一種基于LM833選頻電路的設計

葉 斌，成 遠

（上海鐵大電信科技股份有限公司，上海 200070)

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

1 設計原理

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

發(fā)送器通過無縫鋼軌傳輸到收發(fā)器，10 kHz 頻率信號為“0”，17 kHz 頻率信號為“1”，收發(fā)器通過變壓器進行1 級放大，濾除直流信號，選頻電路濾除除10 kHz 和17 kHz 的其他干擾頻率信號，對過濾后的信號進行放大。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 設計方案

LM833 是一款低成本雙通道運放芯片，在低頻放大電路中廣泛應用。傳輸頻率為中心頻點13.5 kHz，上邊頻17 kHz，下邊頻10 kHz。如圖2所示，R5和C8構成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，對載波信號進行初級放大；C4過濾直流信號。

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構成低通濾波器，R1和C3構成高通濾波器，R1和R2決定選頻電路10 kHz 信號的放大倍數；R10和C6構成低通濾波器，R9和C7構成高通濾波器，R9和R10決定選頻電路17 kHz 信號的放大倍數。

選頻電路的中心頻點（以10 kHz 為例）計算如公式（1），（2）所示。

選頻電路中心頻率確認的基礎上，品質因數決定選頻電路的帶寬，但是從電路設計考慮，品質因數不能過高，但帶寬又決定選頻電路的可靠性，因此品質因數Q 設計為10，如公式（3）所示。

選頻電路放大倍數計算公式如（4）所示。根據公式V=f×λ，頻率越高，波長越短，在鋼軌傳輸的衰耗越大，因此，在設計10 kHz 和17 kHz 放大倍數時，需要考慮經過鋼軌傳輸后，在接收端10 kHz和17 kHz 的載波信號強度應在一定范圍內，根據現場實際測試，17 kHz 載波信號應為10 kHz 載波信號的10 倍；第一級選頻電路實現了17 kHz 和10 kHz 載波信號的放大配比關系；由于后級采用高性能的窄帶解調電路，靈敏度較高，為保證解調電路在非飽和狀態(tài)下可靠工作，需要對選頻后的信號進行縮放。

3 測試結果

以10 kHz 載波為例，R1和R2決定選頻電路的放大倍數，R1為150 k，R2為100 k，由上述公式可知，R4、R6和R7對選頻電路的中心頻率及品質因數影響較大，由于考慮電阻的溫度變化系數，R4選擇NTC 電阻，在溫度變化時對電路整體參數進行補償；采用SP30120 型數字合成掃頻儀，輸出中心頻率13.5 kHz，起始頻率5 kHz，終止頻率22 kHz，信號強度-40 dB，通過選頻電路后，測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

實驗結果表明，本文設計的選頻電路對除10 kHz 和17 kHz 以外的頻率信號有很大的抑制作用，選頻后的信號降低了后級載波處理電路的設計難度，保證基于鋼軌的載波信號可靠有效傳輸。本文設計的選頻電路已應用于南寧局湘桂鐵路無軌道電路區(qū)段的鋼軌監(jiān)測報警系統(tǒng)，可實現數據的穩(wěn)定、可靠傳輸，達到預期效果。