时域反射计在传输延时测量中的应用

 

    随着计算机技术的迅猛发展，电力系统的远动装置由原先的集中式远方终端装置（Remote Terminal Unit,RTU）发展到后来的分布式RTU.近年来，大型变电站和发电厂的监控系统的建设已取代了传统的RTU装置，其系统结构之复杂和信息传输接口之多，使得人们越来越重视其信息传输的实时性。但在工程验收或进行实用化验收时，由于缺乏必要的设备和理想的方法，使得远动系统的实时数据传输延时的测试难以取得准确的实际数据。

    从20世纪90年代初的实用化验收工作开展到现今的工程验收，基本上都是沿袭依靠传统的电话传话来进行同步测量。其实现方式是厂站测试人员根据另一名打电话的测试人员的口令来同步现场的遥信变位和大数据变化，而主站测试人员则根据其口令，用秒表记录下此时画面数据刷新的时间，以此作为传输延时的时间。

    这种方法有很大的随意性，由此测出的数据也往往会引起争议。下面介绍利用TDR (时域反射计)测量降低探头误差的方法，有助于提高传输延时测量。

    1  TDR原理

    在反射模式中网络分析仪测量作为频率函数的反射系数。可把该反射系数看成是入射电压和反射电压的传递函数。反变换将反射系数转换为时间函数（激冲响应）。可用该反射系数与输入阶跃或脉冲的卷积计算阶跃和激冲响应。在传输模式中。网络分析仪测量作为频率函数的二端口器件的传递函数。反变换将该传递函数转换为二端口器件的激冲响应。用该激冲响应与输入阶跃或脉冲的卷积计算阶跃和激冲响应。

    TDR测试方法中，沿信号通路传输高速信号边沿，并观察其反射信号。反射能够说明信号通路的阻抗以及阻抗变化时信号延时的变化，TDR测试的简单示意图如图1所示。

    2  仪器和评估板

    为了测量纳秒级的延时，需要非常快的脉冲发生器、高速示波器以及高速探头。我们也可以利用具有TDR测量功能的Tektronix 8000系列示波器（TDS8000、CSA8000或CSA8200），配合80E04 TDR采样模块使用。本文采用MAX9979EVKIT（评估板）、Hewlett Packard 8082A脉冲发生器和TDS8000/80E04进行演示。图2所示为MAX9979EVKIT部分电路。可以选择使用任何具有TDR功能的高速示波器和任何高速差分脉冲发生器，同样能够获得相似结果。

    分析中将进行以下测量：

    （1）从PCB的SMA边缘连接器DATA1/NDATA1 SMA至MAX9979 IC输入引脚DATA1/NDATA1的延时。

    （2）从MAX9979的DUT1 （被测件）输出通过SMA连接器J18的延时。

    （3）连接DUT1输出至CSA8000测试电缆的延时。

    （4）从DATA1/NDATA1输入至DUT1输出，通过电缆到达CSA8000的总延时。

    （5），计算MAX9979的实际延时。

    3  DATA1/NDATA1输入建模

    由于人们对TDR响应比较困惑，首先利用SPICE仿真器构建输入延时的模型。然后将仿真结果与实际测量进行比较，参见图3.其中：

    （1） PCB引线设定为6 in（1 in=25.4 mm）长，阻抗为65 Ω。实际上，这是DATA1/NDATA1 PCB引线的真实阻抗。理想情况下为50 Ω，但从TDR测量结果将会看到该值为63 Ω。

    （2） NDATA1输出端接至地。由于DATA1和NDATA1对称，而且距离MAX9979引脚的长度相同，所以仅测量DATA1的PCB引线。

    （3） 对信号发生器的12 in电缆进行建模，但实际传输延时测量证明并不需要这一建模。

    4 DATA1/NDATA1输入仿真

    图4所示为TPv3的SPICE仿真波形，为在MAX9979EVKIT DATA1输入采集到的数据。

    从图4数据可以得出以下几点结论：

    （1）输入信号为阶跃函数。这次仿真中，阶跃幅度为0.5 V.以此模拟CSA8000产生的TDR信号。

    （2）时间代表模型中不同单元的延时：

    ①第1级表示发生器的12 in电缆。延时大约为3 ns,是实际延时的两倍。实际电缆延时为1.5 ns.

    ②第2级表示DATA1 PCB引线。延时大约为2 ns,PCB延时为该值的一半，或1 ns.

