近年來，無絕緣軌道電路市場發(fā)展迅速。經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，世界無絕緣軌道電路行業(yè)已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，相關(guān)無絕緣軌道電路產(chǎn)業(yè)也日漸完善，但是國內(nèi)無絕緣軌道電路市場還遠(yuǎn)未成熟，同發(fā)達(dá)的歐美國家相比，無論市場規(guī)模、產(chǎn)品檔次、品種規(guī)格、消費(fèi)水平等方面都還有相當(dāng)大的差距。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無絕緣軌道電路技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量的提高，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，我國的無絕緣軌道電路將會(huì)有巨大的市場需求和發(fā)展空間。

　　無絕緣軌道電路（jointless track circuit）兩相鄰軌道電路間不用機(jī)械鋼軌絕緣的軌道電路。該軌道電路如何區(qū)分相鄰軌道電路區(qū)段，一般有2種方法：利用軌道電路的阻抗和道床漏泄電阻的自然衰耗，以不同的頻率對相鄰軌道電路進(jìn)行隔離，稱為自然衰耗隔離式無絕緣軌道電路；在相鄰軌道電路之間采用電容和一部分鋼軌的電感構(gòu)成諧振回路和采用不同頻率對相鄰軌道電路進(jìn)行電氣隔離，稱為電氣隔離式，或稱諧振式無絕緣軌道電路。

　　UM71軌道電路是一種移頻軌道電路，它的正常工作狀態(tài)關(guān)系到列車運(yùn)行的安全。為了保證該電路系統(tǒng)工作正常，列車電務(wù)段工作人員必須經(jīng)常沿鐵軌檢測軌道電路運(yùn)行參數(shù)。其中非常重要的一項(xiàng)參數(shù)便是兩軌間的并接補(bǔ)償電容，而對該補(bǔ)償電容的測量到目前為止還沒有一種有效的手段。原始的測量方法是靜態(tài)測試，即必須從鐵軌中打下電容，使之脫離該軌道電路，再用普遍電容表來測試。該方法笨拙，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加了工作人員的勞動(dòng)復(fù)雜度。而且由于打下電容，減少了軌道電路信號的傳輸距離，對列車行車安全造成威脅?；诖?，本文提出一種在線測試方法，十分方便快捷，對電務(wù)段工作人員也是一種解放。

　　1 UM71系統(tǒng)概述

　　1.1 UM71系統(tǒng)構(gòu)成

　　UM71系統(tǒng)由設(shè)于室內(nèi)的發(fā)送器、接收器和軌道繼電器以及通過ZCO3電纜連接的置于鋼軌旁的空心線圈、調(diào)諧單元、匹配變壓器和補(bǔ)償電容等組成。如圖1所示。

　　1.2 UM71系統(tǒng)的電路特點(diǎn)

　　列車行車過程中，為了傳送信號需要，UM71系統(tǒng)選用了四個(gè)較高的載頻信號：1700Hz、2000Hz、2300Hz和2600Hz信號。其中，下行線采用1700Hz、2300Hz信號交替配置；上行線采用2000Hz、2600Hz信號交替配置。為滿足列車速度控制等多信息需要，UM71軌道電路共有從10.3Hz開始按1.1Hz等差遞增至29Hz的18種低頻信息。其頻偏Af為11Hz，故UM71軌道電路軌面上傳送的移頻信號由載頻fo、頻偏Af和低頻調(diào)制信號Fc三者構(gòu)成。如某區(qū)段載頻fo為2000Hz、低頻調(diào)制信號Fc為16.9Hz，則軌面移頻信號在（fo-Af）即1989Hz和（fo+Af）即2011Hz之間，每秒周期移動(dòng)16.9次。 1.3 UM71系統(tǒng)中補(bǔ)償電容的作用 由圖1可知，這種軌道電路每間隔100m在兩軌間并接一個(gè)電容器，一般為33μF，稱為補(bǔ)償電容。補(bǔ)償電容是UM71軌道電路的重要組成部分，它的作用是改善軌道電路在調(diào)整狀態(tài)和分流狀態(tài)的傳輸特性，延長軌道電路的傳輸距離，確保鋼軌中有足夠穩(wěn)定的信號電流經(jīng)鋼軌向機(jī)車發(fā)送信息。然而由于易受溫度、濕度以及人為因素的影響，會(huì)產(chǎn)生電容電特性參數(shù)漂移或接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致補(bǔ)償電容的老化、失效或丟失，最終影響鐵路信號的正確傳輸。

　　因此，如何方便有效地對補(bǔ)償電容進(jìn)行正確的測試檢查便顯得非常重要。

　　2 補(bǔ)償電容在線測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)UM71系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以采用如下方法，即施加一個(gè)頻率高于其本身所傳言信號頻率的下弦測試信號（以下簡稱測試信號）于補(bǔ)償電容兩端，然后使電容兩端頻率信號經(jīng)過濾波電路，濾除其本身的低頻信號，這樣濾波電路出來的就是人為施加的測試信號；再經(jīng)過整流電路，得到該測試信號的直流量；最后用A/D轉(zhuǎn)換器采樣，不同的電容值所反應(yīng)出來的變化了測試信號不同，從而確定補(bǔ)償電容的值。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 測試信號的產(chǎn)生

