隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)裝置由原先的集中式遠(yuǎn)方終端裝置（Remote Terminal Unit,RTU）發(fā)展到后來的分布式RTU.近年來，大型變電站和發(fā)電廠的監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)已取代了傳統(tǒng)的RTU裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之復(fù)雜和信息傳輸接口之多，使得人們越來越重視其信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。但在工程驗(yàn)收或進(jìn)行實(shí)用化驗(yàn)收時(shí)，由于缺乏必要的設(shè)備和理想的方法，使得遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的測試難以取得準(zhǔn)確的實(shí)際數(shù)據(jù)。

    從20世紀(jì)90年代初的實(shí)用化驗(yàn)收工作開展到現(xiàn)今的工程驗(yàn)收，基本上都是沿襲依靠傳統(tǒng)的電話傳話來進(jìn)行同步測量。其實(shí)現(xiàn)方式是廠站測試人員根據(jù)另一名打電話的測試人員的口令來同步現(xiàn)場的遙信變位和大數(shù)據(jù)變化，而主站測試人員則根據(jù)其口令，用秒表記錄下此時(shí)畫面數(shù)據(jù)刷新的時(shí)間，以此作為傳輸延時(shí)的時(shí)間。

    這種方法有很大的隨意性，由此測出的數(shù)據(jù)也往往會(huì)引起爭議。下面介紹利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量降低探頭誤差的方法，有助于提高傳輸延時(shí)測量。

    1  TDR原理

    在反射模式中網(wǎng)絡(luò)分析儀測量作為頻率函數(shù)的反射系數(shù)?？砂言摲瓷湎禂?shù)看成是入射電壓和反射電壓的傳遞函數(shù)。反變換將反射系數(shù)轉(zhuǎn)換為時(shí)間函數(shù)（激沖響應(yīng)）。可用該反射系數(shù)與輸入階躍或脈沖的卷積計(jì)算階躍和激沖響應(yīng)。在傳輸模式中。網(wǎng)絡(luò)分析儀測量作為頻率函數(shù)的二端口器件的傳遞函數(shù)。反變換將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為二端口器件的激沖響應(yīng)。用該激沖響應(yīng)與輸入階躍或脈沖的卷積計(jì)算階躍和激沖響應(yīng)。

    TDR測試方法中，沿信號通路傳輸高速信號邊沿，并觀察其反射信號。反射能夠說明信號通路的阻抗以及阻抗變化時(shí)信號延時(shí)的變化，TDR測試的簡單示意圖如圖1所示。

    2  儀器和評估板

    為了測量納秒級的延時(shí)，需要非常快的脈沖發(fā)生器、高速示波器以及高速探頭。我們也可以利用具有TDR測量功能的Tektronix 8000系列示波器（TDS8000、CSA8000或CSA8200），配合80E04 TDR采樣模塊使用。本文采用MAX9979EVKIT（評估板）、Hewlett Packard 8082A脈沖發(fā)生器和TDS8000/80E04進(jìn)行演示。圖2所示為MAX9979EVKIT部分電路?？梢赃x擇使用任何具有TDR功能的高速示波器和任何高速差分脈沖發(fā)生器，同樣能夠獲得相似結(jié)果。

    分析中將進(jìn)行以下測量：

    （1）從PCB的SMA邊緣連接器DATA1/NDATA1 SMA至MAX9979 IC輸入引腳DATA1/NDATA1的延時(shí)。

    （2）從MAX9979的DUT1 （被測件）輸出通過SMA連接器J18的延時(shí)。

    （3）連接DUT1輸出至CSA8000測試電纜的延時(shí)。

    （4）從DATA1/NDATA1輸入至DUT1輸出，通過電纜到達(dá)CSA8000的總延時(shí)。

    （5），計(jì)算MAX9979的實(shí)際延時(shí)。

    3  DATA1/NDATA1輸入建模

    由于人們對TDR響應(yīng)比較困惑，首先利用SPICE仿真器構(gòu)建輸入延時(shí)的模型。然后將仿真結(jié)果與實(shí)際測量進(jìn)行比較，參見圖3.其中：

    （1） PCB引線設(shè)定為6 in（1 in=25.4 mm）長，阻抗為65 Ω。實(shí)際上，這是DATA1/NDATA1 PCB引線的真實(shí)阻抗。理想情況下為50 Ω，但從TDR測量結(jié)果將會(huì)看到該值為63 Ω。

