大家好，我們是來自HEBUT的GaN隊，在2019年全國大學生電子設計競賽中選擇C題，並獲得河北省一等獎。
蘇孫濤，電氣166班，連續參加了兩年大學生電子設計競賽，分別為2018年的河北省賽和2019年的國賽，獲得河北賽區省三等獎和省一等獎。在兩次的電賽中，都擔任隊長一職，主要負責元器件的選擇與購買，硬體電路的設計與調試。
胡家鑫，電氣166班，參加過18年電賽並獲天津市二等獎，19年電賽並獲河北省一等獎，具有一定編程能力和比賽經驗。在本次電賽中，主要負責論文的撰寫以及信號發生部分的程序調試。
蔣冬冬，電氣166班，曾獲2018天津市大學生電子設計競賽（TI杯）二等獎，2019河北省大學生電子設計競賽（TI杯）一等獎。在隊伍中，我主要負責軟體部分，運用STM32實現數控與顯示功能。
周家鵬（見習隊員），電卓171班，有幸能夠參與本次電賽和三位學長並肩作戰，並得到指導老師和三位學長的指導。本次電賽中，我主要負責電路測試模型的籌備和搭建，測試數據的預計算以及電路板的焊接工作。
感謝學弟學妹的邀請，在這裡分享我們的解決方案和經驗，希望能夠幫助到更多參加電賽的Hebuters。
設計並製作線路負載及故障檢測裝置。檢測裝置只通過兩個連接端子與兩根導線連接。導線上 A、B 兩點距離各自連接端子約 5cm，遠端 30cm 範圍內為連接負載和故障區域。
本系統主要由控制模塊、功率放大模塊、電源模塊、信號發生模塊組成，根據對於不同負載，其電抗值變化規律隨通過的交流信號的頻率不同而不同，編程可實現測量RLC數值功能、識別負載類型的功能、故障報警功能與故障位置測量。
採用最經典的伏安法，原理簡單。根據阻抗的定義可知，當交流信號流經電阻電感和電容時，交流信號頻率變化，三種元件的電抗變化規律是不同的：
於是，當單片機發出不同頻率的可控交流信號時，程序記錄多次計算值便可輕鬆得出準確電路參數。
採用TIP142和TIP147功率三極體。兩種晶片均為三腳封裝，較為常用，散熱片易於安裝。其電路便於調試和更換器件，同時為提高功放的帶載能力，採用多個功率三極體並聯的方式。功放電路設計採用TI公司生產的高速運放TL081 +TIP142和TIP147構成的OCL電路，結合功率管前級的肖特基二極體，消除正弦信號的交越失真，以保證單片機採樣值的準確性。功放通帶設為150Hz~1.5MHz。
採用XL6009升壓晶片+電荷泵電壓反轉器。XL6009屬於開關升壓穩壓晶片，且可設置為輸出可調。穩壓性能好，損耗和帶載能力優良。利用XL6009搭建升壓電路，將5V電壓升至15V作為電荷泵電壓反轉器輸入，可得到±15V電壓為運放供電。方案可行且可靠。
採用AD9833晶片。AD9833 是一款低功耗、可編程波形發生器，輸出頻率和相位可軟體編程，很容易調整，而且不需要外部組件。利用其搭建DDS電路，輸出頻率可輕鬆達到兆赫茲級別，輸出波形僅有輕微幅值減小。
輸入單片機的交流信號是0V以上，即帶有直流分量的交流信號。因此必須計算交流信號的真有效值。以交流電壓信號為例
設被採樣信號為
電壓採樣值為
則直流信號可表示為
根據有效值定義，可以求得
得到電壓有效值和電流有效值後，根據採樣值，可以同步計算出電壓電流相位差的餘弦值。
設電流採樣值為
則平均功率可以表示為
當n為每周期採樣點數n0的整數倍時，有P平均=P有效，可得
根據阻抗的定義可知，當交流信號流經電阻電感和電容時，交流信號頻率變化，三種元件的電抗變化規律是不同的，可用下式表示
所以，我們採用DDS電路，通過單片機控制，輸出頻率可控的正弦波，當頻率f變化時，通過計算阻抗模值，計算負載的種類並自動跳轉至相應的子程序，計算並顯示對應的參量的大小。
在流程圖中，判斷兩元件負載和三元件負載的準確度受電阻參數的影響較大。例如，對於RLC串聯和RC串聯的方式，阻抗值計算公式分別為
RLC串： ；；；
RC串： ；；。
