25 Hz 相敏轨道电路测试用信号发生器的研究

王　邠，王泉啸，许　翱（.南京铁道职业技术学院，高级工程师；.国网电力科学研究院，工程师；.上海铁路局南京电务段，工程师，江苏　南京　005）



25 Hz 相敏轨道电路测试用信号发生器的研究

王邠1，王泉啸2，许翱3
（1.南京铁道职业技术学院，高级工程师；2.国网电力科学研究院，工程师；3.上海铁路局南京电务段，工程师，江苏南京210035）

摘要：要提高信号设备维修质量就必须建立统一计量标准既标准信号源，本文介绍了25 Hz相敏轨道电路测试用信号发生器的硬件构成、整机组成及工作过程，并详细介绍了主要单元电路结构及原理，为信号维修工作提供标一个准信号源。

关键词：25 Hz；轨道电路；信号发生器；研究

目前，铁路站内信号轨道电路由交流50 Hz在全路范围内更新为技术先进的25 Hz相敏轨道电路。铁路电务系统在更新改造过程中，使用了来自各厂家配套的专用“相位差测试仪”和通用仪表。25 Hz相敏轨道电路测试过程中急需解决25 HZ相位差信号源。因为这一信号源比较特殊，它是由2个相位差90°的正弦波25 Hz交流电源组成，并且要求频率稳定，电压波形是正弦波，相位角可以加减调整，而相位角超前的那一组输出电压固定为110 V，而另外一组输出电压可以从0～20 V调整。目前，市场上所能见到的信号发生器多是RC移项单频振荡器，只有一个输出频率，频受环境温度的影响变化很大，同时用两台仪表相位差也无法控制。目前，铁路现场都采用站内信号设备的相位差电源作为信号源，虽然可行，但设备体积太大、成本太高，造成资源的浪费，同时相位差和输出电压无法调节使用不方便。总之没有现成的相位差信号源可供使用。要提高信号设备维修质量就必须建立统一计量标准既标准信号源，而我们在维修中也需要这一标准信号源。

1　解决的思路

针对以上问题，对25 Hz相敏轨道电路测试用信号发生器进行了研究，即运用单片机技术和模拟电子技术相结合，通过单片机程序控制就可以产生2个信号频率完全相同，频率漂移很小，相位差可变的方波信号。再通过2个电路参数完全相同的带通滤波器，对方波中的高次谐波进行滤波，从而获得所需正弦波，然后再通过功率放大级，放大到我们所需要的电压功率。因输出的频率是通过单片机而产生的，为提高频率的稳定度，单片机的时钟源采用了有源恒温石晶体振荡器，使频率稳定度达到10-7，相位差的分辨率可达0.09°，可以满足我们的测试要求。另外单片机自带的A/D转换器还可以测量输出电压的幅度，通过LED数据显示屏显示输出信号相位差和可调电压输出数值。仪面板上的功能控制键可以很方便的更改相位差的角度数。

2　信号发生器的主要硬件构成

2.1单片机控制电路25 Hz相位差信号发生器的技术核心就是单片微型计算机，仪器中我们选用了最新型8051兼容单片机STC 12 C 5410 AD，它的运行速度是8051的12倍，内部程序存贮器为10 KB，并且自带A/D，串口方式程序下载，不仅成本降低，而且功能提升很高，更重要的是STC 89 C 5412 AD支持在线编程，这给现场调试，修改程序带来了方便。擦写次数多（＞10 000次）、写入速度快（＜5 s）等特点，使用非常方便。

2.2温度补偿石英晶体振荡器单片机内的定时器时钟源是供给单片机工作的信号源，决定着整个系统输出频率的精确度和稳定度，在系统中至关重要。所以采用有源24 MHz温度补偿石英晶体振荡器作为单片机时钟。温度补偿石英晶体振荡器输出频率随环境温度变化而改变很小，因此精度和稳定度非常高，抗干扰也比较好。

2.3其它硬件电路应用单片机输出的波形是方波，而我们仪表测量要求的是正弦波，因此必须进行波形转换。方波信号中除基波外含有丰富的高次谐波，只有滤除谐波才能获得基波正弦波。滤波电路有很多种，在此仪器中我们通过实验后，选用了增益可调的有源带通滤波器，它是由高增益高阻抗运算放大器和若干电阻及电容器组成，滤波效果很好，但输出电压还不能达到应用要求，还必须经过功率放大。为减少放大器输出相移误差，采用了2个型号相同的集成功率放大模块。数据显示采用MXA 7912加八位LED数码管构成，四位LED数码管用于相位差显示，另四位用于输出电压显示。

2.4单片机控制软件控制软件采用MCS-51汇编语言，主要有以下个模块组成，MXA 7219初始化、相位周期数据表、控制键分析、LED数据显示、A/D转换、相位加减控制等。经编译后的机器码下载固化到单片机中。我们所需的25 Hz频率和相位差就是通过单片机内部定时器计数时钟信号，再通过程序控制而产生的。单片机硬件定时器是每12个时钟周期加1（12个时钟周期是0.5 μS），因为25 Hz的周期是40 ms（T=1/F=1/25=40 ms），所以一个周期需计数8万次（N=40 000/0.5），实际程序设计只需要计数半周期即可4万次。相位差90°实际就是频率周期滞后1/4周期10 ms，这是通过单片机内第二个硬件定时器产生的，根据1/4周期计算出计数值即可。

