25Hz相敏轨道电路测试用信号发生器的研究

第２２卷第２期　２０１６年４月　

铁道运营技术　

Ｒａｉｌｗａｙ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．２２　ＮＯ．２　

Ａｐｒｉｌ　２０１６　

２５　Ｈ　ｚ相敏轨道电路测试用信号发生器的研究　王　郡　，王泉啸。，许　翱　（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　中图分类号：Ｕ２８４．２８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—８６８６（２０１６）一０２—００４０—０３　

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　４０　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－　，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ｌ２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　８）　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　２５　Ｈｚ相敏轨道电路测试用信号发生器的研究　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一５１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　Ｓ），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９Ｏ。实际就是频率周　期滞后Ｉ／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　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一２２０　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。　

Ｃ　Ｄ　

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一５１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７Ｏ。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　

４】　第２２卷第２期　２０１６年４月　

铁道运营技术　

１Ｋａｉｌｗａｙ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．２２　ＮＯ．２　

Ａｐｒｉｌ　２０１６　

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。　３．２软件工作流程采用ＭＣＳ一５１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。　图３软件工作流程图　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ＡＩＤ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Ｉ　。　

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一５１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。　

（上接第８９页）　４　结束语　新形势下，随着各运输方式间市场竞争的日趋　激烈化以及社会大众对服务诉求的不断提升，铁路　

４２　

要赢得更多的旅客，分得更大的“蛋糕”，关键是要　“以旅客满意为标尺”，转换思维，眼睛向内，从素质　提升、需求满足、适当授权等方面进行思考，采取多　种行之有效的措施，切实提升内部职工的满意度，进　而提升服务旅客质量，挣得更大的市场份额。