为什么要进行时域测试?时域反射计TDR测试是什么？全面掌握时域反射计TDR测试原理

为什么要进行时域测试?

近年来数字通信系统中传输的数据速率越来越高，很多高速传输线的速率达到了Gbps。随着频率的升高，阻抗不连续点会产生反射，所以对高速线缆的阻抗有了更高的要求，而相应的测试设备也提出了更高的要求。对高速传输线的设计生产以及测量仪表都提出了更高的要求。

随着比特率的提高，尽管无法避免上述问题，但是使用高精度的测量仪表可以对此类问题进行更好的表征和侧量。今天我们就聊聊TDR应用, 幫助您全面掌握TDR时域测试功能。

早在60年代就产生了时域反射计TDR（Time-Domain Reflectometry）技术。该技术包括产生沿传输线传播的时间阶跃电压, 检测来自阻抗的反射，测量输入电压与反射电压比，从而计算不连续的阻抗。

时域反射计 (TDR)实用技术

高性能通讯系统需要具备优质的电信号传输路径。为获取高效信号流和出色的信号完整性，传输路径阻抗应尽可能保持理想恒定值。时域反射计（Time-Domain Reflectometry -TDR）是一项成熟的技术，可用于验证元件、互连与传输线路的阻抗和信号路径质量。

TDR测试原理

时域反射计TDR是最常用的测量传输线特征阻抗的仪器，它是利用时域反射的原理进行特性阻抗的测量。

TDR是什么意思?

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；此外，还有，time domain reflectometry（时-空反射测量）；time-delay relay （时延继电器）；transmit data register（发送数据寄存器）等。

TDR (Time Domain Reflectometry)时域反射技术的原理(TDR测试原理)是信号在某一传输路径传输，当传输路径中发生阻抗变化时，一部分信号会被反射，另一部分信号会继续沿传输路径传输。TDR是通过测量反射波的电压幅度，从而计算出阻抗的变化；同时，只要测量出反射点到信号输出点的时间值，就可以计算出传输路径中阻抗变化点的位置。

TDR时域反射计向被测电缆发送一个低压脉冲，并且在电缆内阻抗变化的情况下，都会看到反射。TDR时域反射计TDR测试从反射释放到低压脉冲释放之间的时间。通过测量时间并知道脉冲的传播速度，便可以计算到反射的距离，从而得出电缆长度或者故障点距离。还可根据不同的发射波形判断电缆中可能出现的阻抗变化或故障类型的信息。

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“TDR阻抗测试解决方案。传统上，TDR 示波器因其设置快速且易于使用而用于时域测量。随着数字系统数据速率的提高（受消费者对更快的互联网连接、视频点播和更多连接设备的需求驱动），导致对高速互连/PCB 信号完整性的期望值更高。PCB 制造商需要解决更高频率的信号完整性问题。阻抗和通道损耗测试是高速 PCB 的基本测试要求。

TDR包括三部分组成：

测试信号的运行特征参考下图所示。

由阶跃源发出的快边沿信号注入到被测传输线上，如果传输线阻抗连续，这个快沿阶跃信号就沿着传输线向前传播。当传输线出现阻抗变化时，阶跃信号就有一部分反射回来，一部分继续往前传播。反射回来的信号叠加到注入的阶跃信号，示波器可采集到这个信号。因为反射回来的信号和注入的信号有一定的时间差，所以示波器采集到的这个叠加信号的边缘是带台阶的，这个台阶反映了信号传播反射的时间关系，与传输线电长度对应。

TDR计算公式

当示波器采集到这个叠加信号后，容易去掉注入的信号。这样容易通过图中公式计算出反射系数，由反射系数通过图中公式（测试系统的阻抗是50欧姆）容易计算出发生反射电压点的负载阻抗。

定位断点或短路点的具体位置

TDR测试不仅仅可以用来测量传输线的特征阻抗，还可以帮助定位断点或短路点的具体位置，比如有些工程师就用TDR来检验计算机、消费电子设备上的软排线是否有断点或短路点。计算机和消费电子设备用了很多的软排线来传输高速信号（比如连接显示屏的软排线），这种软排线的每根线都是一个小同轴电缆，由于细小，生产时容易短路或短路，用TDR测试可以帮助检查和定位问题。

如何计算出寄生电容或电感？

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不连续，而且這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也可以用來进行互连建模，可以直接在仪器上读出寄生的电感或电容，或通过仿真软件建立更详细的模型

什么是时域反射计 TDR？

信号沿传输路径发射时，理想情况下，信号均不应被反射回信号源，即所有信号能量均应抵达预期目标位置。如果整条传输路径和线路终端的阻抗与信号源输出阻抗相当，则会出现上述情况。但是，如果阻抗出现变化，则部分事件信号可能会反射。

