25 Hz 相敏軌道電路測試用信號發(fā)生器的研究

王　邠，王泉嘯，許　翱（.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級工程師；.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，工程師；.上海鐵路局南京電務(wù)段，工程師，江蘇　南京　005）

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25 Hz 相敏軌道電路測試用信號發(fā)生器的研究

王邠1，王泉嘯2，許翱3
（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級工程師；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，工程師；3.上海鐵路局南京電務(wù)段，工程師，江蘇南京210035）

摘要：要提高信號設(shè)備維修質(zhì)量就必須建立統(tǒng)一計量標(biāo)準(zhǔn)既標(biāo)準(zhǔn)信號源，本文介紹了25 Hz相敏軌道電路測試用信號發(fā)生器的硬件構(gòu)成、整機組成及工作過程，并詳細介紹了主要單元電路結(jié)構(gòu)及原理，為信號維修工作提供標(biāo)一個準(zhǔn)信號源。

關(guān)鍵詞：25 Hz；軌道電路；信號發(fā)生器；研究

目前，鐵路站內(nèi)信號軌道電路由交流50 Hz在全路范圍內(nèi)更新為技術(shù)先進的25 Hz相敏軌道電路。鐵路電務(wù)系統(tǒng)在更新改造過程中，使用了來自各廠家配套的專用“相位差測試儀”和通用儀表。25 Hz相敏軌道電路測試過程中急需解決25 HZ相位差信號源。因為這一信號源比較特殊，它是由2個相位差90°的正弦波25 Hz交流電源組成，并且要求頻率穩(wěn)定，電壓波形是正弦波，相位角可以加減調(diào)整，而相位角超前的那一組輸出電壓固定為110 V，而另外一組輸出電壓可以從0～20 V調(diào)整。目前，市場上所能見到的信號發(fā)生器多是RC移項單頻振蕩器，只有一個輸出頻率，頻受環(huán)境溫度的影響變化很大，同時用兩臺儀表相位差也無法控制。目前，鐵路現(xiàn)場都采用站內(nèi)信號設(shè)備的相位差電源作為信號源，雖然可行，但設(shè)備體積太大、成本太高，造成資源的浪費，同時相位差和輸出電壓無法調(diào)節(jié)使用不方便?？傊疀]有現(xiàn)成的相位差信號源可供使用。要提高信號設(shè)備維修質(zhì)量就必須建立統(tǒng)一計量標(biāo)準(zhǔn)既標(biāo)準(zhǔn)信號源，而我們在維修中也需要這一標(biāo)準(zhǔn)信號源。

1　解決的思路

針對以上問題，對25 Hz相敏軌道電路測試用信號發(fā)生器進行了研究，即運用單片機技術(shù)和模擬電子技術(shù)相結(jié)合，通過單片機程序控制就可以產(chǎn)生2個信號頻率完全相同，頻率漂移很小，相位差可變的方波信號。再通過2個電路參數(shù)完全相同的帶通濾波器，對方波中的高次諧波進行濾波，從而獲得所需正弦波，然后再通過功率放大級，放大到我們所需要的電壓功率。因輸出的頻率是通過單片機而產(chǎn)生的，為提高頻率的穩(wěn)定度，單片機的時鐘源采用了有源恒溫石晶體振蕩器，使頻率穩(wěn)定度達到10-7，相位差的分辨率可達0.09°，可以滿足我們的測試要求。另外單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器還可以測量輸出電壓的幅度，通過LED數(shù)據(jù)顯示屏顯示輸出信號相位差和可調(diào)電壓輸出數(shù)值。儀面板上的功能控制鍵可以很方便的更改相位差的角度數(shù)。

2　信號發(fā)生器的主要硬件構(gòu)成

2.1單片機控制電路25 Hz相位差信號發(fā)生器的技術(shù)核心就是單片微型計算機，儀器中我們選用了最新型8051兼容單片機STC 12 C 5410 AD，它的運行速度是8051的12倍，內(nèi)部程序存貯器為10 KB，并且自帶A/D，串口方式程序下載，不僅成本降低，而且功能提升很高，更重要的是STC 89 C 5412 AD支持在線編程，這給現(xiàn)場調(diào)試，修改程序帶來了方便。擦寫次數(shù)多（＞10 000次）、寫入速度快（＜5 s）等特點，使用非常方便。

