低成本、高分辨率的时间测量应用

2014-12-11 10:01:22来源: eccn

什么是时域反射法

时域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)是一种利用送入传输线的脉冲的反射能量来测量传输线阻抗的方法。当脉冲送入传输线时,脉冲以光在介质中的传播速度进行传播(通常为真空中光速的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,整个过程所用时间为从脉冲源到达阻抗不匹配点所用时间的两倍。图1所示为无端接传输线的脉冲源处的典型波形。

设计目标

使用TDR可以获得大量的信息,如传输线阻抗的一致性、连接器质量、连接器位置、传输线长度、短路故障或开路故障。但所要用到的测试设备成本不菲,通常需要数千美元。大多数情况下,我们关注的只是下面的三项信息之一:传输线长度、短路故障或开路故障。

这就引出了本文的主题。如果只需要获取如下信息,则可以采用低成本解决方案:(1)传输线长度、(2)开路故障点、(3)短路故障点。

本设计的目标:

• 时间分辨率不得低于1ns(相当于0.5 ft)

• 整体时间测量精度在±1%之间

• 0.5ft分辨率下的最大测量长度大于200ft

• TDR所需元件成本低于10美元

使用充电时间测量单元(CTMU)外设进行时间测量

低成本TDR系统的核心是名为充电时间测量单元(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辨(典型分辨率低于1ns)的情况下测量时间。

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

CTMU是一个恒流源,开关时间小于1ns。该电流可以表示为电压对时间的导数与电容的乘积。下面为相应的标准公式:

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输入电容与所有杂散电容之和,V通过ADC测得。这样可以计算出T的值。

CTMU的电流输出连接至片上10位ADC,后者针对输入采用电容性数模转换器(DAC)。因此,我们采用开关时间低于1ns的电流源,以及具有固定输入电容的ADC。模数输入的充电时间未知,充电完成后使用ADC来测量电压。在C和I已知,并测量出V的情况下,我们可计算出T。图2所示为CTMU生成的典型波形。第一个脉冲时开关导通,开始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,停止为模数输入电容充电。此时可测出电压,并通过公式2算出时间。

通过测量两个已知时间并计算C/I的值,可实现软件校准。

TDR设计的实现

图1所示为简化的TDR电路原理图和TDR波形。图中未显示带片上CTMU外设的16位单片机(本设计中为PIC24FJ32GA102)。该单片机向高速缓冲器发出一个脉冲,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,其中VPULSE为单片机产生并输出到RF4的脉冲的幅值。比较器提供时间测量所需的边沿CTED1和CTED2,如图2所示。CTED1提供开始沿,CTED2提供停止沿。产生的电压通过ADC进行测量,此电压体现边沿1和边沿2之间的时间(或50Ω同轴电缆电气长度的两倍)。CTMU外设的分辨率小于1ns,从而令整体分辨率小于0.5ft。使用10位ADC时,最大测量长度为500ft。

     图1a:简化的TDR原理图                              图1b:生成的波形

结论

对照我们上文提出的目标,首先,在1ns或更佳分辨率的情况下,CTMU在测量电缆长度时可以轻松实现0.5ft的分辨率。通过执行软件校准和使用0.01%晶振,系统能够在无需电气调整的情况下轻松校准到1%的精度。10位ADC可实现的最大范围为0.5ft与1024的乘积,超出了200ft的范围要求。最后,我们来看一下TDR相关元件的大致成本,系统成本低于10美元。

因此,成本符合要求。最终得出的结论是,该TDR是可靠、易于实施和低成本的TDR。

            图2a:简化的CTMU框图                       图2b:典型CTMU波形

 

关键字:时间测量  时域反射法

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1211/article_10324.html
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