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1、目 录1 引言11.1 研究本课题的目的和意义11.2 时域反射测量技术21.3 时域反射仪的历史与发展现状21.4 方案论证与可行性分析42 电磁波在传输线中的传播62.1 传输线的概念62.2 均匀传输线的一次参数72.3 均匀传输线的二次参数82.4 波速度102.5 电磁波的反射112.6 线路衰耗对传输信号的影响152.7 传输线的不均匀性163 脉冲反射法测量原理173.1 脉冲反射法测量原理173.2 发射脉冲的选择184 系统的总体设计和工作原理204.1 仪器的用途和特点204.2 技术指标204.3 仪器的结构204.4 系统的硬件电路原理214.5 脉冲发射电路的设计23
2、4.5.1 电源模块功能的实现234.5.2 脉冲形成电路的设计和分析244.5.3 所用芯片介绍244.5.4 检测脉冲产生原理254.6 超高速数据采集电路的设计264.6.1 所用芯片介绍264.6.2系统的硬件框图和工作原理325 流程图及程序365.1主程序流程图如下：365.2 中断程序流程图365.2.1 第一次中断程序流程图：365.2.2 第二次中断流程图：375.3 按照流程图编写程序37结 论43参考文献44致 谢46附录A protel图47附录B PCB图48电缆断线位置测试仪的实现摘要：本文研究了用脉冲信号分析的方法确定电缆故障位置的一种低成本的方法；本文将电缆视为
3、分布参数线路，分析了窄脉冲是较好的测试信号，因为离线的电缆故障位置的测试过程可反复进行，故使用逐次逼近方法对行波进行数据采集。结果是可以用通用的器件实现低成本的数据采集；对采集的数据可确定故障位置，波速为300m/，测量的电缆长度最长为2Km时，定位的分辨率达到了1m。通过读取发射脉冲和接受脉冲的时间差就可以得到断点和测试点之间的距离。关键词：电缆断线，检测信号，高速计数器The realization of the cable broken line positionreflectoscope reflectorAbstract: This paper studied the princip
4、le and low cost method of the fault location for electric cable by the Traveling Wave. This paper treat electric cable as to distribute parameter circuits, The Traveling wave analyzed by the different test signal, make sured the long pulse is a good test signal, The test process can processed throug
5、h and through for the fault location because of the electric cable lay off, The application of sequence approach method to the Traveling wave data. so that Can realizes with in general component to carry out the low cost Traveling wave data collect; the analyzed of Traveling wave data can make sure
6、the fault location, When the wave speed for 300 m/s and the electric cable length is 2 Km ,The differentiate rate of fault location come to1m。Through reads takes the launch pulse and accepts the pulse the time difference to be allowed to obtain between the break point and the test point distanceKeyw
