時(shí)域反射儀的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)----關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)（五）

4.1時(shí)域反射測(cè)試

經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的硬件調(diào)試，以及軟硬件電路的相互配合，時(shí)域反射儀基本實(shí)現(xiàn)了電纜測(cè)試的功能，下面將分不同情況對(duì)時(shí)域反射測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1.1無電纜下的測(cè)試

在進(jìn)行電纜故障測(cè)量前一般需要對(duì)反射儀做粗略的設(shè)置，即選定一個(gè)脈沖信號(hào)，使其在屏幕上方可以看到分別從兩個(gè)通道上輸入的發(fā)射脈沖信號(hào)，以確保時(shí)域反射儀處于正常工作狀態(tài)。圖5-1給出了在沒有接被測(cè)電纜情況下，在屏幕上顯示的波形。

從圖中可以看到，兩個(gè)通道波形基本相同，都看不到有反射信號(hào)的產(chǎn)生，從兩個(gè)角度可以分析該現(xiàn)象。

傳輸線理論分析：因?yàn)槊}沖信號(hào)經(jīng)過放大以后為8V，通過功率分配器分別送到兩個(gè)輸入端口，則經(jīng)過均分以后，每個(gè)脈沖的幅度變成了4V左右。當(dāng)沒有被測(cè)電纜的情況相當(dāng)于被測(cè)電纜長(zhǎng)度為0m，測(cè)量通道形成了負(fù)載開路的狀態(tài)，在脈沖輸入口處即發(fā)生了脈沖信號(hào)的反射，由于時(shí)間間隔很短，反射脈沖和發(fā)射脈沖完全重疊，幅度增加一倍;而參考通道由于內(nèi)部接了一個(gè)50Ω的電阻，相當(dāng)于負(fù)載完全匹配，則不會(huì)有反射脈沖信號(hào)，顯示出的幅度不變，則恰好對(duì)應(yīng)了屏幕上測(cè)量通道的脈沖信號(hào)幅度為參考通道脈沖信號(hào)幅度的兩倍。

電子線路理論分析：脈沖信號(hào)經(jīng)過放大以后為8V，不考慮傳輸線上的阻抗特性，從圖4-14中可以看到，脈沖信號(hào)在進(jìn)入通道之前，經(jīng)過了一個(gè)二分之一電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，則實(shí)際上參考通道上的脈沖信號(hào)幅度只有原脈沖信號(hào)幅度的一般，即4V左右;脈沖進(jìn)入測(cè)量通道前由于沒有分壓網(wǎng)絡(luò)，且沒有連接電纜，由測(cè)量通道為高阻輸入，從信號(hào)測(cè)量角度來講，相當(dāng)于輸入測(cè)量通道的信號(hào)就是原脈沖信號(hào)，即為SV左右的發(fā)射脈沖信號(hào)。這樣也能合理的解釋為什么在屏幕上看到的測(cè)量通道的脈沖信號(hào)幅度是參考通道脈沖信號(hào)幅度的兩倍左右。

4.1.2電纜校準(zhǔn)測(cè)試

在進(jìn)行正常電纜測(cè)試前，一般先要對(duì)電纜做一次校準(zhǔn)，即對(duì)一根已知長(zhǎng)度(20m)且與被測(cè)電纜材料(50Ω高頻同軸電纜)相同的電纜做一次測(cè)試，通過對(duì)該電纜的測(cè)試，可以計(jì)算出一個(gè)波速因子NVP，即脈沖信號(hào)在電纜中的傳輸速度與電信號(hào)在真空中的傳輸速度的比值。圖5-2所示為利用標(biāo)準(zhǔn)電纜來校準(zhǔn)波速因子的顯示圖形，采用的是50ns的脈沖信號(hào)。

當(dāng)接上標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)用電纜(50Ω同軸電纜)以后，通過選擇合適的脈沖信號(hào)，此時(shí)只用測(cè)量通道即可完成波速因子的校準(zhǔn)。通過調(diào)整兩個(gè)垂直光標(biāo)的位置，當(dāng)兩個(gè)光標(biāo)與兩個(gè)脈沖沿基本對(duì)齊以后，屏幕上顯示了校準(zhǔn)所得的波峰因子NVP為0.65，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，最好是進(jìn)行多次校準(zhǔn)，因?yàn)镹VP的大小變化是以0.01為步進(jìn)，如果NVP的偏差0.01，則測(cè)量結(jié)果就會(huì)偏差±1%.經(jīng)過多次校準(zhǔn)后發(fā)現(xiàn)，NVP的變化范圍已知保持在0.65至0.66之間變化，由此可得NVP引入的誤差為測(cè)試總長(zhǎng)度的±1%.每產(chǎn)生一個(gè)新的NVP值后，該參數(shù)被存入ARM內(nèi)部單元，以備在正式測(cè)試時(shí)作為已知參數(shù)使用。表5-1給出了經(jīng)過10次校準(zhǔn)，測(cè)得的NVP值的統(tǒng)計(jì)情況。

