高速鐵路電磁繼電器測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例高速鐵路電磁繼電器測試系統(tǒng)的硬件部分以樹莓派和高性能采集卡MCC-118為核心，外部電路主要有驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路等，應(yīng)用高速采集方法對電磁繼電器的線圈電壓信號、線圈電流信號以及觸點(diǎn)電壓信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并存儲測試數(shù)據(jù)，為時(shí)間參數(shù)的計(jì)算提供支持，硬件部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)框圖1.1線圈驅(qū)動電路本測試系統(tǒng)的線圈驅(qū)動電路如圖3-2所示，本文中設(shè)計(jì)的線圈驅(qū)動電路，是用樹莓派作為核心驅(qū)動單元，通過樹莓派GPIO引腳輸出高電平控制固態(tài)繼電器閉合，輸出低電平控制固態(tài)繼電器斷開，從而實(shí)現(xiàn)對電磁繼電器線圈通電和斷電的控制。驅(qū)動電路中反向并聯(lián)的二極管用于保護(hù)電路。GPIO（GeneralPurposel/OPorts）的中文常用解釋為輸入/輸出端口，作為輸入端口使用時(shí)可以通過端口讀取此時(shí)引腳是高電平狀態(tài)還是低電平狀態(tài)，作為輸出端口使用時(shí)可以通過端口向下級電路輸出高電平或者低電平。GPIO口的用途很廣泛，常被用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞（如和硬件設(shè)備之間進(jìn)行通訊傳輸）、通過輸出電平控制下級電路工作或停止工作（如點(diǎn)亮小燈）、讀取上級或下級工作電路的信號狀態(tài)（如開始信號、停止信號等）。樹莓派4B共有40個(gè)GPIO引腳，最大輸出電平為1.3V，最小輸出電平為0V。圖3-2線圈驅(qū)動電路固態(tài)繼電器（SolidStateRelay，縮寫SSR）屬于開關(guān)器件的一種，為無觸點(diǎn)開關(guān)。固態(tài)繼電器一般由微電子電路、電力電子功率器件、分立電子器件構(gòu)成。使用時(shí)在信號輸入測施加一個(gè)很小的控制信號，就可以在輸出端輸出一個(gè)大的電壓信號，用來驅(qū)動大電流負(fù)載設(shè)備工作。固態(tài)繼電器既有放大驅(qū)動作用，又有隔離作用，具有低功率、低噪聲、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)前文中的分析條件，本測試系統(tǒng)中選用DM0063型號的固態(tài)繼電器，如圖3-3所示。DM0063為直流型，最小輸入電壓為3V，最大的輸入電壓為10V。最大的輸出電流為3A，最大的輸出電壓為60V。其特性參數(shù)可以達(dá)到本測試系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)要求，并可將樹莓派與高壓電隔離開，保護(hù)樹莓派GPIO引腳不被高電壓燒損。圖3-3固態(tài)繼電器DM0063實(shí)物圖1.2負(fù)載電路負(fù)載電路的設(shè)計(jì)要求主要考慮以下幾方面：（1）負(fù)載電阻的選取要合適，可以保證在電磁繼電器在該負(fù)載條件下能保持正常工作狀態(tài)。（2）可以提供大功率的負(fù)載電源，保證負(fù)載電路所消耗的功率不會影響測試系統(tǒng)的正常工作。（3）負(fù)載周圍要有散熱裝置，防止測試系統(tǒng)工作時(shí)負(fù)載溫度過高而損壞。（4）當(dāng)測試電路發(fā)生故障時(shí)，如電路短路或系統(tǒng)過載時(shí)，測試系統(tǒng)具有自我保護(hù)的功能。高速鐵路電磁繼電器在實(shí)際工作時(shí)需要控制多種類的電氣設(shè)備，因此實(shí)際工作時(shí)負(fù)載條件多種多樣。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《鐵路信號繼電器實(shí)驗(yàn)方法》中的要求，本測試系統(tǒng)中選擇的負(fù)載種類為純阻性，負(fù)載電源為DC3-15V，負(fù)載電阻為60Ω，可調(diào)節(jié)電流為50-250mA。