时域反射计（TDR）是一款用于测量被测元件（器件）（DUT）阻抗剖面的测量工具。

使用阶跃发生器和示波器，可向被测器件发送快速脉冲边缘。如果阻抗中断，部分脉冲将返回到监控示波器。通过监控反射信号抵达示波器的时间（以及被测器件内脉冲传播速率）可确定中断位置。此外，可通过对比反射脉冲与被测器件所接收的原始脉冲的大小，确定中断幅值。因此，这一“回波技术”可轻松确定线路内阻抗是否发生变化。使用分析技术，可揭示线路内中断现象的本质（电阻式、电感式或电容式），并确认传输系统内的衰减是由串联损耗还是由分流损耗引发。示波器显示屏上将即时显示上述信息。与其他反射计方法仅在固定频率范围内进行测试不同，由于快速脉冲阶跃激励属宽带激励，因此，TDR 可提供与传输系统宽带相应相关的重要信息。

图 1 显示了构成 TDR 的设备配置示例和部分说明性测量结果。

TDR测试阻抗的理论基础是信号反射，在确定输入阻抗为50ohm的情况下，通过测量入射和反射波形的幅值和时间，即可判断Trace中各个点的阻抗值及所在位置。所以TDR仪器不仅仅可以用来测量传输线的特征阻抗，还可以帮助定位断点或短路点的具体位置。

TDR测试是什么？

通常情况下,一个器件的时域特性是通过时域的仪表测试得到(信号源+示波器).如:TDR测试。

示波器向测试设备中发射脉冲或阶跃信号，然后这个信号在线缆的阻抗不连续点处会产生反射，应用示波器测量线缆的反射信号的大小，并且记录得到反射信号的时间。通过反射信号与入射信号的比可以得到特性阻抗，而根据得到反射信号的时间，可以通过时间计算出这个反射产生的实际的距离，也就是说应用TDR测试得到的时域阻抗曲线能反映出线缆每一处的阻抗大小。所以通过TDR可以测试时域反射系数，阻抗，并且可以看到阻抗不连续点的位置；TDT测试可以测试时域传输系数以及延时。

Resistive DUT

反射波与入射波的形状相同，但幅度不同。

Complex DUT

反射波包含指数内容。

TDR测试包括：

– 用于消除夹具效应（影响测试元件分析的布线和连接）技术
– 实现差分传输系统高精度 TDR测试方法
– 推导单端口、双端口或四端口 S参数，深入了解元件性能并提升建模精度

TDR测试通过向传输路径中发送一个脉冲或者阶跃信号，信号沿传输路径发射时，理想情况下，信号均不应被反射回信号源，即所有信号能量均应抵达预期目标位置。当传输路径中发生阻抗变化时, 部分能量会被反射, 剩余的能量会继续传输。只要知道发射波的幅度及测量反射波的幅度，就可以计算阻抗的变化。同时只要测量由发射到反射波再到达发射点的时间差就可以计算阻抗变化的相位。

TDR测试阻抗的理论基础是信号反射，在确定输入阻抗为50ohm的情况下，通过测量入射和反射波形的幅值和时间，即可判断Trace中各个点的阻抗值及所在位置。所以TDR仪器不仅仅可以用来测量传输线的特征阻抗，还可以帮助定位断点或短路点的具体位置。 

TDR测试的优势

TDR测试简单易用，同时提供了一种可深入查找电缆故障的方式。可以将TDR的流程视为一种“雷达”。TDR测试在不同时段将脉冲发送至电缆和采样反射（或回声）。然后，在时间/距离刻度上以图形的方式显示回声的时间和幅度。这就能帮助用户沿电缆定位故障。

TDR测试的劣势

TDR测试的距离分辨率有限。如果需要精确测量相位匹配电缆，就可能会出现问题。同时，TDR没有适用于网络分析仪的固有精度和相关矢量错误纠正功能。此外，TDR测试仅具有时域测试能力，而无频域测试能力。TDR只能用于快速、简单的测量环境。而TDR缺乏相位数据则是通常人们选用网络分析仪的决定性因素。配有矢量网络分析仪的时域测量，可实现频域、电压驻波比（VSWR），以及阻抗参数的测量。

网络分析仪的优势

与TDR比较，矢量网络分析仪VNA增加了几项特性。VNA更精确，可对反射和传输系数进行矢量误差纠正测量。此外，VNA还可进行扫频域测量，由于网络分析仪能够实现VSWR （或dB的回波损耗）测量，而频率对许多应用来说至关重要，因此， 这使得网络分析仪明显有别于其它测量设备（尤其是当用户指定了VSWR之时）。除此以外，在配有适当的时域或故障定位选件（选件010或选件100——取决于分析仪）时，VNA亦可用作TDR。用户可通过多种形式的VNA来测量频率依赖反射。而TDR则不具备这种灵活特性。此外，VNA还可能调用相位信息，以便显示Smith图形、测量阻抗，并精确地进行电缆相位匹配。