    （2） NDATA1輸出端接至地。由于DATA1和NDATA1對稱，而且距離MAX9979引腳的長度相同，所以僅測量DATA1的PCB引線。

    （3） 對信號發(fā)生器的12 in電纜進(jìn)行建模，但實(shí)際傳輸延時(shí)測量證明并不需要這一建模。

    4 DATA1/NDATA1輸入仿真

    圖4所示為TPv3的SPICE仿真波形，為在MAX9979EVKIT DATA1輸入采集到的數(shù)據(jù)。

    從圖4數(shù)據(jù)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

    （1）輸入信號為階躍函數(shù)。這次仿真中，階躍幅度為0.5 V.以此模擬CSA8000產(chǎn)生的TDR信號。

    （2）時(shí)間代表模型中不同單元的延時(shí)：

    ①第1級表示發(fā)生器的12 in電纜。延時(shí)大約為3 ns,是實(shí)際延時(shí)的兩倍。實(shí)際電纜延時(shí)為1.5 ns.

    ②第2級表示DATA1 PCB引線。延時(shí)大約為2 ns,PCB延時(shí)為該值的一半，或1 ns.

    ③其他延時(shí)為脈沖通過DATA1 PCB引線的反射。

    （3）Y軸反映了不同元件的阻抗，單位為伏特，可轉(zhuǎn)換為阻抗。

    （4）X軸為單次輸入階躍信號造成的模擬信號的反射，參照圖1對信號進(jìn)行比較。這些信號的長度代表通過不同元件的延時(shí)。

    5 MAX9979的傳輸延時(shí)測量

    MAX9979是一款應(yīng)用于自動(dòng)測試儀器（ATE）市場的高集成度、雙通道、管腳電子（PE） IC.器件包括雙通道四電平、高速驅(qū)動(dòng)器/比較器/負(fù)載（DCL），并集成了鉗位功能，可以工作在驅(qū)動(dòng)、高阻和低泄漏模式。工作速度高于每秒1吉比特（1Gbps）。通過內(nèi)部獨(dú)立的16位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）支持所有電平等級。每通道還包括完全集成的參數(shù)測量單元（PMU），具有極高的測量，使用戶獲得額外的設(shè)計(jì)價(jià)值。

    按照以下6個(gè)步驟進(jìn)行傳輸延時(shí)測量。

    5.1 測量連接DUT1節(jié)點(diǎn)到CSA8000垂直輸入的2 in長SMA電纜的延時(shí)

    2 in SMA電纜的CSA8000 TDR如圖5所示。

    測量時(shí)需注意：

    （1）將2 in長SMA-SMA電纜連接至80E04 TDR模塊的一路輸入，另一端保持開路。

    （2） 利用TDR的下拉菜單進(jìn)行測量。

    （3） 注意，這看起來很像圖1中的"OPEN"示例。此處測得的延時(shí)為804 ps,由于是兩倍的電纜延時(shí)，所以電纜延時(shí)為402 ps.

    （4）還需注意的是，第2級階躍實(shí)際為頂部和底部之間的一半。根據(jù)TDR原理，表示2 in長度電纜實(shí)際阻抗為50 Ω。

    （5）這條2 in電纜是測量延時(shí)的通路之一。

    5.2 測量DATA1輸入信號的PCB引線延時(shí)/阻抗

    從該數(shù)據(jù)可以獲得以下幾項(xiàng)信息：

    （1） 圖6與圖4中的仿真曲線相同，這證明了模型的準(zhǔn)確性。

    （2）光標(biāo)用于測量線路阻抗。第1級階躍為49.7 Ω，代表CSA8000電纜。與預(yù)期結(jié)果一致。

    （3）第二光標(biāo)顯示97.8 Ω，為MAX9979內(nèi)部DATA1/NDATA1兩端的100 Ω電阻（參見圖3）。與預(yù)期結(jié)果一致。       （4）第2級階躍阻抗不是50  Ω。這為DATA1 PCB阻抗，大約為63 Ω。這意味著DATA1和NDATA1的PCB引線不是我們所希望的50 Ω。

