【正文】 用的通訊電纜與標準的通訊電纜間系數(shù)為 ρ=80%，則最長的測量距 2Lmax=PVTmax≈，即 Imax=40km,滿足 測量長度的要求。誤差2 0 .0 0 0 6 4 0 .0 0 1V F k m k m k m k m??? ? ?，也滿足誤差的精度要求。所以，可判斷系統(tǒng)所選的計時部分。下面簡要說明連線形式： 100MHz 的脈沖源接到 74LS390 的 CP0， 74LS390 按串聯(lián)方式接成 100 進制計數(shù)器，計數(shù)輸出最高為接到 AT89C51 的 T0 口， 74LS390 的輸出端經(jīng)一片 74LS245（三態(tài)輸出八組總線緩沖器 /驅(qū)動器）芯片，接到單片機的 8 位數(shù)據(jù)總線上（ P0）口。具體電路接線圖見 圖 1。 第 6 章 脈沖發(fā)生及接收單元電路設計 本次設計主體的構(gòu)想：用調(diào)制過的低壓脈沖波 ，加到被測電纜上，通過對反射回來的脈沖波形的判斷，確定通訊電纜是否有故障，故障點到測試點之間的距離 [13]。因此，在本次設計中，低壓脈沖波的產(chǎn)生、調(diào)制、發(fā)送、接收、檢驗過程是難點，也是重點。下面就本設計中所使用的信號發(fā)生電路、信號接受電路和相關(guān)知識作簡明介紹。 脈沖發(fā)射電路設計 本電路用來產(chǎn)生一個預定寬度為 30V 矩形脈沖，并通過耦合變壓器發(fā)送到電纜上去。脈沖發(fā)射電路框圖如下圖 61所示。 圖 61 中定時器電路為一可預置的減法計數(shù)器。按要求微處理器向定時器預先置一個數(shù)，電路接收到微處理器發(fā)出啟動 發(fā)射的命令后，輸出一個 5V 的電平，此時定時器在時鐘信號控制下進行減法計數(shù)，即每來一個脈沖，定時記數(shù)減 1，經(jīng)過幾個脈沖后，計數(shù)器減到``` 19 0，定時器輸出一個 0V 的電平，這樣就形成了具有一定寬度的 5V 矩形脈沖。根據(jù)測量范圍的不同改變預置的數(shù)值，定時器就輸出不同寬度的脈沖。 圖 61 脈沖發(fā)射電路原理圖 定時器輸出的 5V 的矩形脈沖，經(jīng)過放大電路放大為 30V 的電壓脈沖，施加到脈沖變壓器 T1上去，此時發(fā)送脈沖通過脈沖變壓器 T1原邊 L1，在其副邊 L L3 產(chǎn)生大小相等極性相反的電壓脈沖，分別加到被測線路和內(nèi)部阻抗平 衡電路，如內(nèi)部平衡電路阻抗與被測電路波阻抗相近，則在發(fā)射脈沖的作用下，在 L L5 產(chǎn)生一個大小相近， 極性相反的電流信號， L6 收到的信號極弱，達到了壓縮發(fā)射脈沖的目的。而當線路上反射脈沖到來時，在L L5 上產(chǎn)生的電壓大小相等，方向相反，回路電壓代數(shù)和為 0，內(nèi)部平衡電路不起作用，反射脈沖電壓通過 T2 的線圈 L4全部變換到 L6 上，加到信號接收電路上。 在通常的脈沖發(fā)射儀器發(fā)送的脈沖有一定的寬度，由于儀器的輸出阻抗與電纜波阻抗不匹配，電纜上得到的可能是儀器接收電路接收到的發(fā)送脈沖拖了一個尾巴，故障反射脈沖與發(fā)射 脈沖重疊，會造成顯著的測量盲區(qū)，儀器同時接受并在顯示器上顯示發(fā)送脈沖與反射脈沖，當故障點距離較遠時，發(fā)送脈沖的幅值遠大于故障點的反射脈沖，如通過提高放大器的增益，來達到提高故障點的反射脈沖幅值的目的，將造成信號放大電路的飽和，出現(xiàn)所謂的“阻塞 ”現(xiàn)象。 在現(xiàn)場中常用到一種內(nèi)部阻抗平衡技術(shù)，來消除脈沖反射儀器中產(chǎn)生的 “阻塞 ”現(xiàn)象。內(nèi)部阻抗平衡技術(shù)在 ，在此不再贅述 [14]。 脈沖接收電路設計 設計接收電路之前，需要熟悉數(shù)字電子、模擬電子及單片微機原理與接口技術(shù)相關(guān)知識。下面就把涉及到的各個元 器件工作原理作簡要的介紹： 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74121不可重復觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，具有施密特觸發(fā)特性。其引腳如圖 62所示。 ``` 20 圖 62 TTL集成器件 74121引腳圖 下面簡要介紹 74121的觸發(fā)與定時。 正觸發(fā)輸入端（ B）采用了施密特觸發(fā)器，因此，有較高的抗擾度。 74121 觸發(fā)后輸出（ Q、 Q? ）就不受輸入（ A A B）跳變的影響，而僅與定時元件（ CEXTRT）有關(guān)。在全溫度和 VCC 范圍內(nèi)，輸出脈沖寬度為： TWQ =CEXTRTln2≈ 。如果 R1選用最大推薦值，占空比可高達 90%。 