1.3信號調(diào)理電路信號調(diào)理一般來說就是把信號檢測器件檢測到的各種類型的信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號。信號調(diào)理的主要功能有信號濾波去除雜質(zhì)信號干擾、高電平和低電平的相互轉(zhuǎn)換、信號隔離等。信號調(diào)理電路是一個(gè)把傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂糜谶^程控制信號、數(shù)據(jù)采集信號、計(jì)算信號、顯示信號或者其他用途的數(shù)字信號的電路。模擬信號傳感器可以用來測量很多不同類型的物理量，但是并不可以直接將測得的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并且一般來說傳感器的輸出信號變化都很小，所以為了提高檢測的精準(zhǔn)度，我們在將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號之前需要進(jìn)行信號調(diào)理。調(diào)理技術(shù)主要有放大、隔離和過濾等。信號放大的主要目的為提高輸入信號電平，幫助輸入信號更好的滿足數(shù)字轉(zhuǎn)換器的要求范圍，從而使信號檢測的精度和靈敏度變高。使用時(shí)，在條件允許下可以把信號調(diào)理裝置盡可能的安裝在離信號源近一點(diǎn)的地方，這樣可以適當(dāng)減少環(huán)境噪聲對信號的影響。信號隔離器是一類用于隔離信號的裝置，它可以把單路輸入或者雙路輸入電壓信號或者電流信號轉(zhuǎn)變成隔離輸出的單路線性電壓、電流信號或雙路線性電壓、電流信號，并且使電源、輸入信號、輸入信號之間的電氣隔離性能變好。信號隔離器工作時(shí)首先將接收到的輸入信號通過半導(dǎo)體器件進(jìn)行調(diào)制變換處理，然后通過光敏感性器件或者磁感應(yīng)器件進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換處理，最后再把信號進(jìn)行解調(diào)制轉(zhuǎn)換使信號變回隔離前的原始信號或者不同類型的信號，與此同時(shí)對為隔離后的信號供電的電源也進(jìn)行隔離處理，確保轉(zhuǎn)換后的信號和地。電源之間保持絕對獨(dú)立。信號隔離器的設(shè)計(jì)使用了較為先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，在抑制干擾信號尤其是對高頻和低頻干擾信號的抑制作用十分顯著。濾波的作用一般是過濾掉指定信號中的特定頻率的波段信號，是一種抑制和抵抗信號干擾的常用方法。濾波器可以去除特定范圍的頻率噪聲信號，目前有百分之九十以上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會受到或多或少的來自電源、電線或者機(jī)械裝置的50Hz或者60Hz的噪聲信號的干擾。高速鐵路電磁繼電器的工作環(huán)境復(fù)雜，受到不同頻率的噪聲信號的干擾，如果直接將采集到的信號輸入到下級電路中，和采集信號混合在一起的干擾信號，會使采集系統(tǒng)的精準(zhǔn)度降低，所以測試系統(tǒng)的硬件部分組成中必須包含信號調(diào)理電路來保證系統(tǒng)可以精準(zhǔn)采集。1.1.1觸點(diǎn)電壓信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)1.1.1.1低通濾波電路低通濾波是指一種過濾波形的方法，過濾后只有低頻信號可以正常通過，超過設(shè)置頻率臨界值的高頻信號會被減弱或者被過濾掉。但是減弱和過濾的程度會根據(jù)頻率的不同和濾波程序的不同而變化。濾波電路主要用于過濾整流輸出電路中電壓信號里的紋波信號。濾波電路主要由電抗元件構(gòu)成，例如在負(fù)載回路中串聯(lián)電感器，在負(fù)載兩端并聯(lián)電容器，以及由電感和電容組合而成的各種混合式濾波電路。常見的濾波電路分為有源濾波電路和無源濾波電路兩類。無源濾波電路的組成元件簡單，設(shè)計(jì)方便，但是其通帶放大倍數(shù)和截止頻率并不是一個(gè)定值會隨著負(fù)載的變化而變化，所以它并不適合用在對信號處理精度要求較高的系統(tǒng)中。有源濾波電路的濾波特性不受負(fù)載的影響，所以大多數(shù)對信號處理精度要求較高的系統(tǒng)都使用有源濾波器，并且和無源濾波相比，有源濾波響應(yīng)速度更快和可控性更高。因此本文選用有源濾波的方式。