由于可通过各种校准方法来实现矢量误差纠正，因此VNA更为精确；由于存在扫频调谐接收机体系结构，因此VNA的动态范围更广泛。与网络分析仪相比，TDR接收机的带宽更高、噪声更强。 而动态范围对于那些具有损耗特性，并且/或者具有出色的VSWR质量的电缆来说至关重要。

如何在VNA网络分析仪上实现时域测试？

在时域的单一频率显示为正弦波。在下图中，当我们添加基频 (F0)、一次谐波 (2F0) 然后添加二次谐波 (3F0) 时，我们可以看到脉冲形状为“总”波形。如果我们要添加更多的频率分量，脉冲将更尖更窄。VNA 将离散频率发送到测试设备时，实际上是分别发送脉冲的每条谱段，以激励测试设备。

在 S11反射测量过程中，这些入射信号从测试设备反射，并在接收机 A 进行测量。这适用于时域变换计算结果用来一起添加单独的谱段的情况起始频率和截止频率（频率范围）决定了时域分析的时域分辨率和最大分辨长度。

利用IFFT 得到被测件时域脉冲/阶跃冲击响应 时间分辨率与测试频率范围成反比

TDR测试

网络分析仪VNA是测量被测件（DUT）频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号（S21）或反射信号（S11）之间的矢量幅度比（下图）得到测量结果；在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性；在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。

VNA网络分析仪的TDR测试功能- 从频域变换到时域（傅里叶逆变换）

众所周知，频域和时域之间的关系可以通过傅立叶理论来描述。通过对使用 VNA 获得的反射和传输频率响应特性进行傅立叶逆变换，可以获得时域上的冲激响应特性（下图）。再通过对冲激响应特性进行积分，可得到阶跃响应特性。这和在 TDR 示波器上观察到的响应特性是一样的。由于积分计算非常耗时，因此实际上使用的方法是在频域中根据傅立叶变换的卷积原理进行计算——把输入信号的傅立叶变换和被测件的频率响应特性进行卷积，然后再对结果实施傅立叶逆变换。由于在时域中的积分也可使用频域中的卷积来描述，因此我们可以快速计算出阶跃响应特性。

TDR曲线

通过傅立叶逆变换得到的时域特性的时间分辨率和时间测量范围分别对应于最高测量频率的倒数和频率扫描间隔的倒数（下图）。例如，若最高测量频率是 10 GHz，则时间分辨率为 100 ps。我们似乎可以认为通过不断缩小频率扫描的间隔就可以无限地扩大测量的时间范围，但事实上却存在限制。因为傅立叶逆变换中使用的频率数据在频域中必须是等距的，若扫描的频率间隔比 VNA 的最低测量频率还要小，那么就不能执行傅立叶逆变换。例如，如果 VNA 的最低测量频率是 100 kHz，则在时域测量中能够得到的最大时间测量范围就是 10 us，对于 TDR 的测量应用，这足够了。

下载海报，介绍时域反射计 (TDR) 和时域传输 (TDT) 海报，全面掌握TDR和TDT测试技术。

TDT时域传输测试

时域传输测试 Time Domain Transmission (TDT)可以测试延迟，损耗，串扰等。

为什么测试delay和skew的时候，应用TDT测试比TDR测试更准确？

TDT时域传输测试包括：

•阶跃响应
•传输延时
•传输速度
•上升沿恶化程度
•延时差
•远端串扰
•近端串扰

时域测试的两种模式：带通模式和低通模式

时域低通模式是对传统 TDR测试方法的仿真，并支持阶跃信号和冲激信号两种激励方式。在这种测量模式下对测量的频率范围有一些特殊限制。它要求测试所得到的正数据点要均匀地隔开，这样这些数据点就可以从直流到测试的终止频率都是谐波相关的。在设置测量频率时必须要使测试的终止频率等于起始测试频率与测试点数之积 (从而给出谐波相关的频率)。

网络分析时域测试中有两种模式：带通模式(Time Band Pass)和低通模式(Time Low Pass)。

带通模式适合于带通器件时域测试，这种模式允许在任意频率跨度下测试被测件，带通模式下只能给出脉冲响应。

低通模式用于低通被测件测试，它给出被测件的阶跃和脉冲响应，得到的测试结果可反映反射的相位极性。低通模式的开始频率Fstart和终止频率Fstop必须满足N倍的关系，才能做到DC段内插数据。

带通模式是矢量网络分析仪更通用的工作模式，它对器件的冲激响应特征进行测试，适用于在任意频率范围上对任何器件进行测试，而且操作比较简单。它特别有利于测量带宽受限的器件和进行故障定位测量。

在低通模式下，矢量网络分析仪测量各个离散的正频率点，并把测试结果外推到直流分量，并假定负频率响应是正频率响应的共轭，亦即响应为厄米特响应。在带通模式下，矢量网络分析仪测量处在起始频率和终止频率中间的各个离散的频率点 (这种工作模式适用于任意指定的频率范围)。

