一種基于LM833選頻電路的設(shè)計(jì)

葉 斌，成 遠(yuǎn)

（上海鐵大電信科技股份有限公司，上海 200070)

目前，對(duì)于無軌道電路區(qū)段，無縫鋼軌主要采用探傷和巡道工巡視相結(jié)合的辦法，探傷周期較長，很難及時(shí)檢查出鋼軌的狀態(tài)。在線式無縫鋼軌監(jiān)測(cè)主要依賴基于鋼軌的載波信號(hào)傳輸，但鋼軌上除50 Hz 的工頻干擾外，還有其他疊加信號(hào)，為保證可靠提取發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)頻率信號(hào)，本文提出的選頻電路能有效的濾除干擾信號(hào)，并對(duì)載波頻率信號(hào)進(jìn)行放大。

1 設(shè)計(jì)原理

無軌道電路斷軌監(jiān)測(cè)主要是基于鋼軌的載波信號(hào)傳輸，傳輸信號(hào)的頻率決定傳輸距離和監(jiān)測(cè)斷軌區(qū)段定位精度。根據(jù)公式V=f×λ，其中V 是波速，f 是頻率，λ 是波長，在同一介質(zhì)內(nèi)，不同頻率的傳播速度相同，頻率越高，相應(yīng)的波長越短，穿透力越弱，信號(hào)衰減越大，傳輸距離相應(yīng)越短。從傳輸距離和監(jiān)測(cè)斷軌區(qū)段定位精度綜合評(píng)估，監(jiān)測(cè)定位精度1 km，傳輸距離不小于2 km。60 kg 鋼軌的電阻為29.11 mΩ/km，對(duì)載波信號(hào)的影響很小，但是考慮道床的影響較大，道床參數(shù)包含阻抗、容抗、感抗等因素。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同頻率在鋼軌上的傳輸距離測(cè)試，選擇中心頻率13.5 kHz 作為載波信號(hào)。

發(fā)送器通過無縫鋼軌傳輸?shù)绞瞻l(fā)器，10 kHz 頻率信號(hào)為“0”，17 kHz 頻率信號(hào)為“1”，收發(fā)器通過變壓器進(jìn)行1 級(jí)放大，濾除直流信號(hào)，選頻電路濾除除10 kHz 和17 kHz 的其他干擾頻率信號(hào)，對(duì)過濾后的信號(hào)進(jìn)行放大。原理如圖1 所示。

圖1 收發(fā)器原理框架圖Fig.1 Frame diagram for the principle of transceiver

2 設(shè)計(jì)方案

LM833 是一款低成本雙通道運(yùn)放芯片，在低頻放大電路中廣泛應(yīng)用。傳輸頻率為中心頻點(diǎn)13.5 kHz，上邊頻17 kHz，下邊頻10 kHz。如圖2所示，R5和C8構(gòu)成RC 濾波電路，過濾50 Hz 工頻干擾；T1 為耦合變壓器，匝比為50：85，對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大；C4過濾直流信號(hào)。

選頻電路主要分兩部分，U1A 為10 kHz 選頻電路，U1B 為17 kHz 選頻電路；R2和C1構(gòu)成低通濾波器，R1和C3構(gòu)成高通濾波器，R1和R2決定選頻電路10 kHz 信號(hào)的放大倍數(shù)；R10和C6構(gòu)成低通濾波器，R9和C7構(gòu)成高通濾波器，R9和R10決定選頻電路17 kHz 信號(hào)的放大倍數(shù)。

選頻電路的中心頻點(diǎn)（以10 kHz 為例）計(jì)算如公式（1），（2）所示。

選頻電路中心頻率確認(rèn)的基礎(chǔ)上，品質(zhì)因數(shù)決定選頻電路的帶寬，但是從電路設(shè)計(jì)考慮，品質(zhì)因數(shù)不能過高，但帶寬又決定選頻電路的可靠性，因此品質(zhì)因數(shù)Q 設(shè)計(jì)為10，如公式（3）所示。

選頻電路放大倍數(shù)計(jì)算公式如（4）所示。根據(jù)公式V=f×λ，頻率越高，波長越短，在鋼軌傳輸?shù)乃ズ脑酱螅虼?，在設(shè)計(jì)10 kHz 和17 kHz 放大倍數(shù)時(shí)，需要考慮經(jīng)過鋼軌傳輸后，在接收端10 kHz和17 kHz 的載波信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)在一定范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，17 kHz 載波信號(hào)應(yīng)為10 kHz 載波信號(hào)的10 倍；第一級(jí)選頻電路實(shí)現(xiàn)了17 kHz 和10 kHz 載波信號(hào)的放大配比關(guān)系；由于后級(jí)采用高性能的窄帶解調(diào)電路，靈敏度較高，為保證解調(diào)電路在非飽和狀態(tài)下可靠工作，需要對(duì)選頻后的信號(hào)進(jìn)行縮放。

3 測(cè)試結(jié)果

以10 kHz 載波為例，R1和R2決定選頻電路的放大倍數(shù)，R1為150 k，R2為100 k，由上述公式可知，R4、R6和R7對(duì)選頻電路的中心頻率及品質(zhì)因數(shù)影響較大，由于考慮電阻的溫度變化系數(shù)，R4選擇NTC 電阻，在溫度變化時(shí)對(duì)電路整體參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；采用SP30120 型數(shù)字合成掃頻儀，輸出中心頻率13.5 kHz，起始頻率5 kHz，終止頻率22 kHz，信號(hào)強(qiáng)度-40 dB，通過選頻電路后，測(cè)試輸出頻譜特性如圖3 所示。

圖2 選頻電路原理圖Fig.2 Principle diagram of frequency-selective circuit

圖3 選頻后輸出波形Fig.3 Output waveform after frequency-selective

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的選頻電路對(duì)除10 kHz 和17 kHz 以外的頻率信號(hào)有很大的抑制作用，選頻后的信號(hào)降低了后級(jí)載波處理電路的設(shè)計(jì)難度，保證基于鋼軌的載波信號(hào)可靠有效傳輸。本文設(shè)計(jì)的選頻電路已應(yīng)用于南寧局湘桂鐵路無軌道電路區(qū)段的鋼軌監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠傳輸，達(dá)到預(yù)期效果。