2.2溫度補償石英晶體振蕩器單片機內(nèi)的定時器時鐘源是供給單片機工作的信號源，決定著整個系統(tǒng)輸出頻率的精確度和穩(wěn)定度，在系統(tǒng)中至關(guān)重要。所以采用有源24 MHz溫度補償石英晶體振蕩器作為單片機時鐘。溫度補償石英晶體振蕩器輸出頻率隨環(huán)境溫度變化而改變很小，因此精度和穩(wěn)定度非常高，抗干擾也比較好。

2.3其它硬件電路應(yīng)用單片機輸出的波形是方波，而我們儀表測量要求的是正弦波，因此必須進行波形轉(zhuǎn)換。方波信號中除基波外含有豐富的高次諧波，只有濾除諧波才能獲得基波正弦波。濾波電路有很多種，在此儀器中我們通過實驗后，選用了增益可調(diào)的有源帶通濾波器，它是由高增益高阻抗運算放大器和若干電阻及電容器組成，濾波效果很好，但輸出電壓還不能達到應(yīng)用要求，還必須經(jīng)過功率放大。為減少放大器輸出相移誤差，采用了2個型號相同的集成功率放大模塊。數(shù)據(jù)顯示采用MXA 7912加八位LED數(shù)碼管構(gòu)成，四位LED數(shù)碼管用于相位差顯示，另四位用于輸出電壓顯示。

2.4單片機控制軟件控制軟件采用MCS-51匯編語言，主要有以下個模塊組成，MXA 7219初始化、相位周期數(shù)據(jù)表、控制鍵分析、LED數(shù)據(jù)顯示、A/D轉(zhuǎn)換、相位加減控制等。經(jīng)編譯后的機器碼下載固化到單片機中。我們所需的25 Hz頻率和相位差就是通過單片機內(nèi)部定時器計數(shù)時鐘信號，再通過程序控制而產(chǎn)生的。單片機硬件定時器是每12個時鐘周期加1（12個時鐘周期是0.5 μS），因為25 Hz的周期是40 ms（T=1/F=1/25=40 ms），所以一個周期需計數(shù)8萬次（N=40 000/0.5），實際程序設(shè)計只需要計數(shù)半周期即可4萬次。相位差90°實際就是頻率周期滯后1/4周期10 ms，這是通過單片機內(nèi)第二個硬件定時器產(chǎn)生的，根據(jù)1/4周期計算出計數(shù)值即可。

2.5主要技術(shù)指標(biāo)

目前比較實用的瞳孔定位算法主要有Hough變換法、梯度向量法、橢圓擬合法、對稱變換法和微積分法。1）Hough變換是常用的瞳孔定位方法，該方法在時間和空間消耗都非常大，無法滿足實時性[3]。2）梯度向量法速度較快，適合于分辨率較低，光照隨機場景，容易受光斑、圖像模糊等干擾，定位的魯棒性不高。3）橢圓擬合法速度快，但抗干擾性差，定位精度一般；4）對稱變換法能夠適應(yīng)頭部姿勢的變化，但計算復(fù)雜度高、計算量大，不適合實時視線追蹤系統(tǒng)。5）微積分法定位結(jié)果精度較高，但速度較慢，圖像質(zhì)量要求較高[4]。

25Hz誤差≤±0.1Hz

相位差90°≤±0.1°

相位差增減量控制鍵每按一次0.9°

110V輸出25Hz正弦波（可微調(diào)）≤±1 V

輸出電壓25Hz正弦波連續(xù)可調(diào)0-25 V

使用電源AC-220 V±10%

2.6應(yīng)用范圍由于采用了單片機技術(shù)為核心，輔以模擬電子電路，使這種新型信號源更具生命力。輸出高精度，高穩(wěn)定度的相位差信號達到了設(shè)計要求，模塊化的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計為信號源批量生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。這樣就可解決信號設(shè)備維修、儀表計量工作沒有中信號源的問題，也能夠滿足鐵路信號系統(tǒng)日常維修使用，同時還可以用于各種電路的實驗。