7、ords：Broke of the electric cable ，Examination signal，High speed counter1 引言1.1 研究本课题的目的和意义随着电子和通信业的迅速发展，各种电缆被广泛地应用于国民经济的各个方面，电力电缆线路的增长十分迅速。相应地，电缆线路的维护检修工作日趋繁重。而电缆芯线断路的情况，则是其中较常见的一种故障。由于断点被电缆的防护层、屏蔽层等材料所包围，因而很难直接而准确地找到断点的位置，给电缆的检修工作造成一定的困难。因此保证电力电缆的安全运行和及时正确排除故障，迅速回复供电是一项很重要的工作。 电缆的损伤主要包括以下几个方面：1）直接受
8、外力作用造成的破坏。这方面的破坏主要有施工和交通运输所造成的损坏，例如，挖土、打桩、起重、搬运等都可能误伤电缆；行驶车辆的震动或冲击性负荷也会造成穿越公路或铁路以及靠近公路或铁路并与之并行敷设的电缆的裂损。2）敷设过程造成损伤。这方面的损坏主要有，电缆因受拉力过大或弯曲过度而导致绝缘和护层的损坏。3）自然力造成损坏。这方面的损坏主要包括：中间接头和终端受自然拉力和内部绝缘胶膨胀的作用所造成的电缆护套的损裂；因电缆自然胀缩和土壤下沉所形成的过大拉力，拉断中间接头或导体以及终端头瓷套因而受力而破损等。这些损伤有些可以凭肉眼观察到，而有些是内部损坏则观察不到。因此，需要设计一套检测装置，能够快速、准
9、确地把障碍点找到，以便修复电缆，使电力系统迅速回复供电，减少由于断电而引起的有形和无形的各种损失。本研究针对长导体断点位置的无损检测所设计的窄脉冲时域反射仪，可以用来测寻各种传输线路，如架空输电线，通讯线路以及各种电缆线路断线故障，对电缆内部断点进行精确定位。时域反射仪是用于检测电缆故障的仪器，它的功能类似雷达系统，计算故障点位置到起始点距离，并在显示仪的屏幕上显示出来，大大缩短了故障处理的时间。早期的时域反射仪主要还是靠人工调整仪器，识别回波波形来判断障碍点距离。随着技术的进步，现在的仪器具备了自适应调整测试范围、信号幅度以及计算机辅助识别回波波形以确定障碍点距离的功能。本研究所设计的窄脉冲
10、时域反射仪与早期的时域反射仪相比具有以下主要特点：（1）通过单片机系统自动识别处理回波，无需人工识别，在面板上自动显示出断点的准确位置。（2）采用窄脉冲发射电路，测量盲区不大于3米；（3）采用简单的超高速数据采集系统，测距分辨率为1米。1.2 时域反射测量技术在传输系统中，波的反射通常是有害的。在脉冲波形的传输和测量中，反射的影响会使波形失真。但是利用这一现象得到一种别致的测量方法时域反射技术TDR（Time-Domain Reflectometry）,它可以快捷地确定出传输系统中阻抗不连续点地位置、大小和性质。TDR是通过在导体（电线、电缆或光纤）中注入一脉冲信号，然后检测其反射脉冲的一种分
11、析方法，通过分析反射脉冲的极性、幅值和其他电信号来对导体故障点进行准确定位。时域反射测量技术是在高速脉冲技术迅速发展的基础上出现的一种很有用的测量技术，其突出特点是可以同时检测出同轴传输系统中多个不连续点的位置、性质和大小。它对于高频微波器件和传输线的设计、维修及故障查找提供了一个有力的新颖手段。由于它具有非常引人注目的特点，已成为同轴系统中很有用的检测工具。随着我国脉冲技术的发展，TDR技术已逐渐普及，目前已有相应的国产时域反射仪商品出售。查新表明，本课题所研究的窄脉冲时域反射仪尚无报道。1.3 时域反射仪的历史与发展现状TDR兴起较早，它的最初阶段可以认为是由1924年测量高空大气层高速开
12、始的，其后长期停留在通讯电缆的故障检测方面。由于高速脉冲器件的发展使得高速脉冲前沿速度逐步达到ns级甚至ps量级，因而使TDR有了更高的距离分辨能力，成为测量微波同轴传输线系统不连续性的工具。这种新型宽带时域反射计在1964年第一次作为商品出现。TDR实际上是一个小型的一维雷达，所用的设备相当简单，只需一个高速阶跃脉冲发生器作为信号源和一台取样示波器作为接受装置和显示器。TDR有如下多种测试功能和特点：（1）可以同时观察和测量多个不连续点并一一确定其位置、大小和性质；（2）可以测量人力接触不到的地方，并且基本上不受距离的限制；（3）测量结果直观、判断容易；（4）可以在测量的同时对系统进行调整、
13、修改和故障排除；（5）快速、简单；（6）多功能，并已向自动分析测量结果发展。随着光纤通讯技术的发展，出现了光时域反射仪（OTDR），它是测试光纤长度、测量光纤损耗分布和查找故障位置的重要测试设备。它的基本原理是和TDR相似的，不同的是用激光脉冲作为激励源，然后用示波器来观察光纤中的各种反射。在TDR中电脉冲的反射是沿着导体单向地反射回来，而在光纤中则存在着光脉冲遇到光纤端面而产生的菲涅耳反射和光纤各点的后向散射两种反射形式。近年来，时域反射测量技术获得了新的生命力。在计算机帮助下，可快速、多功能地测量超高频传输系统中的许多重要技术指标。并成为一项非常有用的测量手段。我国从50年代开始就开始研制
