一種電纜在線檢測(cè)技術(shù)

【摘要】針對(duì)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(cè)技術(shù)方案。闡述了復(fù)雜電子系統(tǒng)中，電纜在線檢測(cè)的技術(shù)方案、在線檢測(cè)原理、方法與電路組成。為復(fù)雜電子系統(tǒng)的測(cè)試、維修，提出了一種全新的電纜在線檢測(cè)方法。

【關(guān)鍵詞】在線檢測(cè)；電纜；電子系統(tǒng)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000      中圖分類號(hào)：TN98      文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A      文章編號(hào)：1006-1010(2018)02-0000-00

引用格式：符建名. 一種電纜在線檢測(cè)技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信, 2018,42(2): 00-00.

An On-Line Detection Technique for Cables

FU Jianming

(China Electronic Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

[Abstract] In view of the increasingly complicated electronic systems such as communication and control, a cable on-line detection technique is proposed. This paper expounds the technical scheme, on-line detection principle, method and circuit composition of cable on-line detection in complex electronic system. In order to test and maintain complex electronic system, a new on-line detection method for cable is proposed. The invention has been authorized by the State Intellectual Property Office of the P.R.C, and the invention patent number is 2015103486035.

[Key words] on-line 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(cè)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(jìn)行測(cè)試，可直接判斷電纜的故障。在線測(cè)試是指電纜的一端連接電子設(shè)備，測(cè)試器在電纜的另一端通過測(cè)試判斷電纜的故障。目前可用于電纜在線測(cè)試的技術(shù)原理是電磁波反射原理。在實(shí)際應(yīng)用中，由于制造成本和測(cè)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(cè)。在一般的電子系統(tǒng)測(cè)試和維修中，電纜的開路或短路故障，通常采用萬用表測(cè)試。采用萬用表測(cè)試的方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：

（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(shí)，不能使用萬用表測(cè)試。

（2）對(duì)于多芯線電纜的測(cè)試只能手動(dòng)分別一根一根地測(cè)試，不能多芯線同時(shí)測(cè)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(shí)產(chǎn)生反射的原理，通過接收到反射信號(hào)的時(shí)間計(jì)算電纜端點(diǎn)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(diǎn)是：

（1）不能測(cè)試短路故障。

（2）制造成本高。

2   在線檢測(cè)技術(shù)方案

2.1  需要解決的技術(shù)問題

在線檢測(cè)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(shí)，在電纜的另一端通過在線測(cè)試即可判斷電纜的故障及類型（開路或短路）。

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

（3）用較簡單和較容易實(shí)現(xiàn)的方案解決在線測(cè)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(kuò)散電容和勢(shì)壘電容。

擴(kuò)散電容：P-N結(jié)擴(kuò)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(kuò)散區(qū)的電容效應(yīng)。當(dāng)電壓增大，擴(kuò)散區(qū)電荷量增加，相當(dāng)于電容充電；當(dāng)電壓減小，擴(kuò)散區(qū)電荷量減少，相當(dāng)于電容放電。P-N結(jié)擴(kuò)散電容為：

C_D=gτ_p/2                           (1)

其中，g為電導(dǎo)，τp為少數(shù)載流子空穴的壽命。

勢(shì)壘電容：P-N結(jié)空間電荷區(qū)也有電容效應(yīng)，當(dāng)P-N結(jié)正向電壓增加時(shí)，P-N結(jié)的勢(shì)壘高度下降，電場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)于空間電荷區(qū)充電。當(dāng)P-N結(jié)正向電壓降低時(shí)，P-N結(jié)的勢(shì)壘高度增加，電場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)，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(dāng)于空間電荷區(qū)放電。這種電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容。P-N結(jié)勢(shì)壘電容為：

C_T=εε₀A/x_m                         (2)

其中，x_m為空間電荷區(qū)寬度，A為P-N結(jié)截面積。

（2）被測(cè)故障網(wǎng)絡(luò)特征阻抗

精確計(jì)算被測(cè)故障網(wǎng)絡(luò)的特征阻抗比較困難。電纜在線檢測(cè)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(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)的交流阻抗進(jìn)行評(píng)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，通常可在器件手冊(cè)查到。例如，9018高頻小功率三極管，截止頻率達(dá)到1.1 GHz，結(jié)電容1.3 p。以結(jié)電容1.3 p進(jìn)行計(jì)算，工作頻率為100 kHz交流信號(hào)呈現(xiàn)的交流阻抗為：

Z=1/2πfC=1/(2×3.14×100×10³×1.3×10^-12)=1.2×10⁶

即截止頻率達(dá)到1.1 GHz的器件對(duì)頻率為100 kHz交流信號(hào)呈現(xiàn)的交流阻抗約為1.2 MΩ。因此，對(duì)頻率低于1 GHz的電路，交流阻抗按小于1.2 MΩ計(jì)算，對(duì)于更高頻率的電路則選擇更高的工作信號(hào)頻率。

（3）在線檢測(cè)技術(shù)工作原理與電路組成

被測(cè)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(diǎn)，C2為電纜A2B2中間任意的一點(diǎn)。本文中在線檢測(cè)狀態(tài)指電纜的一端（A1、A2端）連接檢測(cè)儀器，另一端（B1、B2）按工作狀態(tài)連接設(shè)備。Z為被測(cè)電纜所連接設(shè)備兩端的交流等效阻抗。

