建立你自己的时域反射计

tdr是昂贵的，但这里是如何以一小部分的成本制作自己的tdr !

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时域反射法是一种强大的技术，它产生一个脉冲沿电缆传播，之后反射信号返回到发生器，然后根据其形状、相位和延迟进行解释。结果可以用来确定电缆的长度，是否和在哪里有一个开路，电缆终端的负载是什么，甚至是相对介电常数和渗透率。tdr应用范围广泛，包括航空和海军舰艇故障排除，这些地方通常有几英里长的电缆，技术人员可以准确地定位故障。它们也被用于测量土壤水分含量的设备中，在这些设备中，电缆被放置在土壤中，土壤的相对介电常数(介电常数)可以被计算出来。因为水有一个非常高的相对介电常数，而干燥的土壤没有，介电常数的检测将与当前的水分的数量相关。tdr以同样的方式被用作液体的液位指示器，在液体中有一个薄探头，当液位下降时检测到较低的介电常数。大多数电路板验证夹具将实现这一技术作为一种方法，以确定在球栅阵列焊锡垫上的芯片是否有任何开放的引脚。

它是如何工作的

这种方法背后的物理原理可能相当复杂(单个方程要占用半页纸)，但我们将使用一些假设，使生活更容易，并仍然得到非常接近的答案;在工程领域，重要的是不要让完美成为“足够好”的敌人。首先，我们将假设我们使用的是一个无损介质，这意味着描述该介质的矢量不包含实分量' R '，并且损耗正切为0°。其次，我们将假设我们的电缆材料(铜)是完美导体，并且描述它的矢量不包含虚分量“ωj”。基本原理是，我们要发送一个短脉冲到电缆，并使用可视化工具来检查反射。当信号入射到电缆时，信号并不是瞬间到达电缆末端的。对于初学者来说，有限的光速(299,792,458米/秒)是上限，但我们很快就会看到，我们甚至无法达到这些速度;原因是相对介电常数和磁导率的常数会减慢电缆的传输速度或相速度,副总裁。信号仍将以相当一部分的光速传播，但保持这个值的精确是正确计算的关键。相速度在我们的假设下定义为

因此，我们的事故信号到达负载所需要的时间可以计算为

然后，我们将期望在反射信号中看到与这些方程的结果相对应的延迟。我们稍后会进行更详细的计算，现在，让我们开始建造

实现

tdr价格昂贵，但幸运的是，使用信号发生器和示波器可以很容易地组装一个初级版本。除了这些项目，您将需要一套BNC连接器，当然，电缆(可以测试它;你也可以使用一组精确匹配的负载，如下图所示，或者你可以使用一个电位器连接到电缆的末端，尽管这种方法会引入一些噪音。我将使用的匹配集包括50,75和93欧姆负载。

最容易得到的电缆之一是同轴电缆。同轴电缆已经存在很长一段时间了，但近年来在结构上有了显著的改进。任何同轴电缆的特性阻抗部分由与其预期用途相对应的核心电缆的直径决定;它们的范围在30至93欧姆之间，其中30欧姆具有最高的功率处理能力，77欧姆具有最小的信号衰减。50欧姆是一种常见的同轴电缆阻抗，因为它是功率处理和信号损失之间的折衷。在这个测试中，我将使用一根很长的同轴电缆，但我不会说它有多长或它的特性阻抗是什么-这就是我们在这里要找出的!我将告诉你，制造商将其相对介电常数列为1.2。对于所有同轴介质，相对磁导率如此接近于1，以至于我们可以根据我们的目的假设它是(精确到0.00000001%以内)。把这些值代入第一个方程

$ $ V_ {P} = \文本{273、671、819.7 m / s或10.7745 / nS} $ $

这意味着我们的信号将以光速的91.29%传播，这个百分比被称为速度的因素或VF。现在我们把装备挂起来，看看能得到什么。连接信号发生器到你的示波器与一个T连接器和最短的电缆，你可以找到，这将帮助最小化错误和T将给你一个地方连接同轴神秘电缆-在图像中看到的白色电缆。

开路的配置

将同轴电缆的一端连接到T型接头后，将另一端打开;第一个测试将是开路测试。开路测试可以很好地表示延迟时间和反射系数。信号发生器的频率是任意的，但如果上升时间非常快的话效果最好。在我的例子中，我正在连接“脉冲输出”终端，如下图所示。

将信号发生器连接起来，触发示波器，你会看到如下图片:

