有幸邀请到了在2019⼤学⽣电⼦设计⼤赛的获奖优秀队员为本投稿，将分⼏次推⽂为⼤家介绍⼏只优秀队伍的作品。
本次推⽂为⼤家分享西安电⼦科技⼤学微电⼦学院的团队的作品，团队成员为：蒋昊宇 冯郑 张岳琦（排名不分先后），指导教师：蔡觉平娄永乐。该团队选择完成了电赛C题_线路负载及故障检测装置的设计，最终获得国家⼀等奖的好成绩。
下⾯开始介绍他们团队的作品。
衬套线路负载及故障检测装置
学校：西安电⼦科技⼤学
作者：蒋昊宇冯郑张岳琦
指导教师：蔡觉平娄永乐
摘要：在⽇常测量中，对于电阻，电容，电感元件的判断与基本参数的测量⼗分重要的，⽽对于基本元 自动牙刷件组成的简单串联或并联⽹络的判断，本⽂提出⼀种线路负载及故障检测装置的设计⽅案。本作品利⽤STM32f103ZET6芯⽚作为主控芯⽚，以ADI公司的AD5933阻抗测量芯⽚进⾏阻抗测量，测量精度⾼，误差较⼩，响应速度快，且具有简单阻抗⽹络结构判断功能，并且具有开路故障与短路故障报警功能。其中在短路故障状态利⽤基于DDS信号发⽣器向待测负载⽹络注⼊激励信号⽐较短路回路电感在⾼频信号下与标准采样电阻的分压⽐来判定短路故障发⽣位置。 关键词：阻抗测量⽹络结构 DDS 分压⽐
⼀、⽅案论证
本系统需要实现的功能包括对于给定电阻电容电感元件的参数测量，任意两到三个元件串联或并联组成负载的⽹络结构的判定，将电路故障点的距离测试，以及负载开路和短路故障分别指⽰的报警功能。需要对于以下电路模块进⾏论证，系统⽅案论证如下。
1.1元件测量⽅案
⽅案⼀：⽮量电压电流法：
使⽤基于FPGA的DDS信号发⽣器产⽣交流电压信号并经过放⼤器放⼤，将待测元件串接⼀标准取样电阻，取样电阻将测试回路中电流转换为电压信号，经由鉴相器对幅度进⾏鉴相⽽后使⽤ADC进⾏采
样，得出阻抗⾓与元件参数值。由于在使⽤中需要对信号进⾏放⼤⽽后使⽤ADC两次采样，此过程中对所测相位差有⼀定的影响，从⽽影响测量精度。
⽅案⼆：使⽤ADI公司的阻抗测量芯⽚AD5933。
AD5933是⼀款⾼精度的阻抗测量芯⽚，内部集成了带有⼗⼆位，采样率⾼达1MSPS的AD转换器的频率发⽣器。AD5933⽚上带有⼀个27位的DDS，这个频率发⽣器可以产⽣特定的频率来激励外部阻抗⽹络，得到的响应信号被ADC采样，⽽后通过⽚上的DSP进⾏离散傅⾥叶变换。变换后返回在这个输出频率下得到的阻抗实部值R和虚部值I，由此可以很容易得出在每个扫描频率下的阻抗与相⾓。通过相⾓值判断元件种类与数值。
综上，元件测量⽅案选取⽅案⼆。
1.2负载⽹络结构判定⽅案
⽅案⼀：阻抗测量法
由AD5933阻抗测试芯⽚对于接⼊电路的不同负载⽹络进⾏阻抗测试，得到负载⽹路的阻抗信息后对其进⾏分析得出负载⽹络组合。虽然AD5933可以得到准确的负载⽹络阻抗信息，但由于待测电感、电容、电阻的范围较⼤，组合⽅式众多，难以直接分析阻抗值得出。
⽅案⼆：幅⾓、模值判断法。
由于电阻、电容、电感元件在电路中的阻抗随频率表现出不⼀样的性质，因此可以通过对于不同组合的阻抗⽹络的幅频特性与相频特性的对于⽹络连接形式进⾏判别。⾸先对与不同⽹络幅频特性与相频特性进⾏分析，⽽后使⽤微处理器控制AD5933的DDS信号发⽣器在⼀定范围内进⾏步进扫频，将得到的阻抗模值与相⾓进⾏分析，对于不同组合的阻抗⽹络进⾏匹配，得出结果。
综上，负载⽹络结构判定⽅案选取⽅案⼆。
1.3短路故障点测量⽅案
⽅案⼀：⾏波测距法
⾏波测距法是根据⾏波传输理论实现输电线路故障测距的。在故障发⽣后由装置发射⾼压⾼频或直流脉冲，根据⾼频脉冲由装置到故障点往返⼀次的时间进⾏测距。由于⾏波法测距需要⾼频脉冲的发射与脉冲波测试仪器，同时要求操作者具有专业知识对于反射波形进⾏数据分析计算，最后才能测出故障点位置，短时间内⽆法实现。⽽且在题⽬所加环境噪声对于⾏波测距法也有影响，使测量精度不够确。
⽅案⼆：LC谐振法
由于在故障发⽣时导线与短路线形成⼀矩形回路，具有⼀定量的电感值，在电路中串联⼀个电容器，通过测量谐振频率，从⽽计算出回路电感值。谐振法需要不断调节激励信号的频率来使得电路达到谐振，此⽅法需要对激励信号进⾏信号调节测量速度较慢。
