通信電纜電容不平衡概念辨析及自動(dòng)測(cè)試方法

劉 杰， 涂建坤

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

通信電纜電容不平衡參數(shù)是衡量通信電纜性能的重要指標(biāo)。電容不平衡參數(shù)包括線對(duì)間電容不平衡(K值)，線對(duì)對(duì)地電容不平衡(e值)，線對(duì)對(duì)外來(lái)地電容不平衡(ea值)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5441.3《通信電纜試驗(yàn)方法—電容耦合及對(duì)地電容不平衡試驗(yàn)》中有所描述［1］。但在現(xiàn)有資料中對(duì)于通信電纜的K、e和ea的測(cè)試概念和被測(cè)線對(duì)與其它線芯的連接方式的說(shuō)明不明確。本文將詳細(xì)闡述K、e和ea的概念并給出相應(yīng)的測(cè)試方法。這對(duì)于確定合理的測(cè)試儀表結(jié)構(gòu)和測(cè)試時(shí)的連接方式和平衡方法是很重要的。

1 概念辨析

對(duì)稱通信電纜一般由許多線芯組成，其中每?jī)蓚€(gè)線芯組成一個(gè)線對(duì)，兩個(gè)線對(duì)組成一個(gè)四線組。一個(gè)四線組部分電容分布如圖1所示。

1.1 ea和e值的區(qū)別

電容不平衡ea表示四線組各回路對(duì)地的部分電容不平衡值，就是對(duì)外來(lái)地電容不平衡:

圖1 四線組部分電容分布圖

第一實(shí)路的電容不平衡為

第二實(shí)路的電容不平衡為

幻路對(duì)地的電容不平衡為

電容不平衡e表示當(dāng)考慮所有第三回路時(shí)的電容不平衡值，線對(duì)對(duì)地電容不平衡:

第一實(shí)路對(duì)地及其他線芯的電容不平衡為

第二實(shí)路對(duì)地及其他線芯的電容不平衡為

幻路對(duì)地及其它線芯的電容不平衡為

從公式(1)～(3)可以看出，ea值的測(cè)試忽略了其余線芯的影響，因此ea值的測(cè)試時(shí)，其余線芯必須接至測(cè)試變壓器中心點(diǎn)，以使其余線芯與被測(cè)量線芯處于等電位，從而“屏蔽”其余線芯的影響;而從公式(4)～(6)可以看出，e值的測(cè)試必須考慮其余線芯的影響，因此e值的測(cè)試時(shí)，其余線芯應(yīng)接至設(shè)備的信號(hào)地。

1.2 K1和 K9-12的區(qū)別

在一個(gè)星絞四線組內(nèi)，第一實(shí)路(1和2導(dǎo)線)對(duì)第二實(shí)路(3和4導(dǎo)線)的電容耦合為:

對(duì)于四線組組間的實(shí)路對(duì)實(shí)路電容耦合用K9～K12表示。四線組組間耦合系數(shù)中回路的符號(hào)如圖2所示。

圖2 四線組間耦合系數(shù)的符號(hào)

即K1表示四線組內(nèi)實(shí)路和實(shí)路的電容耦合，K9～K12表示兩個(gè)四線組組間的實(shí)路對(duì)實(shí)路電容耦合。對(duì)于大對(duì)數(shù)結(jié)構(gòu)的通信電纜，如早期的市話電纜，可以用K值表示任意兩對(duì)線之間的電容不平衡值。

1.3 K1和K2-3的區(qū)別

在一個(gè)四線組內(nèi)，第一實(shí)路和幻路間的電容耦合為:

在一個(gè)四線組內(nèi)，第二實(shí)路和幻路間的電容耦合為:

即K1是一個(gè)四線組內(nèi)，實(shí)路和實(shí)路間的電容耦合;K2、K3是一個(gè)四線組內(nèi)，實(shí)路和幻路間的電容耦合。

2 測(cè)試原理

電容不平衡參數(shù)ea1的測(cè)試電路如圖3所示，其中其它非測(cè)試線芯接變壓器中心點(diǎn)F。電容不平衡參數(shù)ea2、ea3測(cè)試電路與ea1測(cè)試電路結(jié)構(gòu)類似，參考ea1的測(cè)試電路。

圖3 對(duì)外來(lái)地電容不平衡ea1測(cè)量電路

電容不平衡參數(shù)e1的測(cè)試電路如圖4所示，其中其它非測(cè)試線芯接金屬護(hù)套儀器屏蔽。電容不平衡參數(shù)e2、e3測(cè)試電路與e1測(cè)試電路結(jié)構(gòu)類似，參考e1的測(cè)試電路。

