（电路与系统专业论文）便携式电缆故障定位仪的设计研究.pdf

摘要 本文通过分析l 乜缆的结构及电磁波在电缆中的传输的特性升基丁一种列 电缆故障进行精确定能的方法一一脉冲反射法，研制山便携式电缆故障定何仪 ( 以r 简称定能仪) 。 定位仪是以单片机及c p l d 应州为核心技术的高精度测试仪器，可州下测鼙 电缆的断线故障、混线故5 帝及接地故酥。定位仪由电缆一端输入o 5 s 脉冲宽 度的单脉冲信号，在故障点产生反射脉冲。通过测餐反射脉冲与发射脉冲的州叫 筹，并根据电缆内电信号的传橘速度就可计算电缆端点与故障点的距离。定位仪 就是通过这种方法米对故障点进彳定伉的。它的信号采集频率为1 4 0 m h z ，定 位精度达到2 m 。 该仪器科技含龉高，功能强人，智能化牲度商，操作简单，测量准确，= | j i ；带 方便，适川范同r - 泛，具有j “泛的市场前景。 关键词：电缆故障，高速采集，c p l d ，脉冲反射法 北柬变通人学坝l j 学位沦史 第一章综述 1 1 选题背景 信号电缆的主要功能就是在各铁路调度室及火车之州传递信e 凡 在铁路运输中起到十分重要的作用。随着我国铁路事业的发腱，为了 保证铁路运输的正常进行，当前铁路部门的一项重要工作就是提高刈 信号电缆的维护水平，缩短i 悛障排除时n f j ，以保证信号的及时f 输 信号电缆作为列车信号和运行信号的重要传输通道，直接关系 到列车能否安全正点运行。但由于信号电缆常年处在野外环境之中， 受周围环境、外力影日瞅鼠害以及逐年腐蚀、老化等因素影响，线路 特性会发生变化，以至出现断线、混线、接地等故障，它不但影响铁 路运输的安全正点，而且会造成重大的经济损失。所以，如何用最短 的时间、最低的成本排除电缆故障是铁路电务部门面临的首要课题。 要缩短故障排除时间，寻找故障点的位置是关键。由于信弓l l l 缆 的芯线都是封装在铅皮或猁利护套之内，有时还加铠装，发| - 娜蠢上 后一般都很难从外部赢接观察发现故障点。特别是地下中缆线嘛，故 障点查找就更困难了。因为埋地信号电缆婴从地下挖出来，f c 粜 雌i 剖开后又不是故障点，就会浪费很多人力物力，并延误修复时mj 。 因此，铁路现场急需研究一种携带方便、智能化程度高及榆洲玳 确的电缆故障定位设备。本课题正是基于这种需求提出的。 1 1 1 电缆故障检测技术发展概况 电缆故障测试技术的发展已经经历了相当长的时期，从六七十年 代至今，各种测试方法和测试设备不断涌现，总体看来大概可以分 个发展阶段：电桥法测量阶段、音频感应法测量阶段和脉冲反剁法测 量阶段。下面分别介绍一下这三个阶段的发展状况。 1 ) 电桥法测量阶段 六七卜年代，山了电缆的使用还不足很广泛，所以电缆，l c ! ( | 章测试 没有多大的发展，测试手段比较简单。当时主要的测量方法是- 也桥浊。 电桥法是一种传统的测试方法。利用电桥原理，采用直流、交流 等测试方法，可以测定电缆的各种故障点与测量端之问的距离等数制， 并且可以进行电缆的电气性能测试。 电桥法的优点是原理简单，仪器制造成本低，在早期的电缆故障 测试中应用较普遍。但早期电桥测试方法操作复杂，测试时耍求对方 配合，并且需要知道准确的电缆长度等技术数据：测量精度受环境湍 度、电磁干扰等因素的影响大。般线务人员不易掌握，无法达到准 弧一帝综述 重点介绍了铁路电缆的相关知以，传输线知识以及脉冲反射法工 作原理。为下一步提出系统的软硬件设计方案打下基础。 第三章定位仪硬件设计 介绍了定位仪的总体设计及详述了定位仪各功能模块。 第四章定位仪软件设计 分别介缁丁单片机及c p l d 的软件没计。 第五章调试与问题分析 介绍了现场调试结果及对存在问题的分析。 北京交通大学硕卜学位论文 第二章定位仪工作原理 2 1 铁路信号电缆介绍 铁路信号电缆主要适用于交流额定电压不大于5 0 0 v 或直流1k v 以下传输音频信号及固定敷设的铁路信号和某些自动装胃用的传输榨 制线路，能传输铁路信、集、闭的一股自动信号，具有一定的屏敝性， 适于电气化铁路或其它有强干扰的地方。电缆的使用环境温度般为 一4 5 一+ 6 0 。c ，敷设的环境温度不低于一l o 。c 。电缆导体的长期l i 作温度应不超过7 0 。c 。铁路信号电缆一般敷设在土壤或槽管巾，要 求能承受较大的机械外力。 2 1 1 铁路信号电缆的结构 铁路信号电缆的基本结构包括线芯、绝缘层和保护层三个部分。 线芯是传送电能的导体，它必须有良好的导电性能，以减少电能在传 输过程中的损耗：绝缘层用来将不同线芯以及接地部分彼此绝缘隔离， 它必须绝缘性能良好，并具有一定的耐热性能；保护层用以保护绝缘 层免受外界作用，使电缆在运输、贮存、敷设和运行过程中，绝缘层 不受外力的损伤和防止水分浸入，它应具有一定的机械强度。 电缆线芯的作用是传送电流，为减小电缆线芯中的损耗和r 乜瓜降， 电缆线芯般由具有高电导系数的铜或铝制成。而绝缘层一般是由具 有良好绝缘效果的聚乙烯制成。保护层大致分为塑料护套、综合扩套 和铝护套三种。其中综合护套信号电缆具有一。定的屏蔽作用，”川 需设置屏蔽电缆的电气化区段。铝护套信号电缆具有良好的屏蔽作用， 可用于电气化区段的干线或强电干扰区。 