　　UM71系統(tǒng)本身傳送的信號有載頻信號（1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz）和低頻調(diào)制信號（從10.3Hz到29Hz）。本方案中測試信號頻率采用10khz.關(guān)于測試信號，可以利用集成運(yùn)放構(gòu)成正弦波振蕩電路來產(chǎn)生。不過，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一些集成器件，功能強(qiáng)且使用方便，函數(shù)發(fā)生器ICL8038就是其中之一。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生0.001~300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電容或電阻控制。另外，由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端，可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL8038測試電路如圖3所示。 輸出頻率由下式確定：

　　如設(shè)RA=RB=R，則f=（0.33/RC），于是，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，最后取R=3.3kΩ，C=0.01μF，可以得到較好的正弦波形。

　　3．2 功率放大電路的設(shè)計(jì)

　　本電路采用LM386對測試信號進(jìn)行功率放大，以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。LM386是一種低電壓小功率音頻功放集成電路，使用外圍元件少，調(diào)整方便。需要調(diào)整放大倍數(shù)時(shí)，可在其1、8腳間接一個(gè)2kΩ左右的可變電阻和一個(gè)10μF電容，則改變可變電阻，可使放大倍數(shù)在20～200間可調(diào)，懸空時(shí)，放大倍數(shù)為20；在6腳和地之間以及7腳和地之間分別接一個(gè)電容，能夠防止LM386自激；要求不高時(shí)可略去。具體電路如圖4所示。

　　3．3 濾波電路的設(shè)計(jì)

　　濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。濾波電路濾波是信號處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。

　　UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號信號和調(diào)制信號頻率低于測試信號頻率，要想將其濾掉，可以采用高通濾波器（HPF）。為了濾除高頻信號的干擾，高通之后，再經(jīng)過低通濾波器（LPF），便可以得到較好的測試信號波形。本電路中采用三級二階HPF、兩級二階LPF串連的五級濾波電路，特征頻率均設(shè)為10khz。濾波器按巴特沃斯（Butterworth）濾波器設(shè)計(jì)，它的幅頻特性是單調(diào)的，且在通 帶內(nèi)比較平坦。 巴特沃斯二階HPF的形式如圖5所示。 由于特性頻率fo=10kHz，Q值取0.7，若取C=0.01μF， 則由fo=1/（2πRC）

　　即R=1592Ω，可取R=1.6kΩ。 又由于濾波器的通帶放大倍數(shù)Aup和Q有關(guān)系式Q=1/（3-Aup）成立，將Q=0.7代入可得Aup=1.57，根據(jù)Aup與R1、Rf的關(guān)系式Aup=1+（Rf/R1）和集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端外接電阻的對稱條件，可得下面的方程組：

　　解之可得R1=5.51R，Rf=3.14R.代入R=1.6kΩ可得，R1取9.1kΩ，Rf取5.1kΩ。 對于低通濾波器的設(shè)計(jì)，只是在電路形式上將R和C互換位置，別的都一樣，不再多述。

　　3.4 整流電路的設(shè)計(jì)

　　整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱單向脈動(dòng)性直流電壓。

　　為了把從濾波電路出來的交流測試信號較為為直流信號，以便A/D轉(zhuǎn)換器采集，需要整流。整流可以用二極管來完成，但由于其非線性將產(chǎn)生較大誤差。為了提高精度，可利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋克服二極管非線性造成的誤差。本電路采用了兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)全波精密整流電路，如圖6所示，其性能良好。 A/D轉(zhuǎn)換芯片采用常見的四位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7136。通常設(shè)計(jì)者都是用單片機(jī)并行采集ICL7135的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，占用了較多的I/O口資源。本文利用ICL7135的UBSY信號線來獲取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即將BUSY信號接到AT89C52的INT1端，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，對ICL7135輸入時(shí)鐘計(jì)數(shù)；T1的啟停由INT1和RT1共同控制，這樣便能夠測試INT1引腳的正脈沖寬度，即BUSY信號的高電平寬度。另外用P1.7控制轉(zhuǎn)換的啟停。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件包括液晶顯示模塊的初始化、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序及數(shù)據(jù)處理與顯示等部分，采用C語言編程，靈活方便。軟件流程圖如圖8所示。 考慮到實(shí)際工作環(huán)境中干擾因素很多，數(shù)據(jù)采集處理部分采用了適當(dāng)?shù)能浖V波。具體方法是：連續(xù)采集10次，分析其中數(shù)據(jù)，舍去偏離較大的數(shù)據(jù)，留下比較集中的幾個(gè)數(shù)據(jù)，再取平均，這樣調(diào)試效果較好。

　　5 互容性問題

　　在線測試必須解決的一個(gè)問題是：測試系統(tǒng)和主體設(shè)備的相互影響。即測試系統(tǒng)不能影響主體設(shè)備的正常工作，主體設(shè)備的工作不應(yīng)對測試系統(tǒng)和測試結(jié)果產(chǎn)生影響。 測試系統(tǒng)通過兩支表筆和鐵軌連接，即測試信號加在電容兩端，其峰峰值不到2V.經(jīng)過實(shí)際現(xiàn)場測試，鐵軌本身傳送的信號只有微弱的變化，并不影響列車正常運(yùn)行。 主體設(shè)備對測試系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號和調(diào)制信號對采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；軌道每米長度的等效感抗和阻抗對采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；軌道每米長度的等效感抗和阻抗對采樣電路的影響。對于前者，采用了五級濾波器，通過試驗(yàn)可知，其本身的信號基本被完全濾掉。對于后者，通過試驗(yàn)中加入感抗和阻抗的模擬電路可知并無太大影響，在現(xiàn)場實(shí)測中也未見有太大變化。（作者： 韓佩富， 高振天）