CN200980109Y - 不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块，涉及通信技术领域，该压阻容测试模块包括：测试接口，电容测试充电采样电路、电压电阻测试信号采样电路、测试功能切换电路、模数转换电路、控制逻辑电路和微控制器，测试功能切换电路设限幅电阻，电压电阻测试信号采样电路前级设有测试隔离保护电阻；该压阻容测试模块提供了实现电压测试隔离保护、电阻测试范围拓展、小电阻测试溢出限制、电容测试分档等功能；本实用新型作为综合测试系统的一个有机组成部分，为固定电话网运营商的不对称数字用户线路的数据业务和传统话音业务，提供线路的开通预评估和运行维护的有效测试手段的测试方法的技术。

Description

不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块

技术领域

本实用新型涉及一种应用于不对称数字用户线路综合测试系统、兼顾传统话音业务测试功能、测试线路电阻电容电压参数的压阻容测试模块，作为综合测试系统的一个有机组成部分，为固定电话网运营商的不对称数字用户线路数据业务和传统话音业务，提供线路维护的有效测试手段的测试方法的技术，属于通信技术领域。

背景技术

固定电话网运营商的传统话音用户和新型的不对称数字用户容量巨大，数字用户线路开通测试预评估和线路运行维护的申告受理业务繁重，因此需要有效的综合测试系统，同时要求测试装置中的压阻容测试模块运行可靠、测试准确。通过参数测试和综合分析，有效地进行线路开通的预评估，准确地进行线路故障的判别定位，压阻容测试模块是整个测试系统中一个十分重要的测试工具。

在现有的窄带线路测试装置中，也有同类的电路模块，测试窄带线路的电阻、电容和电压参数，如果应用于不对称数字用户线路综合测试系统，存在以下几个问题：

1)在测试电压时，往往将被测线路直接连接到模块的地线，不具有测试电压的隔离保护功能。在线路带有较高电压时经常会造成测试模块重新复位，甚至发生更为严重的故障，降低设备运行的可靠性；

2)电阻测试范围较窄，一般只有0～10MΩ，已不能满足不对称数字用户线路测试绝缘电阻达到50MΩ以上的需要；

3)不具备测试电阻的溢出限制功能，测试小电阻时容易出错。而小电阻测试数据的准确性和可靠性，对于不对称数字用户线路特性测试和故障判断十分重要；

4)当用户线路绝缘性能差，或者用户终端设备连接错误时，由于线间电阻较低无法正常地测试线路电容值。而电容测试的适应性，对于不对称数字用户线路特性测试和故障判断十分重要。

国内外市场上其它公司的同类产品，都不同程度地存在上述问题，难以直接应用于不对称数字用户线路综合测试系统。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有测试电压的隔离保护功能，运行可靠的，具有较宽电阻测试范围的，能准确、可靠地进行小电阻测试的，适应性强的，有效地提高条件范围内电容测试精度的不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块

为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块，包括：

一种不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块，包括：

——测试接口，其输出端连接测试功能切换电路的输入端；

——测试功能切换电路，其输出端分别连接电容测试充电采样电路的输入端、电压电阻测试信号采样电路的输入端；

——电压电阻测试信号采样电路，其输出端连接模数转换电路的输入端；

——所述控制逻辑电路，分别连接电容测试充电采样电路、测试接口、测试功能切换电路、电压电阻测试信号采样电路和模数转换电路；

——嵌入式微控制器，分别连接通信接口、控制逻辑电路、模数转换电路的输出端；所述微控制器用于实现测试模块的控制与数据处理，并通过控制逻辑电路控制电阻、电压和电容各项测试功能的时序和测试进程；

其特征在于，

所述测试功能切换电路设用以实现小电阻测试溢出限制功能的限幅电阻；

所述电压电阻测试信号采样电路在电路前级设有用于消除感应电压的测试隔离保护电阻。

所述模数转换电路的电路前级设有用于放大采样电压的放大器；

所述微控制器为嵌入式微控制器；

所述测试隔离保护电阻在测试交直流电压时，将模块地线与被测线路隔离开来。

本实用新型所提供的一种不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块，增加了电压测试隔离保护、电阻测试范围拓展、小电阻测试溢出限制、电容测试分档等功能，有关技术描述如下：

