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【大学生电子竞赛题目分析】——2023年全国赛B题《同轴电缆长度与终端负载检测装置》 [复制链接]

 

没有在论坛内看到这次竞赛B题的讨论,只看到一个问的,还没人回答

其实,今年的竞赛题中,B题是工作量最小的一个。问题是必须对传输线理论很了解才能做这个题。所以这个题是属于那种”要么会要么不会“,类似于2进制数字信号的结果的那种。

下面是原题与笔者的分析。

 

题目

一、任务

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”),如下图所示。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。

image.png  

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膜拜膜拜,大佬讲解的又专业又详细,学习学习了,再次感谢大佬的分享,感谢感谢   详情 回复 发表于 2024-1-31 22:30

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二、要求

1. 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,显示格式见下表。

工作状态

显示“正在检测”或“结果保持”

电缆长度

显示“XXXX cm”

负载类型

显示“开路”、“电阻”、“电容”中的一种

负载参数

显示电阻或电容的数值及单位

(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。

2. 发挥部分

(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、说明

(1) 装置应包括信号源和测量处理电路两部分。根据测量方法采用合适的激励信号,在电缆始端测量入射、反射等信号并进行处理,计算所需检测的参数。

(2) 被测同轴电缆由参赛队自备并在参加测试时带入现场,事先需自行测量电缆总长度,至少一根电缆长度不小于2000cm。电缆始端所接插头类型自定,终端可在芯线和屏蔽层间方便地接入负载。电缆应允许盘绕,测试过程中除按指定长度截短电缆和接入指定负载外,不允许再改变电缆的其他状态。

(3) 作品测评过程中,除按“长度检测”、“负载检测”一键启动相应功能外,不允许对装置进行其他任何调整和操作。

(4) 题目中检测相对误差的绝对值 ,电阻、电容的实际值使用LCR测试仪测定。

(5) 发挥部分(3)能检测的最小长度L≤100cm得满分,L≥1000cm本项不得分。测试时由参赛队指定测试长度,在此长度附近测量并进行精度验证,电缆长度测量相对误差的绝对值不大于1%、一次检测时间不超过5s认为满足要求,并认定该长度有效。

(6) 作品中不得使用测距传感器及摄像头。

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题目分析与方案设计

本题目涉及高频电路中的传输线理论与实践。

根据传输线理论,在电信号的波长与传输信号的导线长度可以比较的情况下,由于导线内存在电磁波的反射,导线内不同距离上的电压与电流将与导线终端接入的负载(开路、短路也可以认为是一种负载)有关,与输入电信号的频率有关。

设传输线的长度为l,传输线的特性阻抗为z0,传输线终端负载阻抗为zL,则在传输线始端看到的输入阻抗为

image.png  

上式中β是传输线中电磁波的相位系数,β=ω/vp=2π/λ,其中ω、λ、vp 分别是传输线中信号的角频率、波长和传播速度(相速度)。所以βl= 2πl/λ表示传输线内关于信号周期的空间距离,即空间相位。

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由此可见,只要知道了传输线的特性阻抗z0、传输线中电磁波的传输速度vp、以及信号频率ω,即可根据上式得到传输线长度、终端阻抗、输入阻抗三者的关系。其中一个最有用的特例是:当传输线长度等于信号波长的1/4即βl= π/2时,传输线始端的阻抗为

image.png  

所以,当传输线长度等于信号波长的1/4时,若终端开路(zL=∞),则传输线始端看到的阻抗zin=0,即信号似乎被短路了。若终端阻抗不为0,例如接入电容,则始端看到的阻抗将是一个电感,其感抗与电容容抗的乘积等于传输线特性阻抗的平方(常见同轴电缆的特性阻抗有50Ω与75Ω两种)。

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根据上述关系,可以得到本题的设计方案结构如下图。

image.png  

测试过程如下:

1、根据题目要求,首先检测终端开路的同轴电缆长度。

启动检测后,控制高频信号源从低频开始逐步提高测试频率(扫频),同步读取电缆始端的电压u2,记下出现第一个u2的极小值时的测试频率ftest(由于电缆以及测试装置的非理想特性,电缆输入端的阻抗不可能达到0,只要观察到极小值即可),此时电缆的长度就是该频率的四分之一波长,可根据下列公式计算电缆长度:

image.png  

常见市售同轴电缆的vp为0.66c即2×108m/s,也可事先对使用的电缆进行实际测试以获得更准确的值。

2、根据题目要求,在保持电缆长度不变的条件下,检测终端负载。

启动检测后,将测试频率设置为ftest,读出两个电压u1、u2的幅度及其相位差,在已知电阻R的条件下可计算电缆输入端的阻抗

image.png  

由此得到负载阻抗

image.png  

注意这两个计算公式中,电压u1、u2以及阻抗zin、zL都可能是复数。

最后根据负载阻抗以及测试频率,就可以得到负载的电阻或电容值。

 

 

 

 

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五彩晶圆(高级)

下面讨论一些具体制作的细节。

1、常见同轴电缆的相速度为2×108m/s,题目要求测试的电缆长度为20m~1m,按照电缆长度等于测试信号四分之一波长推算,对应的测试频率是2.5MHz~50MHz。测试装置中信号源的输出信号频率应该大于这个范围,且应该是纯正的正弦波,采用DDS芯片构成的高频信号源应该是最合适的。

2、市售的同轴电缆有50Ω与75Ω两种,但实验室常用的高频仪器都是50Ω的,常见的接插件也是50Ω的,所以选用的电缆应该是50Ω的。

3、为了减少阻抗不连续的影响,电缆的接插件、信号源输出端串联的电阻等都应该是50Ω。两个电压采样的缓冲放大器应该选用高输入电阻、输入电容极小的集成放大器。且这些器件均应尽可能靠近电缆的接插件。

 

以上就是B题的全部,是不是工作量特小?

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管理员

赞!谢谢老师的分享~特别给力~~

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这个要对传输阻抗 s参数理解深刻
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仿真软件都很厉害  详情 回复 发表于 2023-8-8 17:11

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chen老师,您这个确实讲的好啊~小弟点赞~
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一粒金砂(高级)

通过大佬的讲解,传输线阻抗对信号的影响,有了基本的了解,受益匪浅啊

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gmchen 发表于 2023-8-7 13:21 下面讨论一些具体制作的细节。 1、常见同轴电缆的相速度为2×108m/s,题目要求测试的电缆长度为20m ...

哎,就困在阻抗这里,没学过传输线理论,还在那想着求分布参数呢...醍醐灌顶

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一粒金砂(高级)

对,这种题目会的就比较好做,可是因为选的组别比较少,评奖比较吃亏
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一粒金砂(高级)

吾妻思萌 发表于 2023-8-7 16:55 这个要对传输阻抗 s参数理解深刻

仿真软件都很厉害

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果然精彩,这基础知识得扎实呀!

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一粒金砂(中级)

电赛高中生可以参加吗

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一粒金砂(中级)

精彩涨知识啦!DDS芯片今年电赛的好几道题都用到了

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一粒金砂(中级)

谢谢博主的分享,原来思路是这样的,当时电赛时的思路想的还是不够深入。

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一粒金砂(中级)

膜拜膜拜,大佬讲解的又专业又详细,学习学习了,再次感谢大佬的分享,感谢感谢

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