2 1 2 铁路信号电缆故障产生的原因 了解铁路信号f b 缆敞i 罐j “t l ! 的原因，刘 i 减少电缆的损m 、，1 火述 地判定出障碍点是十分夏要的。 造成铁路信号电缆故障的主要原因有： 1 ) 电缆本身的故障 电缆在生产过程中质量不合格，个别线对出现接地、断线、混线 等故障；或电缆护套有砂眼等漏洞使电缆浸水，造成绝缘不良等故 障。 2 ) 施工过程中造成的故障 在施工过程中出于电缆芯线接续造成线对混线、接地或断线等故 障：由于芯线去潮不当，造成绝缘不良故障，或因封焊不良，电缆发 第一带定位仪1 一作腺埋 生浸水故障等。 3 ) 外力影响造成的故障 诸如电缆线路上方施工，不小心就会造成电缆的损伤；有时外力 损伤并不立刻引起线路故障，在一段时间以后，损伤部位彳。发展成为 故障。 4 )自然灾害造成的故障 如地震、洪水、冰冻等。 5 )人为造成的故障 如盗窃通信线路，以及战争等造成的破坏。 2 1 3 铁路信号电缆故障的分类 一般地况，铁路信号电缆故障按其性质通常可分为三种： 1 ) 断线故障 电缆芯线一根或数根断丌，以致阻断信号传递，称为断线故障。 这种现象般是由于接续或敷设时不慎，使芯线折断；或受外力损伤， 或受强电流、雷击之后造成断线；在铝芯电缆中有时因接续不良，芯 线两端形成高电阻的氧化铝而造成断线。 2 ) 混线故障 混线故障有“自混”和“他混”两种。同一线对的芯线出于绝缘 层脱离，以致相互接触造成短路，称为“自混”故障：不同线对的相 邻两根导线之问，失去绝缘能力相互碰触，称为“他混”故障。混线 故障的发生，一般是由于电缆接续工艺不良、或电缆受外力作用的影 响，使芯线绝缘层受伤，造成混线故障。 3 ) 接地故障 电缆芯线由于绝缘层损坏而碰触电缆铅皮( 铅皮是接大地的) 而 造成阻断通信的故障，称为接地故障。接地故障发生的原因，往往由 于电缆接续不善或受外力磕、碰、砸、磨等原因损坏电缆芯线绝缘， 致使电缆芯线直接或通过其他途径问接地接触铅皮，造成故障。 实际的铁路信号电缆故障可能是几种类型故障的组合。比如，双 线接地故障同时会造成线对自混：在电缆浸水、受潮比较严重时，所 有的芯线及：占线对地之间的绝缘电阻均很低，就同时存在自混、接地、 他混故障现象。在判断故障性质时应注意加以鉴别。 2 1 4 铁路信号电缆故障定位的基本步骤 铁路信号电缆故障测量一般有故障性质渗断、故障测距与故障定 点三个步骤。 1 ) 故障性质诊断 6 北京奁蛹凡学坝l 学能论文 在线路m 现故障后，使用测量台、兆欧表、 用表等确定线路l l 障性质与严重程度，以便分析判断l 毁障的人致范围和段落选抒适“j 的测试方法。当电缆发生故障后对故障发生的时间、产生故障的范 围、电缆所处的周田环境、天气的影n m 及可能存在的问题锋要j _ ! 行 综合考虑。 2 ) 故障测距 使用专用测试仪器测定电缆故障的距离，又叫粗测，即初步确定 故障的最小区间。具体细节见以后章节中的叙述。 3 ) 故障定点 根据仪器测距结果，对照图纸资料，标定出故障点的晟小区f n j ， 然后携带仪器到现场，用放音法作精确故障定位，找到故障点。 一般来说，成功的故障点查找要经过虬上三个步骤，否则欲速则 不达。例如，如果不进行故障测距而直接用放音法去定点，沿着很l ：乏 的电缆路径( 可能有数公单长) 逐步排除干扰，寻找故障点是相当费 时的。如已知故障距离，确定出一个大体方位来，在很小的范罔内寻 找就容易多了。 2 2 传输线知识 2 2 1 传输线概念 将电信号从一端传送到另一端的线路，称为传输线。传输线1 _ 在 电子电路中用来连接电路中元件的导线是不同的。如图2 1 所示，电 路中用来连接信号源和负载的两条导线( 月口和口、) 并不是传输线， 因为它仅仅起着连接的作用，在任一时刻，电路中u u ，即电压从“点 传到口点的时削极短，可以不考虑传送时间，【乜没有电压降，也就是 传输时划f = o ，电m 1 斤= 0 ，导线本身既没有电阻，也没有电感，世 不考虑两导线之阳j 的电容和电导，所以导线对从信号源到负载的能帚 不产生任何影响。这主要是因为连接元件之m 的导线长度相当短，和 它所传输的信号波长相比，可以忽略不计。 一1 l u 上一 a ， b 图2 1 电路中的连接线 图2 1 电路中的连接线 。7 北京交通人学倾i + 学位论文 并且电容量与导线的直径、线间距离有关，导线的直径越大，线问距 离越小，电容量越大。 在双线回路中，线路电容是分布在线路沿线的。线路越长，相当 于 u 容并联越多，合起米的i u 容也就越大。这就是说，线路i i = ! l 窬与线 路的长度成! 正比。 幽线划电容的产生可知，线路电容与频率没有关系，与导线奉身 的材料也没有关系。 ( 4 ) 电导 电导用字母g 表示，单位为西门子，它和电阻的关系式为： g ：三( 2 4 ) r 式中，g ：导线的电导，单位为西门子； r ：导线的电阻，单位为欧姆( q ) 。 任何线路都是出导体构成，导体之问要相互绝缘，导体对地( 外 皮或大地) 也应该绝缘。为了达到此目的，就得使用各种绝缘材料， 如空气、纸、塑料等。但这些绝缘材料也并不是绝对不导电，其绝缘 能力是以此材料对电流所具有的电阻大小来决定，这个电阻就称为绝 缘电阻。