圖1 被測(cè)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(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)的交流阻抗等于1/2πfC，其中C為等效電容，f為信號(hào)頻率。圖1和圖2所示Z為被測(cè)電纜所連接設(shè)備的交流等效阻抗。

電纜在線檢測(cè)技術(shù)利用電子設(shè)備的兩兩引線之間對(duì)交流信號(hào)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(gè)交流信號(hào)，在兩個(gè)引線之間串接一個(gè)測(cè)試基準(zhǔn)電阻。利用信號(hào)在測(cè)試基準(zhǔn)電阻的分壓，通過比較器后產(chǎn)生一個(gè)高低電平。連線接通時(shí)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器產(chǎn)生提示音；當(dāng)連線斷開時(shí)輸出低電平無提示音。電纜在線檢測(cè)技術(shù)通過上述原理來判斷電纜的通斷。

在線檢測(cè)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(shí)B、G兩點(diǎn)間電路的交流等效電阻，R₂ˊ即為圖5中的開關(guān)K打在R₂ˊ位置時(shí)B、G兩點(diǎn)間電路的交流等效電阻（相對(duì)于不同芯線之間所連接設(shè)備的等效電阻而言，R₂和R₂ˊ的阻值相對(duì)固定，以下簡稱基準(zhǔn)電阻R2和基準(zhǔn)電阻R2ˊ）。在測(cè)試開路故障時(shí)，基準(zhǔn)電阻R₂的選擇應(yīng)足夠大（本實(shí)列為1.8 MΩ），信號(hào)發(fā)生器頻率的選擇使交流等效阻抗Z=1/2πfC（C為等效電容）小于基準(zhǔn)電阻R₂，則分壓后輸出電壓大于VA/2（VA為信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)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(dāng)電纜開路時(shí)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，由此即判斷開路故障。

在測(cè)試短路故障時(shí)基準(zhǔn)電阻R₂ˊ的選擇應(yīng)足夠�。ū緦�(shí)列為20 Ω）。因此，只有等效阻抗小于20 Ω時(shí)（視為短路）分壓后輸出電壓大于VA/2（VA為信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)幅值），比較器輸出高電平，指示燈亮，有提示音輸出。否則當(dāng)?shù)刃ё杩勾笥?0 Ω時(shí)（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(cè)技術(shù)方案的原理圖由信號(hào)發(fā)生器電路、基準(zhǔn)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(cè)電路組成框圖如圖3所示。

為便于計(jì)算，信號(hào)發(fā)生器可采用正弦信號(hào)發(fā)生器電路產(chǎn)生正弦信號(hào)。但實(shí)際應(yīng)用中采用了如圖4所示的3個(gè)與非門組成的多諧震蕩器來產(chǎn)生交流信號(hào)。其中，R1和C1的選擇使振蕩頻率在25 kHz到100 kHz之間。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)方波的振蕩頻率近似計(jì)算等效阻抗。

基準(zhǔn)與分壓整流電路和比較器電路如圖5所示。

基準(zhǔn)與分壓整流電路由R2、R3、V1、C2組成。其中，R2、R2ˊ對(duì)基準(zhǔn)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，R2ˊ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(hào)頻率選擇。

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

3   多芯電纜的在線檢測(cè)

3.1  主要功能和技術(shù)指標(biāo)

多芯電纜的在線檢測(cè)（以64芯電纜為例），主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下：

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

（2）顯示功能：顯示故障電纜芯線編號(hào)；

（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(gè)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(jī)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(dòng)電路組成。

4   關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)途徑

（1）交流阻抗分壓采樣檢測(cè)技術(shù)

在線檢測(cè)技術(shù)利用電子設(shè)備的兩兩引線之間對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)的交流阻抗的原理，采用交流阻抗分壓采樣檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜開路、短路故障的在線檢測(cè)。如圖4所示電纜連接正常時(shí)，交流等效阻抗Z=1/2πfC，C為等效電容，適當(dāng)選取信號(hào)頻率使交流等效阻抗與基準(zhǔn)電阻R₂相當(dāng)，則分壓后輸出電壓約為V_CC/2，比較器輸出高電平，指示燈亮，有提示音輸出。當(dāng)電纜開路時(shí)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。由此即可判斷開路故障。

（2）多路組合選擇輸入檢測(cè)技術(shù)

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

1）多芯線同時(shí)檢測(cè)：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(cè)，再由微處理器控制同時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果；

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

5   比對(duì)測(cè)試結(jié)果

用交換機(jī)的三種接口對(duì)應(yīng)的三根7芯、10芯、19芯的電纜做了比對(duì)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。7芯、10芯、19芯在線測(cè)試結(jié)果與實(shí)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(cè)試平均測(cè)試時(shí)間小于1分鐘。檢測(cè)時(shí)間與拆卸電纜后檢測(cè)縮短數(shù)十倍，甚至更多。

在線檢測(cè)技術(shù)帶來的有益效果是：

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

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

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

表1    比對(duì)測(cè)試結(jié)果

6   結(jié)束語

電纜在線檢測(cè)技術(shù)為復(fù)雜電子系統(tǒng)的測(cè)試、維修，提出了一種全新的電纜在線檢測(cè)方法。在車載、機(jī)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(chǎng)合下測(cè)試或維修電子系統(tǒng)，需要快速檢測(cè)電纜故障時(shí)，電纜在線檢測(cè)意義重大。

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作者簡介

符建名：高級(jí)工程師，學(xué)士畢業(yè)于北京理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，主要研究方向?yàn)橥ㄐ叛b備與系統(tǒng)。