低通濾波電路如圖3-4所示，將截止頻率設(shè)定為f=10HZ，同頻帶內(nèi)的增益系數(shù)設(shè)定為1。輸入電壓跟隨器具有輸出阻抗低的特點(diǎn)，可以增強(qiáng)電路對負(fù)載的帶動能力。次級電路中的C1、C2、R3、R4組成反饋回路，R2、R3和R的取值為5kΩ，品質(zhì)因數(shù)Q值設(shè)定為0.707，由式（1.1）和（1.2）計(jì)算得出C3=9uF和C4=4.5uF。 （1.1） （1.2）圖3-4濾波電路設(shè)計(jì)圖1.1.1.2隔離電路高速鐵路電磁繼電器在實(shí)際工作時(shí)，會受到多種信號的干擾。為了避免干擾信號和待測信號被一同采集導(dǎo)致采樣精度的降低，需要在信號采集之前對采樣信號進(jìn)行電氣隔離。電氣隔離簡單來說就是把電源和電氣主回路之間進(jìn)行電氣上的隔離，即把使用電的支路電路和整個(gè)電氣系統(tǒng)分離開來，使整個(gè)系統(tǒng)變成一個(gè)在電氣意義上被分離開來的、互相之間獨(dú)立的并且不接地的安全系統(tǒng)。進(jìn)行電氣隔離的主要目的是降低兩個(gè)不同回路之間的相互干擾。常用的電氣隔離方法有：（1）變壓器隔離：變壓器的工作原理是依靠兩邊線圈磁通量的相互耦合，線圈一次側(cè)和二次側(cè)之間沒有導(dǎo)電介質(zhì)使電流可以直接在兩側(cè)之間形成閉合流動環(huán)。按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，兩個(gè)線圈之間的電壓差可以高達(dá)數(shù)千伏特，而不會有絕緣破壞的情形。（2）光電耦合隔離：光電耦合隔離的隔離方法是使用光電耦合隔離器進(jìn)行隔離。光耦隔離器通常是將光敏三極管和發(fā)光二極管構(gòu)成一個(gè)整體元件封裝在一起。光耦隔離電路把兩部分電路隔離開，使之互相間沒有電的直接連接。主要目的是預(yù)防有因?yàn)殡姷倪B接而產(chǎn)生的干擾，尤其是當(dāng)控制電路為低壓電路而外部電路是高壓電路時(shí)（3）機(jī)械式隔離：機(jī)械式隔離主要是指使用繼電器元件進(jìn)行隔離。繼電器是一種用較小的電壓電流來控制較大的電壓電流的開關(guān)器件，較小電壓電流的控制電路部分導(dǎo)通時(shí)會使電磁鐵上電或者掉電，來達(dá)到控制較大電壓電流的下級電路導(dǎo)通或者斷開的目的。較小電壓電流部分和較大電壓電流部分之間是沒有相互連接的，通常來說繼電器的輸出側(cè)通過的電流可以比光電耦合元件的輸出側(cè)電流大，但是此時(shí)繼電器的動作時(shí)間會比光電耦合元件的動作時(shí)間長。（4）電容器隔離：電容器是一種可以使交流電流順利通過，而直流電流會被阻斷的電器元件。所以使用電容器可以達(dá)到在直流電壓不同的電路中傳遞交流信號的目的。但是當(dāng)兩個(gè)電路電壓差特別大的時(shí)候，電容器可能會被擊穿失效，從而導(dǎo)致兩端直接短路。比較常用的電氣隔離方法后，本測試系統(tǒng)選用的隔離方法為光電耦合隔離。光電耦合器主要由發(fā)光元件和感光元件組成。常用的發(fā)光器件為IRLED，常用的感光元件有光敏二極管、光敏三極管、達(dá)林頓管和光集成電路等。當(dāng)在光電耦合隔離元件的輸入側(cè)施加電信號后，發(fā)光元件就會產(chǎn)生光線，然后感光元件在感應(yīng)到光線信號后就會產(chǎn)生電流信號，從隔離元件的輸出側(cè)流出。光電耦合元件的體積很小，由于沒有觸點(diǎn)所以使用壽命相對較長，輸入側(cè)和輸出側(cè)之間相互斷開所以抗干擾能力更強(qiáng)，并且可以單相傳遞信號，應(yīng)用范圍較廣。光電耦合器根據(jù)輸入輸出關(guān)系的不同分為線性光耦元件和非線性光耦元件。非線性光耦元件主要是指電流的傳輸特性曲線是非線性變化的，這類光耦元件一般被用來傳遞開關(guān)信號不用來傳遞模擬信號。線性光耦元件主要是指電流的傳輸特性是近似直線變化的，并且當(dāng)傳遞較小信號時(shí)傳輸特性也很好，可以按照線性變化的規(guī)律對隔離電路進(jìn)行控制。線性光耦元件一般被應(yīng)用于開關(guān)電源中，開關(guān)電源如果使用非線性光耦元件，振蕩波形可能會受到影響，影響嚴(yán)重時(shí)可能會出現(xiàn)寄生振蕩。對于使用頻率較高的開關(guān)電源來說，要求光耦元件具有較高的相應(yīng)速度，所以此時(shí)會選擇使用高速型（延遲時(shí)間小于500nS）的光耦元件。