大家好，我们是来自HEBUT的GaN队，在年全国大学生电子设计竞赛中选择C题，并获得河北省一等奖。

团队介绍

苏孙涛，电气班，连续参加了两年大学生电子设计竞赛，分别为年的河北省赛和年的国赛，获得河北赛区省三等奖和省一等奖。在两次的电赛中，都担任队长一职，主要负责元器件的选择与购买，硬件电路的设计与调试。

胡家鑫，电气班，参加过18年电赛并获天津市二等奖，19年电赛并获河北省一等奖，具有一定编程能力和比赛经验。在本次电赛中，主要负责论文的撰写以及信号发生部分的程序调试。

蒋冬冬，电气班，曾获天津市大学生电子设计竞赛（TI杯）二等奖，河北省大学生电子设计竞赛（TI杯）一等奖。在队伍中，我主要负责软件部分，运用STM32实现数控与显示功能。

周家鹏（见习队员），电卓班，有幸能够参与本次电赛和三位学长并肩作战，并得到指导老师和三位学长的指导。本次电赛中，我主要负责电路测试模型的筹备和搭建，测试数据的预计算以及电路板的焊接工作。

感谢学弟学妹的邀请，在这里分享我们的解决方案和经验，希望能够帮助到更多参加电赛的Hebuters。

C题题目要求

设计并制作线路负载及故障检测装置。检测装置只通过两个连接端子与两根导线连接。导线上A、B两点距离各自连接端子约5cm，远端30cm范围内为连接负载和故障区域。

系统方案

本系统主要由控制模块、功率放大模块、电源模块、信号发生模块组成，根据对于不同负载，其电抗值变化规律随通过的交流信号的频率不同而不同，编程可实现测量RLC数值功能、识别负载类型的功能、故障报警功能与故障位置测量。

1负载参数检测方案

采用最经典的伏安法，原理简单。根据阻抗的定义可知，当交流信号流经电阻电感和电容时，交流信号频率变化，三种元件的电抗变化规律是不同的：

于是，当单片机发出不同频率的可控交流信号时，程序记录多次计算值便可轻松得出准确电路参数。

2功放芯片的选择

采用TIP和TIP功率三极管。两种芯片均为三脚封装，较为常用，散热片易于安装。其电路便于调试和更换器件，同时为提高功放的带载能力，采用多个功率三极管并联的方式。功放电路设计采用TI公司生产的高速运放TL+TIP和TIP构成的OCL电路，结合功率管前级的肖特基二极管，消除正弦信号的交越失真，以保证单片机采样值的准确性。功放通带设为Hz~1.5MHz。

3辅助电源方案

采用XL升压芯片+电荷泵电压反转器。XL属于开关升压稳压芯片，且可设置为输出可调。稳压性能好，损耗和带载能力优良。利用XL搭建升压电路，将5V电压升至15V作为电荷泵电压反转器输入，可得到±15V电压为运放供电。方案可行且可靠。

4高频信号源的选择

采用AD芯片。AD是一款低功耗、可编程波形发生器，输出频率和相位可软件编程，很容易调整，而且不需要外部组件。利用其搭建DDS电路，输出频率可轻松达到兆赫兹级别，输出波形仅有轻微幅值减小。

系统理论分析与计算1有效值的计算

输入单片机的交流信号是0V以上，即带有直流分量的交流信号。因此必须计算交流信号的真有效值。以交流电压信号为例

设被采样信号为

电压采样值为

则直流信号可表示为

根据有效值定义，可以求得

2阻抗角的计算

得到电压有效值和电流有效值后，根据采样值，可以同步计算出电压电流相位差的余弦值。

设电流采样值为

则平均功率可以表示为

当n为每周期采样点数n0的整数倍时，有P平均=P有效，可得

3元件值测量

根据阻抗的定义可知，当交流信号流经电阻电感和电容时，交流信号频率变化，三种元件的电抗变化规律是不同的，可用下式表示

所以，我们采用DDS电路，通过单片机控制，输出频率可控的正弦波，当频率f变化时，通过计算阻抗模值，计算负载的种类并自动跳转至相应的子程序，计算并显示对应的参量的大小。

4负载网络结构判断框图5误差分析

在流程图中，判断两元件负载和三元件负载的准确度受电阻参数的影响较大。例如，对于RLC串联和RC串联的方式，阻抗值计算公式分别为

RLC串：；；；

RC串：；；。

当R0=Ω，L0=0.1mH，C0=1μF时，ω在1KHz~30KHz之间变化，两种电路结构的三个参数差值在0.1%以内，这个误差单片机几乎无法识别，因此就必须采用更高频的信号来区分。

