時域反射儀的硬件設(shè)計與實現(xiàn)----關(guān)鍵電路設(shè)計（五）

4.1時域反射測試

經(jīng)過較長時間的硬件調(diào)試，以及軟硬件電路的相互配合，時域反射儀基本實現(xiàn)了電纜測試的功能，下面將分不同情況對時域反射測量進行驗證。

4.1.1無電纜下的測試

在進行電纜故障測量前一般需要對反射儀做粗略的設(shè)置，即選定一個脈沖信號，使其在屏幕上方可以看到分別從兩個通道上輸入的發(fā)射脈沖信號，以確保時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電纜情況下，在屏幕上顯示的波形。

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

傳輸線理論分析：因為脈沖信號經(jīng)過放大以后為8V，通過功率分配器分別送到兩個輸入端口，則經(jīng)過均分以后，每個脈沖的幅度變成了4V左右。當(dāng)沒有被測電纜的情況相當(dāng)于被測電纜長度為0m，測量通道形成了負載開路的狀態(tài)，在脈沖輸入口處即發(fā)生了脈沖信號的反射，由于時間間隔很短，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50Ω的電阻，相當(dāng)于負載完全匹配，則不會有反射脈沖信號，顯示出的幅度不變，則恰好對應(yīng)了屏幕上測量通道的脈沖信號幅度為參考通道脈沖信號幅度的兩倍。

電子線路理論分析：脈沖信號經(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，脈沖信號在進入通道之前，經(jīng)過了一個二分之一電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，則實際上參考通道上的脈沖信號幅度只有原脈沖信號幅度的一般，即4V左右;脈沖進入測量通道前由于沒有分壓網(wǎng)絡(luò)，且沒有連接電纜，由測量通道為高阻輸入，從信號測量角度來講，相當(dāng)于輸入測量通道的信號就是原脈沖信號，即為SV左右的發(fā)射脈沖信號。這樣也能合理的解釋為什么在屏幕上看到的測量通道的脈沖信號幅度是參考通道脈沖信號幅度的兩倍左右。

4.1.2電纜校準測試

在進行正常電纜測試前，一般先要對電纜做一次校準，即對一根已知長度(20m)且與被測電纜材料(50Ω高頻同軸電纜)相同的電纜做一次測試，通過對該電纜的測試，可以計算出一個波速因子NVP，即脈沖信號在電纜中的傳輸速度與電信號在真空中的傳輸速度的比值。圖5-2所示為利用標準電纜來校準波速因子的顯示圖形，采用的是50ns的脈沖信號。

當(dāng)接上標準校準用電纜(50Ω同軸電纜)以后，通過選擇合適的脈沖信號，此時只用測量通道即可完成波速因子的校準。通過調(diào)整兩個垂直光標的位置，當(dāng)兩個光標與兩個脈沖沿基本對齊以后，屏幕上顯示了校準所得的波峰因子NVP為0.65，為了保證測量結(jié)果的準確性，最好是進行多次校準，因為NVP的大小變化是以0.01為步進，如果NVP的偏差0.01，則測量結(jié)果就會偏差±1%.經(jīng)過多次校準后發(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引入的誤差為測試總長度的±1%.每產(chǎn)生一個新的NVP值后，該參數(shù)被存入ARM內(nèi)部單元，以備在正式測試時作為已知參數(shù)使用。表5-1給出了經(jīng)過10次校準，測得的NVP值的統(tǒng)計情況。

采用表5-1中計算的NVP值，并利用圖5-2所測得的時間變量t，帶入式(2-6)后計算出校準電纜的長度L為19.982m，與實際使用的長度基本一致。

4.1.3實際電纜測試

在實際電纜測試實驗中，選用了一根長度為200m的50Ω的同軸電纜，采用500ns的窄脈沖信號進行測試。如圖5-3和圖5-4，分別為負載開路和短路下的實測波形，實際測到的結(jié)果均為198.9m，與電纜實際長度相差1.lm，相對誤差為總長度的0.55%.又因為當(dāng)時基在500ns/div情況下，分辨率隨時基變化而變化，此時的分辨率約為2m.

如果采用表5-1中計算出的NVP均值(0.653)進行200m電纜測量，采用圖5一3提供的時間間隔t(2.04us)，則計算出的電纜長度約為199.8m，計算結(jié)果誤差只有0.2m，誤差為總長度的0.1%，比實際測量結(jié)果更好，由此可知如果經(jīng)過多次校準求出NVP均值，測量的準確度將越高。從圖中可以看到時間增量為2.04us，如果采用200ns/div的時基，也可以對200m的電纜進行測試，對應(yīng)了屏幕上的10大格，而此時的分辨率約為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，這是由于電纜長度相對于信號波長而言，電纜長度遠遠大于信號的波長，此時電纜被看作是一個分散模型。電纜本身的電阻和電感，電纜并行線之間電容和電導(dǎo)都對脈沖信號造成了影響，導(dǎo)致了脈沖波形發(fā)生變化，同時電纜的損耗也會對波形造成一定的影響。通過一定的補償電路可以將波形調(diào)整到比較正常的情況，同時也不會對測量造成影響。