1)电压测试隔离保护

压阻容测试模块工作电源一般采用隔离电源，输入端与输出端之间的电压的持续值很小。但是由于隔离电源输入输出之间存在的电容效应，经常形成一个瞬间的放电电压V_LG，这个电压有时会表现在用户线路与测试模块地线之间。而现有的同类产品在用户线路电气特性还不明确的情况下，将测试模块地线直接连接到线路上，用分压电阻串联分压测试交直流电压，这样存在着安全隐患。

假设测试接入端到模块电源输出端之间的地线等效阻抗为Z_GL，模块电路中某段敏感地线的阻抗为Z_DL，测试连接时敏感的干扰瞬时功率为：

$P_D\≅\frac{{V_{\mathrm{LG}}}^2}{{Z_{\mathrm{GL}}}^2}\·Z_{\mathrm{DL}}...\left(1\right)$

阻抗Z_GL与Z_DL大小相当，模值均在1Ω以内。瞬间放电电压V_LG有时可以达到几百伏，所以在某些敏感地线上的干扰瞬时功率很大，有时会造成测试模块电路重新复位，甚至会发生运算放大器被击穿等更为严重的故障，降低设备运行的可靠性。

压阻容测试模块电压测试原理如图1所示，R_VI是消除感应电压的电阻，在测试较低的电压时连接，以避免线路上的感应电压影响测试精度。R_VD是测试分压电阻，R_VS是测试采样电阻，放大器倍数为1，用于测试阻抗变换。R_VL是本在电路前级增加的测试隔离保护电阻，在测试交直流电压时，将模块地线与被测线路隔离开来，确保模块电路的安全运行。测试连接时的干扰瞬时功率，相对式(1)改变为：

$P_D\≅\frac{{V_{\mathrm{LG}}}^2}{{(R_{\mathrm{VL}}+Z_{\mathrm{GL}})}^2}\·Z_{\mathrm{DL}}...\left(2\right)$

显然，R_VL可以选择比Z_GL的模值大得多的电阻值，式(2)的分母数值越大，干扰瞬时功率就越小，越能够有效地抑制V_LG对测试模块电路的瞬间冲击。

在实际应用中，隔离保护电阻R_VL、测试分压电阻R_VD和测试采样电阻R_VS串联分压实现一定范围内的交直流电压测试，R_VL和R_VD固定取相同的20KΩ～200KΩ，采样电阻R_VS分若干档位，分档取值由测试电压v_X(τ)的最大值V_X(n)_MAX和模数转换器输入电压v_AD(τ)的变化范围V_AD决定：

$R_{\mathrm{VS}}\left(n\right)\≤(R_{\mathrm{VL}}+R_{\mathrm{VD}})\·\frac{V_{\mathrm{AD}}}{V_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MAX}}-V_{\mathrm{AD}}}$

n＝1，2，3，......                                      (3)

每个档位的最小测试电压V_X(n)_MIN决定了测试分辨率，N位的模数转换器在每个档位的最小输出数据为：

${D\left(n\right)}_{\mathrm{MIN}}=\frac{V_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MIN}}\·R_{\mathrm{VS}}}{(R_{\mathrm{VL}}+R_{\mathrm{VD}}+R_{\mathrm{VS}})\·V_{\mathrm{AD}}}\·2^{N-1}$

n＝1，2，3，......                                        (4)

模块电路模数转换器读取的电压值d(τ)，由分压关系计算电压测试值：

$v_X\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{[d\left(\mathrm{\τ}\right)-2^{N-1}]\·V_{\mathrm{AD}}}{2^{N-1}}\·\frac{R_{\mathrm{VL}}+R_{\mathrm{VD}}+R_{\mathrm{VS}}\left(n\right)}{R_{\mathrm{VS}}\left(n\right)}$

n＝1，2，3，......                                        (5)

