自动测试设备中电缆损耗补偿

摘要：随着电力事业的迅速发展,对供电可靠性和用电安全性的要求在进一步的提高,电力设备绝缘状况检测技术的发展日益得到重视,新的检测设备和新的检测技术不断在推出。电线电缆是最常用的电力设备,同时也是出现绝缘故障的概率最高的设备,据不完全统计,电气绝缘不良引起的事故中波及的设备有近一半与电线电缆有关。在我国,针对高电压等级的电缆绝缘检测技术受到了普遍的重视,但是针对低压配电网的电线电缆绝缘检测技术的研究却进展不大。 本论文首先简要介绍了电线电缆绝缘材料的特性,阐述了绝缘材料老化的机理、绝缘漏电流的成因和相关电路模型,并在此基础上分析了针对电线电缆的各种绝缘检测技术的原理以及各自的优缺点。其次,基于低压配电网绝缘检测的实际需求,本课题研制的一种基于单片机的数字兆欧表,论文从软硬件两方面对其工作原理和性能作了详细的说明。此外,通过建立相应的电路模型,论文从理论上探讨了叠加法应用于IT型低压配电网的在线绝缘检测技术的可行性和优越性,并且通过Matlab软件仿真,得到了初步的验证。

关键词：自动检测设备 绝缘检测 损耗补偿

中图分类号：G267 文献标识码：A 文章编号：

前言自动测试设备(ATE)中包含了非常复杂的集成电路,专门用于驱动设备的每个引脚。而各个测试设备供应商为了降低成本,采用了质量较差的电缆来连接各个引脚,从而产生了一定的电缆损耗。为了补偿这种损耗,文章采用小尺寸引脚电子器件(PE)来驱动电缆,通过适当的电子电路来补偿电缆损耗,使ATE系统性能接近PE所能提供的性能指标,达到无需考虑电缆损耗问题的目的。

目前有许多测试公司设计、制造并销售引脚数众多的自动测试设备(ATE)。这些测试设备具有非常复杂的集成电路，用于驱动设备的每个引脚。一台测试设备的引脚数可能多达4096个。每个引脚通常都有一个相应的驱动器、比较器、负载，有时甚至需要参数测试单元(PMU)。这些电路通过电缆连接到测试引脚。为了降低成本，供应商可能会选用质量比较差的电缆。而任何电缆，尤其是质量较差的电缆，都会产生损耗，从而降低了测试设备的最终性能。

电缆损耗

ATE中的电缆损耗类型

在ATE中，每个引脚通常连接一个相应的驱动器，比较器，负载，有时需要参数测试单元，而这些电路通过电缆连接到测试引脚。而质量较差的电缆产生的电缆损耗和介电损耗。其中趋肤效应损耗是指高频信号沿着导体内测表面传输而产生的损耗。试验表明，趋肤效应损耗导致导线每单位长度上的电阻和电感随频率的平方根面成比例增长。除了趋肤效应损耗外，由于电子介质绝缘体会影响电缆电容，电介质绝缘体同样会产生与频率相关的电缆损耗，即介电损耗。

在自动测试设备中，趋肤效应损耗对于低频损耗起主导作用，介电损耗对于高频损耗起主导作用，具体损耗大小取决于电缆的质量和规格。

对于运行在200MBPS范围的测试设备，电缆的损耗不大；而在500MBPS时，就需要对整个信号路径，电路，电缆以及引脚的性能进行仔细分析，以保证每个引脚得到正确的指标。其中，影响测试设备的主要参数指标包括，波形的直流电精度，上升和下降时间，最大的触发率，最小的脉宽，边沿的传输延时精度和匹配和传输偏差。

由于不同电缆的价格差异较大，高速测试设备大多选用损耗较大的劣质电缆。当速率接近或超过1GBPS，必须充分考虑电缆损耗。

电缆损耗补偿

损耗是由电缆结构或相关连接部分中的阻抗变化所引起的信号衰减。这些变化导致信号反射 ( 返回 ) 到源端。在低频段回波损耗影响相对较小�在 50 MHz 以上频段�回波损耗会造成显著的影响。

电缆上信号反射涉及到两种类型的测量。一种是回波损耗 RL �另一种是结构回波损耗 SRL �类似于回波损耗 RL �但测量方式不同。在 SRL测量情况下�测试仪器匹配于平均电缆阻抗来测量所反射的信号。使用 RL测量时�测试仪器设定为额定电缆阻抗 ( 例如 75 欧姆 ) 来测量所反射的信号。回波损耗 RL 是一种更为准确的测量反射的方法。在实际应用中�人们不能调节设备的输入或输出阻抗。结构化回波损耗 SRL 测量忽视了电缆输入阻抗的不匹配�并非实际的测量。回波损耗 RL 是更为适合的�不管电缆或设备的实际阻抗而设定为指定的阻抗值 ( 此处为 75 欧姆 )来测量信号反射情况。