时域反射计 TDR测试限制

时域反射计 TDR 系统的基础性能决定了它的测量能力。以下因素会影响 TDR 系统的总体性能：

阶跃信号发生器是一个误差来源

阶跃激励信号的形状对于 TDR/TDT 测量的精确性非常重要。DUT（被测器件）不仅对阶跃信号会做出响应，对阶跃信号的畸变（例如过冲和不平坦）也会做出响应。

如果过冲很大的话，那么 DUT 的响应可能会更难以解释。随着反射信号的变化，我们会观测到阻抗不连续性。TDR 阶跃的畸变可能无法正确解释为 DUT 的缺陷。如果阶跃平坦，就能够最大程度地减少猜测。阶跃的上升时间也极为重要。为了确定 DUT 实际上将做出何种响应，您应该以其在实际使用过程中会遇到的边缘速度进行测试。在使用时域反射计 TDR 来定位传输线路中不连续性来源时，边缘速度也非常关键。示波器的带宽和阶跃信号源的上升时间都可能会影响测量精度。整个测量系统的上升时间由示波器和阶跃信号发生器两者的上升时间共同决定。它的值可使用公式 1 进行估算。

信号完整性以及故障分析通常需要能够定位和区分多个间距较近的反射点。TDR 可以分辨两个间隔大约为 TDR 上升时间一半的不连续点。高性能 TDR 系统的上升时间（包括阶跃信号发生器和示波器）小于 10 ps。在介电常数接近 1 的材料中，这相当于大约 1.5 mm 的物理间隔。通常，印刷电路板材料的介电常数大约为 4。那么可测量的间隔就小于 1 mm（如果信号场在空中，此值将会更大，就和电路板的介电常数一样）。还请注意，质量较差的电缆和连接器（后面会介绍）也可能会拖慢系统的有效上升时间，并降低双事件分辨率。

电缆和连接器会产生损耗和反射

阶跃信号源、DUT 和示波器之间的电缆和连接器对测量结果有很大的影响。阻抗失配以及存在缺陷的连接器都会增加实际被测信号的反射。这可能会导致信号失真，使用户很难确定哪些反射来自于 DUT、哪些反射来自于其他来源。

此外，电缆不是完美无暇的导体，随着频率的升高，它会变得不那么理想。频率越高，电缆的损耗就越大，边缘的上升时间随之变长，导致边缘在接近最终值时出现偏差。于是，由于电缆的原因，导致现在出现了与上述阶跃信号发生器性能有关的问题，从而使得原本非常不错的阶跃信号发生器变差。图 3 说明了电缆和连接器如何影响 TDR/TDT 测量结果。最快的波形是短路电路直接连接 TDR 时产生的阶跃信号反射。（之前提及过，短路电路返回的信号会使阶跃信号发生器输出反转，而信号又必须要输出并通过电缆返回）。第二快的阶跃发生在短路电路通过 1 米优质电缆连接 TDR 时。第三快的阶跃发生在短路电路通过 0.6 米便宜电缆和 SMA 连接器连接 TDR 时。这里要务必注意，电缆可能会降低 TDR测试系统的精度。

最大限度减少夹具影响的方法

使用时域反射计 TDR 搭配可直接连接到 DUT 的远程测量前端（无需适配器或电缆），将有助于最大程度地减小系统测量误差，但并不能完全消除此误差。如果需要使用适配器、探头或非同轴电缆来连接 DUT，那么有可能增加杂散反射和系统损耗，使得测量结果的准确性下降。由于这些误差机制是固定的、系统性的，因此有机会利用校准方法来大幅提高测量精度，并最大程度地减小这些会造成误差的效应。

其中一种消除系统测量误差的技术就是波形相减。在此方法中，先用一个理想的 DUT 连接至系统，并记录 TDR 波形。而后再测试其他的 DUT，并从当前迹线中减去记录的迹线。如有差值，即表明 DUT 偏离了理想状态。两条迹线都有系统误差，用户可以有效地加以清除。这种方法可以非常简单而方便地提高精度，但是也有很大的局限性。首先，它需要一个理想的参考 DUT。这种 DUT 可能根本不存在，或者很难实现这个要求。其次，所有结果都是相对的。很难去判断 DUT 的绝对性能。最后，到达 DUT 的阶跃信号质量有可能下降。虽然这种效应对于参考和 DUT 测量很常见，但是会严重限制 TDR 的性能。

另一种校准方法的原理是使用精密的标准件或“已知性能的”器件表征测试系统。但是这种方法不是为了产生一条参考迹线，用于波形相减，而是能够将测试系统的系统性响应从 DUT 响应中完全清除出去。这个过程常被称为 TDR 校准，作为一种简单但是又非常有效的方法，可以利用 TDR 获得精确的测量结果。

