HDMI接口硬件测试 - 图文

HDMI接口硬件测试

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目录 Table of Contents

1 2

综述 ................................................................................................................................................... 8 HDMI的应用优势............................................................................................................................ 8

2.1 音视频融合 ................................................................................................................................... 9 2.2 良好的兼容性 ............................................................................................................................... 9 2.3 出色的抗衰减能力 ....................................................................................................................... 9 2.4 支持更多原色色深 ....................................................................................................................... 9 3

HDMI物理接口 ............................................................................................................................... 9

3.1 TYPE A ......................................................................................................................................... 10 3.2 TYPE B ......................................................................................................................................... 11 3.3 TYPE C ......................................................................................................................................... 12 3.4 HDMI电气特性及要求 ............................................................................................................... 13

3.4.1 TMDS概述 ....................................................................................................................... 13 3.4.2 TMDS系统运行条件及测试特性 .................................................................................... 15 3.4.3 HDMI源端TMDS特性 ..................................................................................................... 15 3.4.4 HDMI接收端TMDS特性 ................................................................................................. 17 3.4.5 传输系统TMDS特性........................................................................................................ 19 3.4.6 +5V电源 ........................................................................................................................... 21 3.4.7 DDC信号 .......................................................................................................................... 22 3.4.8 热插拔检测信号 ............................................................................................................... 22 3.4.9 CEC信号 ........................................................................................................................... 22 4

HDMI的信号传输原理.................................................................................................................. 23

4.1 视频数据周期 ............................................................................................................................. 26

4.1.1 视频支持格式 ................................................................................................................... 27 4.1.2 象素编码和色彩深度 ....................................................................................................... 28 4.2 数据孤岛周期 ............................................................................................................................. 30 4.3 控制周期 ..................................................................................................................................... 31 5

HDMI数字版权保护系统 .............................................................................................................. 32

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6 HDMI测试方案 ............................................................................................................................. 34

6.1 测试仪器要求 ............................................................................................................................. 35

6.1.1 测试夹具（TAP） ........................................................................................................... 36 6.1.2 抖动/眼图分析仪 ............................................................................................................. 37 6.1.3 数字示波器....................................................................................................................... 38 6.1.4 探头和线缆....................................................................................................................... 39 6.1.5 信号发生器....................................................................................................................... 39 6.2 TDSHT3软件介绍 ...................................................................................................................... 40 6.3 源端测试 ..................................................................................................................................... 41

6.3.1 数据眼图........................................................................................................................... 43 6.3.2 时钟抖动........................................................................................................................... 47 6.3.3 时钟占空比....................................................................................................................... 49 6.3.4 过冲/下冲 ......................................................................................................................... 52 6.3.5 上升/下降时间 ................................................................................................................. 54 6.3.6 对间偏移........................................................................................................................... 56 6.3.7 对内偏移........................................................................................................................... 59 6.3.8 低电平输出电压 ............................................................................................................... 62 6.4 接收端测试 ................................................................................................................................. 64

6.4.1 抖动容限........................................................................................................................... 65 6.4.2 最小/最大差分摆幅容限 .................................................................................................. 66 6.4.3 对内偏移........................................................................................................................... 66 6.4.4 差分阻抗........................................................................................................................... 67 6.5 CABLE测试 .................................................................................................................................. 68

6.5.1 数据眼图........................................................................................................................... 68

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表目录 List of Table

表1 HDMI源端DC特性 ....................................................................................... 错误！未定义书签。

表2 HDMI源端AC特性 ...................................................................................................................... 17 表3 接收端设备DC特性 ..................................................................................................................... 219 表4 接收端设备AC特性 ....................................................................................................................... 19 表5 HDMI接收端阻抗特性 .................................................................................................................. 22 表6 传输系统TMDS参数 ..................................................................................................................... 22 表7 +5V电压管脚电压要求 .................................................................................................................. 22 表8 DDC链路最大电容要求 ............................................................................................................... 231 表9 DDC链路上拉电阻要求 ............................................................................................................... 231 表10 热插拔电气特性要求 ................................................................................................................ 227 表11传输期间传输类型和编码类别 .................................................................................................... 26 表12 HDMI支持的分辨率和帧频 ........................................................................................................ 28 表13 前导码对应的每个数据周期类型 .............................................................................................. 32 表14 TMDS接收同步建立时间和扩展周期参数 ................................................................................ 32 表15 HDMI接口硬件测试内容 ............................................................................................................ 35