當(dāng)傳遞的信號類型為模擬信號或者直流信號時(shí)，為了降低信號的失真率一般選擇線性光耦元件，因此本文中選用型號為HCNR200的線性光電耦合器件。該芯片具有以下特點(diǎn)：（1）隔離信號類型較多，不僅可以隔離數(shù)字信號也可以隔離模擬信號，穩(wěn)定性較高，可以線性控制電路，控制頻率跨度較大，并且價(jià)格相對便宜。（2）控制模式非常靈活，可以在單級控制、雙極控制、直流控制、交流控制、正向控制或者反向控制等多種控制模式下工作。（3）非線性度高，數(shù)值為0.01%。（4）傳遞增益為±15%，增益溫度系數(shù)為-65ppm/℃，帶寬大于1MHz。（5）輸入輸出電壓的范圍為0-15V。（6）絕緣工作電壓最大值為1414V。HCNR200一般被用于成本較低的模擬信號隔離電路、工業(yè)控制電路、電子電路的反饋電路部分、電機(jī)電源電壓的檢測電路等多種控制電路中。HCNR200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，它是一種電流特性曲線線性程度較高的光耦元件。HCNR200的封裝內(nèi)主要有一個(gè)LED發(fā)光二極管和兩個(gè)型號相同的光電二極管，其中兩個(gè)二極管PD1和PD2分別在隔離電路的輸入側(cè)和隔離電路的輸出側(cè)。由于光耦元件是密閉的封裝元件，所以PD1和PD2所感應(yīng)到的LED得發(fā)出光線數(shù)量幾乎是一樣的。外部反饋電路由放大器和PD1組成主要用來感應(yīng)發(fā)光二極管發(fā)出的光的變化，當(dāng)發(fā)光量減少時(shí)可以通過加大流過LED的電流來補(bǔ)充光亮，當(dāng)發(fā)光量增加時(shí)可以通過減小流過LED的電流來減小光亮，從而起到對LED的調(diào)節(jié)作用，使LED可以一直輸出較為穩(wěn)定的光信號。當(dāng)PD2感應(yīng)到光信號時(shí)，會通過另一個(gè)運(yùn)算放大器把產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的電壓信號施加到下一級電路上。圖3-5HCNR200內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)發(fā)光二極管中流過電流為IF時(shí)，在光電二極管中會產(chǎn)生和光照強(qiáng)度線性相關(guān)的電流IPD1和IPD2，關(guān)系如公式（1.3）、（1.4）、（1.5）所示： （1.3） （1.4）（1.5）其中，K1和K2代表線性系數(shù)，K3代表傳輸增益。線性系數(shù)在芯片設(shè)計(jì)時(shí)，一般為同一數(shù)值且受溫度的影響較小，數(shù)值范圍在0.36-0.72之間，常用值為0.48。傳輸增益是表示光耦線性程度的重要參數(shù)，理想數(shù)值為1，HCNR200的傳輸增益在0.95-1.05之間，接近理想數(shù)值。由光電耦合器的工作原理可知，單獨(dú)的光電耦合器只能隔離電流信號，只有在兩端外加運(yùn)算放大器時(shí)才可以起到隔離電壓信號的作用。光耦隔離電路設(shè)計(jì)圖如圖3-6所示，其中U1代表輸入電壓，U2代表輸出電壓。電阻R1的作用為限流，串聯(lián)在電路中，用來限制所在支路的電流大小，防止電流過大燒壞串聯(lián)的元器件。電阻R2用于控制光耦芯片中發(fā)光二極管的光照等級。運(yùn)算放大器上并聯(lián)的電容C1和C2用于防止運(yùn)算放大器產(chǎn)生自激振蕩影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。圖3-6光耦隔離電路設(shè)計(jì)圖當(dāng)在電路輸入測施加電壓U1時(shí)，運(yùn)算放大器U8的6引腳輸出的電壓小于光耦芯片1引腳的電位，發(fā)光二極管中流過電流IF，發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度受電流IF的大小的影響。光耦芯片輸出測的光電二極管PD1、PD2受到光照后，產(chǎn)生感應(yīng)電流IPD1和IPD2。輸出測電路主要由運(yùn)算放大器U9和PD2組成，將感應(yīng)電流IPD2轉(zhuǎn)換為電壓信號后輸出，并增強(qiáng)了驅(qū)動負(fù)載了能力。