除了校准方法有效之外，实施程序也非常简单，只需要几个基本的步骤即可。校准测量在表征测试系统时使用了的电缆和连接器，无需使用 DUT。校准的第一部分是使用电子校准件或优质的短路、开路和负载校准标准件代替 DUT 来测量响应，以消除由触发器耦合、通道串扰以及电缆和连接器反射所引起的系统误差。根据这些测量结果，可以推导出测试系统的频率响应。

优质的电子校准件或校准标准件随附提供表征数据。整个 TDR 校准流程将使用这些表征数据来确定预期的测量结果（也就是使用理想的 TDR 系统测量每个标准件时，将会得到的测量结果）。标准件的实际测量结果与预期测量结果之间的差异是由测试系统导致的，可通过数字滤波进行校正。这就是为什么必须要使用质量优异且经过正确表征的校准标准件。如果使用数字滤波器校正表征不当或损坏的校准标准件，很可能会增大系统误差。

生成数字滤波器

校准的第二部分是生成一组数字滤波器。这将自动完成，无需用户输入任何内容。数字滤波器将补偿测试系统频率响应与理想状态的差异。在完成时域反射计 TDR 校准后，如果测量用于校准的标准件，其结果应与该标准件的预期测量结果一致。滤波器将根据需要对频率响应的分量进行衰减或放大以及移相，从而消除误差。例如阶跃激励信号上的过冲。如果不校准，那么 DUT 的频率响应将包含对过冲的多余响应。在校准期间，滤波器将对造成过冲的频率进行移相和衰减，从而校正 DUT 对过冲的响应。这种滤波器同样可用于校正由于高频衰减导致的电缆损耗。

通过校准产生的数字滤波还能用于调整时域反射计 TDR 阶跃信号发生器的有效上升时间，从而减慢或加快是德科技 TDR 模块的阶跃，进而仿真快速或慢速电信号。在是德科技 86100 中，用户指定的上升时间决定了滤波的带宽。通过对超出指定带宽的频率加以衰减，可以减小带宽。增大带宽需要更全面的考虑。要增大带宽，需要将超出初始 –3 dB 频率响应的响应放大。虽然这是一个有效步骤，但是务必要注意，这些频率以及附近更高频率上的系统噪声也会放大。真实系统上升时间可以扩展到多大，由本底噪声决定。在真实系统中会有一个极限点，超过这个点，频率响应幅度数据会低于本底噪声。再进一步增大带宽只会增大噪声，从而导致测量结果不准确。由于波形平均可降低本底噪声的初始电平，因此在使用校准特别是减小阶跃信号发生器上升时间时，应使用波形平均功能。

时域反射计TDR测试示例：

在以下测量示例中，我们测量了图 4 中使用的简易印刷电路板传输线路（这段传输线路同时有高阻抗部分和低阻抗部分）。但是，将一段相同的传输线路与第一段串联。理想情况下，第二段线路的测量结果应与第一段相同。但是，第一段线路的反射和衰减会大幅降低第二段线路的测量精度，如下图所示。

通过校准产生的数字滤波还能用于调整时域反射计 TDR 阶跃信号发生器的有效上升时间，从而减慢或加快是德科技 TDR 模块的阶跃，进而仿真快速或慢速电信号。在是德科技 86100 中，用户指定的上升时间决定了滤波的带宽。通过对超出指定带宽的频率加以衰减，可以减小带宽。增大带宽需要更全面的考虑。要增大带宽，需要将超出初始 –3 dB 频率响应的响应放大。虽然这是一个有效步骤，但是务必要注意，这些频率以及附近更高频率上的系统噪声也会放大。真实系统上升时间可以扩展到多大，由本底噪声决定。在真实系统中会有一个极限点，超过这个点，频率响应幅度数据会低于本底噪声。再进一步增大带宽只会增大噪声，从而导致测量结果不准确。由于波形平均可降低本底噪声的初始电平，因此在使用校准特别是减小阶跃信号发生器上升时间时，应使用波形平均功能。

上述两张图片中，第一张显示了第一段线路的测量结果，第二张显示了第二段传输线路的测量结果。请注意，第二段线路虽然与第一段线路相同，但是测量结果与第一段线路相比，有明显的衰减和模糊。这也证明了连接 DUT 的电缆和夹具可能会显著改变 TDR 结果。

校准可以显著提升测量结果精度。中断两段传输线路之间的连接之后，可在第一段线路的输出端设置短路和负载端接。这随后将变成测量参考面。然后校准程序将校正此点之前产生的测量误差。

校准完成后，就可以看到第二个电路板的测量结果。请注意，要分两步消除第一个电路板的影响。首先，从结果中有效地清除第一段传输线路的反射。然后，再消除第一段传输线路对第二段线路测量的影响。第二段线路的测量结果现在与图 1 中所示的线路直接测量结果高度一致。