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图目录 List of Figures

图1 左边是插座，右边是插头 ............................................................................................................. 10 图2 TYPE A信号定义 ............................................................................................................................. 11 图3 左边是插座，右边是插头 ............................................................................................................. 11 图4 TYPE B信号定义 ............................................................................................................................. 12 图5 左边是插座，右边是插头 ............................................................................................................. 13 图6 TYPE C信号定义 ............................................................................................................................. 13 图7 TMDS差分对结构示意图 .............................................................................................................. 14 图8 差分信号的单端电平和差分电平 ................................................................................................. 14 图9 TMDS链接测试点 .......................................................................................................................... 14 图10 均衡器公式及增益....................................................................................................................... 15 图11 源端测试示意图........................................................................................................................... 16 图12 源端测试信号眼图模板 ............................................................................................................... 17 图13 接收端测试示意图....................................................................................................................... 17 图14 接收端测试眼图模板 ................................................................................................................... 19 图15 传输系统测试示意图 ................................................................................................................... 20 图16 类一传输衰减限制....................................................................................................................... 21 图17 类二铜线传输衰减限制 ............................................................................................................... 21 图18 HDMI信号流框图 ......................................................................................................................... 24 图19 HDMI支持的音频格式 ................................................................................................................. 24 图20 720×480的数据传送周期 ............................................................................................................. 26 图21 默认象素编码：RGB 4:4:4，8BITS/分量.................................................................................... 28 图22 YCBCR 4:2:2 分量 ..................................................................................................................... 29 图23 8位YCBCR 4:4:4格式映射 ........................................................................................................ 29 图24 TMDS周期与编码类型 ................................................................................................................ 30 图25 数据岛前导码和保护码 ............................................................................................................... 32 图26 视频数据周期中的前导码 ........................................................................................................... 32 图27 测试点示意图 .............................................................................................................................. 35

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图2 Type A信号定义

3.2 Type B

图3 左边是插座，右边是插头

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图4 Type B信号定义

3.3 Type C

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图5 左边是插座，右边是插头

图6 Type C信号定义

3.4 HDMI电气特性及要求

HDMI的电气特性是与TMDS信号特性相关，同时也与TMDS时钟相关，其中的接口测试是根据传输的不同阶段而分段测试，最后组成一个完整的测试。

3.4.1 TMDS概述

TMDS差分结构示意图如图7所示。TMDS技术利用电流驱动产生低电压差分信号，在接收端通过DC耦合形成传输，传输链路的参考电压AVcc设置差分信号的高电平，低电平由HDMI源的电流和接收端的终端匹配电阻决定，终端电阻RT和传输线的特性阻抗Zo必须匹配，一般选择50欧姆。

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图7 TMDS差分对结构示意图

差分线的单端信号高电平是AVcc，低电平是Vswing，而差分信号的摆幅就是2*Vswing，高电平是正的Vswing，低电平是负的Vswing，如图8所示：

图8 差分信号的单端电平和差分电平

TMDS信号的测试点如图9所示，TP1是用于测试HDMI的源端输出，TP2是用于测试接收端输入，TP1和TP2结合用于测试传输电缆。

图9 TMDS链接测试点

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3.4.2 TMDS系统运行条件及测试特性

终端供电电压AVcc：3.3V±5%；终端匹配电阻RT：50ohms±10%。

所有的TMDS时钟和数据信号的抖动特性都与一个理想的恢复时钟相关，这个恢复时钟用在测试TMDS信号眼图的时候做触发源，这个触发源用一个PLL来实现，带有-3dB带宽为4MHz的低通滤波器。