2)电阻测试范围拓展

压阻容测试模块电阻测试原理如图2所示，其中，R_X为被测试线路的电阻，R_P为限幅电阻，V_E为测试基准电压。R_S为采样样电阻，从R_S开始到模数转换器与电压测试电路相同。

采样电阻R_S分档取值由测试电阻R_X的最小值R_X(n)_MIN、测试基准电压V_E(n)和模数转换器A/D输入电压v_AD(τ)的变化范围V_AD决定：

$R_S\left(n\right)\≤R_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MIN}}\·\frac{V_{\mathrm{AD}}}{V_E\left(n\right)-V_{\mathrm{AD}}}$

n＝1，2，3，......                                        (6)

每个档位的最大测试电阻R_X(n)_MAX决定了测试分辨率，N位的模数转换器在每个档位的输出数据范围为：

$D\left(n\right)=\{\frac{V_E\left(n\right)\·R_S\left(n\right)}{[R_P+R_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MAX}}+R_S]\·V_{\mathrm{AD}}}\·2^N,\frac{V_E\left(n\right)\·R_S\left(n\right)}{[R_P+R_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MIN}}+R_S]\·V_{\mathrm{AD}}}\·2^N\}$

n＝1，2，3，......                                        (7)

模块电路模数转换器读取的电压值d(τ)，由分压关系计算电阻测试值：

$R_X\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{2^N\·V_E\left(n\right)}{d\left(\mathrm{\τ}\right)V_{\mathrm{AD}}}{R}_S\left(n\right)-R_S\left(n\right)-R_P$

n＝1，2，3，......                                        (8)

测试不对称数字用户线路，要求绝缘电阻的测试范围达到50MΩ，如果按照常规由式(6)和式(7)计算，在10MΩ～50MΩ档位，取R_S(n)＝500KΩ～1MΩ。但是，这样高的采样电阻，在运算放大器噪声电流、漂移电压等因素影响下，会造成电阻测试值大范围波动，采样的稳定时间增加很多，影响模块的测试精度和测试效率。因此，进一步增加测试范围，就不能采取顺序增加采样电阻阻值的方法。

本实用新型采用放大器放大采样电压的方法，实现10MΩ～50MΩ电阻测试，以满足不对称数字用户线路的测试需要。设放大倍数为G，采样电阻分档取值为：

$R_S\left(n\right)\≤R_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MIN}}\·\frac{V_{\mathrm{AD}}}{G\·V_E\left(n\right)-V_{\mathrm{AD}}}$

n＝1，2，3，......                                        (9)

N位的模数转换器在每个档位的输出数据范围为：

$D\left(n\right)=\{\frac{G\·V_E\left(n\right)\·R_S\left(n\right)}{[R_P+R_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MAX}}+R_S]\·V_{\mathrm{AD}}}\·2^N,\frac{G\·V_E\left(n\right)\·R_S\left(n\right)}{[R_P+R_X{\left(n\right)}_{\mathrm{MIN}}+R_S]\·V_{\mathrm{AD}}}\·2^N\}$

n＝1，2，3，......                                        (10)

计算电阻测试值：

$R_X\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{2^{N}G\·V_E\left(n\right)}{d\left(\mathrm{\τ}\right)V_{\mathrm{AD}}}{R}_S\left(n\right)-R_S\left(n\right)-R_P$

n＝1，2，3，......                                        (11)

3)小电阻测试溢出限制

在图2所示的压阻容测试模块电阻测试原理图中，限幅电阻R_P的作用就是在小电阻测试时起到测试溢出限制的功能。从图中可以看出，如果没有限幅电阻，当被测试电阻R_X趋向于零值时，采样电压v_S(τ)趋向于测试电压基准V_E，小电阻测试时V_E一般选择模块内部的通用电压+5V，所以采样电压相对模数转换器的测试范围就有可能溢出。设溢出裕量为D_S，限幅电阻则为：