当 DUT 不是同轴元器件时，校准能够显著改善元器件测量。电路板探测就是一个很好的例子。使用 TDR 时，我们需要使用某种形式的夹具来连接 TDR 的同轴系统和非同轴 DUT。适合的适配器和夹具将会遮蔽非同轴 DUT 的真实性能。但是，通过校准，可以显著缓解这一问题。当可以在 DUT 的原生环境中测量短路和负载端接时，就可以做到这一点。例如，使用探测校准标准件来消除探测系统的影响。

校准的另一个好处就是能够有效地加快或减慢 TDR 阶跃的边缘速度。这在前面的讨论中，其中显示 TDR 边缘速度应与元器件在实际使用中将遇到的边缘速度相同。TDR 的结果可以直接决定该元器件的使用方式。

总的来说，这种校准流程有以下重要优点：

使用非常快的边缘速度精确测量间隔较近的反射点

在 TDR测试中，随着反射点之间物理间隔逐渐减小，最终两个反射将看上去像是一个。TDR 系统中限制其分辨间距较近反射的因素主要与阶跃信号发生器的上升时间和示波器的带宽有关。如前文中所述，反射的时间间隔通常必须至少为 TDR 系统上升时间的一半，才能被分辨为两个不同反射。为了让您对此有一个直观感受，想象一下有一个基础的微带传输线路，其阻抗从 50Ω 变为 60Ω，然后再回到 50Ω。由于线路上有两个位置发生阻抗变化，所以反射点也会有两个。当 60Ω 段达到多窄时就无法再分别观测到这两次阻抗变化？TDR 迹线将一直保持在 50Ω 电平，直到阻抗变到 60Ω。由于阻抗变高，反射电压将同相，并加到 50Ω 电平中。完全达到 60Ω 电压电平所需的时间就是阶跃信号发生器的上升时间。TDR 响应将保持在 60Ω 电平，直到阻抗变到 50Ω。在最初发生跳变之后，完全再变回到 50Ω 电平所需的时间就是 TDR 系统的上升时间。

随着 60Ω 线路段越来越短，从 50Ω 跳变到 60Ω 的时间会越来越接近从 60Ω 跳变到 50Ω 的时间。如果 60Ω 到 50Ω 电压跳变区域的起始时间与 50Ω 到 60Ω 电压跳变区域的终止时间大约同时发生，就表示已达到两个反射点之间的最小可测量间隔。如果反射点进一步接近，那么 TDR 波形将没有足够时间达到完整幅度，阻抗幅度的测量值将有误差。

在时域反射计 TDR 显示屏上，两个反射点之间的“时间”可以标注为第一个边缘（由 50Ω 跳变到 60Ω 产生）底部与第二个边缘（由 60Ω 跳变到 50Ω 产生，在此例中为下降边缘）底部的时间差。这个时间本质上就是 TDR 系统的上升时间。但是，务必要注意，TDR 上显示的时间表示的是反射往返时间，也就是脉冲到达反射点并从反射点返回原点的时间。因此，前面标注的时间间隔是往返时间。反射点之间的最小单程时间是系统上升时间的一半。最小物理距离由信号在介质中的传播速度和 TDR 系统上升时间决定：

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随着系统速度的提高，需要使用差分传输技术来保持信号完整性。差分传输技术利用两条传输线路分别传输互补的数据信号。表征差分传输线路的质量，从而获得阻抗值和不连续性，这需要一种方法能够同时激励这两条传输线路。而且，当这两条传输线路相互电磁耦合时，对系统阻抗属性的分析需要做一些不同于单端线路的调整。最常用于测试差分传输线路或元器件的方法就是配合使用 TDR 和互补阶跃信号发生器。也就是用一个阶跃信号发生器产生正阶跃信号，输入系统的“正”极；用另一个阶跃信号发生器产生负阶跃信号，输入系统的 “负”极。通过比较反射差分电压和入射差分电压，进行差分阻抗测量。（差分电压定义为跨越 DUT 两个输入端的电压，差分阻抗是指差分电压除以通过系统的电流所得到的结果。请注意，如果系统是平衡的，那么从线路一端进入的电流与从另一端出来的电流相等。

精密差分 TDR测试对 TDR 系统有一些重要限制。测量系统的两条线路必须保持对称，否则有可能导致测量的不平衡或误差。差分系统的不对称是差分和共模这两种模式相互转换的主要原因之一。误差来源包括：– 两个阶跃信号发生器之间的时序偏差 – 两个示波器接收机之间的时序偏差 – 两个发生器之间的阶跃脉冲偏差（幅度或总体形状） – 两个示波器接收机之间的响应偏差

选用精心设计的硬件，是实现精确测量的基础。此外，前面介绍的校准流程，以及有助于消除系统误差源的所有功能，也可以用于差分 TDR。最终能够让差分 TDR测试达到最高精度。

86100 TDR 系统能够校正阶跃信号发生器和接收机的偏差。用户务必要了解具体的实施方法，及其将对测量结果产生什么影响。在检查差分传输系统时，关键的一点就是要使激励脉冲保持精确校准。可以将第一个阶跃信号发生器产生脉冲的时间调整到 TDR 模块另一个阶跃信号发生器产生的脉冲前后。