6短路故障点定位

实际测量导线发现，线路的电感或者电阻的单位变化量都非常小，但当电路处于1MHz的高频信号中时，若线路电流达到1A，线路电感每厘米的变化量可达到mV，这对单片机的AD采样来说是很容易分辨的。因此我们采用单片机控制DSS电路发出1MHz的信号，通过测量线路的电感值来判断故障点位置。

硬件电路设计1电流采样电路

采样电阻选用温漂小的小阻值电阻，将电流信号转化为电压信号，由于这个电压很微弱，选用运放构成一级比例放大电路。

图1电流采样电路框图

2电压采样电路

电压采样采用LEM公司的LV25-P电压传感器，它是一款基于霍尔效应的闭环补偿电压传感器。为使信号被限制在0~3.3V供单片机采集，需要加一级运放构成的加法电路进行信号抬升；电压跟随电路设置在单片机AD的前级，增大AD输入信号的抗干扰能力，提高采样精度。

图2电压采样电路

3功率放大电路

由于运放输入信号频率范围为Hz~1MHz，综合考虑我们选择TI公司生产的TL高压摆率JFET输入运算放大器。它集成了匹配良好的高压JFET和双极晶体管，具有高转换率、低输入偏压和偏移电流以及低偏移电压温度系数的特性。

图3功率放大电路

程序设计及流程图

通过单片机程序设计，实现DDS变频输出，采用双路AD采样，利用单片机内部的高速DMA通道，快速计算电压电流的有效值和功率因数。通过标志位的设置做到自动切换负载测量模式、网络结构识别模式和故障位置判断与报警模式的功能，无需人工干预。

测试方案与结果

首先检查电路的连接状况，本设计分为辅助电源单元、功率放大单元、交流电压电流采样单元。给负载及故障检测装置提供5V电源，当线路上发生断路或短路时，通过LCD显示屏指示报警。当线路上接上不同性质，不同数值的负载，能识别并显示出线路上的负载参数。当接上不同网络结构的负载，能正确判断出其结构形式。

1测试仪器

（1）精密数字电桥表：AglientEA

（2）稳压电源：DFSB2A

（3）示波器：NDSU

2测试结果与分析

（1）本设计在线路发生短路及断路时，能及时的通过LCD显示屏指示故障。针对线路上不同的负载，能够识别并显示数值，相对误差绝对值小于3%，响应时间在5s以内。能正确判断由2到3个元件串联或并联的负载网络结构。

（2）短路点位置测量值与实际值误差在1cm以内，满足赛题要求。能够有效测量故障点位置。

最后是来自学长们的一些小经验1个人能力是基础

无论是基础知识还是基本技能，平时的积累都十分重要，比如负责硬件的同学可以学习基本电路模块的原理，并学会绘制PCB，负责编程的同学可以学习使用一款单片机或是DSP，练习编写一些常用的代码程序。在开赛前的一个月，要对往年或是典型的赛题进行练手，题目数量不在多而在于精，完整地做完一道题，这样才能够全方位地提高能力。还可以提前焊接制作好一些硬件模块，比如线性稳压电源，电流电压采样电路，放大电路等等，这样到开赛时可以节省不少时间。

2团队协作是保障

电赛是一项团队比赛，单靠一个人的力量是不够的。首先，要分工明确。比如一个负责软件，一个负责硬件，一个可以负责论文写作并协助其他两位同学。如果有人软硬件通吃，那同样也要把工作分配下去，大家共同完成，提高效率。其次，要互相帮助，互相鼓励。在日常练习和比赛的时候，总会遇到困难，这时候就要大家齐心解决，别一个人“刚”，当然还要及时和指导老师沟通交流。

3心理状态是关键

备赛时要有紧迫感，比赛时要放平心态。认真对待平时训练的机会，把不懂的都弄懂。在比赛的那几天什么情况都有可能出现，遇事千万不能慌张，放平心态，做到粗中有细。

其实想要在电赛中获得奖项说难也难，说易也易，希望上述的内容能对大家有所帮助。在这里，我们要感谢河工大电气工程学院，感谢我们的导师赵志刚老师，感谢队友的共同努力以及实验室的小伙伴们平时在学习和生活上的帮助。

END

文字编辑

苏孙涛胡家鑫蒋冬冬周家鹏

排版处理

冀硕男

审核

张诗佳

监制

王素丹

新媒体中心出品

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