绝缘材料越好，则其绝缘电阻越大。绝缘材料的绝缘性能通 常并不以电阻来表示，而是以绝缘电导即电阻的倒数来表示。绝缘电 阻越大( 绝缘能力越好) ，绝缘电导越小；绝缘电阻越小( 绝缘能力 不好) ，绝缘电导则越大。 如果外界条件变化，绝缘材料的绝缘电阻也会发生变化，例如在 温度不同的条件下，电缆绝缘纸的绝缘能力就会有很大的差别，其绝 缘电导也会发生明显的变化。 绝缘电导由直流绝缘电导和交流绝缘电导 x 北京交通人学坝i + 学位论殳 图2 3 刚集中参数网络来表示线路均匀传输线的特性阻抗 现在，我们首先从网络链中任取其中的一节，来研究它的特性阻抗。 为了便于分析，将这一节网络等效为不平衡的形式，即把下面的 串臂合并到上面的串臂上，如图2 4 ( a ) 、( b ) 所示。址z i址z( a ) ( b ) 幽24一小段电缆的等效电路 图(b)巾的串臂阻抗冬足电阻黑与电感罢的串联，即 2z 门z 门 z 。= ( r + 以) 三 ( 2 5 ) 并联阻抗z z 是其电容和电导的并联，其值为： z z2 专2 石舞 从而有： 。赢 q 一6 铆常定付仪丁作蟓脞 邵：2 筹 丢= 箸 + ，砒x g + ，们) ( 2 一7 ) ( 2 一一8 ) 式( 2 8 ) 中，分子，2 ( 凡+ ，m ) ( g + ，m c ) 为一有限值，分母”斗m 是一无穷大值，月2 更是一个二级无穷大；有限值与无穷大相除，使得 成为二级无穷小，丢趋于零，因而可以忽略不计，因此结果( 2 8 ) 又可以写作 互：of 2 z2 将式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 和( 2 9 ) 代入对称，r 型网络的特性阻抗表达式： 可得该网络的特性阳抗： z ，= r + 础 g + 应圮 ( 2 一一1 0 ) 由于该网络是由网络键中任取的一节，因此上述推导结果适刚丁 整个网络链路，传输线便等效于这”个网络的连接。因此可以得出这 样的结论：均匀传输线的特件阻抗处处相等，可由一次参数表示为式 ( 2 1 0 ) 。 ( 2 ) 传播常数y 前面讨论了均匀传输线的特性阻抗z 。，从很小的一段线路出发， 导出了均匀传输线上任意一点在匹配系统中的电压与电流的关系。从 电信传输的角度讲，不仅要研究线路的阻抗问题，还应当从能量的观 点来分析传输效果。也就是说，特性阻抗分析的是传输线上某一点的 特性，而对于均匀传输线来说，信号在传输了一段距离后，发生了什 么变化，即信号在传输线上传输时有什么规律和特点，就需要用传输 线的传输常数y 来表征。传输常数y 包含固有衰耗常数( 用a 表示) 和固有相移常数( 用口表示) 。可表示为 y = a + i | 3 北京交通人学硕i ：学位论文 其中固有衰耗常数d 反映了处于匹配连接的系统线路上，在能量损耗 方面的传输规律，固有相移常数反映了信号传播过程中相位的变化。 2 2 4 波速度与波阻抗 1 ) 正弦波在匹配连接的均匀线上的传播 讨论了传输线的传输规律之后，便可以进一步研究正弦信号在传 输线上的各种状态。因为不论是模拟信号还是数字信号，都是由许多 不同幅度、不同频率和相位的正弦波叠加而成。所以，研究萨弦波的 传播规律，具有典型意义。 从f j 两节讨论的传输方程中知道，在匹配连接的的均匀传输线上， 电压波与电流波变化的规律是完全相同的。所以，我们可以用电压波 为代表，来说明f 弦信号的传播过程。 首先指出，由于均匀线的一次参数r 、上、c 和g 是沿线分布 的，所以，电磁波以一定的速度沿线传播时，随着距离的延长，电压 幅度逐渐地缓慢减小，相位角度则不断地滞后变化。因此，对具有分 布参数的均匀传输线束浇，电压、电流是距离的函数。 设输入电压是振幅为i u 八频率为、初相为妒的正弦波： u 。：“+ r ) 从传输方程中可以得出输出电压幅值和相角的公式为 阮i = e 一“ 争，= l 七串一8 这就是浇，输出电压i u 。l 在y 已定的情况下，其大小是随着线路长度， 的增加而按指数规律减小。其相位角与输入电压同样以角频率功作周 期变化，但落后了觑弧度。图2 5 表示了不同瞬间沿线传播的电压波 的情形。 从图中可以看出，随着时间的变化，电压波逐渐前移，它的幅度 随着距离长度f 的增大而越来越小。而且沿线上每点电压的相角，也 随着电压波的移动而变化。 2 ) 波长与波速度 ( 1 ) 波长 笫一章定位仪丁作原理 一i一 u j 。厂、八一一 z ， u 1 、入。卫 l 一 u j 、多 v ，v 幽2 5 电压波的传播 从图2 5 以看到在不同时刻沿线各点的电压波的分布情况，电压波 或电流波在同一个周期丁的时间内传播的距离a ，称为电压波的波长。 由于在一个周期内，电磁波的相位是2 石，而单位线路的相移是卢， 所以，电磁波在 长度上的相移f 好为2 玎，即： ( 2 ) 波速度 波速度即为电磁波的传播速度即电磁波在单位时间内的传播距 离。在一个周期r 内，电磁波的传播距离为a ，表明电磁波的传播速度 为： 五 ， ”7 。