時域反射法(Time Domain Reflectometry, TDR)是一種利用送入傳輸線的脈衝的反射能量來測量傳輸線阻抗的方法。當脈衝送入傳輸線時，脈衝以光在介質中的傳播速度進行傳播(通常為真空中光速的60%?80%)。當脈衝遇到阻抗不匹配點時，不匹配的能量會反射脈衝源，整個過程所需的時間為從脈衝源到達阻抗不匹配點所用時間的兩倍。圖1所示為J1端接傳輸線的脈衝源處的典型波形。
設定設計目標
使用TDR可以獲得大量的資訊，如傳輸線阻抗的一致性、連接器品質、連接器位置、傳輸線長度、短路故障或開路故障。但所要用到的測試設備成本不菲，通常需要數千美元。大多數情況下，須要關注的只是傳輸線長度、短路故障或開路故障等三個資訊其中之一。
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| 圖1 (a)為簡化的TDR原理圖，(b)為產生的波形 |
如果只須要獲取這些資訊，則可以採用傳輸線長度、開路故障點、短路故障點等三個低成本解決方案。本設計的目標包括時間解析度不得低於1奈秒(ns)(相當於0.5ft)、整體時間測量精度在±1%之間、0.5ft解析度下的最大測量長度大於200ft，以及TDR所需元件成本低於10美元。
以CTMU周邊測量時間
低成本TDR系統的核心是一名為充電時間測量單元(Charge Time Measurement Unit, CTMU)的周邊。微控制器(MCU)上的CTMU周邊可用於在高精度和高分辨(典型解析度低於1奈秒)的情況下測量時間。
圖2為簡化的CTMU方塊圖，由恆流源和高速開關、類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)、放電開關、類比多工器等各項所組成。所有這些模組均整合於一個微控制器內。
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| 圖2 (a)為簡化的CTMU框圖，(b)為典型CTMU波形 |
CTMU有一個恆流源，開關時間小於1奈秒。該電流可以表示為相對時間電壓的變化值與電容的乘積。下面為相應的標準公式1：
I=C(dV/dT) .................................公式1
求出dT，然後積分可得：
T=(C/I)V ....................................公式2
I是CTMU電流源的輸出電流，C是ADC輸入電容與所有雜散電容之和，V透過ADC測得。這樣可以計算出T的值。
CTMU的電流輸出連接至晶片內建的10位元ADC，後者針對輸入採用電容性數位類比轉換器(Digital-to-Analog Converter, DAC)。因此，採用開關時間低於1奈秒的電流源，以及具有固定輸入電容的ADC。類比輸入的充電時間未知，充電完成後使用ADC來測量電壓。
在C和I已知，並測量出V的情況下，可計算出T。圖2所示為CTMU產生的典型波形。第一個脈衝時開關導通，開始為類比輸入電容充電，電壓線性上升(參考圖1)。第二個脈衝時開關關斷，停止為類比輸入電容充電。此時可測出電壓，並透過公式2算出時間。
除此之外，透過測量兩個已知時間並計算C/I的值，可實現軟體校準。
實作TDR設計
圖1所示為簡化的TDR電路原理圖和TDR波形。圖1中未顯示帶該晶片內建CTMU周邊的16位元微控制器(本設計採用PIC24FJ32GA102)。此微控制器向高速緩衝器發出一個脈衝，此脈衝經過50歐姆(Ω)電阻驅動50歐姆同軸電纜。這將產生圖1所示的波形。產生的波形饋送至一組雙高速比較器，比較器的轉換點分別為1/4 VPULSE和3/4 VPULSE，其中VPULSE為微控制器產生並輸出到RF4的脈衝的幅值。
比較器提供時間測量所需的邊緣CTED1和CTED2，如圖2所示。CTED1提供開始緣，CTED2提供停止緣。產生的電壓透過ADC進行測量，此電壓體現邊緣1和邊緣2間的時間(或50歐姆同軸電纜電氣長度的兩倍)。CTMU周邊的解析度小於1奈秒，從而使整體解析度小於0.5ft。使用10位元ADC時，最大測量長度為500ft。
對照上文提出的目標，在1奈秒或更佳解析度的情況下，CTMU在測量電纜長度時可以輕鬆實現0.5ft的解析度。透過執行軟體校準和使用0.01%石英振盪器，系統能夠在毋須電氣調整的情況下輕鬆校準至1%的精度。10位元解析度的ADC可實現的最大範圍為0.5ft與1024的乘積，超出200ft的範圍要求。TDR相關元件的大致成本，系統成本低於10美元，因此成本符合要求。
(本文作者任職於微芯)