另外通常高速串行总线都有加重和预加重，在HDMI接口采用传输线均衡器来实现，从而改善传输性能，在接收端能够有一个比较理想的眼图。

图10 均衡器公式及增益

3.4.3 HDMI源端TMDS特性

HDMI需要一个DC耦合TMDS连接，源端测试示意图如图10所示，AVcc为3.3V。

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图20 720×480的数据传送周期

4.1 视频数据周期

视频数据周期传送的是视频的有效象素，每个视频数据周期之前都有前导码，视频数据周期以2位的视频Leading preamble开始。视频数据周期开始时有Guard Band标志后面传输的有效视频数据，视频有效数据传输结束时没有Trailing Guard Band作结束标记。

Guard Band编码成10bits进行传送，分别是： 0通道：0b1011001100； 1通道：0b0100110011； 2通道：0b1011001100。

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4.1.1 视频支持格式

一个HDMI设备所支持的视频格式有可能是RGB 4:4:4；YCBCR 4:4:4；YCBCR 4:2:2 中的任意一种，但是所有的HDMI源端设备和接收端设备都至少应该支持RGB 4:4:4 格式；而对于源端设备和接收端设备支持YCBCR 4:4:4 或 YCBCR 4:2:2 格式，则根据需要而定，但是如果HDMI接收端设备支持YCBCR 4:4:4 或 YCBCR 4:2:2 格式的任意一种，那么以上两种都应该支持。对于格式的支持能力的交换源端和接收端通过E-EDID来进行。

HDMI源端和接收端设备都有可能支持24、30、36、48bits / pixel 的色彩深度格式，但是对于24bits深度的格式，源端和接收端设备都必须要支持。大于24bits的我们称之为“Deep color”模式，虽然所有的深度色彩都是可选的，但是一旦HDMI源端和接收端支持任何一种“Deep color”模式，则必须支持36bits格式的。对于“Deep color”模式而言YCBCR 4:2:2是不允许的。

HDMI支持的象素和帧频分两类，一类是必须支持的，另一类是可选支持的：

表12 HDMI支持的分辨率和帧频

首（必）选格式 分辨率 640×480p 1280×720p 1920×1080i 720×480p 720（1440）×480i 1280×720p 1920×1080i 720×576p 720（1440）×576i 次（可）选格式 720（1440）×240p 2880×480i 2880×240p 1440×480p 1920×1080p 720（1440）×288p 2880×576i 2880×288p 1440×576p 1920×1080p

帧频 59.94/60Hz 59.94/60Hz 59.94/60Hz 59.94/60Hz 59.94/60Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz 59.94/60Hz 59.94/60Hz 59.94/60Hz 59.94/60Hz 59.94/60Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz 23.98/24Hz 第27页, 共70页

1920×1080p 1920×1080p 2880×480p 2880×576p 1920×1080i（1250 total） 720（1440）×480i 720×480p 1920×1080i 1280×720p 720（1440）×480i 720×480p 720（1440）×576i 720×576p 1920×1080i 1280×720p 720（1440）×576i 720×576p

25Hz 29.97/30Hz 59.94/60Hz 50Hz 50Hz 119.88/120Hz 119.88/120Hz 119.88/120Hz 119.88/120Hz 239.76/240Hz 239.76/240Hz 100Hz 100Hz 100Hz 100Hz 200Hz 200Hz 4.1.2 象素编码和色彩深度

HDMI支持3种象素编码：RGB 4:4:4；YCBCR 4:4:4；YCBCR 4:2:2，同时支持4种色彩深度：24、30、36、48bits / pixel，而仅仅RGB 4:4:4 和 YCBCR 4:4:4可用在多于24bits的“Deep Color”模式。

以24bits为例，图25表示RGB 4:4:4 格式的编码：

图21 默认象素编码：RGB 4:4:4，8bits/分量

而图26所示的是24bits YCBCR 4:2:2 信号映射和传输时序，因为4:2:2仅需要每个象素2

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个分量，所以24bits被分成了12bits 代表 Y，12bits 代表 C。

