线缆测试仪开关矩阵检测方法研究

何洪波，叶峻江，李春龙

（广东省计量科学研究院东莞计量院，广东 东莞 523330）

线缆测试仪开关矩阵检测方法研究

何洪波，叶峻江，李春龙

（广东省计量科学研究院东莞计量院，广东 东莞 523330）

为满足对线缆测试仪的开关矩阵及所有测试接点进行检查的要求，研究采用印刷电路板模拟线缆及线束对线缆测试仪开关矩阵及所有测试接点进行检测的方法。针对线缆测试仪的测试功能特点，分别研究短路、导通、绝缘及电容测试板原理、元器件选型和制作方法，通过大量试验证明这些方法的检测速度快速有效，可以满足开关矩阵检查的要求。

校准；测试板；开关矩阵；线缆测试仪

0　引　言

线缆（线束）测试仪是自动测试各种电子线材及其连接器低频电气参数的智能仪器，广泛应用于线缆、线束及排线等生产企业［1］。它能根据客户提供的产品样板，自动检查出不符合产品样板要求的线材，并能准确判断故障原因及故障点位置，并能对线缆进行交直流耐电压、泄漏电流、导通阻抗、绝缘阻抗和线间电容等功能的测试。

线缆测试仪主要由绝缘电阻测量、线缆直流电阻测量、线间电容测量、开关矩阵和测试接口等单元组成［2］。它通过开关矩阵切换测试功能和测试接点［3］，使每个测试接点都具有相同的测试功能。通用的线缆测试仪有上百个测试接点，但国内计量机构的常规方法［4-5］仅校准几个测试接点的基本误差，对其他测试接点完全忽略，给校准结果带来一定的风险。为了规避校准风险，有必要在校准前对线缆测试仪的开关矩阵和测试接口的功能进行检查。

1　原　理

线缆（线束）是通信设备、计算机产品和仪器仪表等产品之间进行数据通信的重要组成部分，它由多条封装在一起的平行线芯组成。常用线缆直流及低频等效电路如图1所示（以两根线芯为例），其中，W1、W2为两条平行导线，R1、R2分别为W1和W2的导通电阻，R3为W1和W2之间的绝缘电阻，C1为W1和W2的线间电容。

按照UL 758——2006［6］标准的要求，对线缆进行电气性能测试，必须依次使用开尔文电桥、兆欧表、耐电压测试仪、电容表和蜂鸣器电铃等设备，对图1中的R1、R2、R3和C1进行测试。当线缆中的线芯数量增多时，采用传统的测试方法将导致测试速度降低，测试人工成本升高。使用线缆测试仪，可以通过内部开关矩阵自动切换相应的测试功能及测试接点，满足对线缆进行快速测试的要求。线缆测试仪开关矩阵是由继电器或者模拟开关组合而成，图2为开关矩阵的等效结构（以4×4为例）。

图1　线缆直流及低频等效电路图

图2　开关矩阵结构

本文设计一种测试板，用于检查线缆测试仪开关矩阵和所有测试接口的功能。这种测试板实际上是一块PCB（印制电路板），其接口是与被校线缆测试仪测试接口相对应的适配器。在PCB上用铜箔线路和电子元件连接适配器上的测试接点，分别模拟正常线缆和故障线缆。为了全面检查开关矩阵及测试接点的功能，应包括短路、导通、绝缘和电容4种类型的测试板。多数线缆测试仪测试接口有DIN41612接口和IDC牛角接口两种标准，每个测试接口内部有几个到数十个测试接点。本文以64个测试接点的DIN41612接口为例，介绍测试板的研制方法。为测量线缆的电气特性，线缆的两端必须连接到不同的测试接点，形成电气通路，一个64接点的测试接口最多可以同时测量一条32条线芯的线缆。

2　制作方法

2.1短路测试板

按照线缆测试仪的操作程序，在测试线缆前，先读取样本线缆电气特性，通过开关矩阵将测试功能连接到相应测试接点。线缆测试仪最低可以测量0.1 Ω导通电阻，但仪器内部的PCB线路电阻、开关电阻和测试接点的接触电阻之和已经超过0.1Ω。同时，不同测试接点材料和制作工艺不一致，使其残余电阻不完全相同，因此在测量导通电阻之前必须先进行阻抗归零。

短路测试板的作用就是在PCB上模拟样本线缆以及归零线缆测试仪导通电阻。它通过短路测试接点引脚，消除线缆测试仪零位电阻，提高导通电阻测量的准确度。线路测试仪连接短路测试板后的等效电路图如图3所示，其中P1及P2是线路测试仪内部导通电阻测量端，R1和R2是内部PCB线路电阻，R3和R4是继电器的开关电阻，R5和R6是测试接点与短路测试板适配接点的接触电阻，R7为短路测试板的铜箔电阻，R8为0Ω导通电阻。清除零位电阻的过程就是线缆测试仪自动测试P1至P2的总电阻，在仪器内部添加该电阻的负偏置。