圖4 對(duì)地電容不平衡e1測(cè)量電路

電容耦合參數(shù)K1測(cè)試電路如圖5所示，其中其它非測(cè)試線芯接金屬護(hù)套儀器屏蔽。

圖5 K1的電容耦合測(cè)量電路

電容耦合參數(shù)K2測(cè)試電路如圖6所示，其中其它非測(cè)試線芯接金屬護(hù)套儀器屏蔽。K3測(cè)試電路與K2測(cè)試電路結(jié)構(gòu)類似，參考K2的測(cè)試電路。

圖6 K2的電容耦合測(cè)量電路

四線組組間的電容耦合用K9～K12的測(cè)試電路與K1的測(cè)試電路相當(dāng)，參考K1的測(cè)試電路。

3 自動(dòng)測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)

以ea1測(cè)試為例分析如何實(shí)現(xiàn)測(cè)試，圖3為對(duì)外來(lái)地電容不平衡的測(cè)試原理圖。圖7為圖3的具體實(shí)現(xiàn)電路圖。

電容不平衡檢測(cè)電路由信號(hào)源、平衡變壓器、差分放大電路組成。圖7中CAG、CBG即為A、B線對(duì)地電容。

此時(shí)，差分放大電路輸出:

圖7 對(duì)外來(lái)地電容不平衡的測(cè)試電路圖

式(14)表明，在輸入電壓固定時(shí)，差分放大電路輸出電壓與電容不平衡差值成正比，且輸出電壓與激勵(lì)信號(hào)源有固定的90°相差。但如果直接對(duì)進(jìn)行采樣，然后計(jì)算 ΔC會(huì)產(chǎn)生較大誤差。首先是正弦信號(hào)，直接處理相對(duì)復(fù)雜;同時(shí)，由于ω、R數(shù)值的任何微小的偏離都將引入測(cè)試誤差。因此采用圖8所示的方法對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步處理。

如圖8所示，信號(hào)源產(chǎn)生的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路，產(chǎn)生過(guò)零脈沖信號(hào)V3。同時(shí)正弦信號(hào)送入峰值檢測(cè)電路，其輸出與正弦波幅值相等的直流信號(hào)|。電容檢測(cè)電路輸出信號(hào)與正弦峰值信號(hào)||分別連接到對(duì)應(yīng)的取樣/保持電路的輸入端上。在過(guò)零檢測(cè)電路輸出的脈沖驅(qū)動(dòng)下，取樣/保持電路分別輸出V1和V2。其中V1為的幅值，V2為的幅值(||)。

圖8 對(duì)地電容不平衡信號(hào)處理電路圖

V1與V2分別被連到A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的模擬信號(hào)輸入端Vx和參考電壓輸入端Vref。此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為:

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)定，即可求出不同電纜的電容不平衡值。其它參數(shù)的測(cè)試方法大致相同。

上述的測(cè)度方法應(yīng)用在上海電纜研究所研制的LCTS電纜低頻參數(shù)測(cè)試儀來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試參數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖9。

圖9 測(cè)試參數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

利用上海電纜研究所研制的LCTS電纜低頻參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試電容耦合和電容不平衡參數(shù)的模型，所得測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文辨析了K、e和ea的定義和區(qū)別，總結(jié)來(lái)說(shuō):K1是一個(gè)四線組內(nèi)，實(shí)路和實(shí)路的電容耦合，K2、K3是一個(gè)四線組內(nèi)，實(shí)路和幻路的電容耦合，K9～K12表示四線組組間的實(shí)路對(duì)實(shí)路電容耦合;ea表示四線組各回路對(duì)外來(lái)地電容不平衡;電容不平衡e表示線對(duì)對(duì)地電容不平衡。

本文還給出了參數(shù)的測(cè)試原理和測(cè)試實(shí)現(xiàn)方法。測(cè)試方法應(yīng)用在上海電纜研究所研制的LCTS電纜低頻參數(shù)測(cè)試儀上，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)試電容不平衡參數(shù)，再次驗(yàn)證了參數(shù)的概念和測(cè)試原理分析的合理性。

表1 電容耦合和電容不平衡參數(shù)的模型所得測(cè)試數(shù)據(jù) (單位:pF)

［1］GB 5441.3—85 通信電纜試驗(yàn)方法 第3部分:電容耦合及電容不平衡實(shí)驗(yàn)［S］.