$R_P\≥\frac{D_S\·R_S}{2^N-D_S}...\left(12\right)$

另外一种测试溢出限制的方法是在测试小电阻时设置测试基准V_E＜V_AD，也可以达到效果，但是需要在电路中增加专门的电压基准。

4)电容测试分档

图3所示是压阻容测试模块电容测试原理，其中C_X为被测线路的电容，R_X为被测线路的电阻，C₀为基值电容用来避免线路电容很小时测试出错。测试电路控制1mA恒流源对线路和基值电容进行充电，采样电阻R_S1、R_S2将充电电压进行分压采样，先后启动V_C1和V_C2触发电平，分别读取充电时间计数器值T₁和T₂，T₂用于测试线路电容，T₁和T₂值进行比较用于判断线路的话机终端。

通常情况下，以计数器值T₂作为计算线路电容的依据。由微分方程：

$C_M\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+\frac{V}{R_M}=I...\left(13\right)$

其中：I＝0.001，C_M＝C_X+C₀， $R_M=\frac{(R_{S1}+R_{S2})\·R_X}{R_{S1}+R_{S2}+R_X}$

设定V₀＝0，可得：

$C_X\left(n\right)=\frac{T_n}{R_M\·\ln \left(\frac{{\mathrm{IR}}_M}{{\mathrm{IR}}_M-V_{\mathrm{Cn}}}\right)}-C_0...\left(14\right)$

可以选择较大阻值的R_S1和R_S2，尽量减小对电容充电的影响。

用户线路电阻R_X降低时，R_M值也降低，当I×R_M小于V_C2时，充电电压达不到触发V_C2的电压值，无法读到T₂值，通常采取禁止测试的措施。

随着不对称数字用户线路的长度和终端连接状态的变化，其阻值变化范围也很大，因此本实用新型采用分档测试的方法，以及精确的电容计算公式，适应不对称数字用户线路电容测试的需要。

当用户线路电阻R_X较大时，即I×R_M＞V_C2，以T₂值计算线路电容：

$C_X\left(n\right)=\frac{T_2}{R_M\·\ln \left(\frac{{\mathrm{IR}}_M}{{\mathrm{IR}}_M-V_{C2}}\right)}-C_0...\left(15\right)$

当用户线路电阻R_X较小时，即I×R_M≤V_C2，以T₁值计算线路电容：

$C_X\left(n\right)=\frac{T_1}{R_M\·\ln \left(\frac{{\mathrm{IR}}_M}{{\mathrm{IR}}_M-V_{C1}}\right)}-C_0...\left(16\right)$

当用户线路电阻R_X进一步减小到I×R_M≤V_C1，采取禁止测试的措施。V_C1一般设置为V_C2的四分之一，采用上述分档计算线路电容的方法，可以大幅度提高电容测试的线路条件范围。式(16)计算电容的测试分辨率有所降低，但不影响使用效果。

利用本实用新型提供的不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块，由于增加了电压测试隔离保护、电阻测试范围拓展、小电阻测试溢出限制、电容测试分档等功能，使本实用新型的压阻容测试模块具有测试电压的隔离保护功能，运行可靠的，具有较宽电阻测试范围的，能准确、可靠地进行小电阻测试的，适应性强的，并有效地提高条件范围内电容测试精度。

附图说明

图1为压阻容测试模块电压测试原理示意图；

图2为压阻容测试模块电阻测试原理示意图；

图3为压阻容测试模块电容测试原理示意图；

图4为压阻容测试模块结构框图；

图5为压阻容测试模块的测试功能切换部分电路图；

图6为压阻容测试模块的电阻电压测试的信号采样部分电路图；

图7为压阻容测试模块的电阻电压测试的模数转换部分电路图；

图8为压阻容测试模块的电容测试的充电采样部分电路图。

具体实施方式

实施例

如图4所示，为压阻容测试模块结构框图，所述的压阻容测试模块的电路结构包括：

——测试接口，其输出端连接测试功能切换电路的输入端；

——测试功能切换电路，其输出端分别连接电容测试充电采样电路的输入端、电压电阻测试信号采样电路的输入端；

——电压电阻测试信号采样电路，其输出端连接模数转换电路的输入端；

——所述控制逻辑电路，分别连接电容测试充电采样电路、测试接口、测试功能切换电路、电压电阻测试信号采样电路和模数转换电路；

——嵌入式微控制器(MCU)，分别连接通信接口、控制逻辑电路、模数转换电路的输出端；所述嵌入式MCU用于实现测试模块的控制与数据处理，通过控制逻辑电路控制电阻、电压和电容等项测试功能的时序和测试进程。