形 式中：厂= 圭，为电磁波的信号频率( 此处指f 弦波) ，将式( 2 1 1 ) 代入，则 u ：丝，：竺( 2 一1 2 ) 8 8 掳 至， 砌 丝 触 拈 以所 ：化京交通人学坝i j 学位论文 式中山= 2 力表示角频率，单位是弧度，是乖位长度的相移，叫线鼢 的固有相移常数。 所以，如果说线路的固有衰耗决定着通信的质量和距离，则，m 移 常数决定的是信号能量沿线传播的速度。也可以说，线路的衰耗常数 a 影响着信号的大小，而相移常数影响着信号传播的速度。这就足从 电磁场即从“场”的观点剥传输常数y 含义的解释。m h ，u 亿、州j 传输过程也就是电磁波的传播过程，习惯上也把传输常数) ，叫做化捅 常数。 式( 2 一1 2 ) 表明，电磁波的传播速度与频率和相移常数有关。在高 频时有 = 甜c ，代入式( 2 1 2 ) ，得： u ：罢 ：一毒一 ( 2 13 ) l ( 1、c 由于电缆的一次参数随频率厂变化，电缆中的波速度也随着频率 的增长而增加。在频率很高时，波速度u 趋近于一恒定的常数，可近 似用式( 2 1 4 ) 来表示： f j 。! 一毒二 ( 2 lq ) l o ( o，占 式中，j = 3 l o8 米秒，是光的传播速度，斗为电缆：占线周围介质的l 白 频相对导磁系数，s 为电缆芯线周围介质的高频相对介电系数。 硼见，高频时电缆中波速度可近似认为只与电缆的绝缘介质性顾 有关，而与导体芯线的材料与截面积无关。对于不同导体材料制成的 电缆，只要绝缘介质相刖，其波速度是基本卅i 变的。 3 ) 波阻抗 前面我们用电磁波的传播过程表述了线路的固有传输特m 此分 析是建立存电磁场的产q i 和运动的基础i ，或者说，是从“场”的观 点来进行描述。由 二这种拭述力法比较形缘、自舰，有助_ j 找进 步了解衰耗常数a 和相移常数声的含义，并由所口传输频率厂( 或角频率) 导出了传播速度的概念，以了解电磁波传播的物理过程。现在h 沦 一下特性阻抗在电磁波传播中的作用和含义。 均匀传输线在匹配连接系统中，电压波与电流波具有相同的传播 规律，就是说，电流波的传播情形完全相似于电压波的分柿情况。我 柳审定位仪t 作胤f l | j 们把沿线上任一点同时存在的电压波与电流波的比值称为波阻抗，刚 波阻抗= 二= z 一 ( 2 一1 5 ) ， 、 所以波阻抗在这里的含义就是特性阻抗。在匹配连接的均匀线上， u 随传播距离的增加而减小，同时，也使，以相同规律减小，因而波 阻抗是一常数，与传输线的长度无关，只取决于传输信号的频率和一 次参数。 2 2 5 电磁波的反射与透射 1 ) 电磁波的反射及应用 前面对于线路本身的固有特性及其传输规律的讨论，都是以线路 处于匹配连接状态作为前提的。而对于传输频率范围比较宽，线路结 构种类或形式比较多的通信系统来说，绝对均匀的线路和绝对匹配的 系统是没有的。所以，前面的一些结论，是在理想情况下得到的。从 理想状态出发，可使问题分析得到简化，从而为进一步分析各种复杂 情况的线路传输特性提供理论依据。 ( 1 ) 电磁波的反射 由| j ：面的分析可知当电磁波在无限长均匀传输线上以一定的速 度沿线传播时，如果传输线足够k ，这种传播会无止境地持续下去， 而不会有电磁波的反射现象。 然而，实际通信线路总有一定的长度，为了研究电磁波传播到线 路终端或任意不匹配点时产生的物理现象，我们不妨把均匀线在某处 断开，这样就形成了有一定长度( 假定为，) 的有限长均匀传输线， 如图2 6 所示。 ( a ) z c = z l ( b ) 幽2 + 6 无限k 与有限k 均匀线 l8 北康交通人学捌j j 学位论文 图中用z 作为负载阻抗接到线路的断丌处，当此负载阻抗与线路 的特性阻抗z 。相等时，线路即处在匹配连接状念。图3 6 巾所示的k 度为，的线路即处在匹配连接状态，此时，电磁波在沿线传播的情况 如同在无限氏均匀传输线样。从图巾可以看，把图26h 巾! 。向鱼披 阻抗z 去掉，改接为特性阻抗z 。的无限长均匀线( 图2 6 a ) ，显然小 会改变电磁波在，长度线路上的分布。这就是况，电磁波在匹配线路 上的传播与在无限长均匀线上的传播是一样的。此时，信号能量除消 耗在线路上以外，其余能量将全部由负载吸收，不会产生电磁波的反 射。 当线路负载阻抗z ；不等于线路的特性能阻抗z c 时，即线路处于失 配状态时，电磁波将在负载处产生反射。 反射的概念 在失配状态下，因z z c ，电磁波传播到终端时，碰到的阻抗z l 已不是沿线上各点的阻抗值z 。，这就相当于传播的媒质在终端处发生 了变化。例如终端开路，即z | _ 。，当电磁波传播到终端时，既不能继 续向前传播，又没有负载接收能量，于是电磁波只能由线路终端向始 端回送，这种电磁波的返转传播( 即回送) 现象就叫反射。 入射波与反射波 当线路的负载阻抗z 。不等于线路的特性阻抗时，电磁波从始端到 达终端后就会产生反射。我们把从线路始端向终端传播的电磁波叫做 入射波，入射波包括电压波和电流波。入射电压波用u 表示，入射 电流波用，。表示，从线路终端向始端反射的电磁波叫做反射波，反射 波也包括电压波与电流波。反射电压波用u ；表示，反射电流波用，。表 示。 显然，当阻抗匹配时只有入射波，没有反射波。而阻抗失配时， 既有入射波又有反射波。 ( 2 ) 反射系数 电磁波在线路处于失配状念时将产生反射。但不同失配状念下的 反射情形、反射过程是不一样的，为了更进一步分析线路在各种失配 状态下的反射，需先介绍反射系数的概念。 反射系数的定义 反射波与入射波的比值，称为反射系数，它表示电磁波在线路失 配处的反射程度。用公式表示为： 第一审定位仪t _ 忭原j 坐 d ：监：生( 2 一1 6 ) j u kl 入 用反射系数的阻抗表示： 电磁波产生反射的原因是因为线路失配( 包括线路特性阻抗改变 或线路终端负载不匹配) ，即z 。z 。，而反射波的传播也是在同一线 路上，只是由失配点传向始端而已。因而在波阻抗及传播中的衰耗及 速度方面与入射波的规律是相同的。显然： 兰尘= z ， ( 2 一1 7 ) 、 丝：z ， ，反 上式对于沿线任意点都是适合的，对于发生反射的终端点上处来 说，入射电压为u m ，入射电流为， ，而反射电压为u 反，反射电 流为，反，则其合成电压与合成电流分别为： u | = u fk + u i 此即为失配点上处( 设为线路终点) 电压与电流的关系。由式( 2 1 7 ) 终端处有： 丛：z 。l 入 堡：z ， 1l 反 黜u f j = i z | = l j 。一j 1 0 - z f = l 忱z ! _ i 暇z i 。 同时有u l j = u i j k + u f 反= j | j k z ( + l ? 夏z 整理得： f 2 r 、 北京交通大学坝l 。学位论义 i f 最一z i 。一z c i f i kz | + z t 根据反射系数的定义： 。：生：生：兰! ：二互 4 ik l | 、z | + zc 此即为反射系数的阻抗表达式，假定在线路点处的负载阻抗为 z 。则有反射系数 口= 兰i 二! ! ：( 2 一一1 9 ) z ，+ z ( ( 3 ) 各种失配情况下的反射 终端丌路( z 。一。) 时的反射 此时，当电磁波到达线路开路( 或断线) 点后，能量将全部回送， 这种情况称为全反射。 电流是在导线中沿线传播的，而电压是在两导线间沿线传播的。 假设线路是无耗线路，当入射电流波到达终端时，就会遇到一无穷大 的负载阻抗，此时它只能从原路返回，因而线路上任一点的电流是入 射电流， 与反射电流k 的合成。，= ，八一，i ，这罩相减的关系，是d 0 于入射电流波与反射电流波方向相反。入射电压到达终端后，反射电 压波以入射电压波相同的极性加在两线之问，并向线路始端输送。因 而，线路上任意点处的电压也是出入射电压u 。与反射电压u 反所合 成，即u = u + u 反。 图2 7 示出了不考虑线路衰耗时，电流波与电压波的能量合成情 况。此时，因u = u 坟， = 坛，所以合成电压u = 2 u 八，合成电流 ，= o ；从能量的观点讲，由于此时，= o ，磁场能量消失，转化为电 场能量，致使电场增加了一倍。电场能量的增加即表现为r b 压升岛， 终端电压出现了比始端电压及其线路其他点电压高的状态因而就形 成了全反射。 第二章定位仪 t 作原理 缓缓缓缓缓豹鬟殇黝z 一 1 。一醚蕊蕊阏 一 ( a ) 电流放 岵一蕊蕊蕊测 缓缓缓缓缓缴l i 磁缓缓荔缓豹f ( b ) 电压坡 图2 7 无损耗线z = 时电流与电压的反射情况 以上为开路端产生全反射的物理解释，若从反射系数的阻抗表达 式出发，开路时z i 寸，根据式( 2 一1 9 ) ，此时z ， z r ，可以 忽略z 。的作用，从而有： p 2 等。t 锄， 说明丌路终端处反射电压与入射电压极性相同，大小相等，在丌 路点处出现电压加倍现象。 应当指出，以上分析均不考虑线路的衰耗，即假定线路的分布电 阻r 和分布电导g 均作为零的情形。这有利于理解全反射的概念，即 把复杂问题简单化。但无损耗线( 矗= 0 ，g = 0 ) 只是一种假设， 有损耗线上的情况应如图2 8 所示。 终端短路( z 。= 0 ) 时的反射 假设线路仍无损耗，当终端短路时，此处的电场能量消失，增大 了磁场能量，使电流加大，向始端回送。由于负载阻抗为零，没有能 量消耗在负载线上，所以终端的能量将全部回送，这也是一种全反射。 图2 9 示出了忽略线路衰耗时，电压波的合成情况。此时， u 。= u k ，但相对于终端丌路来讲，此时u 反与( ， 是反向的，因 而有u j i = 一u 八，其电压能量的合成情况如图2 9 所示。 北京交短人学顺l + 学位论立 ( a ) 电流渡 图2 8 有损线上z ，= 时电流与电压的反射情况 当终端短路时，有z ，= 0 ，代入式( 2 一l g ) ，有 p 2 箦一 吲， 1 跹蕊心忒测 缓缓彩笏黝i 磁沥笏琵豹f 一 ( a ) 电流渡 殇缓缓缓黝弧缓缓绣缓勿f u 。一蕊蕊蕊测 一 ( b ) 电压渡 剧2 9 无损i e 线z ，= o j | ：_ jl 乜流与l b 脉的反射悄况 说明短路点反射电压与入射电压大小相等，方向相反 为零。 第一帝定位仪t 作原理 l 劐2 1 2 小j 厦雕线路的透射上j 反射 又由 z 2 一z i 胪毒菌 所以 ，= 茏 _ 在实际工作中遇到的大多是同一线路中出现低阻故障等现象而造 成线路的失配现象，此剥为同一线路，在失配点前后线路的特性阻执 相同，即z ：= z ，= z 。