图22 YCBCR 4:2:2 分量

在HDMI种应用的YCBCR 4:2:2象素格式更像ITU-R BT.601标准中规定的，高8位代表Y映射到通道1的8位，低4位映射到通道0的低4位，如果采用多于12位的，则有效位应该左移，而LSb应该补零。

第三种编码：YCBCR 4:4:4与第一种类似，如图27所示：

图23 8位YCBCR 4:4:4格式映射

对于色彩深度位24bits/pixel的格式，象素的传送速率与TMDS时钟一致，而对于更深的色彩深度，TMDS则应该比象素时钟更快，以提供更高的带宽，TMDS时钟是随着象素字的大小而改变的：

24位模式：TMDS clock = 1.0 * pixel clock (1:1)； 30位模式：TMDS clock = 1.25 * pixel clock (5:4)； 36位模式：TMDS clock = 1.5 * pixel clock (3:2)； 48位模式：TMDS clock = 2.0 * pixel clock (2:1)；

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4.2 数据孤岛周期

数据孤岛用来传送音频采样数据和辅助数据，辅助数据包括信息帧和其他用以描述音频和视频流的数据，每个数据孤岛都以前导码开始，接着是Leading Guard Band，然后是孤岛数据。

在每个数据孤岛的TMDS时钟周期，包括Guard Band，TMDS通道0的第0和第1位传送经过编码的HSYNC和VSYNC；TMDS通道0的第2位用来传送包头（Packet Header）；通道1和通道2用来传送包数据，如图22所示，每个包有32象素长度，并且经过BCH ECC错误校验保护。

数据孤岛期间，3个TMDS通道都传送由4bits转换成10bits的数据，并且应用TMDS Error Reduction Coding（TERC4）降低误码率。

图24 TMDS周期与编码类型

对于源端来说，必须要考虑数据孤岛周期的持续时间，用以确定视频信号的水平和垂直标志信号的消隐周期和同步信号，所以必须遵照一下规则：

1) 所有TMDS控制周期至少应该保持tS,min(12)特征（象素）长度； 2）数据孤岛应该至少包含1个数据包，其长度至少是36象素长度；

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通过自己的认证在其规范中列出了一个“推荐测试仪器”的列表，请见CTS 1.3，也就是说这些仪器是在ATC机构使用的测试仪器，一旦自己有了同样的设备，测试合格后，理论上在ATC做认证就没有问题了。

但是据了解现在ATC所使用的都是安捷伦的设备，而我们采用的是泰克的测试设备，两家设备还是有一点点差别，通过泰克测试的产品要拿到ATC进行测试不一定都能通过。不过有一点，只要我们单板做的好，所留的裕量比较大，也不怕ATC用不同的测试设备。

6.1.1 测试夹具（TAP）

所谓的测试夹具其实和我们平时使用的网口测试夹具差不多，也就是一块PCB板，出了不同的接口，在PCB板上出的信号线实现精确的等长设计，另外，PCB板所使用的材质也不一样，普通PCB板是用的FR4,测试夹具上使用的是roges材质的。其特点是：允许外部提供3.3V直流电源，同时采用3.3V的稳压；每个TMDS信号端必须采用3.3V上拉，电阻选用50欧姆，1％精度的；至少有1个GND pin放置在测试端口附近。

泰克公司的测试夹具有两种：插头型(TPA-P)适合于源端测试，插座型（TPA-R）适合于接收设备端测试。

TPA-P

TPA-R

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图28 安捷伦提供的HDMI测试夹具

6.1.2 抖动/眼图分析仪

抖动和眼图的测量都和一个恢复时钟有关，此恢复时钟由时钟恢复单元（CRU）产生，此恢复时钟最接近HDMI规范中的理想时钟，它作为测量TMDS时钟抖动和数据眼图的触发源。

