通信电缆电容不平衡概念辨析及自动测试方法

刘 杰， 涂建坤

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

通信电缆电容不平衡参数是衡量通信电缆性能的重要指标。电容不平衡参数包括线对间电容不平衡(K值)，线对对地电容不平衡(e值)，线对对外来地电容不平衡(ea值)。国家标准GB 5441.3《通信电缆试验方法—电容耦合及对地电容不平衡试验》中有所描述［1］。但在现有资料中对于通信电缆的K、e和ea的测试概念和被测线对与其它线芯的连接方式的说明不明确。本文将详细阐述K、e和ea的概念并给出相应的测试方法。这对于确定合理的测试仪表结构和测试时的连接方式和平衡方法是很重要的。

1 概念辨析

对称通信电缆一般由许多线芯组成，其中每两个线芯组成一个线对，两个线对组成一个四线组。一个四线组部分电容分布如图1所示。

1.1 ea和e值的区别

电容不平衡ea表示四线组各回路对地的部分电容不平衡值，就是对外来地电容不平衡:

图1 四线组部分电容分布图

第一实路的电容不平衡为

第二实路的电容不平衡为

幻路对地的电容不平衡为

电容不平衡e表示当考虑所有第三回路时的电容不平衡值，线对对地电容不平衡:

第一实路对地及其他线芯的电容不平衡为

第二实路对地及其他线芯的电容不平衡为

幻路对地及其它线芯的电容不平衡为

从公式(1)～(3)可以看出，ea值的测试忽略了其余线芯的影响，因此ea值的测试时，其余线芯必须接至测试变压器中心点，以使其余线芯与被测量线芯处于等电位，从而“屏蔽”其余线芯的影响;而从公式(4)～(6)可以看出，e值的测试必须考虑其余线芯的影响，因此e值的测试时，其余线芯应接至设备的信号地。

1.2 K1和 K9-12的区别

在一个星绞四线组内，第一实路(1和2导线)对第二实路(3和4导线)的电容耦合为:

对于四线组组间的实路对实路电容耦合用K9～K12表示。四线组组间耦合系数中回路的符号如图2所示。

图2 四线组间耦合系数的符号

即K1表示四线组内实路和实路的电容耦合，K9～K12表示两个四线组组间的实路对实路电容耦合。对于大对数结构的通信电缆，如早期的市话电缆，可以用K值表示任意两对线之间的电容不平衡值。

1.3 K1和K2-3的区别

在一个四线组内，第一实路和幻路间的电容耦合为:

在一个四线组内，第二实路和幻路间的电容耦合为:

即K1是一个四线组内，实路和实路间的电容耦合;K2、K3是一个四线组内，实路和幻路间的电容耦合。

2 测试原理

电容不平衡参数ea1的测试电路如图3所示，其中其它非测试线芯接变压器中心点F。电容不平衡参数ea2、ea3测试电路与ea1测试电路结构类似，参考ea1的测试电路。

图3 对外来地电容不平衡ea1测量电路

电容不平衡参数e1的测试电路如图4所示，其中其它非测试线芯接金属护套仪器屏蔽。电容不平衡参数e2、e3测试电路与e1测试电路结构类似，参考e1的测试电路。

图4 对地电容不平衡e1测量电路

电容耦合参数K1测试电路如图5所示，其中其它非测试线芯接金属护套仪器屏蔽。

图5 K1的电容耦合测量电路

电容耦合参数K2测试电路如图6所示，其中其它非测试线芯接金属护套仪器屏蔽。K3测试电路与K2测试电路结构类似，参考K2的测试电路。

图6 K2的电容耦合测量电路

四线组组间的电容耦合用K9～K12的测试电路与K1的测试电路相当，参考K1的测试电路。

3 自动测试方法实现

以ea1测试为例分析如何实现测试，图3为对外来地电容不平衡的测试原理图。图7为图3的具体实现电路图。

电容不平衡检测电路由信号源、平衡变压器、差分放大电路组成。图7中CAG、CBG即为A、B线对地电容。

此时，差分放大电路输出:

图7 对外来地电容不平衡的测试电路图

式(14)表明，在输入电压固定时，差分放大电路输出电压与电容不平衡差值成正比，且输出电压与激励信号源有固定的90°相差。但如果直接对进行采样，然后计算 ΔC会产生较大误差。首先是正弦信号，直接处理相对复杂;同时，由于ω、R数值的任何微小的偏离都将引入测试误差。因此采用图8所示的方法对信号作进一步处理。

如图8所示，信号源产生的正弦信号经过过零检测电路，产生过零脉冲信号V3。同时正弦信号送入峰值检测电路，其输出与正弦波幅值相等的直流信号|。电容检测电路输出信号与正弦峰值信号||分别连接到对应的取样/保持电路的输入端上。在过零检测电路输出的脉冲驱动下，取样/保持电路分别输出V1和V2。其中V1为的幅值，V2为的幅值(||)。

图8 对地电容不平衡信号处理电路图

V1与V2分别被连到A/D模数转换芯片的模拟信号输入端Vx和参考电压输入端Vref。此时A/D转换结果为:

通过对标准件的标定，即可求出不同电缆的电容不平衡值。其它参数的测试方法大致相同。

上述的测度方法应用在上海电缆研究所研制的LCTS电缆低频参数测试仪来实现参数的自动测试。测试参数的硬件实现框图如图9。

图9 测试参数的硬件实现框图

4 测试数据

利用上海电缆研究所研制的LCTS电缆低频参数测试仪测试电容耦合和电容不平衡参数的模型，所得测试数据如表1所示。

5 结束语

本文辨析了K、e和ea的定义和区别，总结来说:K1是一个四线组内，实路和实路的电容耦合，K2、K3是一个四线组内，实路和幻路的电容耦合，K9～K12表示四线组组间的实路对实路电容耦合;ea表示四线组各回路对外来地电容不平衡;电容不平衡e表示线对对地电容不平衡。

本文还给出了参数的测试原理和测试实现方法。测试方法应用在上海电缆研究所研制的LCTS电缆低频参数测试仪上，通过对标准样品测试电容不平衡参数，再次验证了参数的概念和测试原理分析的合理性。

表1 电容耦合和电容不平衡参数的模型所得测试数据 (单位:pF)

［1］GB 5441.3—85 通信电缆试验方法 第3部分:电容耦合及电容不平衡实验［S］.