故式( 2 2 5 ) 可简化为： y = 1 一p ( 2 2 6 ) 将低阻混线故障时的电压反射系数( 取绝对值) 代入，有： 2 尺， 卜赢 爿7 低阻故障的电压透射系数为正，幅值小于1 。这与实际的f 乜磁波的 透射现象是相符的。电磁波在越过故障点后会损失部分能量，造成信 号幅值减小。 2 2 6 传输线的不均匀性 1 ) 线路不均匀性的概念 线路的一次参数分布不均匀时，即称之为非均匀线路。线路的不 均匀性是由多种因素造成的。象由于敷设工程的需要，将不同结构的 线路连接在一起，会使整个线路的一次参数发生变化，造成线路的不 均匀性；由于制造工艺的原因，使线路本身的结构不均匀，象线路的 北京交通大学硕士学位论文 线径不均匀、扭距不一致、绝缘材料不均匀等，都会造成整个线路的 不均匀性：另外，由于接续原因，也会造成线路的参数发生变化：而 线路上发生接地、短路、断线等故障时，将会使线路的一次参数改变 得更多。这种改变了线路回路参数的状况都称为传输线的不均匀陀。 任何不均匀点，都会造成阻抗不匹配，从而产生电磁波的反射。 f “格地说在实用的通信线路中，绝对的均匀线是没有的，多数 情况下是在不均匀状念中运用的，不过这种不均匀不致于造成影响通 信质量的程度。一般说束，线路就其每一段来说是均匀的，但由于每 一一段又有各自的特性阻抗，相：互连接时，便成为不匹配连接这些接 点便成为非均匀点。 2 ) 非均匀点对传输信号的影响 当非均匀线路的始端接上信号源时，入射电压波沿着线路传播， 当线路在始端和终端的任意一点上出现不均匀时，就会在这一点上产 生反射，反射部分的强弱程度，决定于不均匀点的反射系数。一般来 说，负载一侧的输入阻抗不会太大，也不会小到零，因此，它所造成 的电磁波的反射，仅仅是一部分，其余的电磁波能量，还是越过故障 点传输到终端的负载阻抗上。 使用脉冲测试仪器测试线路故障时，不均匀点的存在，会在波形 上出现一个反射峰，容易被测试人员误判断为故障点。因此，测试人 员应对线路上的不均匀点有所了解，测试时减少误判断。 2 2 7 电磁波在传输线中的衰耗 1 ) 衰耗的概念 在前面我们知道传播常数由衰耗常数d 和相移常数口组成，并对两 者的物理意义进行了分析，其中衰耗常数a 又反映了传输线中处于匹 配连接的线路上，在能量损耗方面的规律，而相移常数卢则反映了信号 在传播过程中相位的变化。 衰耗常数仅反映的是传输线固有的衰减规律，即在一定长度、结 构的传输线上，输出信号与输入信号幅值的变化规律：( 如图2 1 3 ) 幽2 1 3 衰减常数。与频率，的芙系 北京交通人学坝1 学位论文 所含能量越少，反射脉冲的能量也越小，越不易检测。所以测试时应 该选用合适的脉冲宽度。 3 ) 脉冲的幅度 脉冲幅值的选择应既不影响测试性能，又能使测试距离尽可能远。 发射脉冲的幅值并不是越大越好。脉冲幅值除了受仪器内部电路特性 及被测线路所能容许的最高电压的限制外，线路本身不均匀所造成的 “噪声干扰”，也使过高的发射脉冲幅值失去意义。因为当发射脉冲 幅值加大时，线路不均匀处所造成的反射脉冲同样加大，这样故障点 所造成的反射脉冲同样被淹没在因线路不均匀而造成的“噪声干扰” 反射波形中，而不易被识别出来。根据现在技术条件及测试仪器所 具有的足够的灵敏度，一一般情况下，测试时采用1 0 v 左右的甜! 形脉冲 即可达到测试目的。 2 3 3 反射脉冲的判断 使用脉冲反射法测试仪器进行电缆线路故障测试时，除熟练掌握 仪器的使用方法，充分运用仪器提供的各种功能外，还要j 下确地分析、 理解脉冲反射波形。只有真正掌握了电缆线路在不同状况下的脉冲反 射波形，刊能顺利、准确地判断出故障点。 图2 1 6 a 给出了一有低阻故障的电缆，中间有接头，图2 1 6 b 给出了向电缆注入一低压脉冲测得的脉冲反射波形。类似于透视用的 x 光片，被测电缆状态以波形的形式直观地呈现在测试仪器的显示终 端上。把波形上任一点的时间坐标乘以二分之一的波速度，换算成距 离，则电缆上所有的阻抗不匹配点，如中问接头，、故障点f 、电缆 的丌路终端b 等，均按对应的距离以脉冲的形式出现在波形上。根据 脉冲的极性可判别阻抗不匹配点的性质：丌路故障的反射脉冲是诈极 性脉冲，而低阻及短路故障反射脉冲是负极性脉冲。根据反射脉冲幅 a j p b ( a ) 电缦结构 剀2 1 6 脉冲反射波形与电缆结构的笑系 北京交通人学坝i 。学位论文 第三章定位仪硬件设计 根据前一章的介绍，我们对脉冲反射法检测电缆故障有了令丽的 了解。本章中主要介缁定位仪的硬件总体设计及各模块烊述。 3 1 定位仪总体设计 定位仪是以t i 的1 6 位单片机为核心的智能化仪器。主要包括信 号发送模块、信号采集模块、数据存储模块、中央控制模块、键艋及 液晶显示模块等。 图3 1 是定位仪的硬件结构框图。在下一节将详细介绍各个模块。 幽3 1定伉仪的硬1 ，| ：结构框图 3 2 定位仪各功能模块 3 2 1 信号发送模块 为了测试方便，定位仪内部配置脉冲发生器。浚脉冲发生器，【j 以 产生两种频率的脉冲：一种是o 5 “s 宽度的单脉冲，用来使用脉冲反 射法确定故障点；另一种是2 0 k h z 的连续脉冲，用来使用音频感应法 对故障点进行精确定位。