如何用LOTO示波器TDR方法测试电线长度?

 

TDR也就是时域反射(Time-domain reflectometer)它可以通过观察导线中反射回来的电信号波形对导线长度进行测量或者对传输导线的阻抗特性进行分析评估

我们经常会碰到的TDR的典型应用一种是检测地下铺设的电缆的故障点位置,还有就是PCB高速信号走线的阻抗匹配分析。我们使用LOTO示波器的OSCH02型号,利用一些简单的随手可以找到的材料,测试一下电线的长度,演示一下TDR的原理和实测效果,以便大家直观理解。

 

 

就像一条水渠,如果充足的一股水流突然从水渠的入口涌进来,水波沿着水渠向前传播,当传到水渠的尽头没有渠道可以继续前行的话,会激起一个反弹的水波,又沿着水渠原路反向传回来。我们在水渠的开头会检测到这个回波。从水流涌入水渠入口,到水渠入口检测到反弹的回波,这个时间差乘以水流速度就是渠道长度的2倍。电信号在导体中传播是类似的道理。

 

 

 

如图所示,我们先不接被测线缆,直接测一个陡峭的上升沿信号,会在示波器上得到一个简单的上升沿波形。图中我们用的是一个400K的方波信号,这个边沿不是特别陡峭,不过还可以,也是我这边最方便得到的一个阶跃上升沿。真正要做专业点的TDR测试,是需要用更陡峭的边沿的,至少使用快速阶跃二极管做一个陡峭边沿。

 

 

我们把被测电线接上去对比下波形。我们找到了一段电线,里面有黑红绿白4芯,整体长5.86米。

 

 

我们把导线俩俩串联起来,这样就相当于11.92米的传输线长度,我们把线接入BNC转接头,直接连接到信号源端,同时示波器也并联上来。

 

 

 

 

我们来看下整体的接线情况:

 

 

我们会看到,这样接了传输导线后,原来简单的上升沿变成了阶梯状:

 

 

图中垂直光标a处是上升沿信号从传输线一端加入时,示波器测到的,垂直光标b处是信号从传输线尽头反弹回来后在示波器端测到的,所以ab之间的时间差,就是电信号跑完传输线一个来回的时间。

 

 

测得这个时间差是133ns左右。电信号在导体介质中的理论传播速度是光速。实际上不同的绞线方式和绝缘介质,会有不同的系数,并不真正达到光速。比如双绞线,平行线,同轴线,都会不同,一般系数是0.60.9之间。我并不知道我手里这根线的具体材质和系数,只能大概预估一下。这个线材比较便宜,质量一般,所以传输损耗应该属于比较大的一类,因此取比较低的系数0.6

 

 

传输线的长度= 133ns* 30 0000千米/*0.6/2 = 11.97米。跟我们事先手动测量的11.92米非常接近。我们目前使用的是250M采样率,所以测量的分辨率大概是4ns左右。采样率越高,时间差的测量分辨率越高。在测量公里级的真正电缆故障点的时候,其实由于反弹回来的信号边沿时间更长,也可以使用小一点的采样率。

也有其他示波器的小伙伴测出了类似结果:

 

 

这就是简单的TDR应用案例。在铺设电缆出线故障的时候,也就是利用这个案例的原理,在电缆的一段输入阶跃边沿信号,检测回波的时间差从而算出反射点到输入端的距离,于是就知道了电缆故障点的具体位置了。要做到更专业的TDR,我们需要更陡峭的上升边沿信号作为激励,也需要更高的采样率提高精度,本文只是抛砖引玉给大家直观展示,大家可以自行研究尝试。

 

 

 

 

原文链接:,转发请注明来源!