受控阻抗印刷電路板（PCB）通常包括測(cè)量“試樣”，其通常包括6英寸長(zhǎng)的樣品跡線，并構(gòu)造為印刷電路板面板的一部分。測(cè)量它們以確保PCB疊層和PCB傳輸線的精度。這些試樣以及實(shí)際的PCB信號(hào)走線，互連和電纜通常使用時(shí)域反射儀（TDR）測(cè)量。 TDR通常是一種昂貴的大型儀器，包括高速邊沿脈沖和采樣示波器。

大多數(shù)現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)依賴于準(zhǔn)確性邏輯接收器處的邏輯信號(hào)。這種保證基于印刷電路板（PCB）傳輸線，互連和電纜的精心設(shè)計(jì)。就此而言，建議定期驗(yàn)證儀器電纜和互連。電纜壓接經(jīng)常會(huì)降低，特別是在低成本電纜中，并且會(huì)顯著影響測(cè)量質(zhì)量。

PerfectPulse?

PerfectPulse?來自Picotest，是一款低成本的口袋大小的脈沖發(fā)生器（J2151A）。信號(hào)發(fā)生器與附帶的電阻端口分配器和實(shí)時(shí)示波器相結(jié)合，可用作精確的TDR/TDT測(cè)量系統(tǒng)。它可以測(cè)量PCB測(cè)試試樣阻抗，電纜和壞卷曲，走線長(zhǎng)度，介電常數(shù)（Dk）和速度因子（V f ）。本應(yīng)用筆記介紹了如何使用J2151A測(cè)量PCB，電纜和互連阻抗，介電常數(shù)，速度系數(shù)和電纜長(zhǎng)度。

TDR理論測(cè)量

信號(hào)在空氣中以光速傳播，大約3?10 ^ 8米/秒［1］。在介電材料上行進(jìn)時(shí)信號(hào)速度減慢。它減速的量是信號(hào)傳輸?shù)乃俣纫蜃樱╒ f ），有時(shí)也稱為傳播速度。

同軸電纜規(guī)格通常包括速度因子，通常在60％和90％之間（1）。速度系數(shù)為70％的電纜意味著信號(hào)以光速的0.7倍或2.1?10 ^ 8米/秒的速度傳播。

速度因子與傳輸介電常數(shù)直接相關(guān)線。電纜或印刷電路板的介電常數(shù)與自由空間的介電常數(shù)之比是傳輸線或PCB的介電常數(shù)。介電常數(shù)有時(shí)表示為εr，有時(shí)表示為Dk。典型的介電常數(shù)值范圍從低約2到高達(dá)約24。

速度因子和介電常數(shù)之間的關(guān)系是：

由于我們知道信號(hào)通過電纜或PCB以速度因速度減小的速度傳播，因此可以將時(shí)間和距離聯(lián)系起來。

以英寸和皮秒為單位求解信號(hào)傳播

因此，通過跡線或電纜的往返是

并從已知長(zhǎng)度求解Dk

在單端TDR測(cè)量中，高速邊沿從傳輸線的開始行進(jìn)到傳輸線的末端，然后反射到測(cè)量它的儀器。信號(hào)通過傳輸線進(jìn)行往返，儀器使用入射和返回信號(hào)來測(cè)量傳播時(shí)間和反射系數(shù)Γ，后者用于計(jì)算傳輸線阻抗。

其中Z TL 是傳輸線阻抗，Z o 是參考阻抗，通常為50Ω。

求解阻抗，

將這一切放在一起，TDR源產(chǎn)生一個(gè)快速邊沿信號(hào)，該信號(hào)被分成兩個(gè)相等幅度的信號(hào)。示波器使用一個(gè)信號(hào)監(jiān)視反射信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)傳送到傳輸線。反射電壓用于計(jì)算阻抗，而往返信號(hào)時(shí)間用于計(jì)算傳輸線的介電常數(shù)或傳輸線的長(zhǎng)度，這取決于哪個(gè)值是未知的。介電常數(shù)可以從信號(hào)傳播時(shí)間確定，長(zhǎng)度可以從信號(hào)傳播時(shí)間和速度因子Vf確定。

測(cè)量設(shè)置

圖1顯示了TDR測(cè)量設(shè)置的圖片。一個(gè)TDR分配器端口連接到示波器。由于許多較低帶寬的示波器使用BNC連接器，因此可能需要RF適配器。建議使用高質(zhì)量的適配器，最好是校準(zhǔn)品質(zhì)的適配器。第二個(gè)TDR端口使用高質(zhì)量電纜，高帶寬1端口探頭或適用的連接器連接到測(cè)量樣品。圖2顯示了本應(yīng)用筆記中測(cè)量中使用的Picotest演示板。