根據(jù)“虛短虛斷”原理，光耦隔離電路中的物理量關(guān)系如下： （1.6） （1.7）根據(jù)公式（1.3）和（1.4）可知： （1.8）將公式（1.6）中得出的關(guān)系代入公式（1.8）中得： （1.9）結(jié)合公式（1.7）和（1.9）得到輸出電壓U2和輸入電壓U1的關(guān)系為： （1.10）1.1.1.3放大電路高速鐵路電磁繼電器工作時(shí)，線圈電流和觸點(diǎn)壓降都只有幾十毫伏，電壓、電流信號微弱，此時(shí)如果直接采集信號將會影響采樣信號的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)選用常見的差分放大電路對電信號進(jìn)行放大處理。差分放大電流又稱為差動放大電路，當(dāng)該電路的兩個(gè)輸入端的電壓有差別時(shí)，輸出電壓才有變動。差分放大電路是有靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路演變而來的[37]。差分放大電路的電路具有對稱性，電路的對稱性可以幫助電路穩(wěn)定工作點(diǎn)，因此差分放大電路大多數(shù)被用在檢測電路的輸出部分。本文所設(shè)計(jì)的放大電路圖如圖3-7所示。圖3-7放大電路設(shè)計(jì)圖放大電路的第一級放大電路部分由一個(gè)AD620芯片和由電容、電阻和二極管元件組成的外圍電路構(gòu)成。AD620芯片的成本較低但是芯片精度很高，高精度的放大電路中常常使用AD620芯片，并且其噪聲低，輸入側(cè)的偏置電流小、功耗也較小。AD620是在傳統(tǒng)的三級運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，所以它的一些主要性能比傳統(tǒng)的三級運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路的性能要好，比如其電源控制范圍跨度更大（±2.3~±18V），電路所占體積更小，功耗也相對較低（當(dāng)使用最大電流供電時(shí)，功耗也僅有1.3mA），所以AD620在控制低電壓和功率損耗較低的電路中應(yīng)用更多。為了確保電路具有更高的性能，AD620的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整可以讓電路中的其他元件跟蹤更緊密和適配程度更高。AD620由三個(gè)運(yùn)算放大器集成封裝而成，為了提高增益控制的精準(zhǔn)度，輸入側(cè)的三極管輸入方式為差分雙極輸入方法，為了使輸入側(cè)的偏置電流更小輸入側(cè)采用β工藝，使用第一級輸出內(nèi)部的運(yùn)算放大器進(jìn)行反饋來確保輸入級的三極管的集電極電流保持不變，還可以讓輸入電壓施加到外部控制增益的電阻之上。AD620的增益方程如（1.11）所示，其內(nèi)部的兩個(gè)增益電阻阻值均為24.7K，本文中放大電路的RG值為1MΩ，代入式（1.11）得，初級放大倍數(shù)為1。 （1.11）當(dāng)大電路的第二級電路由OP07和由電容、電阻和二極管元件組成的外圍電路構(gòu)成。OP07芯片噪聲低，是一種具有雙極性且非斬波穩(wěn)零的運(yùn)算放大器的集成電路。OP07在大多數(shù)的應(yīng)用條件下是不需要額外外加調(diào)零元件或電路的，因?yàn)樗氖д{(diào)電壓（最大為25μV）特別小。OP07的輸入側(cè)偏置電流也是很小的（±2nA）但是它的開環(huán)增益系數(shù)很高。失調(diào)電壓低、開環(huán)增益高等優(yōu)點(diǎn)使OP07被大量應(yīng)用于要求高倍放大的測量裝置和需要對微弱信號進(jìn)行放大的電路中。本測試系統(tǒng)中，為了測量不同的輸入電壓等級下，電壓參數(shù)的變化規(guī)律，所以設(shè)置了1倍放大、2倍放大以及10倍放大三個(gè)放大選項(xiàng)。壓降放大倍數(shù)的切換選用芯片ADG1404來實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)切換電路圖如圖3-8所示。圖3-8放大倍數(shù)切換電路設(shè)計(jì)圖ADG1404是一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）模擬多路復(fù)用器，其內(nèi)部有四個(gè)應(yīng)用工藝CMOS（iCMOS）工藝所設(shè)計(jì)的單路通道。iCMOS是一種模塊化的制造手段，具有高電壓CMOS工藝和雙極性工藝的所有優(yōu)點(diǎn)。