14、用于各种电缆故障测量的TDR，经过几十年的更新换代，其性能有了显著提高。TDR是检测电缆故障最快捷、精确的方法。从它的发展历史来看，TDR因其操作复杂、设备成本高，仅被一些大公司和高级工程师所使用。Riser-Bond Instruments 意识到了TDR的这些不足并在二十世纪八十年代初研制了第一台小型TDR，这个简易的数字TDR已经成为高级工程师使用的一个标准工具。由于现代科技的进步，TDR的操作和使用说明简单化，因为它具有识别电缆故障的能力，TDR在通讯行业中迅速普及并得到广泛的应用。只要是金属电缆，就可以用TDR对其进行测试，例如可以用来测试各种类型的双绞线和同轴电缆，高架线和地下电缆
15、。TDR能查找出的电缆故障包括：电缆护套的损裂、导体断裂、水渍、连接器松动、导体短路、系统的组成等。另外，TDR还能用来测试用于运输损坏的电缆卷轴。TDR早期主要用于电话电缆的线路检测，近几年TDR经过改进和完善已广泛地应用于土壤、农业、水文地质和环境等领域的研究中。且随着电子技术和通讯技术的不断发展，对介质介电常数的更进一步认识和研究，TDR设备也将更进一步完善，价格也进一步降低。1.4 方案论证与可行性分析目前，在电缆障碍测试中的主要方法有：1.电桥法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障碍点与测量端之间的距离等数据。电桥法的优点是原理简单
16、，仪器制造成本低，在早期的电缆障碍测试中应用较为普遍。但早期电桥测试方法操作复杂，测试时要求对方配合，并且需要知道准确的电缆长度等数据；测量受环境温度、电磁干扰等因素的影响大。一般线务人员不易掌握，无法到达测量的目的。随着电子技术的进步，现已研制出基于微处理器的智能电桥仪器。智能电桥采用先进的电路设计即数据处理技术，简化了操作，有效地消除了温度、电磁干扰等影响，把电桥测试技术提高到了一个新水平。2.放音法放音法用于直接探测电缆障碍部位。其原理是在电缆的障碍线对上，输入一个功率较高的音频电流信号，产生较强的交变磁场，穿透外皮扩散到电缆的外部；根据电磁感应原理，利用带有线圈的接收器，放于电缆的上方
17、，电缆中交变的电磁场就可以在接收器中产生感应信号。在线路障碍点上，由于芯线上的交变电流收到线路障碍的影响而突然下降，甚至消失，因而障碍点前后接受到的信号有明显的区别，这样就可以判定电缆的障碍点。该方法应用时受外界环境干扰的影响，仅适用于测量电阻较小的混线障碍。3.查漏法 该方法通过检查充气电缆的漏气点，查找障碍。需沿电缆逐点排除干扰，进行检测，应用起来比较麻烦，且不适用于查找直埋电缆的障碍点。4.电容对比法 因为电缆内部绞合线对间的间距是完全相等的，两线间的分布电容沿线芯是均匀分布的，这样，通过测量良好状况下的同一类电缆相同绞和线对的电容值作为基准，再测故障线对的电容值，通过比值得到相应长度比
18、，最终折算出断点的位置，如图1.1所示。电缆长度为L米，正常电容值为C，故障电缆电容值为，则故障点距测试点的距离为：（米）。该方法的优点是简单，只需要一块电容表；缺点是不直观，定位误差大。图1.1电容对比法示意图5.脉冲反射法脉冲反射法又叫雷达法或回波法，向电缆发送一电压脉冲，利用发送脉冲与障碍点反射脉冲的时间差与障碍点距离成正比的原理确定障碍点。根据电磁波理论，电缆即为传输线，假若在电缆的一端发送一探测脉冲，它就会沿着电缆进行传输，当电缆线路发生障碍时，会造成阻抗不匹配，电磁波会在障碍点产生反射。利用这一现象，可以测量线路的障碍点位置。脉冲反射法最早用于长途电缆线路障碍的测试中。由于电缆对高
19、频脉冲信号的衰减大等原因，在电缆线路障碍测试中遇到了困难。随着科学技术特别是现代微电子技术的发展，该测试方法及其仪器有了很大的进步，其灵敏度也大大提高。目前，比较精确的线路障碍测试方法是脉冲反射测试法及直流电桥测试法，由于电桥测试需要远方接线配合等原因，所以针对长导体的断点检测，脉冲反射法以其测试直观、定位精确而被采用。2 电磁波在传输线中的传播2.1 传输线的概念为了清楚地了解TDR的原理，所以必须先对传输线的某些概念做一个相关的了解。将电信号从一端传送到另一端的线路，称为传输线。传输线与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（AB
20、和AB）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，即电压从A点传到B点的时间极短，可以不考虑传送时间，也没有电压差，就是传输时间，电阻，导线本身既没有电阻，也没有电感，也不考虑两导线之间的电容和电导，所以导线对从信号源到负载的能量不产生任何影响。这主要是因为连接元件之间的导线长度相当短，和它所传输的信号波长相比，可以忽略不计。2.1电路中的连接线如果图2.1中的AB间的距离相当长，致使，A，B两点之间出现电位差，这就是说，A，B间的导线不仅仅起连接作用，而且导线本身的电阻、电感、两导线之间的电容和电导，都不能忽略，以致信号传送到负载时，会产生一定的时延和幅度衰减变化，这时就不
