建立你自己的时域反射计

TDR是昂贵的，但这是如何为您的成本一小部分制作！

什么是tdr？

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，如果和哪里有开路，电缆端接的负载类型，甚至介电质的相对介电常数和磁导率。TDRs的应用范围很广，包括航空和海军飞机的故障诊断，这些领域通常有数英里长的电缆，技术人员可以准确地定位故障。它们也用于测量土壤含水量的设备，其中电缆放置在土壤中，可以计算出土壤的相对介电常数(介电常数)。因为水有很高的相对介电常数，而干燥的土壤没有，所以检测到的介电常数将与存在的湿度相关。TDRs以同样的方式用于液体的液位指示器，其中一个薄探针被浸没，当液位下降时检测更低的介电常数。大多数电路板验证夹具将采用这种技术作为确定球栅阵列焊盘上的芯片是否有任何开路引脚的方法。

它是如何工作的

这种方法背后的物理可以是非常复杂的（占用半页的单个方程），但我们将使用一些假设，这将使生活更轻松，仍然让我们非常接近答案;在工程中，重要的是不要让完美是足够好的敌人。首先，我们将假设我们正在使用无损电介质，这意味着描述该电介质的载体不包含真正的部件'R'，并且损耗正切值为0°。其次，我们将假设我们的电缆材料（铜）是一个完美的导体和描述它的载体不包含虚构的组件“ωj”。基本原则是我们要将短脉冲发送到电缆中并使用可视化工具来检查反射。当信号入射到电缆时，信号不会瞬时向电缆的末端行驶。对于初学者来说，光的有限速度（299,792,458 m / s）是上边界，但随着我们很快看到，我们甚至不会达到这些速度;原因是我们电缆电介质的相对介电常数和渗透率的常数将减慢传输速度或相速度，副总裁。信号的传播速度仍然是光速的一个重要部分，但保持这个数值的精确性是数学运算正确的关键。相速度与我们的假设定义为

因此，我们的事件信号到达负载所需的时间可以计算为

然后，我们将期望在对应于这些方程的结果的反射信号中看到延迟。我们将在一瞬间进入更详细的计算，现在让我们建立建设

执行

TDRs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基本版本的TDRs。除了这些项目，您将需要一组BNC连接器，当然，电缆(可以测试它;您也可以使用一组精确匹配的负载如下图所示，或者您可以使用一个电位器连接到电缆的末端，尽管这种方法引入了一点噪声。我将使用的匹配集包括50,75和93欧姆负载。

最容易获得的电缆之一是一块同轴电缆。同轴电缆已经存在很长一段时间，但它在多年来的施工中得到了改善。任何同轴电缆都有部分地由核心电缆的直径确定的特征阻抗，所述核心电缆的直径对应于其预期用途;它们的范围在30欧姆至93欧姆之间，具有30欧姆的功率处理能力，并且具有最小信号衰减的77欧姆。50欧姆是一个共同的同轴电缆阻抗，因为它在功率处理和信号损耗之间是折射率。对于这个测试，我将使用一块长件的同轴电缆，但我不会说它是多长时间或它的特征阻抗是多长时间 - 这就是我们在这里找到的东西！我会告诉您制造商将其相对介绍性列为1.2。对于所有同轴电介质，相对渗透性如此接近1，我们可以假设它是为了我们的目的（准确到0.00000001％）。将这些值替换为我们的第一个等式

$ $ 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。现在我们将挂钩我们的装备，看看我们得到了什么。将信号发生器与T连接器连接到您的范围，您可以找到最短的电缆，这将有助于最小化错误，T将为您提供连接在图像中的同轴神秘电缆作为白色电缆。

开路的配置

将同轴电缆的一端连接到T连接器后，留下另一端打开;第一次测试将是一个开放式电路测试。开路测试将提供延迟时间和反射系数的非常好的表示。信号发生器的频率是任意的，但如果您有一个非常快速的时间，它最佳地工作。在我的情况下，我连接到“脉冲输出”终端，可以在下面的图像中看到。

与信号发生器连接，触发范围，你应该看到如下图:

