基于TDR的特性阻抗测量的数据处理算法研究与实现

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目前,随着集成电路的复杂度和集成度不断增大,连接芯片的串行总线的数据传输速率也越来越高,有的高达几Gbps。在如此高的速率下,传输线的阻抗如果不符合标准,将会严重影响信号的完整性,进而影响PCB的质量。因此,PCB厂商和设计人员需要高精度的阻抗测试设备,这样在设计和生产过程中就能有效控制传输线的特性阻抗,从而生产出优质的PCB板。本文正是针对以上问题,研究提高PCB特性阻抗测量准确度的方法。由于特性阻抗的频域测量难以满足工业生产的需求,提出了一种基于TDR的特性阻抗的时域测量方法。这种测试方法能准确、直观且充分的显示PCB传输线的信息。然而时域测量方法容易受到时基抖动和微波反射等的影响,因此,论文采用PDF反卷积法有效去除了数据中的时基抖动,并采用IPC-TM-650规程法、众数法选择最佳测量区域,有效去除了微波反射。实验表明,测量数据处理结果十分接近被测件的标定值。  本论文的具体研究内容如下:  首先,介绍了传输线特性阻抗的概念,并详细总结了特性阻抗控制和信号完整性的关系。另外,研究了阻抗的频域测量原理,并对阻抗的时、频域测量方法做了分析和比较。通过分析和比较,选择时域测量方法,研究了特性阻抗的时域测量理论。为了方便理解TDR阻抗测量原理,使用Cadence中的SigXplorer模块进行阻抗仿真并对仿真结果进行分析。另外,详细分析了TDR测量阻抗的误差来源,以便在实验中予以注意以及在数据处理算法中予以消除。  其次,基于Agilent54754A构建特性阻抗测量系统获取实测数据,并对实测数据预处理。在介绍了测量系统的主要实验设备、分析系统校准方法后,选择两种不同的校准方法获取实测数据,通过两种方式显示测量结果,一种是示波器上直接显示,另一种是将实测数据导入MATLAB获取测量电压波形结果。获取实测数据后,对实测数据去除异常值及取平均值,有效的剔除了测量数据中的离群值,便于后续的数据处理。  然后,为了消除采样示波器时基抖动对测量结果的影响,研究了去除时基抖动算法。在详细分析抖动概念及模型后,通过对时基抖动修正算法的分析,选用三阶泰勒近似估计时基抖动的大小,采用PDF反卷积算法去除时基抖动,并编写相应的处理软件来分析实验数据,有效去除了数据中的时基抖动。另外,为了消除采样示波器时基失真对测量结果的影响,研究了去除时基失真算法,通过实验获取了时基失真数据,并去其进行修正,获得时基失真量之后,对被测件的时基进行修正,获得被测件的特性阻抗值,对比发现,被测件特性阻抗值更加接近标称值,有效消除了时基失真对结果的影响。  最后,为了去除微波反射对测量结果的影响,文中分别采用IPC-TM-650规程法和众数法选择最佳测量区域,以去除微波反射的影响,并根据算法编写相应处理软件来分析实验数据。有效去除了测量数据中的微波反射。而且文中对去除时基抖动和去除微波反射这两种算法进行综合研究,并对处理结果进行分析和比较。为了使数据处理结果可视化,基于MATLAB GUI编写算法处理软件来直观显示数据处理结果。
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