【摘要】針對通信、控制等日益復雜的電子系統，提出了一種電纜在線檢測技術方案。闡述了復雜電子系統中，電纜在線檢測的技術方案、在線檢測原理、方法與電路組成。為復雜電子系統的測試、維修，提出了一種全新的電纜在線檢測方法。
【關鍵詞】在線檢測；電纜；電子系統
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000 中圖分類號：TN98 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)02-0000-00
引用格式：符建名. 一種電纜在線檢測技術[J]. 移動通信, 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、控制等設備密集的電子系統中，設備間電纜的連接直接影響系統的工作性能。因此，在電子系統測試和維修中，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原理是電磁波反射原理。在實際應用中，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備一般只應用于長線傳輸的電纜故障檢測。在一般的電子系統測試和維修中，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。
電磁波反射技術利用傳播中的電磁波在介質發生變化時產生反射的原理，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 在線檢測技術方案
2.1 需要解決的技術問題
在線檢測技術所要解決的問題：
（1）連接設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）半導體器件P-N結的電容效應
純凈半導體材料有較高的電阻率，但構成器件的P-N結存在擴散電容和勢壘電容。
擴散電容：P-N結擴散區內少數載流子電荷隨外加電壓的變化，可看成P-N結擴散區的電容效應。當電壓增大，擴散區電荷量增加，相當于電容充電；當電壓減小，擴散區電荷量減少，相當于電容放電。P-N結擴散電容為：
CD=gτp/2 (1)
其中，g為電導，τp為少數載流子空穴的壽命。
勢壘電容：P-N結空間電荷區也有電容效應，當P-N結正向電壓增加時，P-N結的勢壘高度下降，電場強度減小，空間電荷區寬度也減小。有P區的空穴和N區的電子流入空間電荷區，就相當于空間電荷區充電。當P-N結正向電壓降低時，P-N結的勢壘高度增加，電場強度加強，空間電荷區寬度也增大。有P區的空穴和N區的電子流出空間電荷區，就相當于空間電荷區放電。這種電容效應稱為勢壘電容。P-N結勢壘電容為：
CT=εε0A/xm (2)
其中，xm為空間電荷區寬度，A為P-N結截面積。
（2）被測故障網絡特征阻抗
精確計算被測故障網絡的特征阻抗比較困難。電纜在線檢測技術利用半導體器件的P-N結存在結電容，根據電子設備的兩兩引線之間對交流信號呈現的交流阻抗進行評估。
P-N結結電容因半導體材料、結面積和制造工藝等不同而不同。一般高頻器件結電容較小，低頻器件結電容較大，通常可在器件手冊查到。例如，9018高頻小功率三極管，截止頻率達到1.1 GHz，結電容1.3 p。以結電容1.3 p進行計算，工作頻率為100 kHz交流信號呈現的交流阻抗為：
Z=1/2πfC=1/(2×3.14×100×103×1.3×10-12)=1.2×106
即截止頻率達到1.1 GHz的器件對頻率為100 kHz交流信號呈現的交流阻抗約為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指電纜的一端（A1、A2端）連接檢測儀器，另一端（B1、B2）按工作狀態連接設備。Z為被測電纜所連接設備兩端的交流等效阻抗。
由于半導體器件的PN結存在結電容，因此由電阻、電容、電感等電子元件和半導體器件組成的電子設備兩兩引線之間對交流信號呈現的交流阻抗等于1/2πfC，其中C為等效電容，f為信號頻率。圖1和圖2所示Z為被測電纜所連接設備的交流等效阻抗。
電纜在線檢測技術利用電子設備的兩兩引線之間對交流信號呈現的交流阻抗的原理，在設備兩兩引線之間發送一個交流信號，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，通過比較器后產生一個高低電平。連線接通時輸出高電平，驅動蜂鳴器產生提示音；當連線斷開時輸出低電平無提示音。電纜在線檢測技術通過上述原理來判斷電纜的通斷。
在線檢測技術原理框圖如圖2所示，圖2中的R2即為圖5的開關K打在R2位置時B、G兩點間電路的交流等效電阻，R2ˊ即為圖5中的開關K打在R2ˊ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備的等效電阻而言，R2和R2ˊ的阻值相對固定，以下簡稱基準電阻R2和基準電阻R2ˊ）。在測試開路故障時，基準電阻R2的選擇應足夠大（本實列為1.8 MΩ），信號發生器頻率的選擇使交流等效阻抗Z=1/2πfC（C為等效電容）小于基準電阻R2，則分壓后輸出電壓大于VA/2（VA為信號發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，由此即判斷開路故障。
在測試短路故障時基準電阻R2ˊ的選擇應足夠小（本實列為20 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。否則當等效阻抗大于20 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。
在線檢測技術方案的原理圖由信號發生器電路、基準與分壓整流電路、比較器電路、多路轉接電路、顯示電路、微處理器及控制電路組成。
為便于計算，信號發生器可采用正弦信號發生器電路產生正弦信號。但實際應用中采用了如圖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。信號發生器產生的信號為方波，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，在本電路的實際應用中可根據方波的振蕩頻率近似計算等效阻抗。
基準與分壓整流電路由R2、R3、V1、C2組成。其中，R2、R2ˊ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，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），主要功能和技術指標如下：
（1）在線檢測功能：電纜單端接入（另一端接設備）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 多路轉接控制
多路轉接電路部分由4個16通道模擬開關和控制邏輯電路組成，其中模擬開關電路采用MAXIN的16通道模擬開關電路MAX4968。多路轉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動電路組成。
4 關鍵技術及實現途徑
（1）交流阻抗分壓采樣檢測技術
在線檢測技術利用電子設備的兩兩引線之間對交流信號呈現的交流阻抗的原理，采用交流阻抗分壓采樣檢測技術實現電纜開路、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=1/2πfC，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。由此即可判斷開路故障。
（2）多路組合選擇輸入檢測技術
本在線檢測技術通過多路組合選擇輸入檢測技術實現多芯線電纜的多芯線同時檢測和短路故障檢測。實現途徑如下：
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果；
2）短路檢測：通過多路模擬開關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 比對測試結果
用交換機的三種接口對應的三根7芯、10芯、19芯的電纜做了比對測試。測試結果如表1所示。7芯、10芯、19芯在線測試結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縮短數十倍，甚至更多。
在線檢測技術帶來的有益效果是：
（1）在線檢測技術在電纜的一端通過在線即可檢測電纜的故障，減少設備測試或維修中拆卸設備的工作量；
（2）在線檢測技術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）在線檢測技術用較簡單和較容易實現的方案解決在線測試的問題，降低了制造成本。
6 結束語
電纜在線檢測技術為復雜電子系統的測試、維修，提出了一種全新的電纜在線檢測方法。在車載、機載、船載等設備高度密集的電子系統中，特別是在處理應急事件的場合下測試或維修電子系統，需要快速檢測電纜故障時，電纜在線檢測意義重大。
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作者簡介
符建名：高級工程師，學士畢業于北京理工大學，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為通信裝備與系統。
