2025年全国赛D题 简易以太网双绞线测试仪

一、任务

设计并制作一个简易以太网双绞线测试仪（简称测试仪），如图所示。待测以太网双绞线（简称线缆）通过RJ45连接器与测试仪连接。线缆双端接入测试仪，测量线缆的线对连接关系（直连、交叉）、类型(非屏蔽双绞线UTP、双屏蔽双绞线SFTP)、直流电阻，以及交流衰减；线缆单端接入测试仪，测量线缆的长度和短路位置。测试仪由不大于6V的单电源供电。

二、要求

1. 基本要求

（1）按键切换两种工作模式和显示界面：“双端检测”、“单端检测”。

（2）“双端检测”模式。要求测量并显示线缆的线对连接关系（直连、交叉）、类型(UTP、SFTP)、直流电阻值(长度范围1m~50m、相对误差的绝对值不大于10%)，测量时间不超过5s。

（3）“单端检测”模式。要求测量并显示线缆长度(长度范围10m~50m、相对误差的绝对值不大于5%)，检测线缆是否存在线对间短路，测量、检测时间分别不超过5s。

2. 发挥部分

（1）“双端检测”模式。要求测量并显示线缆对在30MHz频率处的交流衰减dB值(长度范围10m~50m、相对误差的绝对值不大于10%)，测量时间不超过5s。

（2）“单端检测”模式。要求测量并显示线缆长度（长度范围1m~50m、相对误差的绝对值不大于1%），测量时间不超过5s。

（3）“单端检测”模式。要求测量并显示线缆的短路位置（长度范围1m~50m、相对误差的绝对值不大于1%），测量时间不超过5s。

（4）其他。

三、说明

（1）被测线缆由测评现场提供。测评现场还提供1m长SFTP型和50m长UTP型的线缆，供参赛队在测试前进行现场校准。

（2）作品测评过程中，除了按“双端检测”、“单端检测”一键启动相应功能并开始计时外，不允许对测试仪进行其他任何调整和操作。

（3）基本要求（2）中的“线对连接关系”是指直连线缆或交叉线缆，如下图所示。

（4）题目中的“线缆长度”为线缆水晶头边缘的直线距离，如下图所示。发挥部分（3）中的“短路位置”为水晶头边缘到短路中心点的直线距离。

（5）题目中检测相对误差的绝对值

。标准值是指由测量仪器测量得到的线缆参数值。

（6）发挥部分（1）中的“交流衰减”是指线缆对的输出电压值UoPP与输入电压值UiPP之比，即交流衰减dB值为20lg(UoPP/UiPP)。测量时应注意阻抗匹配问题。

（7）对于SFTP型线缆，应注意RJ45连接器有屏蔽外壳。

（8）作品不得包含任何专用测量仪器的主板或模块，不得使用称重、超声、激光和其他非电参数方法进行线缆参数测量。

题目分析与方案设计

本题目的要求可以归结为：一、双端测量模式下检测线对的连接关系、直流电阻、以及射频（30MHz）下的衰减系数。二、单端模式下检测电缆长度、短路点的位置。

这些要求涉及两种测量方式：检测连接关系、直流电阻以及线间是否短路，用直流信号完成，相当于设计一个直流电阻计。检测射频衰减以及单端模式下检测电缆长度与短路位置，需要应用射频电路中的传输线理论。下面分别讨论之。

一、直流电阻计。

双端测量时用于测量网线的直流电阻以及线对的连接关系，单端测量时可检查有否线间短路以及根据直流电阻计算短路点位置。

下面是一个直流电阻测量电路结构图。测试电压通过限流电阻后加到待测电缆两端（单端测量时加到同一端的两根芯线上），然后通过仪表放大器获得待测电缆两端的电压，通过检测采样电阻上的压降获得流过电缆的电流，就得到了待测电阻。模拟开关用于切换待测电缆芯线（更换线对、更换单端与双端等）。

常见的网线，其铜线芯直径有0.51mm （24AWG）、0.57mm（23AWG）、0.64mm（22AWG）数种，直流电阻为89.4Ω/km、66.8Ω/km、54.3Ω/km。题目要求被测网线的长度为1m~50m，但没有指定线径，所以其直流电阻的可能范围约为50mΩ~4.5Ω，电路中的测试电流值应该根据这些电缆电阻值的可能范围进行设定。

由于本题中电缆电阻值的变化范围可能较大，为了提高测量精度，还可以通过改变限流电阻，分成几个不同量程测量。测量电流大一些有利于测量，但是要兼顾电源的输出能力与导线发热的影响。

需要指出的是，对于微小电阻值的测量，最好是采用四端测量法。此法消除了电流回路中接触电阻的影响，可以得到比较准确的测量值。按照图中的接法可以避免模拟开关内阻的影响。

但是本题目要求网线直接安装在水晶头上，除非自己加工一个特殊的水晶头插座，否则无法进行四端测量。因此按照上述电路虽然避免了模拟开关内阻的影响，但是无法避免水晶头接触电阻的影响，得到的结果很可能受到水晶头与插座之间的接触电阻的影响而导致误差增大。

上述方案中的仪表放大器对频响没有要求，但是对噪声、测量精度等参数有较高的要求。可以采用精密运放构成三运放仪表放大器，但是更方便的是直接采用集成仪表放大器，例如INA188，其最大输入偏移为55µV，输入噪声为0.25µVpp。可通过外部的RG设定增益。

二、射频检测。

双端测量时测量网线的射频衰减，单端测量时测量网线的长度。

测量射频衰减比较直接，只要在网线一端加以激励，在另一端接上负载，然后测试两端的差分电压值即可。由于是射频测量，所以要注意信号源、电缆、负载三者之间都应该阻抗匹配。网线的差分阻抗是100Ω，所以信号源端可以用两个输出阻抗都是50Ω的射频放大器（一同相放大器、一反相放大器）构成差分信号输出，负载端直接用一个100Ω的电阻即可。

单端测量需要掌握传输线理论：当传输线长度等于信号波长的1/4时，传输线信号输入端的阻抗为

其中z0是传输线特征阻抗，zL是传输线终端负载阻抗。当终端开路时，zL为无穷大，所以此时从传输线输入端看进去的理论阻抗为0。

启动单端测量后，控制高频信号源从低频开始逐步提高测试频率（扫频），同步读取电缆始端的电压，记下出现第一个极小值时的测试频率ftest（由于电缆以及测试装置的非理想特性，电缆输入端的阻抗不可能达到0，只要观察到一个极小值即可），此时电缆的长度就是该频率的四分之一波长，可根据下列公式计算电缆长度：

其中vp是网线内信号的相速度。通常它是一个低于光速的值（大致为光速的二分之一到三分之二），可事先对使用的电缆进行实际测试以获得其准确值。

下图是射频检测部分的电路结构。

其中扫频信号源的频率范围应该满足长度检测与衰减检测的要求，按照vp=0.66C计算，1m~50m长度的网线，其1/4波长对应的测试频率大约在1MHz~50MHz，所以扫频范围至少要满足1MHz~50MHz，实际采用DDS信号源比较合适。信号源的驱动器可以采用高频运放。两个放大与检波电路中的放大器可以选用具有足够频响、输入电阻高、输入电容小的集成放大器构成差动放大器，并尽可能靠近电缆的接插件。检波电路可以采用高频乘法器（例如AD835）或集成检波芯片（例如AD8361）。不能采用二极管检波电路。因为检测电缆长度时要找到极小值，而二极管检波电路对于小信号不敏感。

来源：电子工程世界论坛（EEWorld）