数字系统设计工程师正面临着信号速率越来越快，高速传输线的阻抗控制非常重要。俗话说，工欲善其事，必先利其器，要想板子跑得快，还需阻抗控制好，走线阻抗是影响信号完整性的一个非常关键的因素。如何验证测试电缆、连接器、PCB板、背板中差分和单端阻抗是否达到设计要求，成为生产商以及高速数字电路设计人员必须关注的问题。
关于阻抗的测试，想必大家对都有一定的了解，要测阻抗，大家立刻会想到VNA矢量网络分析仪或取样示波器的TDR功能来测，本文将揭秘如何利用高精度实时示波器+TDR功能实现阻抗测试，下面的三个视频分别是利用实时示波器测单端阻抗、差分阻抗、线缆长度的测试方法。
视频一
实时示波器+TDR测单端阻抗。
视频二
实时示波器+TDR测差分阻抗。
视频三
实时示波器+TDR测线缆长度。
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为什么要测阻抗？
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什么是TDR?
TDR是时域反射计英文(Time Domain Reflectometry)的第一字母缩写，时域反射计(TDR)用来测量信号在通过某类传输环境传导时引起的反射，如电路板走线、电缆、连接器、背板等。TDR是一种通用的时域测试技术，广泛应用于PCB、电缆、连接器、背板、IC等测试领域。TDR可测传输线的特性阻抗，并显示出每个阻抗不连续点的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)。
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TDR原理
下图是传输线中的阻抗发生变化将导致阶跃脉冲信号的幅度变化。
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TDR如何计算阻抗
反射系数ρ等于反射回来的电压除以输入电压，反射发生在阻抗不连续的位置。根据反射原理，可以获得待测位置的阻抗。下面的阻抗计算公式，其中Vreflected及Vincident 分别为反射波幅度及入射波幅度，Z为待测阻抗，Zref为TDR的参考阻抗，通常为50欧姆。从下图公式可以看出，当ρ=0时，待测阻抗为标准阻抗Zref；当ρ=1时，待测阻抗为无穷大，表示开路；当ρ=-1时，待测阻抗为0，表示短路。
因此利用示波器可以计算显示出传输线各个点的阻抗，可以在示波器的屏幕上显示一条 TDR阻抗曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的特性阻抗，下图是利用高精度实时示波器测出的TDR阻抗曲线。
当传输线上存在寄生电容、电感(如过孔)时，在 TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不连续，而且这些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR也可以用来进行互连建模。
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TDR应用
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TDR测量项目
传输线特征阻抗
差分阻抗
单端阻抗
串扰测试
信号传播时延delay和时滞Skew
寄生电感、寄生电容
S 参数
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差分TDR测量
高速设计大部分都是通过差分传输线实现的，要测差分走线，需差分TDR测量。差分阻抗是指在差分信号驱动下在两条线路中测量的阻抗。为提供真正的差分阻抗测量功能，TDR的两条通道中的每条通道提供了一个极性可选的TDR阶跃，通过这种方法，可以在模拟实际中差分信号，就像DUT 在真实的差分信号下运行一样。
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TDR分辨率
TDR 测量可以有效地考察电路阻抗和信号完整性。许多因素影响着TDR 系统分辨率，即TDR最小的不连续点的距离间隔的能力。如果TDR 系统的分辨率不足，那么间隔很小或间隔紧密的不连续点可能会平滑地转化成波形中的一个畸变。这种效应不仅可能会隐藏某些不连续点，而且可能会导致阻抗读数不精确。上升时间、建立时间和脉冲畸变可能会明显影响TDR 系统的分辨率。电路中任意两个不连续点之间的物理间隔决定了在TDR 波形上彼此之间相对反射位置的接近程度。如果它们的之间的距离不到系统上升时间的一半，那么测量仪器无法区分出两个相邻的不连续点。下面的公式可以得出，阶跃脉冲的上升时间越快，可测的传输线长度越短，分辨率越高。
TDR上升沿时间和分辨率，解析两段不连续的主要规则。
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TDR 精度
TDR 测量精度有许多因素影响，测试结果的精度以及重复性依赖于TDR 系统的阶跃响应、互连反射和被测传输线的损耗、TDR探头、阶跃幅度精度、基线校正和测量中使用的参考阻抗的精度、操作工程师的经验等。另外，不同的TDR设备和测量方法(包括温度、湿度、校准方式、测试人员、测试方法等)会影响测试结果的精度和重复性。
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如何改变TDR上升时间
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如何克服TDR测试中的多重反射现象
进行TDR测试时，可能会遇到芯片内部或PCB背板的各种复杂的走线情况所带来的多重反射现象。当被测走线上有多个阻抗不连续点时，信号在穿越每两个相邻的阻抗不连续点时都会产生反射，所有的反射信号会叠加在一起后反映在示波器上的波形畸变，测量精确下降。多重反射的存在导致工程师无法将测试波形结果与被测的走线相对应，利用TDR软件算法，将原始的TDR测试波形按照反射的情况进行分段，通过去卷积(De-convolution)算法可修正多重反射给测试带来的影响，还原真实的情况，从而得到与DUT走线相符合的真实阻抗测试结果。
下图中绿色波形是由于多重反射导致的测试波形，红色波形是经过软件修正后的波形。
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TDR和S参数转换
TDR和S参数之间可以相互转换，TDR是时域响应，FFT后可以转换成频域的S参数。S参数是频域响应，测S参数时，实际上相当于给输入了不同频率的正弦波，得到对于所有正弦信号的响应值之后，然后进行IFFT逆傅里叶变换，就能得到时域上的冲激函数，把冲激函数积分，即可得到阶跃的TDR信号，下图是TDR/TDT测试S参数中的S11和S21与VNA测试结果的对比曲线图，红色是VNA测量的S参数曲线，蓝色是TDR得到的S参数曲线，从图看出测试结果有非常好的一致性。
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TDR 探头
在TDR测试中，特别是PCB板的阻抗测试，需要通过探头将阶跃脉冲信号点测DUT以完成测试，TDR探头由探头前端、探头电缆等组成。TDR探测主要有三类：
手持点测探头
SMA探头
MicroProbe微探头
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实时示波器+TDR测阻抗方案
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实时示波器+TDR测试结果
下图是利用实时示波器配合TDR探头完成单端阻抗测试。
下图是利用实时示波器配合TDR探头完成差分阻抗测试。
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实时示波器和取样示波器阻抗测试结果对比
DSA8300+80E04 和 MSO68B+TDR模块对同一个DUT单端阻抗对比测试结果，见下图，从下面的测试图可看出：DSA8300测试结果为49.90欧姆，MSO68B测得的结果是49.96欧姆，单端阻抗测试结果几乎一样。
DSA8300+80E04 和 MSO68B+TDR对同一个DUT差分阻抗对比测试结果，见下图，从下面的测试图可看出：DSA8300测试结果为99.43欧姆，MSO68B测得的结果是99.84欧姆，差分阻抗测试结果几乎相同。
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总结
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