74121 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有 3 個觸發(fā)輸入端，由觸發(fā)信號控制電路分析可知，在下述情況下，電路可由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)： 若 A1A2兩個輸入中有一個或兩個為低電平， B發(fā)生由 0到 1的正跳變。 若 B和 A A2 中的一個為高電平，輸入中有一個或兩個產(chǎn)生又 1到 0的負跳變。 輸出脈沖的寬度取決于定時電容和定時電阻的大小。 74121 的定時電容連接在芯片的 11 引腳之間。若要輸出脈沖寬度較寬，則采用電解電容，電容正極接在 Ce 輸入端（ 10腳）。對于定時電阻，可用兩種方式供選擇：利用內(nèi)部定時電阻（ 2K?），將 9 號引腳（ Ri）外接 +5V 電源；采用外接定時電阻（ ～ 40k? 之間）此時 9 腳應懸空，電阻接在 11腳與 +5V電源之間。 輸出脈沖寬度 RC? （ 61） 通常 R的數(shù)值取在 2 ～ 30 K?之間， C的數(shù)值取在 10pF～ 10μ F 之間，得到的 Wt 的取值范圍可達到 20ns～ 200ms。 式 61中的 R可以是外接電阻 Rext，也可以是芯片內(nèi)部電阻 Rint（約 2 K?），如希望得到較寬的輸出脈沖，一般使用外接電阻。 ``` 21 表 61 74121功能表 輸 入 輸 出 1A 2A B Q Q? L X H L H X L H L H X X L L H H H X H ↓ H ↓ H H ↓ ↓ H L X ↑ X L ↑ (2)雙上升沿 7474 D觸發(fā)器（有預置、清除端） 集成 D 觸發(fā)器有很多的定型產(chǎn)品，本次設計中采用雙上升沿 D 觸發(fā)器 7474，下面就其邏輯符號和功能作一簡單介紹。圖 63是 7474邏輯符號。 圖 63 D觸發(fā)器 7474的邏輯符號 表 62 D觸發(fā)器 7474功能表 輸 入 輸 出 SD CD CP D Q L H X X H L H L X X L H H H H H L ``` 22 H H L L H H H L X Q Q 附錄 C 顯示出信號接收電路的實際線路圖。為了方便分析低壓脈沖波的發(fā)射與接收電路如何跟主控單元配合完成功能檢測，在圖中標出 25 個采樣點（ M0～ M24 標注），下面就針對這些采樣點來解釋整個接收電路的工作過程。 系統(tǒng)開始運行時，各個狀態(tài)準備好后，通過對 AT89C51 的 INT1 引腳進行控制，來完成測試波的發(fā)送，同時計數(shù)裝置開始工作，當反射波到來時，通過電平的變化，至使計數(shù)裝置停止工作，同時引起 AT89C51的 INT0中斷，進而開始信號處理工作。 具體的過程如下分析： 測試波的發(fā)送過程 附錄 B中的控制 電路模塊 5號管腳在附錄 C中，發(fā)送脈沖前， INT1引腳為低電平 “0”，附錄 B 中的 1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（ 74121）的 Q? 引腳為高電平 “1”，經(jīng)一非門后，變?yōu)?“0”，使得與之相連的 Q1 三極管處于截止狀態(tài)，所以低壓脈沖被阻止加到被測電纜上 。如附錄中 C圖，各個狀態(tài)如表 63所示。 表 63 附錄 C中各個采樣帶內(nèi)的狀態(tài) M24 M23 M15 M14 M16 M17 M18 M19 M20 0 1 0 1 1 0 0 1 1 14 9 11 15**M M M M? ， 17 14 16*M M M? ； 由以上可知， M17 的狀態(tài)為 0，由 D 觸發(fā)器的性質(zhì) M19 狀態(tài)為“ 1”， M13 的狀態(tài)不定，所以 M2 M22 均處于無狀態(tài)，指示燈不會亮。此時各個部件都處于待發(fā)狀態(tài)，不引起任何的動作。 發(fā)送脈沖時，主控系統(tǒng)將 INT1引腳發(fā)生電平正跳變，即 INT1引腳 ，在附錄 C中的1單穩(wěn)態(tài) 74121 觸發(fā)器的 Q? 引腳發(fā)生 ，經(jīng)過一非門后變?yōu)?，使與之相連的 Q1 三極管短時導通，進而低壓負脈沖波可以加到測試線路上， 開始測試。而此時接收電路上的各點狀態(tài)已開始變化。如下表 64 表 64 附錄 C此時各點狀態(tài) ``` 23 M24 M23 M15 M14 M16 M17 M18 M19 M20 1 因為 14 9 11 15**M M M M? ，當 15 由“ 0”到“ 1”跳變時， M M11 的狀態(tài)不定，因而 M14 的狀態(tài)也不確定。