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”），如图1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。

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，显示格式见表 1。

（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𝛿 = |测量值−实际值|/|实际值 | × 100%，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。

三、设计摘要

本系统设计并制作一个同轴电缆长度与终端负载检测装置，通过采集和分析同轴电缆始端的入、反射信号的幅度和相位关系，计算得出同轴电缆长度与负载参数特征。本装置采用单端口矢量网络分析仪的S11参数测量思路，整体结构包括本地振荡器信号产生部分和信号处理分析部分。本振信号发生部分通过集成锁相环芯片，分别产生一个待测信号的激励源和一个与待测信号存在5K差频的参考信号，后经信号采集处理电路将信号进行入射反射信号分离、衰减、滤波、下变频、运放信号调理等处理后，输入至单片机中进行采集处理，通过快速傅里叶变换测量两路信号的相位差与幅度差，进而精准测量出电缆长度、负载类型与负载参数。本系统具有精准度高、测量快速等优点，可有高效完成题目所述目标要求。

四、题目分析

4.1 系统方案概述

本题目目标在于设计并制作一个同轴电缆长度与终端负载检测装置，系统由本地振荡器信号产生部分和信号处理分析部分构成，本地振荡器信号产生部分中第一个锁相环信号合成器和第二个锁相环信号合成器产生的信号具有5KHz 的频率差，第一锁相环信号合成器的 A+及A-信号经过Π型衰减器衰减 3dB。待测单端口输入端与匹配电路的其中一个输入端连接，另一端连接电容和 50 欧姆平衡负载到地。将输入的差分信号输入至混频器的差分输入端，将第二个集成锁相环信号合成器所产生的与第一集成锁相环信号合成器相差 5KHz 的 B+信号输入至混频器的本地振荡输入端。混频之后将信号通过低通滤波器取其下变频为 5KHz 的信号，之后再将信号送至 LMC6482 双通道轨至轨运算放大器中将信号放大。使用 STM32 中的 ADC 把模拟的电信号转变成为数字的电信号，采用FFT算法比较两信号的相位差及幅度差信息，通过运算可得出电缆长度及负载特征和参数。

4.2 线缆长度测量方案

根据传输线基本理论可知，传输距离对信号幅度相位（频域）和波形延迟（时域）的影响，根据特定频率的信号在传输线上入射波和反射波的阻抗矢量变换情况，得到入射波与反射波的相位此方案基于传输线段的特性和阻抗变换，通过传输线此特征的分析，我们能够在特定频率下准确地测量长度。这一方案的优势充分利用了阻抗变换的周期性特性，为问题的解决提供了可行性高、精度高的方法。

传输线模型由上图所示，当终端开路时（即时）测量同轴线缆的长度。根据微波与天线技术知识可以知道，当信号在传输线中走过四分之一个波长的时刻，传输线开路线转变为短路线。由传输线公式可知点的矢量输入阻抗与输入频率和点的位置有关。

本设计中的长度即为待测同轴线缆的长度，λ为某个频率对应的波长。若l/2λ大于同轴线缆，则同轴线缆的长度d=圆图旋转角度/360°*λ/2，在该题中我们所用的同轴线缆传播系数为0.672。

由题意得 ≤2000cm且2≤l 解得 ≤5.1675MHz。留部分余量设 =2500cm 解得 ≤4.134MHz 取4MHz作为长度测量则测量精度分辨率为2500cm/360=6.94cm/° 由于测量度数的方式是使用入射混频器和反射混频器的输出混频信号的相位差表示，无法精确到1°，所以使用该方法测量存在部分误差。测量结果采用cm单位表示，向下取整数cm。100cm/6.94cm/°=14.4°，即保留了14.4°的相位误差容限。利用4MHz(设波长为λ1)的信号进行长度粗测，而后用100MHz的频点进行测量。经过4MHz激励信号测量后可以得到粗测长度,通过可计算100MHz激励信号在电缆中走过的总周期数：

通过理论计算与硬件性能匹配，将测量信号源信号频率设定为4MHz与100MHz等多个频点，通过4MHz的频点对同轴线缆进行初步测量，通过采集到的相位数据分析电缆线的长度，计算出高频信号在电缆中运动的周期数目N后，再使用100MHz(设波长为λ2)高频信号进行进一步的测量，从而得到准确的数据。

最终电缆长度测量公式如下：

4.3 负载测量选择方案

当信号在传输线上传播时，反射信号的相位会发生变化，并且连接着电容时传输线会导致信号的相位移动和一定程度的衰减。幅度差和相位差与传输线的特性阻抗、电容的阻抗以及信号频率之间的关系有关，通过测量分析入射与反射信号之间的相位与幅度关系，可以得到负载类型、负载参数与相位幅度的关系，从而计算出负载类型和负载参数。当有负载接入传输线回路时，负载起端阻抗网络的相位和幅度会产生变化。理论计算与测量分析可知：当电容型负载接入回路时，等效为入射与反射信号的相位差，根据其在特定频率下的相位变化情况，可以计算出电容的具体参数。当当电阻型负载接入回路时，入射与反射信号的相位差会发生180°转变。并且本次系统选取的多频点激励信号下，题目范围内的电阻和电容的判断相位差均无混叠。因此在固定的多频点下分析负载的矢量电抗和电阻，即可完成对负载参数的判断与测量。由于同轴线缆与阻容负载共同接入测量系统，构成系统的总负载，根据查阅同轴电缆的电气特性可知，我们所使用的同轴电缆携带有96.45pf/m的电容电气特性和50mhms阻抗特性，与题目要求的测试参数处于同一数量级，在进行终端负载测量时不可忽略。因此在进行终端负载测量时，需要考虑到前序步骤中测得的线缆长度等参数，根据测量端口负载参数的阻抗，减去对应长度线缆的阻抗，最终通过差值计算得到正确的结果。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

6.1激励信号发生电路设计

题目中对于长度、参数的测量对于信号频率和稳定度具有较高的要求，因此，我们选择了si5351作为本设计的信号源激励。si5351是一款时钟分频芯片。它将输入时钟分频或者倍频输出，每个输出可以输出8KHz-100MHz误差为0ppm的时钟信号，为后续信号测量处理提供稳定的激励信号源。

6.2信号检测及处理电路设计

为分析入射信号与反射信号的关系，在信号处理电路中前级设置了惠斯通电桥，两路输出信号可以代表信号的反射系数。由于单片机无法直接采集高频信号的相位与幅度信息，设计了两路混频电路将高频信号的相位变化下变频到5KHz，单片机采集5KHz的低频信号从而判断出终端线缆和负载的阻抗变化情况。

混频器电路采用 SA612A 双平衡混频器，这款混频器集成了内部振荡器件以及电压调节器，混频器输入通道采用Π型电阻衰减网络，输入信号衰减 3dB 并匹配 50R，作为外部输入混频器，锁相环差分输出子路连接混频器的本机振荡输入，混频输出后经无源低通滤波器取得下变频分量，差分输入至后级的运放。

由于sa612混频器的输出为差分双端结构，因此后级经过差动放大器进行双端转单端的信号转换，并对输出信号进行一定的放大。设计中的差动放大器使用的是LMC6482集成芯片，其 GWP=10M，具有低噪声系数和失调电压，轨至轨的输入输出。运放级采用差动放大的方式，增益 17dB，同时具有阻抗变换和 ADC 驱动作用。

6.3 主控单片机stm32f429底板设计