在这里，我们将事件波视为具有反射波作为顶部步骤的底部步骤。因为线路中有有限的传输时间（计算出），所以其输入阻抗将看起来像线路的特征阻抗因此，在脉冲有机会穿过电缆并反射回输入端之前，这条线看起来是无限长。脉冲以V0/2开始，因为它期望输入阻抗和负载相匹配，从而产生一个分压器。在开路的情况下，整个信号被反射回发电机可以看到使用方程的反射系数

为负荷为无限的负荷提供1的系数。反射后，信号跳回V0，在这种情况下大约4.5-5伏。让我们仔细看看正在发生的事情：

图中显示脉冲的前沿在x位置并且，由于反射系数为正，反射信号被添加到入射信号。信号不再反映第二次，因为它被发电机的输出阻抗终止。使用范围的游标，我们可以测量延迟;或者，如果我们将电缆的开路端端连接到范围的通道2（仍然基本上是开路），我们可以使范围测量我们的延迟，给出更准确的结果。下图显示了111-112 ns的延迟。对于我们的计算，我们将使用111.5来平均出来。

使用我们之前的Vp值，我们现在可以计算电缆的长度:

实际上，这是一个100英尺长的同轴电缆（虽然双绞线电缆也将起作用），而我们的结果非常接近，差异可能来自添加连接器或电缆长度略微超出规格;无论哪种方式，它表明这种技术可以非常准确。这种方法是军事技术人员如何在飞机运营商上找到一个开放电路将是数百英里的电缆来排序，很容易看到它如何真正节省时间。早些时候我提到，由于信号发生器的输出阻抗，反射波不会反映第二次，这在信号发生器具有与特性阻抗相同的阻抗的理论情况下是真的;在我们的测量案例中，我们看到一些不同的东西 - 看到黄色迹线上的小三步？这告诉我们发电机阻抗与特征阻抗不匹配。在这种情况下，我的发电机具有50欧姆的输出阻抗，结果告诉我们该同轴电缆不得为50欧姆线。

短路配置

现在断开电缆的通道2端，用一小段电线把它短到屏蔽，结果应该看起来类似于下面的范围痕迹:

所以我们的脉搏通过电缆传播，然后取消。这可能很难在现实生活中展示，因为电子设备（包括信号发生器）不喜欢看到短路。看看真的发生了什么，我们将转向我们的模型。

当信号开始传播时，输入阻抗显示为Z₀脉冲的振幅为V₀/2，但短路负载的反射系数为-1

这具有反转反射信号和相位的效果，所有时间都消除了入射波的其余部分之后，电路处于稳定状态，其中所有电压为零。在实践中，该技术可用于产生极短的脉冲，比硬件通常允许短。

匹配负载

接下来，我们将挂钩75欧姆的负荷，我们知道特征阻抗不是50，而75是下一个最有可能的候选人。连接负载后，示波器显示以下内容：

这道是一个大小约为V的干净脉冲₀/ 2告诉我们我们的线路匹配，因此我们现在知道该电缆是100英尺长的75欧姆同轴电缆，这意味着它最有可能为有线电视安装设计，因为需要非常小的功率处理，并且信号丢失必须最小化。发生了什么样的模型如下：

入射波到达荷载但由于负载与线匹配，没有反射（反射系数= 0），并且电路充当电压分频器，给予我们的入射波的一半。

不匹配的负载

最后，我们将使用精密负载来模拟一个不匹配的负载条件。首先，我们将连接93欧姆负载到我们的电缆和范围显示如下:

范围告诉我们，我们有一个轻微的不匹配，但多少？现在我们知道我们的特征阻抗，我们可以计算任意负载的反射系数。

因此，由于不匹配导致的负荷，约10.7％的入射波未被载荷吸收，因此作为反射通知我们负载太大，如我们反射系数的正极性所示。如果我们然后挂钩50欧姆的负载，我们可以看到一个大小的负载示例：

现在波的一部分被小载荷抵消了，这意味着反射系数是负的。

当然，数学告诉我们20%的波会被相位抵消，正如负号所示。这两种不匹配的情况都可能导致严重的信号退化，在与电缆一起工作时，确保适当的匹配是很重要的。TDRs是一种强大的故障诊断工具，能够在标准台架设备中制造一台并解释结果，可以帮助新兴的工程师掌握传输线理论。由于这些设备非常普遍，很可能每个工程师最终都会在某个时候使用它们来应用任何数量的应用。另一方面，你可以用它来检测你的座机是否被窃听，但我们将把这留给读者的判断力。