⽅案三：鉴相器鉴相法
由于在短路情况下，导线与短路线间的环路中有⼀定的电感，且与短路线的连接位置有关。激励信号通过环路⽹络后会由于电路中的阻抗改变相位⾓。两路信号通过鉴相器AD8302来测量相位差，由于导线在不同短路位置处具有不同的电感，因此不同位置的相位差也不相同，因此鉴相器在不同的导线位置输出的电压也不同，经过ADC采样后进⾏函数拟合。但是由于鉴相器对于输⼊信号的电压值较为敏感，外界⼲扰将严重影响鉴相器输出。
⽅案四：分压法
由于短路回路具有⼀定的电感值，因此⾼频信号的刺激下表现出⼀定的感抗值，在线圈回路中串联了⼀个标准电阻R=50Ω通过对于测量不同短路位置处线圈的不同感抗与标准电阻的分压，便可以得到⼀个电压与短路位置的对应关系，使⽤AD8302鉴出两路交流电压的幅值⽐，进⽽得到电感的精确变化。电压⽐值与鉴相法相⽐对于外界噪声的抗⼲扰能⼒较强，系统较为稳定。
综上，短路故障点测量使⽤⽅案四。
⼆、硬件电路设计
2.1电源设计
由于提供的电压只有5V，不满⾜主控板的供电条件，故需要前端升压并多路降压稳压，电路设计如图1-1和图1-2所⽰：
图1-1：做第⼀级降压
结晶器铜管
图1-2第⼆级分路降压
2.2 DDS及其信号预处理
本题使⽤DDS模块实现固定频率和幅值的正弦波激励输出，其原理图如图1-3所⽰，随后对激励源信号进⾏放⼤⽤以⽅便后⾯进⾏信号检测，放⼤预处理电路如图1-4所⽰：
图1-3：DDS_AD9959
图1-4：信号固定增益放⼤
2.3 阻抗测量
本题对于阻抗测量使⽤了专⽤芯⽚，其中对于⼩电阻测量加⼊了⼀级处理电路，并通过排针连接来实现模式的选择，电路图如图1-5所⽰：
图1-5：AD5933专⽤芯⽚进⾏阻抗测量
氚电池三、测试结果
表1-1：电阻测量结果
电阻值（Ω）200500100015002000
测量值198521100214532005
相对误差(%)1 4.20.2 3.10.25
表1-2：电容测量结果
光催化剂电容值（nF）200500100015002000
测量值193483104515232003
相对误差(%) 3.5 3.4 4.5 1.50.15
表1-3 ：电感测量结果
电感值（uH）1002005008001000
测量值1042075208121000
相对误差4 3.54 1.50
由以上表1、2、3知对于电阻，电容，电感测量都可以满⾜，但是前提是选择合适的扫频频段，由于频率越低，芯⽚返回数据的时间越久，故⽽在处理⼤电容的时候，若要使测量较准，使⽤较低的频段，需要较久的时间，可能会超过五秒。
表1-4：短路故障点测量
短路位置（cm）2025354550
测量值（cm）20.325.23544.849.7
误差（cm）0.30.200.20.3
对30~50cm范围进⾏整段拟合，经过函数拟合之后，可以实现整段故障点的测量不超过1cm。⽽且由于侧分压⽐，抗造性能很好，噪声的加⼊故障点的测量⼏乎没有影响。
四、进⼀步改进的措施
1．尽量降低整个系统的功耗
由于升压之后外接外设或者负载会提⾼功耗，整个系统可以在满⾜最⾼实现最⾼电压的前提下降低升压⽐，提⾼效率，同时，由于开发板的外设过多，可以⽤最⼩系统板来降低⽆⽤功耗.
2、可以适当降低整个系统的价格
由于⼀个激励源使⽤了DDS芯⽚稳定输出⼀个频率的正弦波，可以使⽤⾃制振荡器来⽣成正弦波，⼤⼤降低价格.
五、结束语
该设计较好实现了题⽬基本部分和发挥部分的全部功能，并有良好的发挥，多项性能优于题⽬要求的指标。但对于⼤电容的测量缺乏合理的解决⽅案，本题由于时间的限制，难以使⽤低频交流信号来测量⼤电容，这有待于对系统设计的进⼀步改善。
往期精彩
（国家⼆等奖）
废气焚烧
本⽂完
欢迎关注【数字积⽊】，更精彩的内容等着你！
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议