本設(shè)計要求測量長度能都達到1000m，由于沒有可用的測試電纜，因此沒有給出直接測量結(jié)果，但是從圖5-3中可用看到，在測量200m電纜時，反射脈沖的幅度接近3V，并沒有很大的衰減，因此可用推斷在測量100伽口的電纜時，仍然可用顯示出反射脈沖。如果反射脈沖的幅度較小，可利用通道的可變增益運放，將反射脈沖信號進行放大，這樣也能達到測量要求。

4.1.4減小盲區(qū)測試

在測量較短的電纜時誤差影響更大，該誤差主要表現(xiàn)在對脈沖信號的識別上，這是因為在短距離情況下，反射脈沖有可能與發(fā)射脈沖相疊加，導(dǎo)致對反射脈沖的前沿判斷不準確，光標定位不準，不能進行有效的測量，產(chǎn)生測量盲區(qū)。在這種情況下，將兩個通道上的脈沖信號做簡單的波形減法運算后，可以得到只剩下反射脈沖信號的M信號。這樣再進行測量的時候，光標2的位置就可以選在計算出的M信號脈沖的前沿，這樣就相當(dāng)于進行光標測量的時候，光標選定的位置對應(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給出了利用波形運算的方式來測量短距離電纜的情況。

從上面兩個測量波形可以看出，利用波形運算的方法，可以消除一定的測量盲區(qū)。在測量短距離情況下，如果用較窄的測量脈沖，屏幕上顯示的波形前沿不夠好。通過增加測量脈沖信號的寬度以后，再利用波形減法運算，可以得到比較好的測試結(jié)果，同時使測量盲區(qū)保持在lm以內(nèi)。圖5-6的測量結(jié)果顯示，在短距離測量情況，測量誤差比較明顯。因為在該時基狀態(tài)下的分辨率為0.4m，為實際長度的20%，由于分辨率相對于2m的電纜來說已經(jīng)比較大了，所以導(dǎo)致測量的不準確，同時儀器本身還引入了一定的系統(tǒng)誤差，實際測量誤差為0.34m，相對誤差為17%.如果采用更小檔位的時基，測量結(jié)果應(yīng)該更加準確。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給出來不同時基檔位下進行電纜測量的相關(guān)參數(shù)。

4.2 結(jié)論

經(jīng)過對本設(shè)計硬件部分的分析論證和設(shè)計，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)計任務(wù)。

本設(shè)計以傳輸線傳輸理論為基礎(chǔ)，利用脈沖反射的原理，完成了時域反射儀的整體的硬件部分的設(shè)計。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，同時利用了游標卡尺原理在FPGA完成了脈沖信號的等效延時模塊設(shè)計，實現(xiàn)了脈沖信號的高速等效采樣。

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

3.脈沖信號的調(diào)理模擬通道的設(shè)計，包括粗衰減、阻抗變換、可變增益放大電路，調(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)采集和存儲部分電路設(shè)計，包括數(shù)據(jù)高速采集電路、峰值檢測模塊、預(yù)觸發(fā)模塊。

5.手持式設(shè)備電源部分設(shè)計：鏗電池充電管理電路設(shè)計、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。

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，鍵盤電路，具有光電隔離RS232轉(zhuǎn)USB接口電路設(shè)計，CPLD驅(qū)動液晶顯示部分設(shè)計，涉及到顯示數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)出和修改等。

在本課題的研究和設(shè)計基本上完成了預(yù)定目標，但通過最終的測試和驗證，發(fā)現(xiàn)還有許多問題需要進一步改進和解決。

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，使工作速度達到百MHz以上，可以改善上述問題。

2.在測里較長電纜情況下，由于此時沒有延時，測量效果基本達標，而在測量短距離電纜時，采用較小的時基，由于顯示脈沖波形不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致測量效果不佳。脈沖順序等效延時在理論上沒有問題，但在實際測量中，沒有達到設(shè)計要求，重要因為脈沖信號在FPGA內(nèi)部的延時受信號在FPGA內(nèi)部傳輸延時不確定因素的影響，導(dǎo)致脈沖信號的延時沒有按照設(shè)定的延時參數(shù)來產(chǎn)生，這樣嚴重影響了測量波形的拼合。在后期設(shè)計中考慮數(shù)字電路的優(yōu)化，并在軟件處理上對多次采集到的數(shù)據(jù)進行比較。同時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t的電纜長度有限，因為產(chǎn)生的脈沖信號最大只有8V，對于較長的電纜該幅值還不夠高。對電纜故障類型的測量還較簡單，只能測量開路、短路和高阻等故障，對于跨接、串?dāng)_等故障還不能識別，在后期的設(shè)計可以中考慮對這幾個方面的測試要求。

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