精品文檔-下載后可編輯一種UM71軌道電路補(bǔ)償電容在線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)研究-設(shè)計(jì)應(yīng)用近年來(lái)，無(wú)絕緣軌道電路市場(chǎng)發(fā)展迅速。經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，世界無(wú)絕緣軌道電路行業(yè)已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，相關(guān)無(wú)絕緣軌道電路產(chǎn)業(yè)也日漸完善，但是國(guó)內(nèi)無(wú)絕緣軌道電路市場(chǎng)還遠(yuǎn)未成熟，同發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家相比，無(wú)論市場(chǎng)規(guī)模、產(chǎn)品檔次、品種規(guī)格、消費(fèi)水平等方面都還有相當(dāng)大的差距。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無(wú)絕緣軌道電路技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量的提高，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，我國(guó)的無(wú)絕緣軌道電路將會(huì)有巨大的市場(chǎng)需求和發(fā)展空間。無(wú)絕緣軌道電路（jointlesstrackcircuit）兩相鄰軌道電路間不用機(jī)械鋼軌絕緣的軌道電路。該軌道電路如何區(qū)分相鄰軌道電路區(qū)段，一般有2種方法：利用軌道電路的阻抗和道床漏泄電阻的自然衰耗，以不同的頻率對(duì)相鄰軌道電路進(jìn)行隔離，稱(chēng)為自然衰耗隔離式無(wú)絕緣軌道電路；在相鄰軌道電路之間采用電容和一部分鋼軌的電感構(gòu)成諧振回路和采用不同頻率對(duì)相鄰軌道電路進(jìn)行電氣隔離，稱(chēng)為電氣隔離式，或稱(chēng)諧振式無(wú)絕緣軌道電路。UM71軌道電路是一種移頻軌道電路，它的正常工作狀態(tài)關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行的安全。為了保證該電路系統(tǒng)工作正常，列車(chē)電務(wù)段工作人員必須經(jīng)常沿鐵軌檢測(cè)軌道電路運(yùn)行參數(shù)。其中非常重要的一項(xiàng)參數(shù)便是兩軌間的并接補(bǔ)償電容，而對(duì)該補(bǔ)償電容的測(cè)量到目前為止還沒(méi)有一種有效的手段。原始的測(cè)量方法是靜態(tài)測(cè)試，即必須從鐵軌中打下電容，使之脫離該軌道電路，再用普遍電容表來(lái)測(cè)試。該方法笨拙，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加了工作人員的勞動(dòng)復(fù)雜度。而且由于打下電容，減少了軌道電路信號(hào)的傳輸距離，對(duì)列車(chē)行車(chē)安全造成威脅?；诖?，本文提出一種在線(xiàn)測(cè)試方法，十分方便快捷，對(duì)電務(wù)段工作人員也是一種解放。1UM71系統(tǒng)概述1.1UM71系統(tǒng)構(gòu)成UM71系統(tǒng)由設(shè)于室內(nèi)的發(fā)送器、接收器和軌道繼電器以及通過(guò)ZCO3電纜連接的置于鋼軌旁的空心線(xiàn)圈、調(diào)諧單元、匹配變壓器和補(bǔ)償電容等組成。如圖1所示。1.2UM71系統(tǒng)的電路特點(diǎn)列車(chē)行車(chē)過(guò)程中，為了傳送信號(hào)需要，UM71系統(tǒng)選用了四個(gè)較高的載頻信號(hào)：1700Hz、2000Hz、2300Hz和2600Hz信號(hào)。其中，下行線(xiàn)采用1700Hz、2300Hz信號(hào)交替配置；上行線(xiàn)采用2000Hz、2600Hz信號(hào)交替配置。為滿(mǎn)足列車(chē)速度控制等多信息需要，UM71軌道電路共有從10.3Hz開(kāi)始按1.1Hz等差遞增至29Hz的18種低頻信息。其頻偏Af為11Hz,故UM71軌道電路軌面上傳送的移頻信號(hào)由載頻fo、頻偏Af和低頻調(diào)制信號(hào)Fc三者構(gòu)成。如某區(qū)段載頻fo為2000Hz、低頻調(diào)制信號(hào)Fc為16.9Hz,則軌面移頻信號(hào)在（fo-Af）即1989Hz和（fo+Af）即2022Hz之間，每秒周期移動(dòng)16.9次。1.3UM71系統(tǒng)中補(bǔ)償電容的作用由圖1可知，這種軌道電路每間隔100m在兩軌間并接一個(gè)電容器，一般為33μF,稱(chēng)為補(bǔ)償電容。