采用表5-1中計(jì)算的NVP值，并利用圖5-2所測(cè)得的時(shí)間變量t，帶入式(2-6)后計(jì)算出校準(zhǔn)電纜的長(zhǎng)度L為19.982m，與實(shí)際使用的長(zhǎng)度基本一致。

4.1.3實(shí)際電纜測(cè)試

在實(shí)際電纜測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，選用了一根長(zhǎng)度為200m的50Ω的同軸電纜，采用500ns的窄脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。如圖5-3和圖5-4，分別為負(fù)載開路和短路下的實(shí)測(cè)波形，實(shí)際測(cè)到的結(jié)果均為198.9m，與電纜實(shí)際長(zhǎng)度相差1.lm，相對(duì)誤差為總長(zhǎng)度的0.55%.又因?yàn)楫?dāng)時(shí)基在500ns/div情況下，分辨率隨時(shí)基變化而變化，此時(shí)的分辨率約為2m.

如果采用表5-1中計(jì)算出的NVP均值(0.653)進(jìn)行200m電纜測(cè)量，采用圖5一3提供的時(shí)間間隔t(2.04us)，則計(jì)算出的電纜長(zhǎng)度約為199.8m，計(jì)算結(jié)果誤差只有0.2m，誤差為總長(zhǎng)度的0.1%，比實(shí)際測(cè)量結(jié)果更好，由此可知如果經(jīng)過多次校準(zhǔn)求出NVP均值，測(cè)量的準(zhǔn)確度將越高。從圖中可以看到時(shí)間增量為2.04us，如果采用200ns/div的時(shí)基，也可以對(duì)200m的電纜進(jìn)行測(cè)試，對(duì)應(yīng)了屏幕上的10大格，而此時(shí)的分辨率約為0.8m(0.65*3e8m/s*8ns/2=0.78m)。

從圖中可以看到，發(fā)生脈沖和反射脈沖的形狀都發(fā)生了一定的變化，這是由于電纜長(zhǎng)度相對(duì)于信號(hào)波長(zhǎng)而言，電纜長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的波長(zhǎng)，此時(shí)電纜被看作是一個(gè)分散模型。電纜本身的電阻和電感，電纜并行線之間電容和電導(dǎo)都對(duì)脈沖信號(hào)造成了影響，導(dǎo)致了脈沖波形發(fā)生變化，同時(shí)電纜的損耗也會(huì)對(duì)波形造成一定的影響。通過一定的補(bǔ)償電路可以將波形調(diào)整到比較正常的情況，同時(shí)也不會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。

本設(shè)計(jì)要求測(cè)量長(zhǎng)度能都達(dá)到1000m，由于沒有可用的測(cè)試電纜，因此沒有給出直接測(cè)量結(jié)果，但是從圖5-3中可用看到，在測(cè)量200m電纜時(shí)，反射脈沖的幅度接近3V，并沒有很大的衰減，因此可用推斷在測(cè)量100伽口的電纜時(shí)，仍然可用顯示出反射脈沖。如果反射脈沖的幅度較小，可利用通道的可變?cè)鲆孢\(yùn)放，將反射脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，這樣也能達(dá)到測(cè)量要求。

4.1.4減小盲區(qū)測(cè)試

在測(cè)量較短的電纜時(shí)誤差影響更大，該誤差主要表現(xiàn)在對(duì)脈沖信號(hào)的識(shí)別上，這是因?yàn)樵诙叹嚯x情況下，反射脈沖有可能與發(fā)射脈沖相疊加，導(dǎo)致對(duì)反射脈沖的前沿判斷不準(zhǔn)確，光標(biāo)定位不準(zhǔn)，不能進(jìn)行有效的測(cè)量，產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)。在這種情況下，將兩個(gè)通道上的脈沖信號(hào)做簡(jiǎn)單的波形減法運(yùn)算后，可以得到只剩下反射脈沖信號(hào)的M信號(hào)。這樣再進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，光標(biāo)2的位置就可以選在計(jì)算出的M信號(hào)脈沖的前沿，這樣就相當(dāng)于進(jìn)行光標(biāo)測(cè)量的時(shí)候，光標(biāo)選定的位置對(duì)應(yīng)的是正好是發(fā)射脈沖和反射脈沖的前沿。圖5-5和圖5-6給出了利用波形運(yùn)算的方式來測(cè)量短距離電纜的情況。

從上面兩個(gè)測(cè)量波形可以看出，利用波形運(yùn)算的方法，可以消除一定的測(cè)量盲區(qū)。在測(cè)量短距離情況下，如果用較窄的測(cè)量脈沖，屏幕上顯示的波形前沿不夠好。通過增加測(cè)量脈沖信號(hào)的寬度以后，再利用波形減法運(yùn)算，可以得到比較好的測(cè)試結(jié)果，同時(shí)使測(cè)量盲區(qū)保持在lm以內(nèi)。圖5-6的測(cè)量結(jié)果顯示，在短距離測(cè)量情況，測(cè)量誤差比較明顯。因?yàn)樵谠摃r(shí)基狀態(tài)下的分辨率為0.4m，為實(shí)際長(zhǎng)度的20%，由于分辨率相對(duì)于2m的電纜來說已經(jīng)比較大了，所以導(dǎo)致測(cè)量的不準(zhǔn)確，同時(shí)儀器本身還引入了一定的系統(tǒng)誤差，實(shí)際測(cè)量誤差為0.34m，相對(duì)誤差為17%.如果采用更小檔位的時(shí)基，測(cè)量結(jié)果應(yīng)該更加準(zhǔn)確。但由于在更小檔位下，屏幕上顯示的波形因順序等效采樣的不理想，導(dǎo)致顯示出的波形較難分辨出脈沖前沿，因此在這里沒有給出。表5-2給出來不同時(shí)基檔位下進(jìn)行電纜測(cè)量的相關(guān)參數(shù)。

