符建名

【摘 要】針對通信、控制等日益復(fù)雜的電子系統(tǒng)，提出了一種電纜在線檢測技術(shù)方案。闡述了復(fù)雜電子系統(tǒng)中，電纜在線檢測的技術(shù)方案、在線檢測原理、方法與電路組成。為復(fù)雜電子系統(tǒng)的測試、維修，提出了一種全新的電纜在線檢測方法。

【關(guān)鍵詞】在線檢測；電纜；電子系統(tǒng)

An Online Cable Detection Technique

FU Jianming

[Abstract]

In view of the increasingly complicated electronic systems such as communication and control， an online cable detection technique is proposed. The technical scheme， online detection principle， method and circuit composition of online cable detection in complex electronic system are expounded. The proposed technique provides a novel online cable detection way to test and maintain complex electronic system.

[Key words]online detection； cable； electronic system

1 引言

通信、控制等設(shè)備密集的電子系統(tǒng)中，設(shè)備間電纜的連接直接影響系統(tǒng)的工作性能。因此，在電子系統(tǒng)測試和維修中，如何采用簡易的方法快速地判斷電纜的故障具有重要意義。

判斷電纜故障的通用方法是采用萬用表的兩根表筆分別接觸電纜的兩端進行測試，可直接判斷電纜的故障。在線測試是指電纜的一端連接電子設(shè)備，測試器在電纜的另一端通過測試判斷電纜的故障。目前可用于電纜在線測試的技術(shù)原理是電磁波反射原理。在實際應(yīng)用中，由于制造成本和測試精度的限制，采用電磁波反射原理的設(shè)備一般只應(yīng)用于長線傳輸?shù)碾娎|故障檢測。在一般的電子系統(tǒng)測試和維修中，電纜的開路或短路故障，通常采用萬用表測試。采用萬用表測試的方法有兩個缺點：

（1）必須用萬用表的兩根表筆接觸電纜兩端。連接設(shè)備的電纜較長或其中一端不易拆卸或難以觸及時，不能使用萬用表測試。

（2）對于多芯線電纜的測試只能手動分別一根一根地測試，不能多芯線同時測試。

電磁波反射技術(shù)利用傳播中的電磁波在介質(zhì)發(fā)生變化時產(chǎn)生反射的原理，通過接收到反射信號的時間計算電纜端點到電纜斷開處的距離來推斷電纜開路故障。采用電磁波反射技術(shù)的缺點是：

（1）不能測試短路故障。

（2）制造成本高。

2 在線檢測技術(shù)方案

2.1 需要解決的技術(shù)問題

在線檢測技術(shù)所要解決的問題：

（1）連接設(shè)備的電纜較長或其中一端不易拆卸或難以觸及時，在電纜的另一端通過在線測試即可判斷電纜的故障及類型（開路或短路）。

（2）通過在線測試可判斷多芯線電纜的故障，并同時顯示故障電纜芯線號和故障類型（開路或短路）。

（3）用較簡單和較容易實現(xiàn)的方案解決在線測試問題，降低制造成本。

2.2 電路組成與工作原理

（1）半導(dǎo)體器件P-N結(jié)的電容效應(yīng)

純凈半導(dǎo)體材料有較高的電阻率，但構(gòu)成器件的P-N結(jié)存在擴散電容和勢壘電容。

擴散電容：P-N結(jié)擴散區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子電荷隨外加電壓的變化，可看成P-N結(jié)擴散區(qū)的電容效應(yīng)。當電壓增大，擴散區(qū)電荷量增加，相當于電容充電；當電壓減小，擴散區(qū)電荷量減少，相當于電容放電。P-N結(jié)擴散電容為：