1)、电压测试隔离保护(测试功能切换电路部分)，

如图5所示，在压阻容测试模块电路图测试功能切换部分，本实用新型实施例提供的一种电压测试隔离保护电路的结构，在继电器RL106进行电压测试接续时，隔离保护电阻R105/100KΩ/3W实现电压测试隔离保护功能。

模块初始化状态默认测试电压的连接，被测试线路的两根线A线和B线经过继电器RL101和RL102选择，再经过几个功能继电器由继电器RL106连接的是测试分压电阻R104/100KΩ/3W，再连接到图6所示的压阻容测试模块的电阻电压测试的信号采样部分，由继电器RL111和RL110分别选择采样电阻R113/10KΩ和RL112/1KΩ，电阻另一端连接到模块电路的地线，再经过图5中的隔离保护电阻R105/100KΩ/3W，按原路径返回到被测试线路的另一根线或大地，由此形成测试回路。在图7所示的压阻容测试模块的电阻电压测试的模数转换部分，测试采样信号经过运算放大器D101阻抗变换后，再连接到模数转换器D102转换为测试数据。此外，图5中的R101/10KΩ/3W是消除感应电压的电阻。

例如当模数转换的位数N＝12，输入电压范围V_AD＝±2.5V时，取R_VL＝R_VD＝100KΩ。R_VS分档参数由式(3)和式(4)计算的结果如下：

在0～±50V电压范围，R_VS≤10.53KΩ取10KΩ。最小测试电压V_X(n)_MIN＝±0.3V对应的最小测试数据D_MIN≈12。

在±50V～±500V电压范围，R_VS≤1.01KΩ取1KΩ。最小测试电压V_X(n)_MIN＝±50V对应的最小测试数据D_MIN≈204。

2)、电阻测试范围拓展

电阻测试输入端的连接与电压测试相同，在图5所示压阻容测试模块的测试功能切换部分中，控制继电器RL106吸合再通过继电器RL107，将其中的一根线选择连接到电阻测试基准电源+48V或+5V。测试输入另一根线经过继电器RL106选通后，在图6所示的压阻容测试模块的电阻电压测试的信号采样部分，由继电器RL112、RL111、RL110、和RL109分别选择连接采样电阻R114/100KΩ、RL113/10KΩ、RL112/1KΩ、RL111/100Ω，电阻另一端连接到模块电路的地线，由此形成测试回路。在图7所示的压阻容测试模块的模数转换部分，测试采样信号经过运算放大器D101阻抗变换后或放大后，再连接到模数转换器D102转换为测试数据。

例如当模数转换的位数N＝12，输入电压范围V_AD＝5V时，R_S分档参数由式(9)和式(10)计算的结果如下：

在0～1KΩ电阻范围，取V_E＝5V，放大器倍数设置为G＝1，R_S取100Ω，R_P取20Ω。最小测试电阻R_X(n)_MIN为0.3Ω时对应的测试数据输出范围D(1)≈366～3405。

在1KΩ～10KΩ电阻范围，取V_E＝48V，放大器倍数设置为G＝1，R_S≤116.30Ω取100Ω，R_P取零。测试数据输出范围D(2)≈389～3575。

在10KΩ～100KΩ电阻范围，取V_E＝48V，放大器倍数设置为G＝1，R_S≤1.16KΩ取1KΩ，R_P取零。测试数据输出范围D(3)≈389～3575。

在100KΩ～1MΩ电阻范围，取V_E＝48V，放大器倍数设置为G＝1，R_S≤11.63KΩ取10KΩ，R_P取零。测试数据输出范围D(4)≈389～3575。

在1MΩ～10MΩ电阻范围，取V_E＝48V，放大器倍数设置为G＝1，R_S≤116.30KΩ取100KΩ，R_P取零。测试数据输出范围D(5)≈389～3575。

