【2023电赛本科组-TI杯】同轴线缆长度及终端负载检测装置

一、团队介绍

获奖情况：2023年TI杯全国大学生电子设计竞赛国家级一等奖（TI杯）

学校信息：杭州电子科技大学

团队成员：杨晋伟 林仕方 张慧

二、题目要求

设计并制作一个同轴电缆长度与终端负载检测装置（以下简称“装置”），如图1所示。

待测电缆始端通过电缆连接头与装置连接，电缆终端可开路或接入电阻、电容负载。设置“长度检测”和“负载检测”两个按键，用以选择和启动相应功能。负载电阻值范围：10Ω~30Ω，电容值范围：100pF~300pF。装置由不大于6V的单电源供电。

基本要求：

（1） 装置能够显示工作状态、电缆长度、负载类型、负载参数，显示格式见表1。

（2） 电缆长度 1000cm≤L≤2000cm、终端开路，按“长度检测”键启动检测，装置能够检测并显示电缆长度 L，相对误差的绝对值不大于 5%，一次检测时间不超过 5s。

（3） 终端开路条件下完成电缆长度检测后，保持 L 不变，在终端接入电阻、电容中的一种负载，按“负载检测”键启动检测，装置能够正确判断并显示负载类型，一次检测时间不超过 5s。

发挥要求：

（1） 提高电缆长度检测精度：电缆长度 1000cm≤L≤2000cm、终端开路，

电缆长度检测相对误差的绝对值不大于 1%，一次检测时间不超过 5s。

（2） 终端开路条件下完成长度检测后，保持 L 不变，在终端接入电阻、电容中的一种负载，按“负载检测”键启动检测，装置在正确判断负载类型的基础上检测并显示负载的电阻、电容值，相对误差的绝对值不大于 10%，一次检测时间不超过 5s。

（3） 减小电缆长度检测盲区：终端开路时，在满足电缆长度检测相对误差

的绝对值不大于 1%、一次检测时间不超过 5s 的条件下，减小能够检测的电缆长度至 L≤100cm。

（4）其他。

三、设计摘要

本作品完成了一个同轴电缆长度与终端负载检测装置，该装置由电源模块、激励信号源、定向电桥、接收机、ADC 采样与 STM32 FFT 变换/IDFT 变换六部分构成。STM32 控制 AD9959 DDS 模块产生扫频信号和本振信号，扫频信号送入定向电桥后将反射混叠信号分离为反射信号与源信号，将其分别和相同的本振信号送入混频器下变频至中频信号，ADC 对其进行采样后传输至 STM32，经 FFT变换得到幅频响应。幅频响应通过离散傅立叶反变换(IDFT)后得到时域冲激响应，根据时域阻抗变化特性进行分析，最终得到对应结果并显示在 LCD 屏上。本系统具有测量同轴电缆长度、判断电缆终端负载类型并测量对应参数的功能，另拓展显示被测电缆网络的史密斯圆图、幅/相频特性图以及 TDR 图辅以观察。

四、题目分析

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

1. 激励信号发生电路设计
        激励信号源选用 DDS 芯片 AD9959，具有 4 个同步 DDS 通道(500 MSPS)，通道间具有独立的频率/相位/幅度控制，频率步进 1Hz。同时输出串联带通滤波器以减小 DDS 高频输出时波形失真，具体见原理图【模拟部分-DDS】。

2. 信号检测及处理电路设计
（1） 电源电路
        电源转化电路运用 TPS5430 制作，搭建电路产生正负电源轨。TPS5430 具有高输入范围，高效率等优点，能够满足电路供电要求，具体见原理图【模拟部分-电源电路】。
（2）定向电桥
        信号分离装置采用定向电桥。定向电桥左桥臂中点只有入射信号，右桥臂中点反射信号与入射信号叠加，对两点进行差分运算，即可得到反射信号。具体见原理图【模拟部分-定向电桥】。
（3）接收机电路
        接收机部分采用超外差结构，使用两块 AD835 将本振信号分别与扫频信号和反射信号混频，将高频扫频/反射信号变频至 2.5kHz 的中频信号，并且输出经过低通滤波器滤除无用高频信号后送入 ADC 采样。具体见原理图【模拟部分-混频器】。
（4）低通滤波器
        低通滤波器采用巴特沃兹滤波器，选用 OPA227 运放，OPA227 具有高精度，低噪声等特点，能够有效滤出中频信号，具体见原理图【模拟部分-混频器】。
（5）信号采集电路
        信号采集部分选用 ADS131A04，该芯片是 4 通道 24 位 128ksps 同步采样𝛥 − 𝛴 ADC，具有高精度，高分辨率等优点。24 位的分辨率大幅提高了信号采样的信噪比与动态范围，同步采样保证了两路中频信号在采样时不会引入额外相位误差。同时高达 128ksps 的采样率可以提高接收机中频频率，以获得更佳的动态灵敏度。具体见原理图【模拟部分-ADC】。 

七、程序流程图

八、实物展示

按键功能说明

九、注意事项

1.原理图中有多个电阻为预留电阻（用NC标出），制作时不用上件。

2.屏幕兼容正点原子4.3寸RGB屏,但要注意线序。

3.上电后必须进行校准！！！

4.预置同轴线电阻参数（Ω/m）在app.c中，请根据自己的线缆自行调整。

十、演示视频

https://www.bilibili.com/video/BV1ur4y1f71C/?spm_id_from=333.999.0.0

十一、附件内容

附件一：编译好的hex文件和源码