2.5主要技术指标

目前比较实用的瞳孔定位算法主要有Hough变换法、梯度向量法、椭圆拟合法、对称变换法和微积分法。1）Hough变换是常用的瞳孔定位方法，该方法在时间和空间消耗都非常大，无法满足实时性[3]。2）梯度向量法速度较快，适合于分辨率较低，光照随机场景，容易受光斑、图像模糊等干扰，定位的鲁棒性不高。3）椭圆拟合法速度快，但抗干扰性差，定位精度一般；4）对称变换法能够适应头部姿势的变化，但计算复杂度高、计算量大，不适合实时视线追踪系统。5）微积分法定位结果精度较高，但速度较慢，图像质量要求较高[4]。

25Hz误差≤±0.1Hz

相位差90°≤±0.1°

相位差增减量控制键每按一次0.9°

110V输出25Hz正弦波（可微调）≤±1 V

输出电压25Hz正弦波连续可调0-25 V

使用电源AC-220 V±10%

2.6应用范围由于采用了单片机技术为核心，辅以模拟电子电路，使这种新型信号源更具生命力。输出高精度，高稳定度的相位差信号达到了设计要求，模块化的电路结构设计为信号源批量生产奠定了技术基础。这样就可解决信号设备维修、仪表计量工作没有中信号源的问题，也能够满足铁路信号系统日常维修使用，同时还可以用于各种电路的实验。

3　整机电路组成及原理

3.1电路组成信号发生器总体组成如图1所示。

图1　信号发生器总体组成方框图

图1中：

1是键盘，输入计算机程序。

2是MCS-51单片机，单片机端子A输出25 HZ方波相位为0°；单片机端子B输出25 HZ方波相位为70°至120°，且相位变化受单片机程序控制。

3是滤波及功率放大电路其电路如图2所示。

图2　滤波及功率放大电路

左边为输入端，右边是输出端。滤波及功率放大电路的作用将25 HZ方波滤波成25 HZ正弦波并进行功率放大，输出端子C的电压为0-25 V连续可调。其中U 1 A、CA 358；U 1 B、CA 358和电阻电容等是滤波电路。U 2、TDA 2030和电阻电容等是功率放大电路。

4也是滤波及功率放大电路，它的电路与上面电路3相同的。它的作用将25 HZ方波滤波成25 HZ正弦波并进行功率放大，但输出端子D的电压为固定110 V。

5是稳压电源电路，输出稳定的正5 V电压、正负12 V电压、正负24 V电压。正5 V向单片机供电，为防止外界因素影响保证单片机电压稳定，采用可调保证输出电压是5 V。由于滤波电路（U 1 A、CA 358；U 1 B、CA 358）需要正负12 V，所以用正负12V向滤波电路（U 1 A、CA 358；U 1 B、CA 358）供电。因为功率放大电路（U 2、TDA 2030 A）需要正负24 V电源，所以用正负24 V向功率放大电路（U 2、TDA 2030 A）供电。

6是真有效值电路，作用是把正弦交流信号整流获得的真有效值直流信号。

7是运放电路，作用是放大C输出端子正弦交流信号送到真有效值电路。

8是MAX 7219电路，作用是驱动LED数据显示。

9是八位LED数码管显示电路，四位LED数码管用于相位差显示，另四位用于输出电压显示。

图3　软件工作流程图

3.2软件工作流程采用MCS-51单片机利用2个定时器产生2个相位差为90°的25HZ方波信号，其中一个定时器的输出信号的相移受单片机程序控制可调节范围70°至120°。软件工作流程见图3所示。3.3电路工作过程它的工作过程是这样的：从C端子输出25 HZ正弦交流信号到电路7进行放大，到电路8真有效值电路送到单片机中的A/D转换电路变成直流信号，单片机根据程序分析输出信号到MAX 7219驱动电路，LED数码管显示电路分别输出电压和相位差。如果输出电压不符合要求可调功放电路中R 9。如果电位差不合要求可用控制键盘调整相位差增减量，控制键每按一次是0.9°，直到符合要求为止。

4　结束语

总体上说我们所需的25 Hz频率和相位差就是通过单片机内部定时器计数时钟信号，再通过程序控制而产生的。

控制软件采用MCS-51汇编语言，经编译后的机器码下载固化到单片机中，这样我们在单片机端子A输出25 HZ方波相位为0°，经过电路3滤波及功率放大电路，它将25 HZ方波滤波成25 HZ正弦波并进行功率放大，输出端子C的电压为0-25 V连续可调。在单片机端子B输出25 HZ方波相位为70° 至120°，且相位变化受单片机程序控制，经过电路4滤波及功率放大电路，它将25 HZ方波滤波成25 HZ正弦波并进行功率放大，输出端子D的电压为固定110 V。这样就获得了用于相敏轨道电路测试的2 个25 Hz且相位差为90度的信号源了。

中图分类号：U284.28

文献标识码：A

文章编号：1006-8686（2016）-02-0040-03