    ③其他延时为脉冲通过DATA1 PCB引线的反射。

    （3）Y轴反映了不同元件的阻抗，单位为伏特，可转换为阻抗。

    （4）X轴为单次输入阶跃信号造成的模拟信号的反射，参照图1对信号进行比较。这些信号的长度代表通过不同元件的延时。

    5 MAX9979的传输延时测量

    MAX9979是一款应用于自动测试仪器（ATE）市场的高集成度、双通道、管脚电子（PE） IC.器件包括双通道四电平、高速驱动器/比较器/负载（DCL），并集成了钳位功能，可以工作在驱动、高阻和低泄漏模式。工作速度高于每秒1吉比特（1Gbps）。通过内部独立的16位数/模转换器（DAC）支持所有电平等级。每通道还包括完全集成的参数测量单元（PMU），具有极高的测量，使用户获得额外的设计价值。

    按照以下6个步骤进行传输延时测量。

    5.1 测量连接DUT1节点到CSA8000垂直输入的2 in长SMA电缆的延时

    2 in SMA电缆的CSA8000 TDR如图5所示。

    测量时需注意：

    （1）将2 in长SMA-SMA电缆连接至80E04 TDR模块的一路输入，另一端保持开路。

    （2） 利用TDR的下拉菜单进行测量。

    （3） 注意，这看起来很像图1中的"OPEN"示例。此处测得的延时为804 ps,由于是两倍的电缆延时，所以电缆延时为402 ps.

    （4）还需注意的是，第2级阶跃实际为顶部和底部之间的一半。根据TDR原理，表示2 in长度电缆实际阻抗为50 Ω。

    （5）这条2 in电缆是测量延时的通路之一。

    5.2 测量DATA1输入信号的PCB引线延时/阻抗

    从该数据可以获得以下几项信息：

    （1） 图6与图4中的仿真曲线相同，这证明了模型的准确性。

    （2）光标用于测量线路阻抗。第1级阶跃为49.7 Ω，代表CSA8000电缆。与预期结果一致。

    （3）第二光标显示97.8 Ω，为MAX9979内部DATA1/NDATA1两端的100 Ω电阻（参见图3）。与预期结果一致。       （4）第2级阶跃阻抗不是50  Ω。这为DATA1 PCB阻抗，大约为63 Ω。这意味着DATA1和NDATA1的PCB引线不是我们所希望的50 Ω。

    （5）大幅值为150 Ω，是额外的50 Ω电缆和100 Ω电阻，只存在于第3级反射。

    该测量可以简化为：

    （1）将12 in SMA电缆的一端连接至CSA8000.将电缆另一端连接至MAX9979EVKIT的DATA SMA输入连接器。

    （2）将NDATA1的SMA连接器通过SMA接地，从图3可以看出这一点。12 in SMA电缆的长度与延时测量无关，但应尽可能短。

    （3）无需对MAX9979EVKIT供电。该测量针对焊接到电路板上的MAX9979进行，但不需要上电。有些用户更喜欢使用没有焊接器件的电路板进行测量。断开MAX9979将产生更清晰的3级阶跃信号，仿真图1中的"OPEN"状态。两种配置下，实际延时测量结果相同。

    图7所示，测量第2级阶跃-DATA PCB引线延时。  

    注意：

    （1） 第1级阶跃为电缆，本文对其延时并不感兴趣。

    （2） 测量值为1.39 ns,PCB延时为该值的一半，或为0.695 ns.这一延时确实大于模型的延时，但本文仅利用模型估算延时加以比较。

    测量在信号的倾斜沿进行。这些倾斜沿代表电路板SMA和MAX9979 DATA1引脚的电容效应。因此，在这些倾斜沿之间进行测量能够确保测试结果包含了SMA和PIN延时。还需注意的是，波形中存在凸峰，这是SMA连接器与电路板之间的电感产生的。由此，需要在凸峰之前进行测量，以确保获取完整的电路板延时。进一步的TDR测量读数将突显这些电容和电感造成的倾斜沿和凸峰。

    5.3 测量DUT1输出信号的PCB引线延时/阻抗

    PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为"印刷"电路板。印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。

    图8所示示波器波形是采用与图6、图7相同的设置产生的。现在采用一条2  in长SMA电缆连接CSA8000 80E04模块和MAX9979EVKIT的DUT1 SMA.