    （5）大幅值為150 Ω，是額外的50 Ω電纜和100 Ω電阻，只存在于第3級反射。

    該測量可以簡化為：

    （1）將12 in SMA電纜的一端連接至CSA8000.將電纜另一端連接至MAX9979EVKIT的DATA SMA輸入連接器。

    （2）將NDATA1的SMA連接器通過SMA接地，從圖3可以看出這一點(diǎn)。12 in SMA電纜的長度與延時(shí)測量無關(guān)，但應(yīng)盡可能短。

    （3）無需對MAX9979EVKIT供電。該測量針對焊接到電路板上的MAX9979進(jìn)行，但不需要上電。有些用戶更喜歡使用沒有焊接器件的電路板進(jìn)行測量。斷開MAX9979將產(chǎn)生更清晰的3級階躍信號，仿真圖1中的"OPEN"狀態(tài)。兩種配置下，實(shí)際延時(shí)測量結(jié)果相同。

    圖7所示，測量第2級階躍-DATA PCB引線延時(shí)。  

    注意：

    （1） 第1級階躍為電纜，本文對其延時(shí)并不感興趣。

    （2） 測量值為1.39 ns,PCB延時(shí)為該值的一半，或?yàn)?.695 ns.這一延時(shí)確實(shí)大于模型的延時(shí)，但本文僅利用模型估算延時(shí)加以比較。

    測量在信號的傾斜沿進(jìn)行。這些傾斜沿代表電路板SMA和MAX9979 DATA1引腳的電容效應(yīng)。因此，在這些傾斜沿之間進(jìn)行測量能夠確保測試結(jié)果包含了SMA和PIN延時(shí)。還需注意的是，波形中存在凸峰，這是SMA連接器與電路板之間的電感產(chǎn)生的。由此，需要在凸峰之前進(jìn)行測量，以確保獲取完整的電路板延時(shí)。進(jìn)一步的TDR測量讀數(shù)將突顯這些電容和電感造成的傾斜沿和凸峰。

    5.3 測量DUT1輸出信號的PCB引線延時(shí)/阻抗

    PCB（PrintedCircuitBoard），中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為"印刷"電路板。印制電路板的設(shè)計(jì)是以電路原理圖為根據(jù)，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)者所需要的功能。印刷電路板的設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，需要考慮外部連接的布局、內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護(hù)、熱耗散等各種因素。的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設(shè)計(jì)可以用手工實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）實(shí)現(xiàn)。

    圖8所示示波器波形是采用與圖6、圖7相同的設(shè)置產(chǎn)生的?，F(xiàn)在采用一條2  in長SMA電纜連接CSA8000 80E04模塊和MAX9979EVKIT的DUT1 SMA.

    注意：

    （1） 第1級階躍表示2 in電纜。TDR信號為0.5 V,第1級階躍為250 mV.說明電纜的阻抗為50 Ω，與預(yù)期情況一致。

    （2） DUT1延時(shí)是在兩個(gè)傾斜沿之間進(jìn)行測量得到的，與上述DATA1測量說明相同。然而，需要注意的是：這些傾斜沿之間的電平同樣為50 Ω。該值表明較短的DUT1 PCB金屬線非常接近于理想的50 Ω。

    （3） 從上述內(nèi)容得到DATA1引線阻抗為63 Ω，DUT1節(jié)點(diǎn)阻抗為50 Ω。這意味著DATA1輸入的金屬線寬比DUT1輸出的線寬窄。理想情況下，它們應(yīng)該相同。TDR測量發(fā)現(xiàn)了這一差異，這不一定是系統(tǒng)錯(cuò)誤。DUT1引線阻抗稍高是由于較窄的金屬線造成的，但它同時(shí)也減小了DATA1金屬線的電容。數(shù)據(jù)線是長引線，為了保證寬頻帶的要求，該電容應(yīng)盡量小。

    （4） DUT1的PCB延時(shí)很難測量，其阻抗與電纜相同。如果MAX9979沒有焊接到電路板上，將看到"開路"狀態(tài)的三級階躍信號。但是，在焊接了MAX9979的條件下仍然可以測量到這一延時(shí)。通過檢查電容效應(yīng)產(chǎn)生的傾斜沿，可以看出SMA連接器在電路板的焊接位置以及MAX9979 DUT1引腳的位置。同樣可以通過查看SMA連接器電感產(chǎn)生的凸峰，確認(rèn)它處于兩個(gè)傾斜沿之間。解決了這些問題，可以測得延時(shí)為360 ps,將該值減半，得到實(shí)際DUT1 PCB電路板的延時(shí)，該延時(shí)為180 ps.

