摘要：本文主要介绍一种国际上公认的时域反射技术在PCB高频阻抗检测中的应用，该技术最初是在美国Tektronix公司、英国Polar公司中发展起来的，一段时间内垄断了国内PCB阻抗检测领域。作为国内xx研发的产品，对于我们使用者仍然有些质疑仪器的性能是否达到测量的要求，并不是一个实验品就认为是产品。因此，本文主要通过MSA测量技术对TDR阻抗测试系统的五性进行分析，对该测量系统的性能特征进行评价。

关键字：时域反射技术、TDR阻抗测试仪、特征阻抗、MSA

1前言

　　随着数字化、信息化时代的到来，小型、高频、多功能的电子产品高速发展，对线路板的设计、制造也提出更高的要求。不仅要测量线路的“通”、“断”和“短路”等是否符合要求，而且还应对信号传输线的阻抗特性进行测试和控制，使其在合格的范围内。因此选择好的测量系统，测量线路板的特征阻抗值是验证PCB设计和制造过程的必经之路。TDR测试原理虽然简单，但对于要得到一个xx的TDR响应，其精度取决于测量设备和测量系统。测量设备包括高速脉冲发生器、高速采样示波器和软件等，测试系统包括测量的所有部件，如电缆、探针、以及被测件的类型。大多数情况下，测试系统是最重要的影响因素，如接口传输损失、电缆损失、操作流程等，因此，需要对TDR测量系统进行全面分析以了解其性能特性。

2.MSA测量系统分析

2.1MSA简介

测量系统的分析最初是由戴姆勒克莱斯勒、福特和通用汽车公司联合推广的，主要针对能够重复性读数的测量系统。测量系统是对被测特性赋值的操作、程序、量具、设备、软件以及操作人员的集合，用来获得测量结果的整个过程. 测量系统的结构模型如图1：

图1：测量系统模型

从图中可以看出，由于人、机、料、法、环、测等五方面的原因，会带来测量误差，即使对测量设备进行检定或校准也不一定能满足测量的需求。如果测量出现问题，那么合格的产品可能被拒收，不合格产品可能被接受，难以识别过程中发生的变化；控制图会失控，不能提供正确的信息，此时就不能真正的反应产品的特性。因此，保证测量结果的准确信和可信度，则需要保证测试数据的质量，就是需要对测量系统进行评价，分析测量结果的变差，MSA就是分析测量系统状况的有力工具。

MSA（Measurement System Analysis）是使用数理统计和图表的方法对测量系统的分辨率和误差进行分析，用来评估测量系统的分辨率和误差对于被测量的参数来说是否合适，并确定测量系统误差的主要成分。MSA主要对测量系统的偏倚、线性、稳定性、重复性和再现性进行分析。下文主要是用MSA测量技术来分析评定ASIDA TDR特性阻抗测量系统的质量，以满足测量需求。

2.2 TDR特性阻抗测量系统偏倚性分析

方法：取一个空气棒为标准样本，对该空气棒测量10次，取其均值作为基准值；让一个评价人以通常方法对空气棒测量15次；将测量的数据输入到偏倚分析表中。

数据分析：见MSA偏倚分析表

图2 MSA偏倚分析数据表

结果：该测量系统的偏倚性是在置信水平为95%的条件下进行分析的，数据结果表明偏倚=0值落在置信区间（-0.0095,0.0375）内，说明偏倚可接受，表示TDR阻抗测量系统测量数据的准确度高。

2.3 TDR特性阻抗测量系统线性分析

方法：选择5个空气棒，要求空气棒覆盖阻抗测量系统的操作范围；对选定的空气棒分别测量10次，取其均值作为基准值；然后让一个评价人以通常方法随机对每个空气棒测量12次，将测量数据输入到线性分析表中。

数据分析：见MSA线性分析表

图3 MSA线性分析表

根据线性分析数据所得线性图如下：

图4 直线方程线性图

结果：从线性图表中可以看出“偏倚=0”线xx落在拟合线置信带以内,且|ta|，|tb|≤tgm-2,1-a/2，因此，线性度可接受。

2.4 TDR特性阻抗测量系统稳定性分析

方法：选择50Ω、75Ω和100Ω的3个空气棒作为样本，让同一个评价人每天对每个样本以通常方法进行4次测量，连续25天对数据进行采集；将测量的数据输入到稳定性分析表中。

