25 Hz 相敏軌道電路測試用信號發生器的研究

王　邠，王泉嘯，許　翱（.南京鐵道職業技術學院，高級工程師；.國網電力科學研究院，工程師；.上海鐵路局南京電務段，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生器的研究

王邠1，王泉嘯2，許翱3
（1.南京鐵道職業技術學院，高級工程師；2.國網電力科學研究院，工程師；3.上海鐵路局南京電務段，工程師，江蘇南京210035）

摘要：要提高信號設備維修質量就必須建立統一計量標準既標準信號源，本文介紹了25 Hz相敏軌道電路測試用信號發生器的硬件構成、整機組成及工作過程，并詳細介紹了主要單元電路結構及原理，為信號維修工作提供標一個準信號源。

關鍵詞：25 Hz；軌道電路；信號發生器；研究

目前，鐵路站內信號軌道電路由交流50 Hz在全路范圍內更新為技術先進的25 Hz相敏軌道電路。鐵路電務系統在更新改造過程中，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，并且要求頻率穩定，電壓波形是正弦波，相位角可以加減調整，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調整。目前，市場上所能見到的信號發生器多是RC移項單頻振蕩器，只有一個輸出頻率，頻受環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，鐵路現場都采用站內信號設備的相位差電源作為信號源，雖然可行，但設備體積太大、成本太高，造成資源的浪費，同時相位差和輸出電壓無法調節使用不方便。總之沒有現成的相位差信號源可供使用。要提高信號設備維修質量就必須建立統一計量標準既標準信號源，而我們在維修中也需要這一標準信號源。

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生器進行了研究，即運用單片機技術和模擬電子技術相結合，通過單片機程序控制就可以產生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生的，為提高頻率的穩定度，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轉換器還可以測量輸出電壓的幅度，通過LED數據顯示屏顯示輸出信號相位差和可調電壓輸出數值。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。

2　信號發生器的主要硬件構成

2.1單片機控制電路25 Hz相位差信號發生器的技術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，這給現場調試，修改程序帶來了方便。擦寫次數多（＞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，決定著整個系統輸出頻率的精確度和穩定度，在系統中至關重要。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境溫度變化而改變很小，因此精度和穩定度非常高，抗干擾也比較好。

2.3其它硬件電路應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用要求，還必須經過功率放大。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。數據顯示采用MXA 7912加八位LED數碼管構成，四位LED數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、相位周期數據表、控制鍵分析、LED數據顯示、A/D轉換、相位加減控制等。經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部定時器計數時鐘信號，再通過程序控制而產生的。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8萬次（N=40 000/0.5），實際程序設計只需要計數半周期即可4萬次。相位差90°實際就是頻率周期滯后1/4周期10 ms，這是通過單片機內第二個硬件定時器產生的，根據1/4周期計算出計數值即可。

2.5主要技術指標

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頭部姿勢的變化，但計算復雜度高、計算量大，不適合實時視線追蹤系統。5）微積分法定位結果精度較高，但速度較慢，圖像質量要求較高[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）≤±1 V

輸出電壓25Hz正弦波連續可調0-25 V

使用電源AC-220 V±10%

2.6應用范圍由于采用了單片機技術為核心，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，高穩定度的相位差信號達到了設計要求，模塊化的電路結構設計為信號源批量生產奠定了技術基礎。這樣就可解決信號設備維修、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電路組成信號發生器總體組成如圖1所示。

圖1　信號發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連續可調。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是穩壓電源電路，輸出穩定的正5 V電壓、正負12 V電壓、正負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定，采用可調保證輸出電壓是5 V。由于濾波電路（U 1 A、CA 358；U 1 B、CA 358）需要正負12 V，所以用正負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24 V電源，所以用正負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，作用是驅動LED數據顯示。

9是八位LED數碼管顯示電路，四位LED數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節范圍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轉換電路變成直流信號，單片機根據程序分析輸出信號到MAX 7219驅動電路，LED數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功放電路中R 9。如果電位差不合要求可用控制鍵盤調整相位差增減量，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部定時器計數時鐘信號，再通過程序控制而產生的。

控制軟件采用MCS-51匯編語言，經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連續可調。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

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）-02-0040-03