低成本、高分辨率的时刻丈量使用

什么是时域反射法？

时域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)是一种运用送入传输线的脉冲的反射能量来丈量传输线阻抗的办法。当脉冲送入传输线时，脉冲以光在介质中的传达速度进行传达（一般为真空中光速的60%到80%）。当脉冲遇到阻抗不匹配点时，不匹配的能量会反射回脉冲源，整个进程所用时刻为从脉冲源抵达阻抗不匹配点所用时刻的两倍。图1所示为无端接传输线的脉冲源处的典型波形。

规划方针

运用TDR可以获得很多的信息，如传输线阻抗的一致性、衔接器质量、衔接器方位、传输线长度、短路毛病或开路毛病。但所要用到的测验设备本钱不菲，一般需求数千美元。大多数情况下，咱们重视的仅仅下面的三项信息之一：传输线长度、短路毛病或开路毛病。

这就引出了本文的主题。假如只需求获取如下信息，则可以选用低本钱解决方案：（1）传输线长度、（2）开路毛病点、（3）短路毛病点。

本规划的方针：

• 时刻分辩率不得低于1ns(相当于0.5 ft)

• 全体时刻丈量精度在±1%之间

• 0.5ft分辩率下的最大丈量长度大于200ft

• TDR所需元件本钱低于10美元

运用充电时刻丈量单元(CTMU)外设进行时刻丈量

低本钱TDR体系的中心是名为充电时刻丈量单元（Charge Time Measurement Unit，CTMU）的外设。单片机上的CTMU外设可用于在高精度和高分辩（典型分辩率低于1ns）的情况下丈量时刻。

图2为简化的CTMU框图，由下列各项组成：恒流源和高速开关、模数转化器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、放电开关、模仿多路复用器。一切这些模块均集成于一个单片机中。

CTMU是一个恒流源，开关时刻小于1ns。该电流可以表明为电压对时刻的导数与电容的乘积。下面为相应的规范公式：

I=C(dV/dT)公式1

求出dT，然后积分可得

T=(C/I)V公式2

I是CTMU电流源的输出电流，C是ADC输入电容与一切杂散电容之和，V经过ADC测得。这样可以核算出T的值。

CTMU的电流输出衔接至片上10位ADC，后者针对输入选用电容性数模转化器（DAC）。因而，咱们选用开关时刻低于1ns的电流源，以及具有固定输入电容的ADC。模数输入的充电时刻不知道，充电完成后运用ADC来丈量电压。在C和I已知，并丈量出V的情况下，咱们可核算出T。图2所示为CTMU生成的典型波形。第一个脉冲时开关导通，开端为模数输入电容充电，电压线性上升（见图1）。第二个脉冲时开关关断，中止为模数输入电容充电。此刻可测出电压，并经过公式2算出时刻。

经过丈量两个已知时刻并核算C/I的值，可完成软件校准。

TDR规划的完成

图1所示为简化的TDR电路原理图和TDR波形。图中未显现带片上CTMU外设的16位单片机（本规划中为PIC24FJ32GA102）。该单片机向高速缓冲器宣布一个脉冲，此脉冲经过50Ω电阻驱动50Ω同轴电缆。这会生成图1所示的波形。生成的波形馈送至一组双高速比较器，比较器的跳变点分别为1/4 VPULSE和3/4 VPULSE，其间VPULSE为单片机发生并输出到RF4的脉冲的幅值。比较器供给时刻丈量所需的边缘CTED1和CTED2，如图2所示。CTED1供给开端沿，CTED2供给中止沿。发生的电压经过ADC进行丈量，此电压表现边缘1和边缘2之间的时刻（或50Ω同轴电缆电气长度的两倍）。CTMU外设的分辩率小于1ns，然后令全体分辩率小于0.5ft。运用10位ADC时，最大丈量长度为500ft。

定论

对照咱们上文提出的方针，首要，在1ns或更佳分辩率的情况下，CTMU在丈量电缆长度时可以轻松完成0.5ft的分辩率。经过履行软件校准和运用0.01%晶振，体系可以在无需电气调整的情况下轻松校准到1%的精度。10位ADC可完成的最大规模为0.5ft与1024的乘积，超出了200ft的规模要求。终究，咱们来看一下TDR相关元件的大致本钱，体系本钱低于10美元。

因而，本钱符合要求。终究得出的定论是，该TDR是牢靠、易于施行和低本钱的TDR。