    注意：

    （1） 第1级阶跃表示2 in电缆。TDR信号为0.5 V,第1级阶跃为250 mV.说明电缆的阻抗为50 Ω，与预期情况一致。

    （2） DUT1延时是在两个倾斜沿之间进行测量得到的，与上述DATA1测量说明相同。然而，需要注意的是：这些倾斜沿之间的电平同样为50 Ω。该值表明较短的DUT1 PCB金属线非常接近于理想的50 Ω。

    （3） 从上述内容得到DATA1引线阻抗为63 Ω，DUT1节点阻抗为50 Ω。这意味着DATA1输入的金属线宽比DUT1输出的线宽窄。理想情况下，它们应该相同。TDR测量发现了这一差异，这不一定是系统错误。DUT1引线阻抗稍高是由于较窄的金属线造成的，但它同时也减小了DATA1金属线的电容。数据线是长引线，为了保证宽频带的要求，该电容应尽量小。

    （4） DUT1的PCB延时很难测量，其阻抗与电缆相同。如果MAX9979没有焊接到电路板上，将看到"开路"状态的三级阶跃信号。但是，在焊接了MAX9979的条件下仍然可以测量到这一延时。通过检查电容效应产生的倾斜沿，可以看出SMA连接器在电路板的焊接位置以及MAX9979 DUT1引脚的位置。同样可以通过查看SMA连接器电感产生的凸峰，确认它处于两个倾斜沿之间。解决了这些问题，可以测得延时为360 ps,将该值减半，得到实际DUT1 PCB电路板的延时，该延时为180 ps.

    5.4  测量CSA8000的基线延时

    图9所示，C1和C2是2个互补PECL信号，幅值大约为450 mV.这些DATA1和NDATA1信号直接由外部的信号发生器产生，送入CSA8000输入。采用CSA8000的20 GHz采样探头，从该数据可得出以下结果：

    （1）M1是差分信号C1-C2的数学计算值，幅值为900 mV,10%/90%上升和下降时间接近于700 ps.这意味着DATA1/NDATA1信号上没有任何干扰。

    （2）对Crs或M1差分信号的过零点进行测量，测得数据为29.56 ns.触发示波器，本文仅关注这些过零点中的一个。给MAX9979上电，然后测量相同过零点，因为它是通过整个电路板的延时。

    （3）该延时还包括两条输入电缆的延时，因为这些电缆也被用于测量通过电路板的信号延时，其延时相互抵消。尽管如此，还是使用尽可能短的电缆，只是该延时对传输延时测量并不重要。

    5.5 MAX9979EVKIT上电

    将DATA1和NDATA1信号连接至已上电的MAX9979EVKIT的DATA1/NDATA1输入。使用与第4步相同的电缆。按照传输延时测量技术资料的规定，将MAX9979设置为规定的0 V~3 V信号，并将输出端接至50 Ω。本例中，50 Ω负载为CSA8000输入，从图10获得的数据点显示：

    （1）当前的输出信号幅值为0 V~1.5 V,与预期情况一致，由于50 Ω负载的存在而被除以2.

    （2）上升和下降时间完全在MAX9979的技术指标范围内。由此，可以确认由干净、有效的DATA1/NDATA1驱动产生完好、干净、有效的输出。

    （3）CSA8000保持与第5步相同的设置，触发方式与第4步相同。可以看到过零点为33.77 ns.

    5.6 计算MAX9979的传输延时

    通过MAX9979EVKIT的总延时为：

    33.77 ns-29.56 ns=4.21 ns

    计算测量结果：

    （1）减去0.695 ns的DATA1 PCB引线延时，所得延时为3.515 ns.

    （2）减去0.18 ns的DUT1 P

CB引线延时，所得延时为3.335 ns.

    （3） 减去CSA8000的2 in电缆延时，该延时为402 ps,所得延时为2.933 ns.

    MAX9979技术指标中，这种配置下的标称延时为2.9 ns.这里，可以得到焊接了MAX9979的评估板的延时为2.933 ns,非常接近于预期值。

    以上分析表明，利用TDR测量传输延时具有以下优势：

    （1） 传输延时测量结果非常准确。

    （2） 无需有源探头（避免由此引入的不准确性）。

    （3） 简单技巧可用于绝大多数传输测量。

    （4） 阻抗测量保证正确的连接器和PCB引线阻抗。

    （5） 利用TDR信号能够分析信号通路的附加电容和电感，必要时可作为重新设计的反馈信息。

    （6） 简化模型和仿真工具确保获得正确结果，并可验证测量配置。

    （7） 采用良好的测试方法测量关键指标。

    随着信号速率的提高，时序测量的误差和错误会造成不正确的电路规划、器件选择及系统设计。高速测量中保持良好的方法能够避免亡羊补牢造成的损失。本文着重强调了这些良好的设计习惯。