中心导体

如果中心导体尺寸有误差�或尺寸随机变化�将影响阻抗和回波损耗。如果在中心导体以外的位置存在上述情况也将产生同样的影响。由轮子不圆所导致的尺寸变化将如前所述周期性地变化。

绝缘

当挤压中心导体周围的绝缘层时�很多因素都影响到阻抗和回波损耗�诸如对指定阻抗来说不合适的空间和速率变化。

可以发泡出具有理想电介质值的发泡材料�但是如果该材料太软�弯曲电缆都有可能导致中心导体穿透发泡材料。电缆将不具有理想的阻抗而且将产生回波损耗。

屏蔽

电缆的屏蔽层专为高频而设计�通常使用箔 - 编织组合屏蔽。编织屏蔽从 100kHz 到 10MHz 都有效。箔层屏蔽对于 10MHz 到 GHz 范围有效。然而�如果编织覆盖不足�则可能牵制不住箔。这种效果称为气球效应 并将影响阻抗和回波损耗。编织覆盖维持至少在 90% �才会将气球效应最小化。此外�电缆厂使用多台编织机�其包括多个轮子和齿轮�因此是周期性间断和随机“毛刺”变化的明显的来源。

护套

护套外面印有电缆标识�它沿着电缆标记信息。印刷轮沿电缆一边施加压力�潜在地使内部尺寸变形。在高保真音视频的高端电缆应用中尤为重要�打印标识的质量是关键因素。

可以使用喷墨打印来标记电缆�将小墨滴喷射到电缆上。该过程非常迅速�而且印刷设备甚至不接触电缆�喷墨还允许使用相邻数或更改标识信息�但电缆必须通过滚筒和轮子以便准确地测量。相邻数通常是准确的长度测量�诸如每英尺或每米标记。因此�标记的准确性直接与轮子上的压力有关�通过它可以进行测量。

采用高质量，昂贵的电缆可以避免产生电缆高损耗，并且这种电缆对系统性能的负面影响小，但是，高昂的成本严重制约了这类电缆的使用，只有一些特殊的高端系统才可能使用这种高质量电缆。另外，电缆线径也会制约系统中能够使用的电缆数量，即使高质量电缆也会产生显著的损耗。

采取特定的电子电路设计方法，不仅用于区别电缆，而且能够均衡电缆消耗。这种续时较短的峰值电平，补偿过充值电压。输入电压控制持续时间较长的峰值，补偿过充电压。较短或较长持续时间的过冲信号都限制在10%过冲范围内。

同尺寸，不同种类的补偿性能。电平转换率的降低和延长的上升时间是导致电缆损耗的关键，从没有补偿的通道更容易看到这一现象。所产生的损耗取决于使用电缆的长度和质量，实际应用中，电缆本身造成的损耗就有可能超过50%。

采用小尺寸的电子引脚器件驱动电缆，从而允许使用线径较细的成本较低的高损耗电缆。器件还可以补偿PCB引线，继电器和；连接器造成的损耗。另外，该方案使系统性能接近PE所提供的性能指标，无需考虑电缆损耗问题。

补偿方案

电缆损耗导致波形边沿变得平滑，而真是这些平滑的信号边沿降低了系统的有效带宽。为了优化系统性能，必须恢复有效的系统带宽。为了修正信号的磨损，恢复带宽，必须找到一种方法将波形边沿恢复到直接来自驱动器的陡峭，无噪声方波。这种修正必须利用驱动电器的PE实现，其中驱动器和比较器通路均需修正。从电缆到被测试件整个驱动连路的波形的修正情况，一个附加电路模块波形整形，通过增加可控制的过冲幅度，有效地修复信号的边沿。边沿修复不是通过简单的过冲电路实现，简单的过冲电路会对边沿产生负面影响，造成幅度波动，过冲量取决于具体加入的过冲。这些不良影响会造成时序，信号偏移等误差，且这些误差随频率，幅度的变化而变化。电缆损耗补偿电路在信号中加入两个一阶时间常数衰减的峰值信号。严格的PE电缆补偿设计能够保持真实的信号边沿，甚至可以减小幅度波动，从而维持正确的瞬变电平，使系统在任何频率和幅度下获得最佳的性能。没有电缆补偿电路，系统将无法达到与PE同等的性能指标，同样，在PE中设计电缆补偿，可以获得几乎100%性能指标，非常接近PE所能支持的最高速率。

结束语：

电子驱动器内设计电缆补偿电路，使系统能够使用低成本，高损耗电缆，同时保证整体性能。在驱动器中加入此补偿器功能会增加每一个引脚的成本，然而，性能的提高和低成本电缆的使用，无疑可以弥补引脚成本的挺高，最终降低整体成本。

参考文献：

[1]王立薇，郭士瑞一种基于自动测试设备可编程逻辑【J】电子测试2009（2）--9--11