低成本、高分辨率的時(shí)間測(cè)量應(yīng)用

什么是時(shí)域反射法？

時(shí)域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)是一種利用送入傳輸線的脈沖的反射能量來(lái)測(cè)量傳輸線阻抗的方法。當(dāng)脈沖送入傳輸線時(shí)，脈沖以光在介質(zhì)中的傳播速度進(jìn)行傳播（通常為真空中光速的60%到80%）。當(dāng)脈沖遇到阻抗不匹配點(diǎn)時(shí)，不匹配的能量會(huì)反射回脈沖源，整個(gè)過(guò)程所用時(shí)間為從脈沖源到達(dá)阻抗不匹配點(diǎn)所用時(shí)間的兩倍。圖1所示為無(wú)端接傳輸線的脈沖源處的典型波形。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

使用TDR可以獲得大量的信息，如傳輸線阻抗的一致性、連接器質(zhì)量、連接器位置、傳輸線長(zhǎng)度、短路故障或開(kāi)路故障。但所要用到的測(cè)試設(shè)備成本不菲，通常需要數(shù)千美元。大多數(shù)情況下，我們關(guān)注的只是下面的三項(xiàng)信息之一：傳輸線長(zhǎng)度、短路故障或開(kāi)路故障。

這就引出了本文的主題。如果只需要獲取如下信息，則可以采用低成本解決方案：（1）傳輸線長(zhǎng)度、（2）開(kāi)路故障點(diǎn)、（3）短路故障點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)：

? 時(shí)間分辨率不得低于1ns(相當(dāng)于0.5 ft)

? 整體時(shí)間測(cè)量精度在±1%之間

? 0.5ft分辨率下的最大測(cè)量長(zhǎng)度大于200ft

? TDR所需元件成本低于10美元

使用充電時(shí)間測(cè)量單元(CTMU)外設(shè)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量

低成本TDR系統(tǒng)的核心是名為充電時(shí)間測(cè)量單元（Charge Time Measurement Unit，CTMU）的外設(shè)。單片機(jī)上的CTMU外設(shè)可用于在高精度和高分辨（典型分辨率低于1ns）的情況下測(cè)量時(shí)間。

圖2為簡(jiǎn)化的CTMU框圖，由下列各項(xiàng)組成：恒流源和高速開(kāi)關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、放電開(kāi)關(guān)、模擬多路復(fù)用器。所有這些模塊均集成于一個(gè)單片機(jī)中。

CTMU是一個(gè)恒流源，開(kāi)關(guān)時(shí)間小于1ns。該電流可以表示為電壓對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)與電容的乘積。下面為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)公式：

I=C(dV/dT)公式1

求出dT，然后積分可得

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通過(guò)ADC測(cè)得。這樣可以計(jì)算出T的值。

CTMU的電流輸出連接至片上10位ADC，后者針對(duì)輸入采用電容性數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。因此，我們采用開(kāi)關(guān)時(shí)間低于1ns的電流源，以及具有固定輸入電容的ADC。模數(shù)輸入的充電時(shí)間未知，充電完成后使用ADC來(lái)測(cè)量電壓。在C和I已知，并測(cè)量出V的情況下，我們可計(jì)算出T。圖2所示為CTMU生成的典型波形。第一個(gè)脈沖時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，開(kāi)始為模數(shù)輸入電容充電，電壓線性上升（見(jiàn)圖1）。第二個(gè)脈沖時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，停止為模數(shù)輸入電容充電。此時(shí)可測(cè)出電壓，并通過(guò)公式2算出時(shí)間。

通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)已知時(shí)間并計(jì)算C/I的值，可實(shí)現(xiàn)軟件校準(zhǔn)。

TDR設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

圖1所示為簡(jiǎn)化的TDR電路原理圖和TDR波形。圖中未顯示帶片上CTMU外設(shè)的16位單片機(jī)（本設(shè)計(jì)中為PIC24FJ32GA102）。該單片機(jī)向高速緩沖器發(fā)出一個(gè)脈沖，此脈沖經(jīng)過(guò)50Ω電阻驅(qū)動(dòng)50Ω同軸電纜。這會(huì)生成圖1所示的波形。生成的波形饋送至一組雙高速比較器，比較器的跳變點(diǎn)分別為1/4 VPULSE和3/4 VPULSE，其中VPULSE為單片機(jī)產(chǎn)生并輸出到RF4的脈沖的幅值。比較器提供時(shí)間測(cè)量所需的邊沿CTED1和CTED2，如圖2所示。CTED1提供開(kāi)始沿，CTED2提供停止沿。產(chǎn)生的電壓通過(guò)ADC進(jìn)行測(cè)量，此電壓體現(xiàn)邊沿1和邊沿2之間的時(shí)間（或50Ω同軸電纜電氣長(zhǎng)度的兩倍）。CTMU外設(shè)的分辨率小于1ns，從而令整體分辨率小于0.5ft。使用10位ADC時(shí)，最大測(cè)量長(zhǎng)度為500ft。

結(jié)論

對(duì)照我們上文提出的目標(biāo)，首先，在1ns或更佳分辨率的情況下，CTMU在測(cè)量電纜長(zhǎng)度時(shí)可以輕松實(shí)現(xiàn)0.5ft的分辨率。通過(guò)執(zhí)行軟件校準(zhǔn)和使用0.01%晶振，系統(tǒng)能夠在無(wú)需電氣調(diào)整的情況下輕松校準(zhǔn)到1%的精度。10位ADC可實(shí)現(xiàn)的最大范圍為0.5ft與1024的乘積，超出了200ft的范圍要求。最后，我們來(lái)看一下TDR相關(guān)元件的大致成本，系統(tǒng)成本低于10美元。

因此，成本符合要求。最終得出的結(jié)論是，該TDR是可靠、易于實(shí)施和低成本的TDR。