【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(xiàn)檢測(cè)技術(shù)方案。闡述了復(fù)雜電子系統(tǒng)中，電纜在線(xiàn)檢測(cè)的技術(shù)方案、在線(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)方法。
【關(guān)鍵詞】在線(xiàn)檢測(cè)；電纜；電子系統(tǒng)
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000 中圖分類(lèi)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(xiàn)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(jiǎn)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(wàn)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(xiàn)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(guò)測(cè)試判斷電纜的故障。目前可用于電纜在線(xiàn)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(zhǎng)線(xiàn)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(kāi)路或短路故障，通常采用萬(wàn)用表測(cè)試。采用萬(wàn)用表測(cè)試的方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：
（1）必須用萬(wàn)用表的兩根表筆接觸電纜兩端。連接設(shè)備的電纜較長(zhǎng)或其中一端不易拆卸或難以觸及時(shí)，不能使用萬(wàn)用表測(cè)試。
（2）對(duì)于多芯線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(kāi)處的距離來(lái)推斷電纜開(kāi)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(xiàn)檢測(cè)技術(shù)方案
2.1 需要解決的技術(shù)問(wèn)題
在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)所要解決的問(wèn)題：
（1）連接設(shè)備的電纜較長(zhǎng)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(guò)在線(xiàn)測(cè)試即可判斷電纜的故障及類(lèi)型（開(kāi)路或短路）。
（2）通過(guò)在線(xiàn)測(cè)試可判斷多芯線(xiàn)電纜的故障，并同時(shí)顯示故障電纜芯線(xiàn)號(hào)和故障類(lèi)型（開(kāi)路或短路）。
（3）用較簡(jiǎn)單和較容易實(shí)現(xiàn)的方案解決在線(xiàn)測(cè)試問(wèn)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：
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(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(chēng)為勢(shì)壘電容。P-N結(jié)勢(shì)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(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。
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(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)技術(shù)利用電子設(shè)備的兩兩引線(xiàn)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(xiàn)之間發(fā)送一個(gè)交流信號(hào)，在兩個(gè)引線(xiàn)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(guò)比較器后產(chǎn)生一個(gè)高低電平。連線(xiàn)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(xiàn)斷開(kāi)時(shí)輸出低電平無(wú)提示音。電纜在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)上述原理來(lái)判斷電纜的通斷。
在線(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng)基準(zhǔn)電阻R2和基準(zhǔn)電阻R2ˊ）。在測(cè)試開(kāi)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(mén)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(kāi)路時(shí)Z無(wú)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(wú)提示音輸出，由此即判斷開(kāi)路故障。
在測(cè)試短路故障時(shí)基準(zhǔn)電阻R2ˊ的選擇應(yīng)足夠小（本實(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(wú)提示音輸出。由此即可判斷短路故障。
在線(xiàn)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。
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3個(gè)與非門(mén)組成的多諧震蕩器來(lái)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(xiàn)檢測(cè)
3.1 主要功能和技術(shù)指標(biāo)
多芯電纜的在線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)編號(hào)；
（3）電纜芯線(xiàn)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(kāi)關(guān)和控制邏輯電路組成，其中模擬開(kāi)關(guān)電路采用MAXIN的16通道模擬開(kāi)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(yǔ)言采用C51語(yǔ)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(xiàn)檢測(cè)技術(shù)利用電子設(shè)備的兩兩引線(xiàn)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(kāi)路、短路故障的在線(xiàn)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VCC/2，比較器輸出高電平，指示燈亮，有提示音輸出。當(dāng)電纜開(kāi)路時(shí)Z無(wú)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(wú)提示音輸出。由此即可判斷開(kāi)路故障。
（2）多路組合選擇輸入檢測(cè)技術(shù)
本在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)多路組合選擇輸入檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多芯線(xiàn)電纜的多芯線(xiàn)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(xiàn)同時(shí)檢測(cè)：如圖5所示，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)使多根芯線(xiàn)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(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)使多根芯線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)的有益效果是：
（1）在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在電纜的一端通過(guò)在線(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)在線(xiàn)測(cè)試可判斷多芯線(xiàn)電纜的故障，并同時(shí)顯示故障電纜芯線(xiàn)號(hào)和故障類(lèi)型，從而提高了電纜檢測(cè)的效率；
（3）在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)用較簡(jiǎn)單和較容易實(shí)現(xiàn)的方案解決在線(xiàn)測(cè)試的問(wèn)題，降低了制造成本。
6 結(jié)束語(yǔ)
電纜在線(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)方法。在車(chē)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(xiàn)檢測(cè)意義重大。
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作者簡(jiǎn)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(guó)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)。