21、能简单地把导线看成是两连接线，而应该看成是传输线了。因此，判断一对连接线是否作为传输线，主要取决于导线的长度与所传输信号的波长的相对值。如果导线长度比波长小得多，只作为连接线；若导线长度与信号波长相比不能忽略，就应看作是传输线。通信线路由于传输的信号频率高，即波长较短，而通信线路一般都比较长，故都属于传输线。2.2 均匀传输线的一次参数1、均匀传输线沿传输线分布的电阻、电感、电容和电导，在任一点都相等时，称为均匀传输线。均匀传输线的结构必须一致，导线的线径必须一致，而且不能接入任何不同质的导线，否则，就称为非均匀传输线。2、一次参数传输线最基本的形式是一对平行导线。导线本身是有电阻存在的，这个
22、电阻不是集中在导线的某一点上，而是分布在导线的整个长度上；同时，当电流通过导线时 ，在导线周围就会产生电磁场，而磁通就分布在导线整个长度上；两线间的电场使导线间存在着分布电容，也分布在整个导线长度上；另外两根平行的导线，虽然互相是绝缘的，但任何绝缘物质的电阻系数都是有限值，这样，只要两根导线间存有电压，就必然会有漏电流，即表明两导线间存有电导。这些沿线分布的电阻R、电感L、电容C、电导G，都以单位长度进行测量。这四个参数都是传输线的最基本的参数（称为分布参数），是表达传输线特征的原始数据，所以，称之为一次参数。3、一次参数的分布综上所述，线路的一次参数就是，顺线方向有电阻和电感相串连，横截方向
23、有电容和电导相并联。这些参数分布于整个线路长度上的每一点。这样，整个线路便可由一次参数来表示（见图2.2）。图2.2一次参数的分布顺线的参数相当于一个四端网络的串联臂，它们对信号的传输起着消耗、阻隔的作用，这种损耗，称为金属损耗；而横截参数相当于四端网络的并联臂，它们对信号的传输起着分流、短路的作用，由于这一臂存在分量，同样损耗一部分传输信号的能量，这种损耗，称为介质损耗，增加了线路的传输衰减。2.3 均匀传输线的二次参数1、二次参数的定义上一节分析了均匀传输线的四个基本参数既一次参数R，L，C，G，线路的传输特性，实质上就是由这四个基本参数决定的。二次参数又称特性参数，即特性阻抗和传播常数，
24、它是由一次参数推导而来，故又称二次参数。2、二次参数的物理意义特性阻抗表示均匀传输线上任一点的电压和电流之间的关系。电压和电流的绝对值之比，等于特性阻抗的绝对值，而电压和电流的相位差，等于特性阻抗的幅角。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来表征。（1）传输线的模拟等效网络由上一节的叙述知，传输线的传输性能，可以用一连串集中参数的四端网络的匹配连接来模拟。设线路长度为，可用n个网络的连接来等效， 每个网络代表了的线路长度，如图2.3所示，当n时， 0，即每个网络代表了
25、线路上每一点的特性。通常把均匀传输线看成是由无限个（n个）微小网络连接而成的。显然，n值越大，就越接近集中参数。当把均匀传输线等效为一节节集中参数四端网络的匹配连接后，就可以把均匀线的阻抗特性问题，归结为求一节集中参数四端网络的特性阻抗问题，从而可以用四端网络特性阻抗的方法，来求均匀传输线的特性阻抗。图2.3用集中参数网络来表示线路（2）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，将一节网络等效为不平衡形式，即把下面的串臂并到上面的串臂上，如图2.4所示。图2.4 一小段电缆的等效电路图2.4中串臂阻抗是电阻与电感的串联，即 并联阻抗是其电容
26、和电导的并联，其值为 从而有 式（24）中，分子为一有限值，分母，是一无穷大值，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，趋于零，因而可以忽略不计，因此是（24）又可以写作 将式，代入对称T形网络的特性阻抗表达式，可得该网络得特性阻抗，即 （21） 由于该网络是由网络链中任取的一节，因此上述推导结果适用于整个网络链路，传输线便等效于整个网络的连接。因此可以得出这样的结论：均匀传输线的特性阻抗处处相等，可由一次参数表示为式（21）。 由特性阻抗的表达式可以看出，特性阻抗与传输线的一次参数有关，同时与传输信号的频率有关。当时，即在直流时， （22）就是说，线路在传输直流信号时，其