補(bǔ)償電容是UM71軌道電路的重要組成部分，它的作用是改善軌道電路在調(diào)整狀態(tài)和分流狀態(tài)的傳輸特性，延長(zhǎng)軌道電路的傳輸距離，確保鋼軌中有足夠穩(wěn)定的信號(hào)電流經(jīng)鋼軌向機(jī)車(chē)發(fā)送信息。然而由于易受溫度、濕度以及人為因素的影響，會(huì)產(chǎn)生電容電特性參數(shù)漂移或接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致補(bǔ)償電容的老化、失效或丟失，終影響鐵路信號(hào)的正確傳輸。因此，如何方便有效地對(duì)補(bǔ)償電容進(jìn)行正確的測(cè)試檢查便顯得非常重要。2補(bǔ)償電容在線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)UM71系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以采用如下方法，即施加一個(gè)頻率高于其本身所傳言信號(hào)頻率的下弦測(cè)試信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)試信號(hào)）于補(bǔ)償電容兩端，然后使電容兩端頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路，濾除其本身的低頻信號(hào)，這樣濾波電路出來(lái)的就是人為施加的測(cè)試信號(hào)；再經(jīng)過(guò)整流電路，得到該測(cè)試信號(hào)的直流量；用A/D轉(zhuǎn)換器采樣，不同的電容值所反應(yīng)出來(lái)的變化了測(cè)試信號(hào)不同，從而確定補(bǔ)償電容的值。系統(tǒng)框圖如圖2所示。3硬件設(shè)計(jì)3.1測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生UM71系統(tǒng)本身傳送的信號(hào)有載頻信號(hào)（1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz）和低頻調(diào)制信號(hào)（從10.3Hz到29Hz）。本方案中測(cè)試信號(hào)頻率采用10khz.關(guān)于測(cè)試信號(hào)，可以利用集成運(yùn)放構(gòu)成正弦波振蕩電路來(lái)產(chǎn)生。不過(guò)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一些集成器件，功能強(qiáng)且使用方便，函數(shù)發(fā)生器ICL8038就是其中之一。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生0.001~300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電容或電阻控制。另外，由于該芯片具有調(diào)頻信號(hào)輸入端，可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL8038測(cè)試電路如圖3所示。輸出頻率由下式確定：如設(shè)RA=RB=R，則f=(0.33/RC)，于是，經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，取R=3.3kΩ,C=0.01μF,可以得到較好的正弦波形。3．2功率放大電路的設(shè)計(jì)本電路采用LM386對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行功率放大，以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。LM386是一種低電壓小功率音頻功放集成電路，使用外圍元件少，調(diào)整方便。需要調(diào)整放大倍數(shù)時(shí)，可在其1、8腳間接一個(gè)2kΩ左右的可變電阻和一個(gè)10μF電容，則改變可變電阻，可使放大倍數(shù)在20～200間可調(diào)，懸空時(shí)，放大倍數(shù)為20；在6腳和地之間以及7腳和地之間分別接一個(gè)電容，能夠防止LM386自激；要求不高時(shí)可略去。具體電路如圖4所示。3．3濾波電路的設(shè)計(jì)濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C,或與負(fù)載串聯(lián)電感器L,以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。濾波電路濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿(mǎn)足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話(huà)說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線(xiàn)性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號(hào)信號(hào)和調(diào)制信號(hào)頻率低于測(cè)試信號(hào)頻率，要想將其濾掉，可以采用高通濾波器（HPF）。