CD=gτp/2 （1）

其中，g為電導(dǎo)，τp為少數(shù)載流子空穴的壽命。

勢壘電容：P-N結(jié)空間電荷區(qū)也有電容效應(yīng)，當P-N結(jié)正向電壓增加時，P-N結(jié)的勢壘高度下降，電場強度減小，空間電荷區(qū)寬度也減小。有P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子流入空間電荷區(qū)，就相當于空間電荷區(qū)充電。當P-N結(jié)正向電壓降低時，P-N結(jié)的勢壘高度增加，電場強度加強，空間電荷區(qū)寬度也增大。有P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子流出空間電荷區(qū)，就相當于空間電荷區(qū)放電。這種電容效應(yīng)稱為勢壘電容。P-N結(jié)勢壘電容為：

CT=εε0A/xm （2）

其中，xm為空間電荷區(qū)寬度，A為P-N結(jié)截面積。

（2）被測故障網(wǎng)絡(luò)特征阻抗

精確計算被測故障網(wǎng)絡(luò)的特征阻抗比較困難。電纜在線檢測技術(shù)利用半導(dǎo)體器件的P-N結(jié)存在結(jié)電容，根據(jù)電子設(shè)備的兩兩引線之間對交流信號呈現(xiàn)的交流阻抗進行評估。

P-N結(jié)結(jié)電容因半導(dǎo)體材料、結(jié)面積和制造工藝等不同而不同。一般高頻器件結(jié)電容較小，低頻器件結(jié)電容較大，通?？稍谄骷謨圆榈健＠?，9018高頻小功率三極管，截止頻率達到1.1 GHz，結(jié)電容1.3 p。以結(jié)電容1.3 p進行計算，工作頻率為100 kHz交流信號呈現(xiàn)的交流阻抗為：

Z==

=1.2×106

即截止頻率達到1.1 GHz的器件對頻率為100 kHz交流信號呈現(xiàn)的交流阻抗約為1.2 MΩ。因此，對頻率低于1 GHz的電路，交流阻抗按小于1.2 MΩ計算，對于更高頻率的電路則選擇更高的工作信號頻率。

（3）在線檢測技術(shù)工作原理與電路組成

被測電纜的兩根芯線A1B1和A2B2如圖1所示，其中C1為電纜A1B1中間任意的一點，C2為電纜A2B2中間任意的一點。本文中在線檢測狀態(tài)指電纜的一端（A1、A2）連接檢測儀器，另一端（B1、B2）按工作狀態(tài)連接設(shè)備。Z為被測電纜所連接設(shè)備兩端的交流等效阻抗。

圖1 被測電纜與設(shè)備連接示意圖

由于半導(dǎo)體器件的PN結(jié)存在結(jié)電容，因此由電阻、電容、電感等電子元件和半導(dǎo)體器件組成的電子設(shè)備兩兩引線之間對交流信號呈現(xiàn)的交流阻抗等于，其中C為等效電容，f為信號頻率。如圖1和圖2所示，Z為被測電纜所連接設(shè)備的交流等效阻抗。

電纜在線檢測技術(shù)利用電子設(shè)備的兩兩引線之間對交流信號呈現(xiàn)的交流阻抗的原理，在設(shè)備兩兩引線之間發(fā)送一個交流信號，在兩個引線之間串接一個測試基準電阻。利用信號在測試基準電阻的分壓，通過比較器后產(chǎn)生一個高低電平。連線接通時輸出高電平，驅(qū)動蜂鳴器產(chǎn)生提示音；當連線斷開時輸出低電平無提示音。電纜在線檢測技術(shù)通過上述原理來判斷電纜的通斷。

在線檢測技術(shù)原理框圖如圖2所示，圖2中的R2即為圖5的開關(guān)K打在R2位置時B、G兩點間電路的交流等效電阻，R2'即為圖5中的開關(guān)K打在R2'位置時B、G兩點間電路的交流等效電阻（相對于不同芯線之間所連接設(shè)備的等效電阻而言，R2和R2'的阻值相對固定，以下簡稱基準電阻R2和基準電阻R2'）。在測試開路故障時，基準電阻R2的選擇應(yīng)足夠大（本實列為1.8 MΩ），信號發(fā)生器頻率的選擇使交流等效阻抗Z=（C為等效電容）小于基準電阻R2，則分壓后輸出電壓大于VA/2（VA為信號發(fā)生器輸出的信號幅值）。比較器門限值取VA/2，比較器輸出高電平，指示燈亮，有提示音輸出。當電纜開路時Z無限大，分壓后輸出電壓為0，比較器輸出低電平，指示燈不亮，無提示音輸出，由此即判斷為開路故障。