27、特性如同一个数值为的电阻。当时，即线路传输信号频率非常高时，R的作用远比要小，G的作用远比要小，于是有： （23）说明在线路传输高频信号时，特性阻抗表现为一阻值为的电阻特性。2.4 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。在频率很高时，电缆的波速度趋近于一恒定的常数，可用式（24）来表示 （24）式中，是光的传播速度， 为电缆芯线周围介质的高频相对磁系数，为电缆芯线周围介质的高频相对介电系数。 可见，高频时电缆中波速度可近似认为只与电缆绝缘介质性质有关，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，只要绝缘介质相同，其波速度是基本不变的。2.5 电磁波
28、的反射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，如果传输线足够长，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。无限长(a)(b)图2.5 无限长于有限长均匀线然而，实际通信线路总是有一定的长度，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2.5所示。图中用作为负载阻抗接到线路的断开处，当此负载阻抗与线路的特性阻抗相等时，线路即处在匹配连接状态。图2.4中所示的长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长均匀传输线一样，从图中可以出，把图2.4（b）
29、中的负载阻抗去掉，改接为特性阻抗的无限长均匀线（图2.3（a），显然不会改变电磁波在长度线路上的分布。这就是说，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。当线路负载阻抗不等于线路的特性阻抗时，即线路处于失配状态时，电磁波将在负载处产生反射。1、反射的概念在失配状态下，因，电磁波传播到终端时，碰到的阻抗已不是沿线上各点的阻抗值，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，及，当电磁波传播到终端时，既不能继续向前传播，又没有负载接受能量，于是电磁波只能由线路终端向始端回送，这种电磁波的反转传
30、播（即回送）现象就叫反射。2、入射波与反射波当线路的负载阻抗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。3、反射系数电磁波在线路处于失配状态时将产生反射。但不同失配状态下的反射情形、反射过程是不一样的，为了更一步分析线路在各种状态下的反射，需先介绍反射系数的概念。（1）反射系数的定义反射波与入
31、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 （24）上式可写为：，（2）用反射系数的阻抗表示电磁波产生反射的原因是因为失配（包括线路特性阻抗改变或线路终端负载不匹配），即，而反射波的传播也是在同一线路上，只是由失配点向始端而已。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 ， （25） 上式对于沿线任意点都是适合的，对于反射的终端点L处来说，入射电压为，入射电流为,而反射电压为，反射电流为，则其合成电压与合成电流分别为，此即为失配点处（设为线路终点）电压与电流的关系。由式（22），终端L处有 ， （26）则同时有上述两式均为表达式，于是可以求
32、得根据反射系数定义由电压定义的反射系数上式即为反射系数的阻抗表达式，假定在线路L点处的负载阻抗为，则有反射系数： （27） 4、终端开路时的反射此时，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。假设线路是无损耗线路，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的合成。，这里是相减的关系，是由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间，并向线路始端传送。因而，线路上任意点处的电压也是由入
33、射电压与反射电压所合成，即。图2.6给出了不考虑线路损耗时，电流波与电压波的能量合成情况。（a）电流波（b）电压波图2.6 无损耗线时电流和电压的反射情况此时，因，所以合成电压，合成电流；从能量的角度讲，由于此时，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，即表现为电压升高，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。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，根据式（24），此时，可以忽略的作用，从而有 （28）说明开路处终端处电压与入射电压极性相同，大小相等，在开路点处出现电压加倍现象。 以上分析均不考虑线路的衰