利用這種制造手段，可以讓開發(fā)出來的各種高性能模擬IC的工作電壓高達(dá)33V，并且這種模擬IC器件的體積比傳統(tǒng)的高壓器件更小。和采用傳統(tǒng)CMOS工藝所開發(fā)出的模擬IC相比，iCMOS工藝的元器件可以承受更高的電源電壓，與此同時(shí)還可以提升部分性能，所消耗的功率被大幅降低并且元器件的封裝尺寸更小。ADG1404由三位二進(jìn)制的地址線A0、A1和EN所共同確定的一個(gè)地址，把四個(gè)輸入路線的其中之一和公共輸出端D連接在一起。EN引腳為使能端，當(dāng)EN引腳的輸入為邏輯0的時(shí)候，ADG1404將處于被禁用的狀態(tài)而無法工作，當(dāng)EN引腳的輸入為邏輯1的時(shí)候，該元件處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)器件的輸出側(cè)和輸出側(cè)的導(dǎo)電性能是一樣的，輸入側(cè)的信號范圍可以和電壓電壓的范圍一樣，當(dāng)切換數(shù)字輸入信號的時(shí)候，可以完成最快速度的瞬間變化。ADG1404控制邏輯如表1所示。表1ADG1404控制邏輯ENA1A0S1S2S3S40XXOffOffOffOff100OnOffOffOff101OffOnOffOff110OffOffOnOff111OffOffOffOn假設(shè)OP07的輸入電壓為Ui，輸出電壓為Uo，根據(jù)“虛短虛斷”原理，得到輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為： （1.12）電阻R13為定值1kΩ，電阻R分別為1Ω、1kΩ、10kΩ?？刂艫DG1404的導(dǎo)通即可實(shí)現(xiàn)放大1倍、2倍和10倍的目的。此外由于采集卡的采樣量程為±10V，因此為了保護(hù)采集卡不被擊穿，輸出位置并聯(lián)二極管，控制輸出電壓。1.4信號采集電路本測試裝置需要采集高速鐵路電磁繼電器的線圈電壓、線圈電流、觸點(diǎn)壓降三種輸出信號，并根據(jù)采樣信號進(jìn)行相關(guān)時(shí)間參數(shù)的計(jì)算。信號采集電路的原理圖如圖3-9所示。圖3-9信號采集原理框圖1.1.1數(shù)據(jù)采集卡的選擇數(shù)據(jù)采集卡是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡[38],是信號采集電路的核心器件。數(shù)據(jù)采集卡所需要具有的基本功能有模擬輸入功能、模擬輸出功能、數(shù)字I/O輸入輸出端口、計(jì)數(shù)功能以及計(jì)時(shí)功能，分別由不同的電路來實(shí)現(xiàn)這些基礎(chǔ)功能。模擬輸入功能是采集卡必須具有的基本功能之一，通過多路開關(guān)（MUX）、信號放大元件、采樣信號保持電路等來實(shí)現(xiàn)模擬輸入的功能。通過這些器件后，就可以把一個(gè)模擬輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)字信號。模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換性能和轉(zhuǎn)換參數(shù)對模擬信號的輸入精度有很大的影響，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際電路所要求的精度來選擇適合的模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器。一般數(shù)據(jù)采集卡的選型，按如下步驟進(jìn)行：（1）明確應(yīng)用需求在確定數(shù)據(jù)采集卡型號之前，需要對應(yīng)用需求進(jìn)行全方面的分析，在完全的了解所選數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)、采集卡支持的開發(fā)平臺的類型、采集卡可以運(yùn)行的操作系統(tǒng)種類以及采集卡的使用難度后，再根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理的選擇。（2）選擇總線常見的總線結(jié)構(gòu)主要有PCI總線、PXI總線、USB總線、ISA總線等，不同類型的總線結(jié)構(gòu)其傳輸速度、電氣特性、尺寸大小、結(jié)構(gòu)組成、參數(shù)配置等都是不一樣的，所以根據(jù)實(shí)際需要的要求來選擇最符合測試系統(tǒng)的總線。