為了濾除高頻信號(hào)的干擾，高通之后，再經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF），便可以得到較好的測(cè)試信號(hào)波形。本電路中采用三級(jí)二階HPF、兩級(jí)二階LPF串連的五級(jí)濾波電路，特征頻率均設(shè)為10khz。濾波器按巴特沃斯（Butterworth）濾波器設(shè)計(jì)，它的幅頻特性是單調(diào)的，且在通帶內(nèi)比較平坦。巴特沃斯二階HPF的形式如圖5所示。由于特性頻率fo=10kHz，Q值取0.7,若取C=0.01μF,則由fo=1/(2πRC)即R=1592Ω，可取R=1.6kΩ。又由于濾波器的通帶放大倍數(shù)Aup和Q有關(guān)系式Q=1/（3-Aup）成立，將Q=0.7代入可得Aup=1.57,根據(jù)Aup與R1、Rf的關(guān)系式Aup=1+（Rf/R1）和集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端外接電阻的對(duì)稱(chēng)條件，可得下面的方程組：解之可得R1=5.51R,Rf=3.14R.代入R=1.6kΩ可得，R1取9.1kΩ，Rf取5.1kΩ。對(duì)于低通濾波器的設(shè)計(jì)，只是在電路形式上將R和C互換位置，別的都一樣，不再多述。3.4整流電路的設(shè)計(jì)整流電路（rectifyingcircuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過(guò)程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過(guò)整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱(chēng)單向脈動(dòng)性直流電壓。為了把從濾波電路出來(lái)的交流測(cè)試信號(hào)較為為直流信號(hào)，以便A/D轉(zhuǎn)換器采集，需要整流。整流可以用二極管來(lái)完成，但由于其非線(xiàn)性將產(chǎn)生較大誤差。為了提高精度，可利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋克服二極管非線(xiàn)性造成的誤差。本電路采用了兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)全波精密整流電路，如圖6所示，其性能良好。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用常見(jiàn)的四位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7136。通常設(shè)計(jì)者都是用單片機(jī)并行采集ICL7135的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，占用了較多的I/O口資源。本文利用ICL7135的UBSY信號(hào)線(xiàn)來(lái)獲取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即將BUSY信號(hào)接到AT89C52的INT1端，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，對(duì)ICL7135輸入時(shí)鐘計(jì)數(shù)；T1的啟停由INT1和RT1共同控制，這樣便能夠測(cè)試INT1引腳的正脈沖寬度，即BUSY信號(hào)的高電平寬度。另外用P1.7控制轉(zhuǎn)換的啟停。4軟件設(shè)計(jì)軟件包括液晶顯示模塊的初始化、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序及數(shù)據(jù)處理與顯示等部分，采用C語(yǔ)言編程，靈活方便。軟件流程圖如圖8所示。考慮到實(shí)際工作環(huán)境中干擾因素很多，數(shù)據(jù)采集處理部分采用了適當(dāng)?shù)能浖V波。具體方法是：連續(xù)采集10次，分析其中數(shù)據(jù)，舍去偏離較大的數(shù)據(jù)，留下比較集中的幾個(gè)數(shù)據(jù)，再取平均，這樣調(diào)試效果較好。5互容性問(wèn)題在線(xiàn)測(cè)試必須解決的一個(gè)問(wèn)題是：測(cè)試系統(tǒng)和主體設(shè)備的相互影響。即測(cè)試系統(tǒng)不能影響主體設(shè)備的正常工作，主體設(shè)備的工作不應(yīng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)兩支表筆和鐵軌連接，即測(cè)試信號(hào)加在電容兩端，其峰峰值不到2V.經(jīng)過(guò)