而 17 14 16*M M M? ，當 M16 發(fā)生瞬間變化（由“ 1”到“ 0”），則 M17 也瞬間變化（由“ 0”變到“ 1”）；由于 74121 是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以M16 又發(fā)生瞬時變化（由“ 0”變到“ 1”），由于 M14 的狀態(tài)不定，因而 M17 的狀態(tài)也不定。當 M18瞬時變化（由“ 0”變到“ 1” ），并不能引起 M20狀態(tài)的變化，不會觸發(fā)中斷。而當 M19瞬時變化（由“ 0”變到“ 1”），也不能引起 M2M22 狀態(tài)的變化，指示燈依舊 不亮；但這一變化卻使計數(shù)裝置的開始工作，計數(shù)開始。需要說明的是，脈沖的發(fā)射是在瞬間完成的，各點的變化也是瞬間進行的。 發(fā)送脈沖以后， INT1引腳保持高電平“ 1”，在附錄 C 中的中 1單穩(wěn)觸發(fā)器的 Q 引腳也保持高電平“ 1”，經(jīng)過一非門，變?yōu)椤?0”，使得 Q1 三極管處于截止狀態(tài)以脈沖不能加到被測線路上。而此時附錄 C中的各點狀態(tài)如下表 65 表 65 各點狀態(tài) M24 M23 M15 M14 M16 M17 M18 M19 M20 1 0 1 ? 1 ? 1 0 1 這時， M18 為 1， M20 的狀態(tài)保持不變， INT0 不會觸發(fā)。同時， M19 為 0， M2 M22仍處于無效狀態(tài)，指示燈不會亮；計數(shù)裝置已正在計數(shù)，整個系統(tǒng)處于新的待發(fā)狀態(tài)。 反射波的接收過程 本次設計中，主要利用低壓脈沖波來檢測通信線路故障。圖 42 畫出低壓脈沖波對短路、斷路故障的反射波形 [15]。據(jù)圖 42分析可得，當發(fā)生斷路故障時，返回波值為負，取為1；當發(fā)生短路故障時，返回值為正，取為 +1；而當線路無 故障時，返回的波值為 0。 此時附錄 C圖中，各點的狀態(tài)如下表 66所示： M0 M2 M4 M5 M6 M7 M9 M10 +1 1 1 0 0 1 0 ? 0 ? 1 1 1 1 ? ? 1 0 0 1 1 0 ? 1 ``` 24 當 M0為 +1時， M2為 1， M6為 0，三態(tài)門 2滿足條件，輸出 M9為 0； M2為 1， M7為1，三態(tài)門 1不滿足條件， M10沒有信號。 當 M0為 0時， M2輸出無， M6 為 1，三態(tài)門 2不滿足條件， M9輸出無； M2 輸出無，M7為 1，三態(tài)門 1不滿足條件， M10無。 當 M0為 1時， M2為 0， M6為 1，三態(tài)門 2不滿足條件， M9輸出無； M2為 0， M7位0，三態(tài)門 1滿足條件， M10輸出為 1。 上述分析中， M2 為無，說明不是高電平，也不是低電平，而是介于高低電平之間的一種狀態(tài)，是不滿足工作要求的。 M9 無、 M10 無也是同樣情況。在附錄 C 中，各點的狀態(tài)如下表 67： 表 67 M9 M10 M11 M12 M13 M15 M14 M16 M17 M18 M19 M20 0 ? ? 1 ? 1 1 1 0 ? ? ? ? ? 1 ? 1 ? 1 0 1 ? 1 0 ? 1 1 1 1 0 14 9 11 15**M M M M? ， 17 14 16*M M M? 依上表各采樣點所示，當有脈沖波返回時， M18 均發(fā)生瞬時變化（由“ 0”到“ 1”）此時 3 74121 單穩(wěn)觸發(fā)器開始工作，在 M20 線上引起脈沖跳變（先“ 1”到“ 0”，再由“ 0”到“ 1”），由于系統(tǒng) INT0 中斷負跳變觸發(fā)是由軟件設置的， 即當 M20 由“ 1”變到“ 0”時，就觸發(fā) INT0中斷，然后繼續(xù)進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。 M19 發(fā)生瞬時變化（由“ 0”到“ 1”）時， D 觸發(fā)器在時鐘的控制下工作， M13 為 0 時M22 為 1，綠燈亮，顯示為短路故障； M13 為 1 時， M22 為 0，紅燈亮，顯示為斷路故障。與此同時 M19 的變化也引起 74LS390計數(shù)器停止計數(shù)。以上的發(fā)射波接收是瞬間完成的，各點的變化也是瞬間進行的。 上述的線路作用是有一定范圍的，超過了測量的范圍，上述分析的電路也就沒有多少意義了。所以還必須配合軟件設計，即利用定時器中斷來加以判別。 信號發(fā)射電路 、接收電路，和主控單元配合能完成設計工作，即給被測電纜加上測試波，能及時準確的接收反射回來的故障波形，并將結(jié)果通過數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示出來。 綜上所述，對系統(tǒng)工作過程的分析是從理論上說的，在實際的現(xiàn)場中可能會存在一定的差別，但由于脈沖