（3）選擇采樣率采集系統(tǒng)的采樣速度主要受到ADC芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號的速度的影響，采樣率的常用單位是SPS（采樣點(diǎn)/s）。從奈奎斯特采樣理論中可以知道，采樣的頻率必須要大于所要采集的信號中的最高的有效的采樣頻率的兩倍，否則采樣信號會由于發(fā)生信號混疊而失真，也就是常見的“假頻”現(xiàn)象。所以在選擇采集卡時(shí)一般建議選擇采集卡的最大采樣速度在采樣信號的最高頻率分量的5~10倍之間。（4）選擇分辨率和量程范圍輸入信號的細(xì)分程度越高，所需要的分辨率就越高，這樣所能識別的輸入信號的變化變就越小。當(dāng)一個(gè)正弦波信號的分辨率為8bit時(shí)，模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號就等同于把輸入的模擬信號細(xì)細(xì)劃分為了256份。有時(shí)候一些很小的信號變化量在模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中會消失，主要就是由于所選擇的分辨率不夠高導(dǎo)致在將數(shù)字信號還原成模擬信號的過程中出現(xiàn)量化噪聲所引起的。當(dāng)選用16bit的分辨率時(shí)，模擬信號和數(shù)字信號的裝換就可以從細(xì)分256份增加到細(xì)分65536份。由式（1.13）可知，量化位數(shù)越多信噪比SNR就越高。 （1.13）在確定了模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的分辨率后，應(yīng)該在確保信號和噪聲的比值較高且量化噪聲較少的條件下，選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)牧砍蹋偻ㄟ^信號處理電路把采集到的信號轉(zhuǎn)化到滿足要求的量程中。（5）選擇合適的產(chǎn)品型號輸入阻抗、輸出電阻、通道數(shù)、信號線數(shù)、隔離等問題都需要綜合考慮，這些參數(shù)都和傳感器和信號處理電路關(guān)系密切。選擇的采集卡在滿足所有所需指標(biāo)以后，還需要滿足“功能夠用”的原則。通常情況下當(dāng)系統(tǒng)對精準(zhǔn)度的要求不是很高且信號采集頻率相對較低的時(shí)候，PCI總線和USB總線的數(shù)據(jù)采集卡都可以滿足對應(yīng)的系統(tǒng)要求。但是當(dāng)采集系統(tǒng)對采集卡采集精確度要求很高且對信號采集頻率要求也很高的時(shí)候，建議優(yōu)先選擇PXI總線類型的數(shù)據(jù)采集卡。根據(jù)上述采集卡選取的流程，綜合考慮測試系統(tǒng)的所有要求和采集卡的功能，本系統(tǒng)選用了美國國家儀器（NI）公司生產(chǎn)的MCC-118型號的采集卡。1.1.2數(shù)據(jù)采集卡MCC-118的介紹MCC-118是一款測量電壓的高速電壓采集數(shù)據(jù)采集模塊。MCC-118接頭可直接安裝與樹莓派內(nèi)置40針通用輸入輸出（GPIO）連接器。MCC-118單板數(shù)據(jù)采樣率最大為100KS/s，工作時(shí)同時(shí)采集8路信號，每一個(gè)采集通路的采樣頻率為12.5kHz，即一次采樣所需要的時(shí)間為0.08ms。大多數(shù)型號的高速鐵路電磁繼電器動作一次的時(shí)間約為100ms~300ms，在銜鐵動作一次的時(shí)間內(nèi)，MCC-118的采樣點(diǎn)至少為1250個(gè)，可以保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。MCC-118提供8個(gè)12位單端模擬輸入。模擬信號電壓范圍為±10V，滿量程的絕對精度為20.8mV，滿足采集精度要求。MCC-118的觸發(fā)方式有：（1）外部掃描時(shí)鐘：通過軟件選擇對應(yīng)的時(shí)鐘模式，雙向輸入輸出的時(shí)鐘引腳，可以讓用戶選擇使用外部時(shí)鐘信號操作或者選擇內(nèi)部掃描時(shí)鐘信號進(jìn)行操作。（2）數(shù)字觸發(fā)：使用軟件來設(shè)置外部數(shù)字觸發(fā)的輸入條件，可選擇的觸發(fā)條件包括上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)或者低電平觸發(fā)等方式。