4.2 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)本設(shè)計(jì)硬件部分的分析論證和設(shè)計(jì)，以及在后期的不斷的電路調(diào)試和方案修改，基本上完成了本文的設(shè)計(jì)任務(wù)。

本設(shè)計(jì)以傳輸線傳輸理論為基礎(chǔ)，利用脈沖反射的原理，完成了時(shí)域反射儀的整體的硬件部分的設(shè)計(jì)。通過論文工作，作者基本完成了以下內(nèi)容：

1.利用FPGA內(nèi)部數(shù)字邏輯單元完成了寬度可變的脈沖信號(hào)，同時(shí)利用了游標(biāo)卡尺原理在FPGA完成了脈沖信號(hào)的等效延時(shí)模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了脈沖信號(hào)的高速等效采樣。

2.將由數(shù)字電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)做放大處理，并利用功率分配電路將測(cè)試脈沖送到測(cè)試端。

3.脈沖信號(hào)的調(diào)理模擬通道的設(shè)計(jì)，包括粗衰減、阻抗變換、可變?cè)鲆娣糯箅娐罚{(diào)整垂直偏移電路、通道前端串轉(zhuǎn)并控制電路。

4.高速數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)部分電路設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)高速采集電路、峰值檢測(cè)模塊、預(yù)觸發(fā)模塊。

5.手持式設(shè)備電源部分設(shè)計(jì)：鏗電池充電管理電路設(shè)計(jì)、利用DC/DC變換器將電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的各種直流電壓，防反跳開關(guān)控制器電路設(shè)計(jì)。

6.其它本文沒有介紹的部分，如真有效值萬用表電路的設(shè)計(jì)，鍵盤電路，具有光電隔離RS232轉(zhuǎn)USB接口電路設(shè)計(jì)，CPLD驅(qū)動(dòng)液晶顯示部分設(shè)計(jì)，涉及到顯示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)出和修改等。

在本課題的研究和設(shè)計(jì)基本上完成了預(yù)定目標(biāo)，但通過最終的測(cè)試和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)還有許多問題需要進(jìn)一步改進(jìn)和解決。

1.由于處理器采用的是ARM7系列，其工作速度最高只有48MHz，因此波形刷新速度比較慢，屏幕上顯示的波形有明顯的殘留效應(yīng)，顯示出的波形就不夠光滑，建議采用更高檔系列的ARM或DSP作為處理器，使工作速度達(dá)到百M(fèi)Hz以上，可以改善上述問題。

2.在測(cè)里較長(zhǎng)電纜情況下，由于此時(shí)沒有延時(shí)，測(cè)量效果基本達(dá)標(biāo)，而在測(cè)量短距離電纜時(shí)，采用較小的時(shí)基，由于顯示脈沖波形不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致測(cè)量效果不佳。脈沖順序等效延時(shí)在理論上沒有問題，但在實(shí)際測(cè)量中，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，重要因?yàn)槊}沖信號(hào)在FPGA內(nèi)部的延時(shí)受信號(hào)在FPGA內(nèi)部傳輸延時(shí)不確定因素的影響，導(dǎo)致脈沖信號(hào)的延時(shí)沒有按照設(shè)定的延時(shí)參數(shù)來產(chǎn)生，這樣嚴(yán)重影響了測(cè)量波形的拼合。在后期設(shè)計(jì)中考慮數(shù)字電路的優(yōu)化，并在軟件處理上對(duì)多次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。同時(shí)也可以考慮在電路中添加隨即等效采樣電路，利用隨即等效采樣的方式來提高采樣精度。

3.測(cè)t的電纜長(zhǎng)度有限，因?yàn)楫a(chǎn)生的脈沖信號(hào)最大只有8V，對(duì)于較長(zhǎng)的電纜該幅值還不夠高。對(duì)電纜故障類型的測(cè)量還較簡(jiǎn)單，只能測(cè)量開路、短路和高阻等故障，對(duì)于跨接、串?dāng)_等故障還不能識(shí)別，在后期的設(shè)計(jì)可以中考慮對(duì)這幾個(gè)方面的測(cè)試要求。

4.最小分辨率的定義只在時(shí)基為100ns/div情況下有效，當(dāng)時(shí)基檔位不同時(shí)，分辨率也發(fā)生了變化，而相對(duì)誤差在短距離測(cè)量下比較大，如果能夠有效的實(shí)現(xiàn)J頂序等效采樣，可以在一定程度上減小短距離測(cè)量下的相對(duì)誤差。