还可以调节 TDR 的接收机，从而以相对于阶跃信号发生器触发事件（用于确定何时进行信号采样）变化的时间进行数据采样。因此，通过调节 TDR 采集信号的时间，可以有效地将返回到差分 TDR 其中一个通道的信号相对于另一个通道进行时移。随后，如果有任何系统偏差需要消除，这可以有效地校准返回的信号。

例如，如果两个阶跃信号发生器与 DUT 之间的电缆长度不相等，那么两个阶跃信号将在不同时间到达 DUT 面。而且，DUT 反射的信号也会通过不等长的电缆返回 TDR 接收机，同样会发生偏差。86100 TDR 系统自带的程序能够消除因为连接 DUT 的电缆长度不同而导致的偏差效应。它一方面能够确保在参考面校准阶跃信号（以平衡对 DUT 的激励），另一方面也可以消除返回 TDR 的信号的偏差。

务必要分辨差分测量与只是简单地求取两次单端测量之差的区别。基本的单端测量会激励输入，并检测输入端口返回的信号。差分测量会同时激励两个端口，并检测返回到两个端口的信号。关键的差异就在于，通过耦合差分传输线路，在一个端口上施加的激励可能会导致信号被反射回两个端口。此外，传输线路的特征阻抗也会受到差分激励和相关耦合的影响。

以下是使用一条差分传输线路进行单端测量的一个示例。这个基础差分电路的两条线路最初有一个 50Ω 的单端阻抗。这两条线路在物理上分隔开来，因此在这个部分仅存在极小的耦合。两条线路随后汇合，迹线宽度均减小 （这将导致单端阻抗增大）。然后，两条线路又宽度增大并再次分隔。

如果单独测试每条线路（单端驱动），TDR 结果看上去将先是一条 50Ω 直线，然后是一段 70Ω 区域，再是一段 50Ω 直线，最后是 50Ω 负载端接。如果单独测试每条线路（单端驱动），TDR 结果看上去将先是一条 50Ω 直线，然后是一段 70Ω 区域，再是一段 50Ω 直线，最后是 50Ω 负载端接。两条线路的结果相同。

在差分测量中，如果受到两个阶跃信号的激励，TDR 系统将会合并两个端口的结果。因此，每条线路上的信号都将是来自两个阶跃信号发生器的信号组合后的产物。结果是，差分阻抗逼近 100 Ω，这正是传输线路的设计初衷。奇模阻抗（差分驱动时一条传输线路接地）接近 50 Ω。

减小测量误差的最后几个步骤包括对夹具效应进行去嵌入处理，消除阶跃信号发生器所生成脉冲的剩余畸变。这可以通过前文中所述的校准流程来实现。差分测量程序与单端 TDR 的测量程序相同，只是要将流程执行两次（每个通道一次）。校准还可以对脉冲上升时间加以调整，从而仿真更快或更慢的数据信号。

在下例中，有缺陷的夹具和电缆遮蔽了 DUT 的真实测量结果，由此映衬出差分校准的优点。第一步是消除 DUT 之前的系统偏差。首先，检测来自于 DUT 测量面（开路或短路）的反射信号（图 13）。通过将“落后”阶跃信号发生器的输出启动时间向前平移，可以消除一半的偏差。再通过延迟测量落后信号的时间，有效地让它赶上超前信号，从而消除剩下的一半偏差。再说一遍，这些校正并不是针对 DUT 的偏差，而是与 DUT 相连的系统的偏差。

即使阶跃信号发生器和接收机经过精确校准，但连接 DUT 的夹具也可能会降低激励和 DUT 响应性能。例如，通过在 TDR 和 DUT 之间增加额外的电缆和损耗，可以有意做到这一点。综合起来的测量误差如图 14 所示。比较图 14 中的差分（上方迹线）和奇模（中间和下方迹线）阻抗测量与图 12 中相同测量的结果（未连接夹具）。可以发现，差分阻抗和奇模阻抗并非是 105 Ω 和 52 Ω，而是分别增大至 109 Ω 和 54 Ω。

当重复进行包含了夹具效应和损耗的测量，但通过校准消除了测量误差时，测量结果将与没有使用夹具时的结果高度一致（图 12 和 15）。

校准过的测量系统将提供最高精度的差分 TDR测试结果，即使存在误差产生机制。校准流程和测量方法同样对共模测量有效。在共模测量中，取决于为执行校准而提供的校准标准件（负载和短路件），两个阶跃信号发生器会有相同极性的输出。这对于需要从使用同轴电缆连接的 TDR 系统过渡到使用非同轴电缆连接的 DUT 测量（例如使用探头在电路板上测量）有很大好处，只要提供相应类型的负载和短路端子。