如图29和图30所示：

图29 TMDS眼图测量框图

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图30 TMDS抖动测量框图

对于测量接收端和传输线缆的TMDS时钟大于165Hz的工作模式情况下，测试仪器需加均衡器，可用仪器内部集成的均衡器组件来进行测量。

CTS要求测量仪器必须具备如下能力和推荐仪器：

10MHz的恢复时钟要求至少±0.2dB，20MHz的恢复时钟要求至少±1dB，50MHz的恢复时钟要求至少+2/-6dB；从0-20MHz，抖动要求控制在相位±1.8度。

对于时钟低于148.5MHz的测试：推荐采用Tektronix TDS7404 + 2个P7350SMA 差分探头；

对于时钟高于148.5MHz的测试：推荐采用Agilent DSO8000B + N5308A 探头 + 1169A探头放大器；Tektronix DPO70804 + TDSHT3软件版本3.3.0 + P7313SMA 探头。

6.1.3 数字示波器

CTS要求测量仪器必须具备如下能力和推荐仪器：

对于时钟低于148.5MHz的测试：最低4GHz，-3dB的带宽；输入配置最少1个差分探头和1个单端探头；采样频率最少10G smp/s/通道；存储深度最少16M/通道。

推荐仪器：Tektronix TDS7404。

对于时钟高于148.5MHz的测试：最低8GHz，-3dB的带宽；输入配置最少1个差分探头和1个单端探头；采样频率最少20G smp/s/通道；存储深度最少16M/通道。

推荐仪器：Agilent DSO8000B、Tektronix DPO70804以及此型号以上。

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6.1.4 探头和线缆

? 差分探头

CTS要求测量仪器必须具备如下能力和推荐：

对于TMDS时钟低于74.25MHz的测试：要求带宽最少3.5GHz，推荐仪器为Tektronix 7330差分探头 + Tektronix 016-1884-00 适配器 + Tektronix 196-3469-00 地针

对于TMDS时钟高于74.25MHz的测试：要求带宽最少8GHz，推荐仪器为Agilent 1169A + Agilent N5380A；Tektronix P7313SMA。

对于地线要求：少于7cm。 ? 差分SMA探头

CTS要求测量仪器必须具备如下能力和推荐：

对于TMDS时钟频率低于74.25MHz的测试带宽要求至少3.5GHz，对于高于74.25MHz的测试带宽要求至少8GHz；差分输入阻抗100欧姆；单端输入阻抗50欧姆。

推荐仪器：低于74.25MHz的推荐用Tektronix P7350SMA；对于高于74.25MHz的推荐用Agilent 1169A + Agilent N5380A；Tektronix P7313SMA。

? 单端探头

CTS要求测量仪器必须具备如下能力和推荐：

带宽至少4GHz，推荐仪器：Tektronix P7240；Agilent 1169A + N5380A；Tektronix P7313SMA。

? SMA传输线

CTS要求测量仪器必须具备如下能力和推荐：

要求低于2米，最好低于1米，带宽至少9GHz，50欧姆阻抗；推荐采用Tektronix 174-1428-00 (1.5m)；Tektronix 174-1341-00 (1.0m)；Agilent N4871A。

? 50欧姆SMA终端

CTS要求测量仪器必须具备如下能力和推荐： 要求50欧姆，精度保持在1％；直接与SMA母头相连。

6.1.5 信号发生器

CTS要求测量仪器必须具备如下能力：

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? 视频格式（24bits 和 36bits）：1920×1080p @ 60Hz、1920×1080p @ 50Hz、720

×480p @ 59.94Hz、1920×1080i @ 60Hz、1280×720p @ 60Hz、720×576p @ 50Hz、1920×1080i @ 50Hz、1280×720p @ 50Hz；

? 数据模式：RGB模式（24、30、36、48bits）；YCbCr 4:2:2模式（仅用于720×480p

和720×576p以及24bits格式）；YCbCr 4:4:4模式（仅用于720×480p和720×576p以及24bits格式）；对于VGA或480p/576p格式且24bits的RGB，音频提供2通道16bits的L-PCM，采样频率为48kHz；能够提供1kHz正弦信号幅度为-18dBFS左声道、400或500Hz正弦信号幅度为-18dBFS右声道；在垂直消隐期，能够发送AVI和one Audio InfoFrame包； ? 能够提供+5V电源；