    5.4  測量CSA8000的基線延時(shí)

    圖9所示，C1和C2是2個(gè)互補(bǔ)PECL信號，幅值大約為450 mV.這些DATA1和NDATA1信號直接由外部的信號發(fā)生器產(chǎn)生，送入CSA8000輸入。采用CSA8000的20 GHz采樣探頭，從該數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)果：

    （1）M1是差分信號C1-C2的數(shù)學(xué)計(jì)算值，幅值為900 mV,10%/90%上升和下降時(shí)間接近于700 ps.這意味著DATA1/NDATA1信號上沒有任何干擾。

    （2）對Crs或M1差分信號的過零點(diǎn)進(jìn)行測量，測得數(shù)據(jù)為29.56 ns.觸發(fā)示波器，本文僅關(guān)注這些過零點(diǎn)中的一個(gè)。給MAX9979上電，然后測量相同過零點(diǎn)，因?yàn)樗峭ㄟ^整個(gè)電路板的延時(shí)。

    （3）該延時(shí)還包括兩條輸入電纜的延時(shí)，因?yàn)檫@些電纜也被用于測量通過電路板的信號延時(shí)，其延時(shí)相互抵消。盡管如此，還是使用盡可能短的電纜，只是該延時(shí)對傳輸延時(shí)測量并不重要。

    5.5 MAX9979EVKIT上電

    將DATA1和NDATA1信號連接至已上電的MAX9979EVKIT的DATA1/NDATA1輸入。使用與第4步相同的電纜。按照傳輸延時(shí)測量技術(shù)資料的規(guī)定，將MAX9979設(shè)置為規(guī)定的0 V~3 V信號，并將輸出端接至50 Ω。本例中，50 Ω負(fù)載為CSA8000輸入，從圖10獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示：

    （1）當(dāng)前的輸出信號幅值為0 V~1.5 V,與預(yù)期情況一致，由于50 Ω負(fù)載的存在而被除以2.

    （2）上升和下降時(shí)間完全在MAX9979的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。由此，可以確認(rèn)由干凈、有效的DATA1/NDATA1驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生完好、干凈、有效的輸出。

    （3）CSA8000保持與第5步相同的設(shè)置，觸發(fā)方式與第4步相同?？梢钥吹竭^零點(diǎn)為33.77 ns.

    5.6 計(jì)算MAX9979的傳輸延時(shí)

    通過MAX9979EVKIT的總延時(shí)為：

    33.77 ns-29.56 ns=4.21 ns

    計(jì)算測量結(jié)果：

    （1）減去0.695 ns的DATA1 PCB引線延時(shí)，所得延時(shí)為3.515 ns.

    （2）減去0.18 ns的DUT1 P

CB引線延時(shí)，所得延時(shí)為3.335 ns.

    （3） 減去CSA8000的2 in電纜延時(shí)，該延時(shí)為402 ps,所得延時(shí)為2.933 ns.

    MAX9979技術(shù)指標(biāo)中，這種配置下的標(biāo)稱延時(shí)為2.9 ns.這里，可以得到焊接了MAX9979的評估板的延時(shí)為2.933 ns,非常接近于預(yù)期值。

    以上分析表明，利用TDR測量傳輸延時(shí)具有以下優(yōu)勢：

    （1） 傳輸延時(shí)測量結(jié)果非常準(zhǔn)確。

    （2） 無需有源探頭（避免由此引入的不準(zhǔn)確性）。

    （3） 簡單技巧可用于絕大多數(shù)傳輸測量。

    （4） 阻抗測量保證正確的連接器和PCB引線阻抗。

    （5） 利用TDR信號能夠分析信號通路的附加電容和電感，必要時(shí)可作為重新設(shè)計(jì)的反饋信息。

    （6） 簡化模型和仿真工具確保獲得正確結(jié)果，并可驗(yàn)證測量配置。

    （7） 采用良好的測試方法測量關(guān)鍵指標(biāo)。

    隨著信號速率的提高，時(shí)序測量的誤差和錯(cuò)誤會(huì)造成不正確的電路規(guī)劃、器件選擇及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。高速測量中保持良好的方法能夠避免亡羊補(bǔ)牢造成的損失。本文著重強(qiáng)調(diào)了這些良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。