當R0 = 1000Ω，L0 = 0.1mH，C0 = 1μF時，ω在1KHz~30KHz之間變化，兩種電路結構的三個參數差值在0.1%以內，這個誤差單片機幾乎無法識別，因此就必須採用更高頻的信號來區分。
實際測量導線發現，線路的電感或者電阻的單位變化量都非常小，但當電路處於1MHz的高頻信號中時，若線路電流達到1A，線路電感每釐米的變化量可達到170mV，這對單片機的AD採樣來說是很容易分辨的。因此我們採用單片機控制DSS電路發出1MHz的信號，通過測量線路的電感值來判斷故障點位置。
採樣電阻選用溫漂小的小阻值電阻，將電流信號轉化為電壓信號，由於這個電壓很微弱，選用運放構成一級比例放大電路。
電壓採樣採用LEM公司的LV 25-P電壓傳感器，它是一款基於霍爾效應的閉環補償電壓傳感器。為使信號被限制在0~3.3V供單片機採集，需要加一級運放構成的加法電路進行信號抬升；電壓跟隨電路設置在單片機AD的前級，增大AD輸入信號的抗幹擾能力，提高採樣精度。
由於運放輸入信號頻率範圍為200Hz~1MHz，綜合考慮我們選擇TI公司生產的TL081高壓擺率 JFET 輸入運算放大器。它集成了匹配良好的高壓JFET和雙極電晶體，具有高轉換率、低輸入偏壓和偏移電流以及低偏移電壓溫度係數的特性。
通過單片機程序設計，實現DDS變頻輸出，採用雙路AD採樣，利用單片機內部的高速DMA通道，快速計算電壓電流的有效值和功率因數。通過標誌位的設置做到自動切換負載測量模式、網絡結構識別模式和故障位置判斷與報警模式的功能，無需人工幹預。
首先檢查電路的連接狀況，本設計分為輔助電源單元、功率放大單元、交流電壓電流採樣單元。給負載及故障檢測裝置提供5V電源，當線路上發生斷路或短路時，通過LCD顯示屏指示報警。當線路上接上不同性質，不同數值的負載，能識別並顯示出線路上的負載參數。當接上不同網絡結構的負載，能正確判斷出其結構形式。
（1）精密數字電橋表：Aglient E4980A
（2）穩壓電源：DF1731SB2A
（3）示波器：NDS102U
（1）本設計在線路發生短路及斷路時，能及時的通過LCD顯示屏指示故障。針對線路上不同的負載，能夠識別並顯示數值，相對誤差絕對值小於3%，響應時間在5s以內。能正確判斷由2到3個元件串聯或並聯的負載網絡結構。
（2）短路點位置測量值與實際值誤差在1cm以內，滿足賽題要求。能夠有效測量故障點位置。
無論是基礎知識還是基本技能，平時的積累都十分重要，比如負責硬體的同學可以學習基本電路模塊的原理，並學會繪製PCB，負責編程的同學可以學習使用一款單片機或是DSP，練習編寫一些常用的代碼程序。在開賽前的一個月，要對往年或是典型的賽題進行練手，題目數量不在多而在於精，完整地做完一道題，這樣才能夠全方位地提高能力。還可以提前焊接製作好一些硬體模塊，比如線性穩壓電源，電流電壓採樣電路，放大電路等等，這樣到開賽時可以節省不少時間。
電賽是一項團隊比賽，單靠一個人的力量是不夠的。首先，要分工明確。比如一個負責軟體，一個負責硬體，一個可以負責論文寫作並協助其他兩位同學。如果有人軟硬體通吃，那同樣也要把工作分配下去，大家共同完成，提高效率。其次，要互相幫助，互相鼓勵。在日常練習和比賽的時候，總會遇到困難，這時候就要大家齊心解決，別一個人「剛」，當然還要及時和指導老師溝通交流。
備賽時要有緊迫感，比賽時要放平心態。認真對待平時訓練的機會，把不懂的都弄懂。在比賽的那幾天什麼情況都有可能出現，遇事千萬不能慌張，放平心態，做到粗中有細。
其實想要在電賽中獲得獎項說難也難，說易也易，希望上述的內容能對大家有所幫助。在這裡，我們要感謝河工大電氣工程學院，感謝我們的導師趙志剛老師，感謝隊友的共同努力以及實驗室的小夥伴們平時在學習和生活上的幫助。
文字編輯 | 蘇孫濤 胡家鑫 蔣冬冬 周家鵬
排版處理 | 冀碩男
審 核 | 張詩佳
監 制 | 王素丹
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