進(jìn)行TDR連接的一般步驟是，

1。將J2151A連接到端口分配器，并將端口分配器連接到示波器，如圖1所示。將同軸電纜或探頭連接到分離器的TDR端口。

2。將示波器觸發(fā)斜率設(shè)置為下降沿，并將觸發(fā)器設(shè)置為靠近屏幕左側(cè)。

3。使用測(cè)量功能或放置光標(biāo)來測(cè)量負(fù)脈沖的寬度。每個(gè)測(cè)量所使用的功能或方法將在以下部分中討論。

圖1： TDR測(cè)量的測(cè)量設(shè)置本應(yīng)用筆記。該設(shè)置使用PerfectPulse?USB連接TDR和分路器（包括），其中一個(gè)輸出連接到DUT，另一個(gè)連接到示波器。

圖2： Picotest TDR演示板。

測(cè)量PCB，電纜和互連阻抗

測(cè)得的示波器電壓可通過以下公式轉(zhuǎn)換為阻抗，

其中 R DUT 是被測(cè)設(shè)備（DUT）的阻抗， R GEN 是發(fā)電機(jī)輸出阻抗（50歐姆）， V SCOPE 是示波器接收的電壓（-500 mV） 。這可以進(jìn)一步減少，

通常可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)在示波器中應(yīng)用公式來獲得阻抗。范圍值也可以導(dǎo)出以與Mathcad，Matlab或Octave等程序一起使用，以使用此公式繪制DUT阻抗函數(shù)。

圖3：圖3所示的Picotest TDR演示板頂部的跡線4測(cè)量結(jié)果顯示阻抗的階躍變化為47至52歐姆。使用（9）繪制阻抗。

測(cè)量介電常數(shù)和速度因子

介電常數(shù)的測(cè)量無需校準(zhǔn)。這是時(shí)間測(cè)量并且基于已知的長(zhǎng)度值，介電常數(shù)D k 可以從（5）確定。速度因子（V f ）可以從（1）確定已知的長(zhǎng)度值。測(cè)量設(shè)置如圖1所示。

圖4 測(cè)量第3個(gè)跟蹤圖3所示的Picotest TDR演示板中的頂部。信號(hào)以944 ps向前移動(dòng) 3“向前和向后移動(dòng)3”。因此，基于（5），Dk = 3.45，基于（1），Vf = 53.84％。

測(cè)量走線或電纜長(zhǎng)度

假設(shè)在測(cè)量之前已知電纜速度因子，并且大多數(shù)電纜制造商發(fā)布此參數(shù)。如果沒有，可以切割一小段已知的電纜以測(cè)量速度因子，如上一節(jié)所示。在使用TDR示波器組合測(cè)量往返時(shí)間后，我們可以使用（4）用已知的V f 值測(cè)量長(zhǎng)度。一個(gè)例子如圖5所示。

圖5：測(cè)量速度系數(shù)為70％的RTK028電纜。往返時(shí)間為4.47 ns，因此根據(jù)（4）計(jì)算長(zhǎng)度為0.47 m。 （電纜的實(shí)際長(zhǎng)度為0.5米）。

測(cè)量提示

使用高質(zhì)量的電纜和探頭。如果需要RF適配器，請(qǐng)使用校準(zhǔn)質(zhì)量適配器。

測(cè)量阻抗信號(hào)的最平坦部分。這通常在跡線/電纜長(zhǎng)度的50％到75％之間。

使用門控光標(biāo)獲得此范圍內(nèi)的平均值。

減少帶寬會(huì)降低分辨率但會(huì)提供降低噪音的結(jié)果。通常可以使用1GHz-2GHz示波器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)IPC優(yōu)惠券。

結(jié)論

使用現(xiàn)有的示波器，Picotest J2151A是低成本TDR/TDT的理想選擇。它可用于測(cè)量PCB測(cè)試試樣阻抗，測(cè)試電纜和不良?jí)航樱呔€長(zhǎng)度，Dk和速度系數(shù)。本應(yīng)用筆記介紹了如何使用J2151A測(cè)量PCB，電纜和互連阻抗，介電常數(shù)（D k ），速度系數(shù)（V f ）和長(zhǎng)度。

［1］實(shí)際光速為2.99792458?10 ^ 8米/秒，所以3 ?10 ^ 8米/秒是合理的近似值。