在这里，入射波是底部的台阶，反射波是顶部的台阶。因为在线路中有一个有限的过渡时间(之前计算过)，它的输入阻抗看起来就像线路的特征阻抗所以这条线看起来无限长，直到脉冲有机会穿过电缆并反射回输入。脉冲开始为V0/2，因为它期望输入阻抗和负载匹配，创建一个分压器。在开路情况下，整个信号反射回发生器，可以看到使用方程的反射系数

当载荷为无穷大时，系数为1。反射回来后，信号又跳回到V0，在这种情况下大约是4.5-5伏。让我们仔细看看到底发生了什么:

从图中可以看出，脉冲的前缘在x点处由于反射系数为正，所以反射信号加到入射信号上。信号没有被第二次反射，因为它被发生器的输出阻抗终止了。利用示波器上的游标，我们可以测量延迟;或者，如果我们将电缆的开路端连接到示波器的通道2(基本上仍然是开路)，我们可以让示波器为我们测量延迟，从而给出更准确的结果。下图显示了111-112纳秒的延时。在我们的计算中，我们将使用111.5来平均它。

使用之前的Vp值，我们现在可以计算电缆的长度:

的确，这是一个100英尺长的同轴电缆(尽管双绞线也可以工作)，我们的结果非常接近，差异可能来自连接器的增加或电缆长度略不规范;无论哪种方式，它都证明了这种技术可以非常精确。这种方法是军事技术人员如何定位一个开路的航空母舰将数百英里的电缆进行排序，很容易看到这是如何真正节省时间。前面我提到过，由于信号发生器的输出阻抗，反射波不会再次反射，这在信号发生器的阻抗与特征阻抗相同的理论情况下是正确的;在我们测量的情况下，我们看到了一些不同的东西-看到黄色轨迹上的小第三步了吗?这告诉我们，发电机阻抗与特性阻抗不匹配。在这种情况下，我的发电机有50欧姆的输出阻抗，结果告诉我们，同轴电缆必须不是50欧姆线。

短路的配置

现在断开通道2端电缆和短它的屏蔽与一小片电线，结果应该看起来类似以下范围跟踪:

所以我们的脉冲通过电缆传播然后被抵消了。这在现实生活中很难演示，因为电子设备(包括信号发生器)不喜欢看到短路。为了了解到底发生了什么，我们将转向我们的模型。

当信号开始传播时，输入阻抗为Z₀脉冲的振幅是V₀/2，但短路负载的反射系数为-1从我们的方程

它的作用是反转反射信号和相位抵消其余的入射波在哪里之后电路处于稳定状态，所有电压为零。在实践中，这种技术可以用来产生极短的脉冲，比硬件通常允许的时间要短。

匹配负载

接下来，我们将连接75欧姆负载，我们知道特性阻抗不是50,75是下一个最有可能的候选点。在连接加载时，scope显示如下:

示踪是一个大小约为V的干净脉冲₀/2表示我们的线路是匹配的，因此我们现在知道这条电缆是一条100英尺长的75欧姆同轴电缆，这意味着它很可能是为有线电视装置设计的，因为需要很少的功率处理，信号损失必须最小化。下面是模型:

入射波到达载荷在但是，由于负载与线路匹配，所以没有反射(反射系数= 0)，电路就像一个电压分压器，给了我们入射波的一半大小。

不匹配的负载

最后，我们将使用精确载荷来模拟不匹配的载荷条件。首先，我们将连接93欧姆负载到我们的电缆的末端，示波器显示如下:

范围显示我们有轻微的不匹配，但有多不匹配?既然我们知道了特性阻抗，我们就可以计算任意负载的反射系数。

因此，由于不匹配，约10.7%的入射波没有被负载吸收，在示波器上以反射的形式出现，这告诉我们，负载太大了，正如反射系数的正极性所表明的那样。如果我们接上50欧姆负载，我们可以看到一个负载很小的例子:

现在我们有一部分波被小载荷抵消了，这暗示反射系数是负的。

当然，数学告诉我们20%的波会被相位抵消，用负号表示。这两种不匹配的情况都可能导致严重的信号退化，在使用电缆时确保适当的匹配是很重要的。tdr是一种强大的故障诊断工具，如果能够用标准的测试设备制作一个tdr，并解释测试结果，可以帮助新兴的工程师掌握传输线理论。随着这些设备的普及，很有可能每个工程师最终都会在某个点上为任何数量的应用使用一个。另一方面，你总是可以用它来检测你的固定电话是否被窃听，但我们将把这留给读者的判断力。