34、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概念，即把复杂问题简单化。但无损耗线（R0，G0）只是一种假设，有损耗线上的情况应如图2.7所示。(a) 电流波(b) 电压波图2.7 有损耗线上时电流与电压的反射情况2.6 线路衰耗对传输信号的影响 由于线路一次参数的存在，使信号在传播过程中总会受到衰减的影响。串联电阻R于并联电导G的存在，使信号的幅值收到影响。线路的衰耗决定着信号传播的质量和距离。假定向线路注入一矩形脉冲信号，我们知道，脉冲信号含有丰富的频率成分，即脉冲信号可以看作是由无数不同频率的正弦信号组成，这样在传播过程中，脉冲信号中的高频成分，将受到较大衰减，
35、在近距离时，由于高频成分波速较大，总是高频成分先到达线路终端，而在远距离时，由于线路对高频衰耗加大，使信号的高频成分到达终端时衰耗很大或完全衰耗掉了，只有低频成分才能到达，故矩形脉冲信号在传播一定距离后，将发生明显的失真现象：幅值下降，而且不再具有陡峭的上升沿及下降沿。传输距离越长，信号的失真越严重（见图2.8），这也给脉冲法测试障碍点带来了一定的难度。图2.8 线路损耗对矩形脉冲传输的影响2.7 传输线的不均匀性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。像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
36、；由于制造工艺的原因，使线路本身的结构不均匀，如线路的线径不均匀、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，也会造成线路参数的发生变化。这种改变了线路回路参数的状况，都称为传输线的不均匀性。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。严格的说，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态中使用的，不过这种不均匀不至于造成影响通信质量的程度。一般来说，线路就其每一段来说是均匀的，但由于每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。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
37、始端和终端的任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。使用时域反射仪测试线路障碍时，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障碍点。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。3 脉冲反射法测量原理3.1 脉冲反射法测量原理根据第二章的介绍，电缆作为传输线，当电缆线路发生故障时，会造成阻抗不匹配。根据电磁波在传输线中的传播理论，电磁波会在障碍点产生反射。假若向一已发生障碍的线路上送入一脉冲电压，该脉冲电压将沿线路向前传播，当遇到障碍点时，就会有反射脉冲返回到发送端。在发送端由测量仪器将发送脉冲和反射脉冲波
38、形记录下来。则波形上发送脉冲与反射脉冲对应的时间差，对应着脉冲在发送端（即测量端）与障碍点往返一次所需的时间，若知道脉冲在电缆中的传播速度，则阻抗不匹配点的距离可由下式计算出来 （31）由第二章的分析可知，断线（开路）障碍反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路、混线障碍的反射脉冲与发射脉冲极性相反。如图3.1所示。发射脉冲反射脉冲（a）断线（开路）障碍时的波形发射脉冲反射脉冲(b) 短路障碍时的波形图3.1 发射脉冲与反射脉冲波形事实上，因电缆本身绝缘材料的差异，电缆所处的周围环境等都可能对电缆中的波速度造成一定的影响，需要在实际测试中根据线路的具体状况进行确定，也可在现场进行测量，方法如下：找一
