時域反射量測儀 - 中華大學

在建立模型的過程中，如何去獲得這個測試模型的基本特性，可以先行使用時域反射量測儀對不連續面的偵測能力來得到。在本節中，就將先針對時域反射量測儀的運作與實際使用尚須注意之事項加以探討。

3-1 時域反射量測儀之運作原理

在傳輸時，如果訊號遇上了不連續面，也就是阻抗沒有匹配的時候，

就會產生一個入射波跟反射波，而時域反射量測儀就是運用對反射波的測量，來顯示一個不連續面發生的時間點。

時域反射量測儀的內部構造，如圖 3-1 所示，就是一個打出類似步階訊號的訊號產生器加上一個示波器，經由同軸電纜去量測一個待測物，當同軸電纜末端接上一個與其達成完美匹配的待測物時，在時域反射量測儀上面看到的，就是訊號產生器本身所打出來的訊號；而當待測物（Device Under Test ， DUT）與同軸電纜阻抗不匹配的時候，就會有一個反射波產生，並經由同軸電纜進入時域反射量測儀的示波器裡。

而在電磁理論中，反射係數的定義為：[2]

o DUT

o DUT incident

reflect

Z Z

V V

+

= −

ρ =

（3-1）

因此

ρ ρ

−

⋅ +

= 1

1

DUT

Z

reflect incident

V V

V Z V

−

⋅ +

=

measured incident

measured o

V V

Z V

−

⋅ ⋅

= 2

^（3-2）

而依據這樣的原理，便可以輕易地從時域反射量測儀上判斷以下的狀況：當同軸電纜末端是開路時，因為開路的反射係數為 1，所以時域反射量測儀顯示的波形就是升高的步階；而當同軸電纜接上的是短路時，

時域反射量測儀顯示的就是一個降低的步階，

圖 3-1 時域反射量測儀之內部構造示意圖

同理可以解釋時域反射量測儀在接上並聯電容的情況：訊號遇上了並聯電容，在此同時電容有如接地一般，因此時域反射量測儀上顯示的是一個往下的趨勢，訊號隨之對電容充電，直到電容將要充滿電時，此時電容將逐漸形成開路，因此時域反射量測儀上顯示的是一個往上的趨勢。利用類似的原理也能解釋時域反射量測儀遇上串聯電感與其他組合

圖 3-2 時域反射量測儀的幾種基本量測狀況與顯示

（a）終端開路，短路及 50 歐姆（b）並聯電容

（c）串聯電感（d）串聯電感與並聯電容組合

而時域反射量測儀上波形的起伏所對應的電容電感值也能使用以下之公式來求得：[3]

( ) ( ^V ^V ) ^dt

V dt Z t Z

L

short ref TDR t

∫

⁼ ^∞ ⁻

1 2

1 （3-3）

( )

∫ ⁼ ∫

^∞

⁻

=

1 1

1 )

( 1 2 1

t t

TDR open ref o

dt V V V

dt Z t

C Z

（3-4）

以上兩式也隱含了，如果需要直接由時域反射量測儀之示波器來計算電感電容值的話，需要事先做開路與短路的量測，以獲知式中的 Vref open

Vref short兩個條件。

3-2 時域反射量測儀在使用上的限制

在使用時域反射量測儀時，由於其使用的量測方法與一些在高頻時特別需要注意的效應，因此在使用時，需盡量排除以下效應的影響：

1.多重反射（Multiple Reflection）

2.儀器的設定與同軸電纜的選取

3-2-1 多重反射（Multiple Reflection ）

圖 3-3 多重反射示意圖

在待測物中，傳輸的路徑可能由許多不同阻抗值的片段所構成，而在每個不同阻抗值間的不連續面都會產生反射，譬如在 Z1 與 Z2 間之不連續面的反射波會在 Z0與 Z1間之不連續面再反射而往 Z1與 Z2之不連續面傳遞，如此來回將產生無數次的反射；幸而經過越多次反射的波將越小，故可以僅專注於前幾次反射所造成的效應。由於此效應將直接在時域反射量測儀的示波器上造成影響，故在實際上，通常不會直接從示波器上判讀，而是間接使用軟體修正；許多時域反射量測儀的輔助軟體都有計算各片段之特徵阻抗值的功能，進而利用所得到的值加以修正時域反射量測所得到的結果。