数据分析：见MSA稳定性分析表

图5 MSA稳定性分析表

根据稳定性数据分析所得均值图和极差控制图如下：

图6 均值控制图（X）和极差控制图（R）

结果：从上述图表中可以看出所有的R极差控制图都在控制限内，说明设备的重复性是稳定的；而X均值控制图中存在数据点在控制限外，说明偏倚随着时间的推移不稳定，即该测量系统一致性有待提高，同时应减少校准时间间隔，校准周期不宜过长，一周为宜。

2.5 TDR特性阻抗测量系统重复性和再现性分析

方法：选取10个空气棒作为样本，对每个空气棒从1至10标记不同的序号；让评价人A以通常方法随机对这10个空气棒进行1次测量，测量时要求评价人不能看到空气棒上的编号，每测完一个空气棒后可以查看空气棒上的编号，并将测量数据填入到MSA GR&R分析表中；让评价人B和评价人C重复评价人A的步骤；让评价人A、B、C对所有的空气棒循环测量3次，将测量数据填入到GR&R分析表中。

数据分析：见MSA GR&R分析表

图7 MSA GR&R分析表-1

图8 MSA GR&R分析表-2

数据相关图表如下

图9 GR&R分析图

结果：从上述分析可以看出设备变差占0.64%,评价人变差占0.02%，重复性和再现性（GRR）变差占0.64%，零件变差将近100%，说明零件变差是测量系统的变差主要来源，测量人员和测量仪器的变差小，说明TDR阻抗测量系统操作简单，测量数值接近真值。且该测量系统的有效分辨率级数ndc=220,大于5，表示TDR阻抗测量系统有足够的分辨力，能够探测过程变差。以上的数据结果也可以通过相关的数据图形进行分析，下面依次对图9中得相关图形进行阐释。

变异分量图反映了量具的整体变差分布情况，从中可以看出量具的GRR、重复性、再现性变差小，变差主要体现在测量的部件上，即测量对象本身的变差，它对变差分量贡献率将近100%，说明测量仪器和测量人员带来的误差小，测量值较准确。

R控制图即样本极差图，是用来确定过程是否受控，从图中可以看出所有点都在控制限内，说明极差图xx受控，同时也反应了所有评价人都进行了相同的工作。

Xbar控制图要求大约一半或一半以上的平均值应落在控制限外，这样表示该测量系统的有效分辨力足够。从该图可以看出所有点都在控制限外，说明TDR阻抗测量系统有足够的分辨率；且从该曲线可以看出三个操作员的曲线相似，说明操作员之间的变异小，再现性好。

数据*部件号图反应零件变差，从图中观察该图为折线且起伏大，说明零件间有较大的变差。

数据*操作员图反应评价人变差，从图中可以看出三个操作员的图形将近三条水平线，没有交叉点，说明评价人之间的变差小。

操作员*部件号交互作用图反应不同的操作员与部件号的交互变差，从图中可以看出三条曲线重叠吻合，说明交互变差小。

3.结论

本文通过MSA对ASIDA TDR阻抗测试系统的分析，可将结果归纳为系统误差和随机误差。系统误差包括偏倚、线性和稳定性，从上述图表分析可知偏倚性和线性满足要求，说明TDR阻抗测量系统在全量程范围内测量的数据有较高的准确度；而稳定性反应了测量值随时间的变异，从图表分析可知极差图受控而均值图未xx受控状态，说明TDR阻抗测量系统的重复性是稳定的，而偏倚不稳定，反应量具随着时间的推移存在位置上的变差，说明该测量系统的稳定性需要进一步完善，目前可以通过减少校准周期和完善校准过程来对稳定性进行控制。随机误差包括重复性、再现性和GR&R，其中需要特别提到一点重复性和再现性的交互作用GR&R，它是对测量系统随机误差的综合评定，是测量系统分析的主要指标，从结果看出该测量系统的设备变差和交互作用变差小，GRR占总变差的比例不足1%，变差主要体现在零件上，表明该测量系统的随机误差小，过程易操作，且能很好体现被测物体的特性。

综上所述，采用时域反射技术设计的ASIDA TDR特性阻抗测试仪对PCB线路的阻抗值测量准确度高，操作过程误差小，重复稳定性好，但偏倚稳定性有待提高。针对偏倚稳定性的提高项目组已有研究解决的方案，也在努力试验中，即将下一代ASIDA TDR阻抗测试仪展现给大家。目前该TDR测试仪已在国内开辟了市场，形成了有价值竞争力的产品，它实现了批量化、自动化、快速、准确测试PCB迹线的特征阻抗，为高频线路板阻抗测试提供了一套标准的解决方案。