在10MΩ～50MΩ电阻范围，取V_E＝48V，放大器倍数设置为G＝8.7，R_S≤133.65KΩ取100KΩ，R_P取零，测试数据输出范围D(5)≈683～3387。

在R_X＝10MΩ～50MΩ范围，同R_X＝1MΩ～10MΩ范围的采样电阻相同，有利于精简电路。采样电压放大后，可以避免A/D转换器的线性误差在测试信号过小时造成测试误差大幅度增加，虽然将采样电阻上的干扰信号也同时放大了，但可以通过数据处理的方法有效地抑制干扰放大所造成的误差。

3)、小电阻测试溢出限制

在图5所示压阻容测试模块电路图测试功能切换部分中，电阻测试基准电压选择继电器RL107控制吸合，测试输入的一根线经过限幅电阻R107连接到+5V，在线路电阻很小时，可以避免测试采样电压过于接近5V，实现小电阻测试溢出限制功能。

例如当模数转换的位数N＝12，输入电压范围V_AD＝5V时，采样电阻R_S＝100Ω，取溢出裕量为D_S＝500，由式(12)计算得到R_P≥13.90Ω，选择限幅电阻R_P＝20Ω。

4)、电容测试分档

如图8所示，在压阻容测试模块电路图电容测试的充电采样部分，三极管TR101用于测试启动，控制1mA恒流管T101开启或关闭，电阻R134＝9.1KΩ，，R135＝90.9KΩ，将电容测试采样电压进行11倍分压后，再由比较器D103B和D103A分别输出0.9V和3.6V的触发电平作为充电时间采样基准，由模块的逻辑电路实现时间计数，完成电容测试功能。

两个触发电平分别对应电容测试充电电压V_C1＝9.9V和V_C2＝39.6V。

当线路电阻R_X≥70KΩ时，电容测试充电电压可以达到39.6V，采用式(16)计算电容值。

当线路电阻70KΩ＞R_X≥11KΩ时，测试充电电压不可能达到39.6V，本实用新型采用9.9V电容测试充电电压触发计时器并用式(17)计算电容值。

当线路电阻R_X＜11KΩ时，充电电路不可能达到9.9V电平即最小0.9V的触发电平，因此禁止电容测试。

本实用新型根据不对称数字用户线路电容测试的需要，采用电容测试分档的方法，将原来的测试条件即线路电阻大于70KΩ降低到11KΩ，同时有效地提高了条件范围内电容测试的精度。

图5与图6的“电阻电压接续”相连接；图5与图8的“电容接续”相连接；图6与图7的“电阻电压采样”相连接。

Claims (4)

1.一种不对称数字用户线路测试装置的压阻容测试模块，包括：

——测试接口，其输出端连接测试功能切换电路的输入端；

——测试功能切换电路，其输出端分别连接电容测试充电采样电路的输入端、电压电阻测试信号采样电路的输入端；

——电压电阻测试信号采样电路，其输出端连接模数转换电路的输入端；

——所述控制逻辑电路，分别连接电容测试充电采样电路、测试接口、测试功能切换电路、电压电阻测试信号采样电路和模数转换电路；

——嵌入式微控制器，分别连接通信接口、控制逻辑电路、模数转换电路的输出端；所述微控制器用于实现测试模块的控制与数据处理，并通过控制逻辑电路控制电阻、电压和电容各项测试功能的时序和测试进程；其特征在于，

所述测试功能切换电路设用以实现小电阻测试溢出限制功能的限幅电阻；

所述电压电阻测试信号采样电路在电路前级设有用于消除感应电压的测试隔离保护电阻。

2.根据权利要求1所述的压阻容测试模块，其特征在于，所述的模数转换电路的电路前级设有用于放大采样电压的放大器。

3.根据权利要求1所述的压阻容测试模块，其特征在于，所述的测试隔离保护电阻一端连接模块电路的地线，再经过隔离保护电阻与被测试线路的另一根线或大地连接。

4.根据权利要求1所述的压阻容测试模块，其特征在于，所述的微控制器为嵌入式微控制器。

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