在測試短路故障時基準電阻R2'的選擇應(yīng)足夠?。ū緦嵙袨?0 Ω）。因此，只有等效阻抗小于20 Ω時（視為短路）分壓后輸出電壓大于VA/2（VA為信號發(fā)生器輸出的信號幅值），比較器輸出高電平，指示燈亮，有提示音輸出。否則當?shù)刃ё杩勾笥?0 Ω時（視為不短路），分壓后輸出電壓小于VA/2，比較器輸出低電平，指示燈不亮，無提示音輸出。由此即可判斷短路故障。

在線檢測技術(shù)方案的原理圖由信號發(fā)生器電路、基準與分壓整流電路、比較器電路、多路轉(zhuǎn)接電路、顯示電路、微處理器及控制電路組成。在線檢測電路組成框圖如圖3所示：

為便于計算，信號發(fā)生器可采用正弦信號發(fā)生器電路產(chǎn)生正弦信號。但實際應(yīng)用中采用了如圖4所示的3個與非門組成的多諧震蕩器來產(chǎn)生交流信號。其中，R1和C1的選擇使振蕩頻率在25 kHz到100 kHz之間。信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號為方波，方波含有基波、二次諧波、三次諧波等許多頻率成分的波。根據(jù)傅里葉變換，組成方波的各次諧波中，三次諧波以后振蕩幅度快速衰減。因此，在本電路的實際應(yīng)用中可根據(jù)方波的振蕩頻率近似計算等效阻抗。

基準與分壓整流電路和比較器電路如圖5所示。

基準與分壓整流電路由R2、R3、V1、C2組成。其中，R2、R2'對基準電阻的影響最大，選擇高精度金屬電阻，精度為1%，R2阻值為1.8 M，R2'阻值為20 Ω；R3、V1、C2組成整流采樣電路，V1采用整流二極管1N4148，R3、C2根據(jù)信號頻率選擇。

比較器由V2、R4、R5組成。V2采用單電源運算放大器LM358，R4、R5根據(jù)信號幅度選擇。

3 多芯電纜的在線檢測

3.1 主要功能和技術(shù)指標

多芯電纜的在線檢測（以64芯電纜為例），主要功能和技術(shù)指標如下：

（1）在線檢測功能：電纜單端接入（另一端接設(shè)備）即可測試電纜的通斷；

（2）顯示功能：顯示故障電纜芯線編號；

（3）電纜芯線小于或等于64芯。

3.2 多路轉(zhuǎn)接控制

多路轉(zhuǎn)接電路部分由4個16通道模擬開關(guān)和控制邏輯電路組成，其中模擬開關(guān)電路采用MAXIN的16通道模擬開關(guān)電路MAX4968。多路轉(zhuǎn)接電路組成框圖如圖6所示。

微處理器及控制電路由51系列單片機及其外圍電路組成，編程語言采用C51語言。

顯示器采用LCD顯示，提示音電路由蜂鳴器及驅(qū)動電路組成。

4 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)途徑

（1）交流阻抗分壓采樣檢測技術(shù)

在線檢測技術(shù)利用電子設(shè)備的兩兩引線之間對交流信號呈現(xiàn)交流阻抗的原理，采用交流阻抗分壓采樣檢測技術(shù)實現(xiàn)電纜開路故障、短路故障的在線檢測。如圖4所示電纜連接正常時，交流等效阻抗Z=，C為等效電容，適當選取信號頻率使交流等效阻抗與基準電阻R2相當，則分壓后輸出電壓約為VCC/2，比較器輸出高電平，指示燈亮，有提示音輸出。當電纜開路時Z無限大，分壓后輸出電壓為0，比較器輸出低電平，指示燈不亮，無提示音輸出。由此即可判斷為開路故障。

