2154A TDR單元和泰克6系列MSO實時示波器的典型TDR設置。

圖1. 使用實時示波器和PicotestTDR進行差分TDR測量的設置。

使用示波器進行TDR測量時，工程師可選擇單端或差分探測技術。單端探測涉及將一個探頭連接到信號線，而差分探測需要兩個探頭來測量差分對上的電壓。差分阻抗測量使工程師能夠分析信號完整性的各個方面，如共模噪聲抑制。此外，差分TDR對于兩端口特性分析非常有用，無論是兩個單端走線之間的串擾還是差分對之間的耦合。

圖2. 采用6系列B MSO示波器配合Picotest J2154A PerfectPulse? TDR和Picotest P2105A單端口低噪聲TDR探頭搭建的單端TDR測試系統。

6系列MSO可配備6-TDR時域反射測量分析軟件選項。該軟件簡化了配置、校準、計算和縮放過程，還能生成測量結果。安裝后，TDR測量將作為時間測量組的一部分出現，如圖3所示。添加TDR測量后，雙擊測量標記將顯示圖4所示的配置界面。該軟件支持使用Picotest J2154A作為脈沖發生器進行單端和差分TDR測量。

圖3. 在4、5或6系列MSO上安裝TDR測量分析軟件后，用戶可通過"Time Measurements"功能組調用TDR測量功能。

圖4. TDR測量可支持單端或差分兩種測量模式。

準備進行TDR測量：預設和校準

配置示波器和歸一化是進行實際測量前的重要步驟。必須對整個系統（直至探頭尖端或電纜末端）進行校準，以消除測量系統影響，從而僅關注DUT中的阻抗變化。傳統上，TDR系統使用開路、負載和短路連接進行校準。然而，泰克MSO上的TDR測量分析軟件允許通過單步補償，利用從入射和反射波形收集的信息完成校準。TDR測量分析軟件中的TDR預設功能可自動配置示波器設置并歸一化rho波形。

圖5. 校準時需保持探頭或電纜遠端處于開路狀態。

配置示波器

在進行實際校準之前，必須將示波器通道設置為50 Ω端接，并確保水平刻度和采樣率設置能夠捕獲最佳信號。此外，垂直刻度必須設置為確保以最佳精度采集信號。波形平均有助于提高垂直分辨率，軟件將示波器配置為每次測試平均20個TDR波形。所有這些步驟都通過點擊TDR預設按鈕完成。示波器配置完成后，預設功能將歸一化反射系數(ρ)波形。

TDR歸一化

TDR歸一化是進行TDR測量前的重要步驟。在歸一化過程中，任何信號偏移和幅度誤差都會被校正。

從電壓波形計算ρ波形的公式為：

其中：

v(t) = 入射+反射波形的電壓采樣值

Vmean = 首次反射前電壓波形的平均值。Vmean在圖4中Meas1指示的Z0區域測量。

Vamp = 入射階躍電壓波形的幅度。Vamp是圖4中Meas2標注描述的波形幅度。

請注意，來自Picotest J2154A脈沖發生器的入射電壓波形是一個負脈沖。計算也相應地進行。

圖6：基于開路狀態下階躍信號電壓波形的均值與幅值測量結果生成的歸一化Rho波形。

由于ρ與阻抗(Z)之間固有的非線性關系（如圖7所示），即使ρ波形中的微小誤差也可能導致最終阻抗波形的顯著不準確。因此，必須進行適當的歸一化。

圖7：如圖所示，阻抗Z與反射系數ρ呈非線性關系，這意味著ρ波形的微小誤差可能導致Z波形的顯著失真。

歸一化后，將創建如圖6下部波形所示的Rho波形ρ(t)。輸入信號將是一個從0V（短路）到-125mV（負載）和-250mV（開路）的負階躍。在Rho刻度上，這些波形被轉換為-1到+1的范圍，其中-1ρ代表短路，0ρ代表50Ω負載，+1ρ代表開路。