图3　短路及导通测试板等效电路

由于导通测试板铜箔线路电阻的限制，在制作短路测试板时应使R7与导通测试板残余电阻相等，保证归零后，线缆测试仪能够准确测量导通测试板上的实物电阻。

2.2导通测试板

导通测试板用于模拟有一定导通电阻的线缆，检查线缆测试仪开关矩阵及所有测试接点导通电阻功能。其等效电路如图3所示，其中R8为导通测试板的实物电阻，R8的阻值可依据以下3个条件选取：

1）测量下限。因为短路测试板与导通测试板的接口特性不完全一致，归零后不能完全消除导通测试板残余电阻对测量结果的影响。使用数字毫欧表测量，导通测试板上铜箔线路电阻为40～50mΩ［7］，两线实物电阻两端引线电阻为2～10mΩ。在极端情况下，归零测试板与导通测试板对应测试点失配电阻可达20 mΩ。R8电阻值的选择应使失配电阻不超过其最大允差的0.5%，因此R8的下限不宜低于5Ω。

2）测量上限。实物线缆的导通电阻一般不大于10Ω，R8应尽量接近实物线缆的导通电阻，因此R8的上限不宜超过10Ω。

3）具体阻值。当被测电阻值大于预置导通报警电阻值时，线缆测试仪显示导通超限并发出报警信号，因此R8应取线缆测试仪导通电阻最大允差的下限，确保合格的测试接点都能通过测试，报警的测试接点即为超出最大允差的测试接点。

在本设计中选用32只0.5级的9 Ω金属膜电阻，模拟一束具有32条线芯，每条线芯导通电阻为9Ω的线缆，用于检查导通报警电阻设置为10Ω，最大允差为±10%的线缆测试仪的开关矩阵和所有测试接点导通性能。

2.3绝缘测试板

绝缘测试板用于模拟绝缘性能不佳的线缆，检查线缆测试仪开关矩阵及所有测试接点绝缘电阻功能。如图4所示，W1和W2是两条分别连接在线缆测试仪P1及P2和P3及P4测试接点的短路导线，R9为绝缘测试板上的实物电阻，模拟W1与W2之间的绝缘电阻。

图4　绝缘及电容测试板等效电路

R9的阻值可依据以下3个条件选取：

1）测量下限。线缆测试仪的绝缘报警电阻一般大于1MΩ，R9的选择应满足绝缘电阻功能检查的要求，因此R9的下限不宜低于1MΩ。

2）测量上限。体积小的高值电阻准确度比较低，受环境影响及电压变差大，因此R9不宜选择20MΩ以上的电阻。

3）具体阻值。当被测电阻值小于预置绝缘报警电阻值时，线缆测试仪显示绝缘超限并发出报警信号。所以R9应选取线缆测试仪绝缘电阻最大允差的上限，确保合格的测试接点都能通过测试，报警的测试接点即为超出最大允差的测试接点。

线缆测试仪绝缘电阻的测试电压范围是5 V～ 1.5kV，必须要考虑实物电阻的电压变差影响。依据JJG 1072——2011《直流高压高值电阻器检定规程》［8］，使用TY9801B型数字高阻检定仪对某款额定功率为1/4W的1级12 MΩ金属膜电阻作电压变差试验，其在1.5kV电压以下均满足电压变差小于其准确度等级1/2的要求，符合JJG 1072——2011对直流高压高阻电阻器的准确度要求。

在本设计中选用16只1级12MΩ金属膜电阻，模拟一束具有32条线芯，相邻线芯绝缘电阻为12MΩ的线缆，用于检查绝缘报警电阻设置为10MΩ，最大允差为±20%的线缆测试仪开关矩阵和所有测试接点的绝缘性能。

2.4电容测试板

电容测试板用于模拟线缆的线间电容，检查线缆测试仪开关矩阵及测试接点电容测试功能。由图4（绝缘及电容测试板等效电路）所示，C2为电容测试板的实物电容。线缆测试仪的电容测试频率范围是100Hz～10kHz，同时电容测试板的面积有限，因此C2应选择无极性、稳定性好、准确度高、损耗值低和体积小的电容器。聚苯乙烯电容器电性能优良，具有极低的介质损耗，低介质吸收，良好的长期稳定性，非常高的绝缘电阻和小的负温度系数，电参数随温度和频率变化很小［9］。它可用于很宽的频带和对电容量要求极高的电路，而且体积小，易于安装在PCB上。线缆测试仪可以直接显示电容指示值，因此电容量的选择无需考虑仪器的最大允差。在本设计中选用16只0.5级1nF聚苯乙烯电容，模拟一束具有32条线芯，相邻线芯线间电容为1nF的线缆，用于检查线缆测试仪的开关矩阵和测试接点线间电容测量性能。