MCC-118電源由樹莓派通過GPIO輸入端口連接器提供1.3V電源。操作系統(tǒng)為Linux或Raspberry，支持的開發(fā)方式包括C、C++、Python。內(nèi)置緩存器支持高速采集。MCC-118工作原理框圖如圖3-10所示。MCC-118采用SPI（SerialPeripheralInterface）通訊協(xié)議，是Motorola公司推出的一種同步串行接口通訊技術(shù)，是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，支持全雙工通信，通信簡單且傳輸速率快。圖3-10MCC-118工作原理框圖1.1.3電流傳感器的選擇前文中通過分析對比電流采樣的方法，最終確定通過霍爾電流傳感器對線圈電流信號進(jìn)行采集。霍爾電流傳感器的制作理論依據(jù)為霍爾效應(yīng)原理?；魻栃?yīng)是一種電磁效應(yīng)，是美國的物理學(xué)家霍爾在1879年研究金屬的導(dǎo)電原理時(shí)所發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體上被施加和電流運(yùn)行方向垂直的磁場后，導(dǎo)致這個(gè)半導(dǎo)體內(nèi)的電子和空穴由于受到的洛倫茲力的方向不同而產(chǎn)生在不同方向上聚集的現(xiàn)象，聚集起來的電子和聚集起來的空穴之間會產(chǎn)生一個(gè)新的電場，當(dāng)新的電場產(chǎn)生的電場力和洛倫茲力相互抵消后，電子和空穴將停止聚集，這時(shí)電場會把后來的電子和后來的空穴所受到的電場力的作用用來抵消磁場對電子和空穴產(chǎn)生的洛倫茲力，這樣后來的電子和后來的空穴就不會產(chǎn)生聚集而順利通過，這個(gè)現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)，聚集的電子和聚集的空穴所產(chǎn)生的新的電場內(nèi)的電壓被稱為霍爾電壓。圖3-11為霍爾效應(yīng)原理示意圖，假設(shè)長方體導(dǎo)體的長度、寬度和高度分別為a、b、d，磁場垂直于ab平面，設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。當(dāng)電流留過導(dǎo)體的ad平面時(shí)產(chǎn)生電流I： （1.14）其中，n：單位體積內(nèi)的帶電粒子的數(shù)量；q：單個(gè)帶電粒子的電荷數(shù)量；v：帶電粒子的移動速度；S：導(dǎo)體的橫截面積。 圖3-11霍爾效應(yīng)原理示意圖假設(shè)UH為霍爾電壓，導(dǎo)體內(nèi)沿UH方向產(chǎn)生的電場E=U/b，又因?yàn)槁鍌惼澚m和電場力Fe相等，因此： （1.15）將式（1.15）代入（1.14）得： （1.16）則霍爾電壓表達(dá)式為： （1.17）霍爾電流傳感器按照工作方式可以分為開環(huán)式霍爾電流傳感器和閉環(huán)式霍爾電流傳感器。開環(huán)型式的電流傳感器原理簡單，可靠性高，具有很強(qiáng)的過載能力并體積也較小，但是缺點(diǎn)也很明顯比如：溫度的變化對其結(jié)果的影響較大，測量結(jié)果的精準(zhǔn)度較低，同時(shí)動作時(shí)間較長，控制頻率跨度較小等。閉環(huán)型式的霍爾電流傳感器的測試精準(zhǔn)度較高，動作速度較快，控制頻率的跨度加大，但是其過載能力較差并且體積也較大，同時(shí)由于制作過程比較復(fù)雜導(dǎo)致其價(jià)格也普遍偏高。開環(huán)型式的霍爾電流傳感器也被稱為直放式霍爾電流傳感器或者直檢式霍爾電流傳感器。開環(huán)型式的霍爾電流傳感器主要構(gòu)成元件有鐵芯、放大電路以及霍爾元件等，在環(huán)形鐵芯上有一個(gè)開口氣隙，霍爾元件被放在氣隙處，傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-12所示。當(dāng)原邊導(dǎo)體上流過電流的時(shí)候，原邊導(dǎo)體的四周會產(chǎn)生一個(gè)磁場，磁場的磁場強(qiáng)度和流過電流的大小成正比，鐵芯把磁力線聚集在氣隙的位置，霍爾元件的輸出電壓信號和氣隙位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正比：UH=KBI，K為靈敏度系數(shù)。放大電路將該電壓信號放大后輸出，該類傳感器通常輸出±10V左右的電壓信號，也有部分傳感器為了使電