3　整機電路組成及原理

3.1電路組成信號發(fā)生器總體組成如圖1所示。

圖1　信號發(fā)生器總體組成方框圖

圖1中：

1是鍵盤，輸入計算機程序。

2是MCS-51單片機，單片機端子A輸出25 HZ方波相位為0°；單片機端子B輸出25 HZ方波相位為70°至120°，且相位變化受單片機程序控制。

3是濾波及功率放大電路其電路如圖2所示。

圖2　濾波及功率放大電路

左邊為輸入端，右邊是輸出端。濾波及功率放大電路的作用將25 HZ方波濾波成25 HZ正弦波并進行功率放大，輸出端子C的電壓為0-25 V連續(xù)可調(diào)。其中U 1 A、CA 358；U 1 B、CA 358和電阻電容等是濾波電路。U 2、TDA 2030和電阻電容等是功率放大電路。

4也是濾波及功率放大電路，它的電路與上面電路3相同的。它的作用將25 HZ方波濾波成25 HZ正弦波并進行功率放大，但輸出端子D的電壓為固定110 V。

5是穩(wěn)壓電源電路，輸出穩(wěn)定的正5 V電壓、正負(fù)12 V電壓、正負(fù)24 V電壓。正5 V向單片機供電，為防止外界因素影響保證單片機電壓穩(wěn)定，采用可調(diào)保證輸出電壓是5 V。由于濾波電路（U 1 A、CA 358；U 1 B、CA 358）需要正負(fù)12 V，所以用正負(fù)12V向濾波電路（U 1 A、CA 358；U 1 B、CA 358）供電。因為功率放大電路（U 2、TDA 2030 A）需要正負(fù)24 V電源，所以用正負(fù)24 V向功率放大電路（U 2、TDA 2030 A）供電。

6是真有效值電路，作用是把正弦交流信號整流獲得的真有效值直流信號。

7是運放電路，作用是放大C輸出端子正弦交流信號送到真有效值電路。

8是MAX 7219電路，作用是驅(qū)動LED數(shù)據(jù)顯示。

9是八位LED數(shù)碼管顯示電路，四位LED數(shù)碼管用于相位差顯示，另四位用于輸出電壓顯示。

圖3　軟件工作流程圖

3.2軟件工作流程采用MCS-51單片機利用2個定時器產(chǎn)生2個相位差為90°的25HZ方波信號，其中一個定時器的輸出信號的相移受單片機程序控制可調(diào)節(jié)范圍70°至120°。軟件工作流程見圖3所示。3.3電路工作過程它的工作過程是這樣的：從C端子輸出25 HZ正弦交流信號到電路7進行放大，到電路8真有效值電路送到單片機中的A/D轉(zhuǎn)換電路變成直流信號，單片機根據(jù)程序分析輸出信號到MAX 7219驅(qū)動電路，LED數(shù)碼管顯示電路分別輸出電壓和相位差。如果輸出電壓不符合要求可調(diào)功放電路中R 9。如果電位差不合要求可用控制鍵盤調(diào)整相位差增減量，控制鍵每按一次是0.9°，直到符合要求為止。

4　結(jié)束語

總體上說我們所需的25 Hz頻率和相位差就是通過單片機內(nèi)部定時器計數(shù)時鐘信號，再通過程序控制而產(chǎn)生的。

控制軟件采用MCS-51匯編語言，經(jīng)編譯后的機器碼下載固化到單片機中，這樣我們在單片機端子A輸出25 HZ方波相位為0°，經(jīng)過電路3濾波及功率放大電路，它將25 HZ方波濾波成25 HZ正弦波并進行功率放大，輸出端子C的電壓為0-25 V連續(xù)可調(diào)。在單片機端子B輸出25 HZ方波相位為70° 至120°，且相位變化受單片機程序控制，經(jīng)過電路4濾波及功率放大電路，它將25 HZ方波濾波成25 HZ正弦波并進行功率放大，輸出端子D的電壓為固定110 V。這樣就獲得了用于相敏軌道電路測試的2 個25 Hz且相位差為90度的信號源了。

中圖分類號：U284.28

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）-02-0040-03