受控阻抗印刷電路板（PCB）通常包括測量“試樣”，其通常包括6英寸長的樣品跡線，并構造為印刷電路板面板的一部分。測量它們以確保PCB疊層和PCB傳輸線的精度。這些試樣以及實際的PCB信號走線，互連和電纜通常使用時域反射儀（TDR）測量。 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。

大多數現代電路設計依賴于準確性邏輯接收器處的邏輯信號。這種保證基于印刷電路板（PCB）傳輸線，互連和電纜的精心設計。就此而言，建議定期驗證儀器電纜和互連。電纜壓接經常會降低，特別是在低成本電纜中，并且會顯著影響測量質量。

PerfectPulse?

PerfectPulse?來自Picotest，是一款低成本的口袋大小的脈沖發生器（J2151A）。信號發生器與附帶的電阻端口分配器和實時示波器相結合，可用作精確的TDR/TDT測量系統。它可以測量PCB測試試樣阻抗，電纜和壞卷曲，走線長度，介電常數（Dk）和速度因子（V f ）。本應用筆記介紹了如何使用J2151A測量PCB，電纜和互連阻抗，介電常數，速度系數和電纜長度。

TDR理論測量

信號在空氣中以光速傳播，大約3?10 ^ 8米/秒［1］。在介電材料上行進時信號速度減慢。它減速的量是信號傳輸的速度因子（V f ），有時也稱為傳播速度。

同軸電纜規格通常包括速度因子，通常在60％和90％之間（1）。速度系數為70％的電纜意味著信號以光速的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直接相關線。電纜或印刷電路板的介電常數與自由空間的介電常數之比是傳輸線或PCB的介電常數。介電常數有時表示為εr，有時表示為Dk。典型的介電常數值范圍從低約2到高達約24。

速度因子和介電常數之間的關系是：

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

以英寸和皮秒為單位求解信號傳播

因此，通過跡線或電纜的往返是

并從已知長度求解Dk

在單端TDR測量中，高速邊沿從傳輸線的開始行進到傳輸線的末端，然后反射到測量它的儀器。信號通過傳輸線進行往返，儀器使用入射和返回信號來測量傳播時間和反射系數Γ，后者用于計算傳輸線阻抗。

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源產生一個快速邊沿信號，該信號被分成兩個相等幅度的信號。示波器使用一個信號監視反射信號，另一個信號傳送到傳輸線。反射電壓用于計算阻抗，而往返信號時間用于計算傳輸線的介電常數或傳輸線的長度，這取決于哪個值是未知的。介電常數可以從信號傳播時間確定，長度可以從信號傳播時間和速度因子Vf確定。

測量設置

圖1顯示了TDR測量設置的圖片。一個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。建議使用高質量的適配器，最好是校準品質的適配器。第二個TDR端口使用高質量電纜，高帶寬1端口探頭或適用的連接器連接到測量樣品。圖2顯示了本應用筆記中測量中使用的Picotest演示板。

進行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。將示波器觸發斜率設置為下降沿，并將觸發器設置為靠近屏幕左側。

3。使用測量功能或放置光標來測量負脈沖的寬度。每個測量所使用的功能或方法將在以下部分中討論。

圖1： TDR測量的測量設置本應用筆記。該設置使用PerfectPulse?USB連接TDR和分路器（包括），其中一個輸出連接到DUT，另一個連接到示波器。

圖2： Picotest TDR演示板。

測量PCB，電纜和互連阻抗

測得的示波器電壓可通過以下公式轉換為阻抗，

其中 R DUT 是被測設備（DUT）的阻抗， R GEN 是發電機輸出阻抗（50歐姆）， V SCOPE 是示波器接收的電壓（-500 mV） 。這可以進一步減少，

通常可以使用數學函數在示波器中應用公式來獲得阻抗。范圍值也可以導出以與Mathcad，Matlab或Octave等程序一起使用，以使用此公式繪制DUT阻抗函數。

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

測量介電常數和速度因子

介電常數的測量無需校準。這是時間測量并且基于已知的長度值，介電常數D k 可以從（5）確定。速度因子（V f ）可以從（1）確定已知的長度值。測量設置如圖1所示。

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

測量走線或電纜長度

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

圖5：測量速度系數為70％的RTK028電纜。往返時間為4.47 ns，因此根據（4）計算長度為0.47 m。 （電纜的實際長度為0.5米）。

測量提示

使用高質量的電纜和探頭。如果需要RF適配器，請使用校準質量適配器。

測量阻抗信號的最平坦部分。這通常在跡線/電纜長度的50％到75％之間。

使用門控光標獲得此范圍內的平均值。

減少帶寬會降低分辨率但會提供降低噪音的結果。通常可以使用1GHz-2GHz示波器測量標準IPC優惠券。

結論

使用現有的示波器，Picotest J2151A是低成本TDR/TDT的理想選擇。它可用于測量PCB測試試樣阻抗，測試電纜和不良壓接，走線長度，Dk和速度系數。本應用筆記介紹了如何使用J2151A測量PCB，電纜和互連阻抗，介電常數（D k ），速度系數（V f ）和長度。

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