其频率的变化可由单片机来控制。 图3 2 为脉冲发生器的原理图。我们利用单片机系统控制c p l d 产生两种频率的脉冲，通过驱动芯片7 4 0 6 将其电平抬高到9 v 并发射 到电缆芯线上。 北京交迎人学坝i 学位论文 如) 。= l 2 ( 3 一一3 ) 解( 3 3 ) 这个超越方程( 用泰勒级数逼近法) 得到 脚，。：旦型( ：卜、1 1 脚一3 ，2 、1 _ 、 j z 取t = o 1 ”，则 = 4 ，4 3 l l o “，剥应于厂3 m = o7 w 止，吱 际上，以一3 d b 频率作为截止频率会引起3 0 的幅度误差，所以一般 取其4 5 倍作为截止频率，即厂。= ：2 8 3 5 m 胁。 采样定理要求采样频率大于等二于二2 _ ，：，事实上为了更好地恢复原 波形，工程中都取大于等于l of 。，即采样频率为2 8 3 5 肘舷。 上述分析说明，从信号截止频率的角度看，系统的采样频率应该 达到2 8 m h z 以上，办即系统的通过速率要求在2 8 m s p s 以上。但系统通 过速率与精度指标也有关，下面分析一下该信号采集模块的精度要求。 根据前面的分析，用脉冲反射法进行电缆故障检测的核心就是测 量芯线上的脉冲波形，找出反射脉冲和发射脉冲之间的时问问隔。这 罩设电流行波在电缆中的传播速度波速2 0 0 m u s ( 油浸纸电缆v = 1 6 0 m u s ，塑料电缆v = 1 7 0 一2 0 0 m u s ) ，若要求波形上的点能分辨出 2 m 的长度，则需要的采样次数为2 0 0 2 = 1 0 0 次，要求采样频率 至少达到1 0 0 m h z ，即系统的通过速率应在1 0 0 m s p s 以上。本系统采用 的a d 转换芯片m a x l1 9 8 就是工作在1 4 0 m h z 的采样频率下。 2 ) 数控放大器a d 8 3 6 9 ( 1 ) 芯片介绍 信号发送模块发送的脉冲经过电缆故障点反射回来后，衰减很大， 实际测量中可衰减1 0 0 多倍，所以在a d 转换芯片转换之前需要对输入 信号放大。数控放大器a d 8 3 6 9 可以根据所得数据自动调节增益，使之 与a d 转换芯片的测量范围相匹配。a d 8 3 6 9 是一种以分贝为学位的线 性数字可变增益放大器( d v g a ) 。所以用a d 8 3 6 9 设计的信号采集模块 消除了一般信号采集电路中的传统增益放大器，可以实现全数字化， 并且电路的复杂程度也大为降低。该芯片主要参数如下： 4 5d b 的增益调节范围，3d b 步长 第三章定位仪碰件设汁 工作频率从低频到4 0 0m h z ，2 0m h z 带宽内增益波动小于o 1 d b 通过一个数字接口( 串行或并行) 控制增益 5 v 电源供电时仅耗电3 7 m a 内罱滤波电路 图3 3a d 8 3 6 9 内部电路框幽 a d 8 3 6 9 的内部电路结构如图3 3 所示，由一个7 阶r 一2 r 梯形电 阻衰减网络、固定增益放大器、3 d b 开关衰减器、互补电流源输出网 络、偏置电路、增益步进控制电路和数字接口等部分组成。a d 8 3 6 9 工 作时，数字接口( 并口或s p i 串口) 接收的4 位二进制增益控制代码， 其高3 位用于控制跨导单元和梯形电阻衰减网络，实现步长6d b 、最 大4 2d b 的增益调节，最低位用来控制3d b 开关衰减器，并配合前 面的电阻衰减网络，最终实现在4 5d b 增益调节范围内，：3d b 步k 的 数字增益调节功能。a d 8 3 6 9 的输出电路采用两对互补电流源的全差分 形式，差分输出阻抗2 0 0q 。a d 8 3 6 9 的电压增益可以用式( 3 5 ) 计算： 鳖：o 一二塑l 1 f 一1 ( 3 _ - 5 ) 咋 l 2 0 0 + r j l 2 ( ”一”) j 式中r 。是外接负载电阻，单位是欧姆； n 是增蕊控制代码，最小是( ) ，最大是15 。 显然，r ；与a d 8 3 6 9 的输出电阻的并联值共同决定a d 8 3 6 9 的最大 增益和输出信号的幅值，但r 。的大小并不影响该芯片的增益调节步长。 它的主要引脚有： b t o b t 3 ：数控增益引脚。有1 6 种增益可供选择。 北京交通人学倾 j 学位论空 i n l o 、i n h i：差分输入引脚。 o p l 0 、0 p h i ：差分输出；】脚。 f i l l ：高通滤波设置引脚。 d e n b ：数字使能引脚。 ( 2 ) 芯片应用 ； i 图3 4 a d 8 3 6 9 的电路原理图 图3 4 为a d 8 3 6 9 的电路原理图。a d 8 3 6 9 的增益控制有两种模式。 一种是串行模式，此时b t l 为c l k 输入引脚，b t o 为数据输入引脚； 另一种是并行模式，此时在d e n b 引脚为高的时候，b t 0 一b t 3 输入 控制编码。表3 1 为并行模式时电压增益与控制编码之间的对应关 系。 本系统采用的是并行模式。