（2）多路組合選擇輸入檢測技術(shù)

本在線檢測技術(shù)通過多路組合選擇輸入檢測技術(shù)實現(xiàn)多芯線電纜的多芯線同時檢測和短路故障檢測。實現(xiàn)途徑如下：

1）多芯線同時檢測：如圖5所示，通過多路模擬開關(guān)使多根芯線分別接入，分別檢測，再由微處理器控制，同時顯示檢測結(jié)果。

2）短路檢測：通過多路模擬開關(guān)使多根芯線兩兩分別接入，分別檢測，再由微處理器控制進行組合邏輯判斷兩兩芯線之間的短路故障。

5 比對測試結(jié)果

用交換機的三種接口對應(yīng)的三根7芯、10芯、19芯電纜做了比對測試。測試結(jié)果如表1所示。7芯、10芯、19芯在線測試結(jié)果與實際故障情況相符，符合率100%。7芯、10芯、19芯三種電纜，每根電纜在線測試平均測試時間小于1分鐘。檢測時間與拆卸電纜后檢測時間相比，縮短數(shù)十倍，甚至更多。

在線檢測技術(shù)帶來的有益效果是：

（1）在線檢測技術(shù)在電纜的一端通過在線即可檢測電纜的故障，減少設(shè)備測試或維修中拆卸設(shè)備的工作量。

（2）在線檢測技術(shù)通過在線測試可判斷多芯線電纜的故障，并同時顯示故障電纜芯線號和故障類型，從而提高了電纜檢測的效率。

（3）在線檢測技術(shù)用較簡單和較容易實現(xiàn)的方案解決在線測試的問題，降低了制造成本。

6 結(jié)束語

電纜在線檢測技術(shù)為復(fù)雜電子系統(tǒng)的測試、維修，提出了一種全新的電纜在線檢測方法。在車載、機載、船載等設(shè)備高度密集的電子系統(tǒng)中，特別是在處理應(yīng)急事件的場合下測試或維修電子系統(tǒng)，需要快速檢測電纜故障時，電纜在線檢測意義重大。

參考文獻：

[1] 董荔真，倪福卿，羅偉雄. 非線性電子線路分析基礎(chǔ)[M]. 北京： 高等教育出版社， 1983.

[2] 浙江大學(xué)半導(dǎo)體器件教研室. 晶體管原理[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 1980.

[3] 王渭濱. 萬用表的工作原理[J]. 中國郵政， 1978（2）.

[4] 劉勇. HP34401A萬用表設(shè)計原理[J]. 儀表技術(shù)， 1994（5）： 25-29.

[5] 眭肖鈺，李依凡，金斌翔，等. 電力電纜故障檢測技術(shù)與設(shè)備[J]. 電力設(shè)備， 2008（6）： 77-79.

[6] 李建輝. 電力電纜故障檢測方法與應(yīng)用[J]. 河北電力技術(shù)， 2009（3）： 36-38.

[7] 魏書寧，龔仁喜，劉珺. 電力電纜故障檢測的方法與分析[J]. 計算技術(shù)與自動化， 2005（3）： 124-126.

[8] 國家測繪總局測繪研究所情報室. 國外電磁波測距儀發(fā)展概況[J]. 測繪通報， 1975（1）： 36-41.

[9] 宋建輝，袁峰，丁振良，等. 電磁波反射測長系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2009（2）： 87-88.

[10] 朱云華，艾芊，陸鋒. 電力電纜故障測距綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2006，34（14）： 81-88.

[11] 袁宇正，沈國健，潘正鳳，等. 電磁波測距儀講座（一）[J]. 測繪通報， 1977（2）.