依据JJG 183——1992《标准电容器检定规程》［10］，使用Agilent公司的4284A精密LCR电桥在15个月内不定期考核17只0.5级1 nF聚苯乙烯电容的稳定性，其稳定性如表1所示。

表1　聚苯乙烯电容稳定性（部分）

由表可见，该型号电容的年稳定性均未超过其等级，满足最大允差为±5%的线缆测试仪开关矩阵及所有测试接点的电容测试功能的检查要求。

3　试验结果

开关矩阵测试板最终实现指标，如表2所示。

表2　开关矩阵测试板最终实现指标

选取CT8681型智能线缆测试仪进行结果验证。CT8681有A、B两个64测试接点的DIN41612-C型测量接口，分别使用短路、导通、绝缘及电容测试板对A测量接口的开关矩阵及所有测试接点进行检查。

3.1导通测试板验证结果

将被校线缆测试仪导通报警电阻设置为5 Ω（模拟全部测量不通过的情况），在归零前和使用短路测试板归零后，用导通测试板分别测量一组数据，部分结果见表3。

表3　导通测试板测量结果（部分）

将被校线缆测试仪导通报警电阻设置为10 Ω（模拟全部测量通过的情况），线缆测试仪显示导通电阻测量全部通过。

3.2绝缘测试板测试结果

将被校线缆测试仪绝缘报警电阻设置为20MΩ（模拟全部测量不通过的情况），选择500 V测试电压，部分测量结果见表4。

表4　绝缘测试板测量结果（部分）

将被校线缆测试仪绝缘报警电阻设置为10MΩ（模拟全部测量通过的情况），线缆测试仪显示绝缘电阻测量全部通过。

3.3电容测试板测试结果

将被校线缆测试仪电容报警值设置为10nF，报警误差设置为10%（模拟全部测试不通过的情况），部分测量结果见表5。

表5　电容测试板测量结果（部分）

将被校线缆测试仪电容报警值设置为1nF，报警误差设置为10%（模拟全部测试通过的情况），线缆测试仪显示电容测试通过。

4　结束语

线缆测试仪归零前，导通电阻测量数据超出线缆测试仪的最大允许误差。使用短路测试板对线缆测试仪归零后，导通电阻测量数据达到技术要求。导通、绝缘和电容测试板对线缆测试仪的测量数据一致性都很好。

因此，使用印刷电路板模拟线缆对线缆测试仪开关矩阵和所有测试接点进行检查，提高了校准线缆测试仪的工作效率，满足校准前对线缆测试仪进行功能检查的要求。

［1］杨奋为.新型线束导通检测仪的应用［J］.机电元件，2002，22（1）：51-53.

［2］线缆测试仪：JJF 1457—2014［S］.北京：中国质检出版社，2014.

［3］龚绍文，刘宝赋.线束自动检查仪的设计［J］.仪器仪表学报，2005，26（8）：154-157.

［4］何韵.线材测试仪（导通机）的校准方法介绍［J］.计量与测试技术，2007，34（8）：7-10.

［5］丁伏林，陈海燕.线材测试仪的校准方法［C］//江苏省计量测试学会2005年论文集，2005：29-31.

［6］Appliance Wiring Material：UL 758-2006［S］.Underwriters Laboratories Inc，2006.

［7］印制电路用覆铜层压板试验方法：GB/T 4722—1992［S］.北京：中国标准出版社，1992.

［8］直流高压高值电阻器检定规程：JJG 1072—2011［S］.北京：中国质检出版社，2011.

［9］陈永真，李锦.电容器手册［M］.北京：科学出版社，2008：54.

［10］标准电容器检定规程：JJG 183—1992［S］.北京：中国计量出版社，1992.

（编辑：李妮）

Research on cable tester switch matrix detection method

HE Hongbo，YE Junjiang，LI Chunlong
（Dongguan Institute of Guangdong Institute of Metrology，Dongguan 523330，China）

In order to satisfy the inspection requirements on the switch matrixes and all the test points of cable testers，printed circuit boards were adopted to simulate cables and wires to detect the cable tester switch matrixes and all the test points.The short circuit，conduction，insulation and capacitance test board principle，component selection and production method were studied respectively according to the testing functions and features of the cable tester.A large number of tests have demonstrated that these methods are rapid and efficient in defection，and can meet the inspection requirements of switch matrixes.

calibration；test board；switch matrix；cable tester

A

1674-5124（2016）07-0031-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.006

2015-08-27；

2015-10-12

东莞市高等院校科技计划项目（2011108102009）

何洪波（1976-），男，广东东莞市人，高级工程师，主要从事电学、无线电及时间频率计量技术的研究。