由单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 2 0 p 2 _ 3 引脚来输入控制编码。f i l t 引脚上连接了一个0 i 心的电容，增益为 一3 4 b 时高通滤波器的截止频率为丢赢2 1 6 尼。信号经过 放大之后，以差分方式输出给a d 转换芯片m a x l l 9 8 。 3 ) a d 转换芯片m a x l l 9 8 本系统采用新型的高速a d 转换芯片，代替了以前用多个a d 转换 芯片并联的方式来提高采集频率的方法，大大提高了系统的稳定度。 ( 1 ) 芯片介绍 由于该信号采集系统需要以1 4 0 m h z 的速率进行采样，且有低功耗 的要求。所以这里选用m a x i m 公司的m a x l l 9 8 。m a x l l 9 8 是一款3 3 v 、 双通道8 位模数转换器( a d c ) ，具备全差分宽带跟踪保持( t h ) 输 北京交通人学倾l 学位论艾 2 - b i ta d c 幽3 5m a x l l 9 8 内部模数转换部分结构框图 m a x l1 9 8 使用一个7 阶差分通道，来确保在它的功耗减到最小时 仍然可以高速转换。图3 5 显示了m a x l l 9 8 内部模数转换部分的结构。 m a x l1 9 8 的主要引脚有： i n a + 、i n a 一 ：a 通道模拟信号差分输入引脚。 c l k ：转换时钟输入引脚。 s l e e p ：睡眠模式控制引脚。输入为高时进入睡眠状态 输入为低时进入f 常状态。 p d ：电源控制引脚。输入为高时进入掉电状态，输入 为低时进入正常状态。 册：输出使能引脚。引脚输入为高时，输出无效：引 脚输入为低时，输出有效。 d o a d 7 a ：8 位转换数据输出引脚，三态输出。 o v d d ：输出驱动电压，用来驱动8 位转换数据的输出。 标准值为2 5 v 。 r e f o ：内部参考电压输出引脚。可提供内部参考电压。 r e f i ：参考电压输入引脚。 ( 2 ) 芯片应用 图3 6 为m a x l l 9 8 的电路原理图。该芯片的参考电压可以由内 部提供也可以由外部提供。本系统采用的是内部参考电压。它的c 【。k 引脚接的是出1 4 0 m h z 的有源晶振提供的时钟信号。模拟信号的输入方 式采用差分输入。它的s l e e p 、p d 和0 引脚由单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 的 同一个引脚控制，当启用a d 转换芯片时这三个引脚同时输入低电平， 第三章定位仪硬件设计 。， i 。 一b 琳翮羽 i ；i 2 ； j ； “6 、， 叫p 一鼎。，撩二哥 0 1 “f c 4 2 l i 乍干芝_ 黜”黑二主 1 。：巍r l 串麓撬董釜 卜 ”3 “匍獬。黑= 量= 2 2 2 孰g g g 闹= 蚓! 附9 8 幽36m a x 】1 9 8 的l _ 乜路原理幽 其它时间这三个引脚输入高电平，以降低功耗。 3 2 3 数据存储模块 经由信号采集模块采集的数据，要先存入存储器，然后等待c p u 处理。 一般存储器根据工作原理分为d r a m ( d y n a m i cr a n d o m a c c e s s m e m o r y ) 和s r a m ( s t a ticr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 两种。 d r a m 表示动态随机存取存储器。这是一种以电荷形式进行存储的 半导体存储器。d r a m 中的每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组 成。数据存储在电容器中。电容器会由于漏电而导致电荷丢失，因而 d r a m 器件是不稳定的。为了将数据保存在存储器中，d r a m 器件必须有 规律地进行刷新。 s r a m 表示静态随机存取存储器。它只要供电它就会保持一个值。 一般而言，s r a m 比d r a m 要快，这是因为s r a m 没有刷新周期。每个 s r a m 存储单元由6 个晶体管组成，而d r a m 存储单元由一个晶体管和 一个电容器组成。相比而言，d r a m 比s r a m 每个存储单元的成本要高。 照此推理，可以断定在给定的固定区域内d r a m 的密度比s r a m 的密度 要大。 北京交通大学硕 学位论文 a d d r e s s b h eb l e w e c e ( 一t 。一 h 一k w 心r歹 _：删 一 _ 锄e 沁心沁沁沁心沁渊i夕钐钐钐钐钐形 _ s c i 心沁心心心沁心心心i夕钐形钐形钐 k - 一k 。一 l h 口 i ，_ 一_ 、l 图3 8b 本系统中c y 7 c 1 0 2 1 b v 3 3 的写时序图 当c e 引脚为高时，所有的i o 引脚成高阻状态。 该芯片的读时序有两种，写时序有三种。图3 8 是本系统中使用 的读写时序图。 ( 2 ) 芯片应用 矗b l e - l ，0 2 l ，o l5 i ，0 4i ，0 1 3 v s sv c c i ，