3-2-2 儀器的設定與同軸電纜的選取

時域反射量測儀中，訊號產生器的上升時間將會給予量測所允許的解析度與頻寬極大的影響，以下將逐項討論之。

圖 3-4 （a）理想中兩相鄰不連續面造成之波形示意圖

（b）理想中單一不連續面造成之波形示意圖

相鄰的兩個不連續面中（如圖 3-4 （a）），倘若彼此距離對應於波速所需行經的時間（tseparate）過短，則有可能因為訊號之上升時間太短，

而導致訊號來不及反映出兩個波峰間的波谷處，於是在螢幕上將原本該是兩個的不連續狀況僅僅用一個不連續狀況顯示，遂因解析度不足而產生錯誤。如何避免這樣的錯誤產生可使用以下之經驗公式：[2]

_ risetime TDR separate

t

> （3-5）

其中，

t

^TDR^_^risetime為時域反射量測儀訊號產生器的上升時間。由此可

知，訊號產生器打出的訊號其上升時間越短，量測儀的解析度越高，所能判讀的不連續間距越小。

另一種因訊號產生器上升時間不夠短產生的解析度不足的情況，則

是當

t

^TDR^_^risetime遠大於單一不連續面長度對應於波速所需行經的時間（如

圖 3-4（b）， tsingle）過短，此時，上升步階訊號來不及反應在螢慕上便已經通過此不連續面，造成無法判讀，這樣的情況可以經由下列經驗公

risetime TDR

gle

t

^sin

<<

或 6

_ sin

risetime TDR gle

t

< （3-6）

是故，欲避免這兩種解析度不足所產生的錯誤，在使用時域反射量測儀前應評估可能的不連續面狀況，設定適當的上升時間。

另一方面，所使用於連接儀器與待測物的同軸電纜之上升時間，t_cable 也會影響整體系統的上升時間，tr_system :

cable risetime

TDR system

t t

t

^_ = ² ^_ + ² （3-7）

因此，在選取電纜的時候，頻寬需夠寬，以滿足整體系統在上升時間的需求。

3-3 測試載具（Socket）時域反射量測

3-3-1 時域反射量測儀波形取得

完成測試介面板後便可正式量測，研究中使用之時域反射量測系統設置如圖 3-5 ，採用了數位取樣示波器（Digital Sampling Oscilloscope）

Tektronix DSA8200 ，搭配 80E04 （Sampling Module; Dual 20 GHz with TDR Electrical Sampling Module）取樣模組與SMA50Ω 同軸電纜。其中，

系統的上升時間為 17.5 ps ，故系統的量測頻寬約為 20GHz 。

測試實體時域反射阻抗圖（一）如圖 3-6，正面測試介面板與反面測試介面板中間加入測試載具時的時域量測結果，測試阻抗值於垂直游標線所示為 48.2 歐姆。測試實體時域反射阻抗圖（二）如圖 3-7，測試阻抗值於垂直游標線所示為 43.88 歐姆。測試實體時域反射阻抗圖（三）如圖 3-8，測試阻抗值於垂直游標線所示為 45.07 歐姆。其它的校正測試介面板之時域反射阻抗圖如附錄 A。

圖 3-5 時域反射量測系統

圖 3-6 測試實體時域反射阻抗圖（一）

圖 3-7 測試實體時域反射阻抗圖（二）

網路分析儀同軸電鑬終端

測試實體埠一 SMA 測試實體埠二 SMA

圖 3-8 測試實體時域反射阻抗圖（三）

在文檔中中華大學 (頁 32-42)

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