如何从传统 TDR 结果中得出S参数？

什么是s参数？S参数中s11和s12的含义？

某个器件(系统)完整的参数应包含：反射和传输特性，参数反射参数指标中都应包含幅度和相位信息。对器件(系统)的这些参数描述可采用S参数(散射参数)。双端口器件的S参数包含四个参数(N端口器件S参数包含N^2个参数)。S参数的定义是基于信号电压比值的参数。所以S参数为矢量。S参数下标为器件的端口，具体定义为：第一个数字代表信号输出端口，第二个数字代表信号输入端。网络分析仪测试中，被测件与仪表端口1（Port1)连接的端口定义为器件的1端口，与仪表端口2连接的器件端口定义为2端口。

Sab：表示被测件端口b到端口a的传输系数。例：被测件输入端为：1端口，输出端：2端口。

S11：当被测件输出端接匹配负载，输入端反射系数。

S21：当被测件输出端接匹配负载时，器件 端口1端口2传输系数。

通过频域分析和时域表征，可以深入地了解元器件特性。例如，常见的测量是测定在特定频率范围（可能是从 kHz 到 GHz）内从元器件反射回的信号量。知道频率响应结果之后，用户通常可以深入了解到元器件为什么会有特定的一些特性。用户可以轻松检测出谐振，而一般性能可能与特定电路特性有直接关系。通过频域测量，可以更快建立先进元器件模型。此类测量通常被称为“S”（散射）参数测量，在射频和微波设计领域中已经使用了数十年。

S参数一直占据着微波理论和技术中最重要的位置，它们包括了早已为工程师所熟悉的测量项目，例如 S11（输入匹配）、S22（输出匹配）、S21（增益/ 损耗）、S12（隔离度）等，这些测量项目的测试结果可以很方便地导入到电子仿真工具。

在矢量网络分析仪的术语中，一般用参考通道(R) 表示入射波的测量结果。A 通道负责测量反射波，B 通道负责测量传输波（下图）。

在知道了这些波的幅度和相位信息之后，便能定量描述被测器件(DUT) 的反射特性和传输特性。反射特性和传输特性可以用矢量（幅度和相位）、标量（只有幅度）或纯相位表示。例如，回波损耗是反射的标量测量结果，而阻抗则是反射的矢量测量结果。我们也可以使用比值测量法进行反射和传输测量，这样可以避免受到绝对功率以及源功率随频率变化产生的影响。反射量的比值通常用A/R 表示，而传输量的比值为B/R，它们与仪器中的测量通道有关。

测量差分元器件和通道

仅有一路正负输入输出的差分元器件为上述示例增加了两个端口和四个 S参数。但是，差分通道可以与它们的互补通道耦合，从而使 S参数从 8 个翻倍到 16 个。

请注意，这些测量的激励和响应仍然对单端有效。也就是说，只在一个端口施加激励，而后测量另一个端口，构建每个 S参数。这个 S参数用 S“输出/输入”表示。因此，S21 表示在端口 1 施加激励，在端口 2 测量的信号。在下方的差分电路示例中，一对差分端口标注为端口 1 和端口 3，另一对差分端口标注为端口 2 和端口 4。以下是 16 个可能的测量配置和部分物理解释。

务必要说明提供的各种差分和共模测量配置。差分 S参数的表示方法与单端的表示方法略有不同，它仍然采用 S“输出-输入”形式。但是，端口 1 和端口 2 都会同时包含正负差分输入。

混合模式参数（差分和共模激励或响应的组合）提供了有关如何从一种模式转换到另一种模式的重要信息，从而帮助用户深入了解元器件和通道如何传播辐射信号，或受到其他元器件和通道辐射信号的影响。例如，左下象限显示了如何将差分输入信号转换为共模信号。SCD21 指标将说明如何将端口 1 的差分输入作为端口 2 的共模信号进行观测（请参见图 20）。

与差分信号相比，共模信号更有可能导致辐射发射，因此使用 SCD 象限可以更好地解决此类问题。右上象限（SDC）指示了如何将共模信号转换为差分信号。差分系统用于拒绝差分系统两条线路上共有的信号，降低对杂散信号的敏感性。但是如果将杂散共模信号转换成差分信号，这些信号就不会被拒绝。因此，SDC 象限中的测量是解决对杂散信号敏感的问题的有效办法。例如，SDC21 就指示了如何将端口 1 处的共模信号转换成差分信号并在端口 2 处观测。

虽然网络分析仪可直接用于产生频域 S参数，但是通过配置 86100 TDR，还可以在产生传统 TDR测试值的同时，产生频域 S参数结果。根据仪器配置，可以实现全部 32 个差分 S参数或其中一部分。现在，您可以使用一台仪器，同时从频域和时域两方面对元器件进行全面、彻底的表征。

86100 TDR 系统搭配选件 202“S参数和时域表征”，可以直接在仪器显示屏上显示 S参数测量结果。

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“本文将介绍时域和 DTF测量技术，用于在现场操作时识别不连续性的位置和相对幅度。”

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