? TMDS时钟特性：添加抖动成分，1MHz和7MHz用于模仿数据和时钟抖动、500kHz

和10MHz用于模仿数据和时钟抖动、所有抖动成分的幅度可以被独立地调整，范围0-1Tbit；

? TMDS数据特性：可以提供地眼图模板包括27MHz、74.25MHz、148.5MHz、165MHz、

222.75MHz和340MHz，上下过冲小于10％/差分摆幅为1Vp-p；

? 所有输出：普通模式电平幅度（50欧姆终端匹配上拉到3.3V上）是2.9-3.3V、差分

摆幅0V（±0.06V）到1.2Vp-p（步进10mV）、通道间的偏移0-37ns（0.1Tbit） CTS推荐的信号源如下：

当TMDS时钟小于74.25MHz时，推荐：Tektronix DTG5274、Tektronix AWG710；当TMDS时钟大于74.25时，推荐：Agilent E4887A系列、Agilent E4438系列、Tektronix DTG5334、Tektronix AFG3102 AFG等。

6.2 TDSHT3软件介绍

TDSHT3内嵌HDMI CTS一致性测试程序，包括软件时钟恢复，确保结果的准确。准确的眼图绘制和高精度超限测试提供了可以信赖的结果。执行接收器测试时，它使用闭环测量准确地消除了由于测试设置带了地不确定因素。

TDSHT3同时提供了自动化功能加快了测量与验证地速度，通过TDSHT3远程控制DTG（数字信号发生器）和AWG（任意波形发生器），可以自动完成复杂地测试过程，把接收器设备地测试时间从几个消失缩短到几分钟。对于CTS所规定的完整的测试项目，TDSHT3

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6、 在Result Details中可以看到结果细节

7、 点击Result Statistics可以看到结果状态

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6.3.2 时钟抖动

测试编号 测试子项目 测试目的 测试设计 7-9 时钟抖动 考察TMDS时钟，是否超过规定的抖动要求 抖动符合源端AC特性要求，如表6；抖动测试考察下图所示： 测试组网图 以Tektronix DPO70804为测试仪器举例 测试步骤 1、连接TPA-P-TDR到源端DUT HDMI输出连接器上； 2、连接差分SMA探头到TMDS时钟； 3、设置示波器和CRU：平均每个通道16M采样点； 4、设置源端DUT输出一个视频格式，时钟频率分别采用27MHz、74.25MHz、148.5MHz和222.75MHz（如果支持的话）； 5、在数字示波器上捕捉波形； 第47页, 共70页

6、测量抖动，如果超过0.25Tbit，则FAIL； 7、重复几次测量。 预期结果 测试说明 软件操作：

1、在TDSHT3主面板上选择－source，然后在clock-data面板中选择Clock Jitter选项

符合表6所示的源端AC特性 无

2、配置Clock为REF1,其余为默认。

3、连接并观察波形是否和参考波形相似。

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4、Run后会自动产生结果。在Result中会有Pass或Fail。

6.3.3 时钟占空比

测试编号 测试子项目 测试目的 测试设计 7-8 时钟占空比 考察TMDS时钟占空比，是否超过规定的占空比要求 占空比符合源端AC特性要求，如表6；占空比测试考察下图所示：

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测试组网图 以Tektronix DPO70804为测试仪器举例 测试步骤 1、连接TPA-P-TDR到源端DUT HDMI输出连接器上； 2、设置源端DUT输出最高时钟频率的视频格式； 3、连接差分探头到TMDS时钟上； 4、在示波器上显示1个时钟周期； 5、设置示波器：以时钟上升沿触发，打开infinite persistence，测量占空比，捕捉至少10000个； 6、测量最大和最小的占空比； 7、重复几次测量。 符合表6所示的源端AC特性，范围为40-60％ 无 预期结果 测试说明 软件操作：

1、在TDSHT3主面板上选择－source，然后在clock-data面板中选择Duty Cycle选项

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gzgx.html