39、已知长度的电缆，根据脉冲在电缆测试端与电缆终端之间反射一次所需的时间，可推算出电缆中的速度为： （32） 此处所得到的波速度即为电缆中实际的波速度值。3.2 发射脉冲的选择1、脉冲的形状脉冲指的是仅在短时间内有很大的瞬时值，以后瞬时值为零的所谓冲击性信号波形。电缆线路障碍测试仪器使用的电压脉冲一般有矩形、指数、钟形（又叫升余弦形）等，如图3.2所示。由于矩形脉冲形成比较容易，有陡峭的上升沿和下降沿，便于处理故应用较多。图3.2 各种脉冲波形2、脉冲的宽度脉冲总有一定的时间宽度（即脉冲持续时间），假定为，若在时间内返回的反射脉冲与发射脉冲相重叠，无法区分开来，因此就不能测出断点距离，出现了测试盲
40、区。假定电缆波速度是200m/us,发射波脉冲宽度是0.5us,所对应的电缆距离为：即在50m范围内的断点反射脉冲不能被识别出来，此时的盲区就是50m。仪器发送脉冲越宽，测量盲区越大。从减小盲区的角度看，发送脉冲窄一些好，例如要达到1m的测量盲区，需要发送脉冲的宽度为（假定波速200m/us）： 但脉冲越窄，它所包含的频率成分越高，线路的损耗大，反射脉冲幅值小，畸变严重，影响测试效果。从能量的角度看，脉冲越窄，所含能量也越小，越不易检测。为了减小盲区，又不影响测试效果即测试距离，可采用分档调整脉冲宽度的方法，即脉冲反射仪器把脉冲宽度分成几个档，根据测量距离的远近来选择脉冲宽度，测量距离越远，脉
41、冲越宽。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，这样断点所造成的反射脉冲被湮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。该装置采用幅值为15V的单极性脉冲来进行测试。发射脉冲输出级电路采用功率大，频率特性好的晶体管，以保证输出脉冲前沿特性好。4 系统的总体设计和工作原理 本章将重点介绍窄脉冲时域反射仪的功能、技术指标、硬件
42、电路设计及调试。通过本章的介绍，读者将对仪器的设计原理、测量方法、工作过程、有基本的认识，从而灵活使用仪器提供的各种功能，正确分析各种测试结果。4.1 仪器的用途和特点窄脉冲时域反射仪是采用脉冲反射原理与现代微电子技术设计的，用以测量电缆断线障碍的精确位置。装置具有以下特点：（1）智能化程度高，操作简单。（2）采用液晶显示器显示断点位置，显示的数字清晰。（3）体积小，重量轻，外形美观，便于携带。4.2 技术指标1. 最大测量范围：2km2. 测距分辨率：3. 测量盲区：不大于3m4. 发送脉冲形状和幅度：15V单极性脉冲5. 发送检测脉冲宽度：20ns4.3 仪器的结构本设计研究的窄脉冲时域反
43、射仪主要由三部分组成：检测脉冲发射电路、数据采集电路和操作按键。下面对本系统所使用的液晶显示器和操作按键予以说明。1. 液晶显示器液晶显示器，简称LCD（Liquid Crystal Display）是仪器的运算结果和操作信息的输出口，是人机对话的界面。通过液晶显示器所显示的数据，测试者可以方便的读出断点的位置。2.按键仪器上共有两个操作键。通过这些按键的操作，完成电缆线路断点位置的测试工作。下面就各按键的作用介绍一下。复位键：除了使系统进入正常的初始化之外，当程序由于运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态，为了摆脱困境，也需按复位键重新启动。开始键：当该键被按下时，系统执行相应的指令程序产生
44、检测用的测试脉冲。4.4 系统的硬件电路原理仪器采用8051单片机作为其中心处理单元。单片机与其配合的接口电路、模拟电路、电源构成了仪器的硬件电路。单片机在预先编制的指令（即软件程序）的驱动下，控制整个硬件电路的工作，完成仪器的各项功能。仪器的硬件电路框图如图4.4所示。下面分别介绍各部分的作用与基本电路构成。中心处理超高速数据采集电源信号接受脉冲发射液晶显示器控制面板被测电缆图4.4 仪器硬件电路框图1、中心处理单元该单元的作用是接受控制面板上按键的输入指令，执行相应的按键操作：接受命令产生测试脉冲，从超高速数据采集单元取出记录的脉冲反射波形数据进行处理，并把处理完成的数据结果送到液晶显示器
45、上显示，对整个系统自检、监控。中心处理单元是由单片机8051、时钟、输入/输出接口等部分构成。时钟电路：用于产生单片机工作所需的时钟信号。接口电路：单片机是通过整个接口电路与外部发射电路交换信息。仪器的接口电路，主要用来控制脉冲发射、数据采集、数据读入等。2、操作按键操作按键是操作人员与仪器对话的输入口，它由2个按键组成。当操作人员按下任一按键时，会引起电路相应的动作，使单片机执行所规定的指令，完成预定的功能。3、电源电路 仪器由可充电蓄电池供电，电源电路中包含电压变换电路，用于产生仪器工作所需的各种工作电压，如5V、15V，由相应的直流电压变换器完成。4、液晶显示器LCD液晶显示器是仪器的运算结果和操作信息的输出口，是人机对话的界面。系统使用了长沙太阳人电子有限公司生产的四位标准数码式液晶显示
