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未成熟，同發(fā)達的歐美國家相比，無論市場規(guī)模、產(chǎn)品檔次、品種規(guī)格、消費水平等方面都還有相當大的差距。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，無絕緣軌道電路技術水平、產(chǎn)品質(zhì)量的提高，應用領域的不斷擴展，我國的無絕緣軌道電路將會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成諧振回路和采用不同頻率對相鄰軌道電路進行電氣隔離，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)關系到列車運行的安全。為了保證該電路系統(tǒng)工作正常，列車電務段工作人員必須經(jīng)常沿鐵軌檢測軌道電路運行參數(shù)。其中非常重要的一項參數(shù)便是兩軌間的并接補償電容，而對該補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，費時費力，增加了工作人員的勞動復雜度。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。基于此，本文提出一種在線測試方法，十分方便快捷，對電務段工作人員也是一種解放。

　　1 UM71系統(tǒng)概述

　　1.1 UM71系統(tǒng)構成

　　UM71系統(tǒng)由設于室內(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、匹配變壓器和補償電容等組成。如圖1所示。

　　1.2 UM71系統(tǒng)的電路特點

　　列車行車過程中，為了傳送信號需要，UM71系統(tǒng)選用了四個較高的載頻信號：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16.9次。 1.3 UM71系統(tǒng)中補償電容的作用 由圖1可知，這種軌道電路每間隔100m在兩軌間并接一個電容器，一般為33μF，稱為補償電容。補償電容是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，會產(chǎn)生電容電特性參數(shù)漂移或接觸不良現(xiàn)象，導致補償電容的老化、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償電容進行正確的測試檢查便顯得非常重要。

　　2 補償電容在線測試系統(tǒng)設計

　　根據(jù)UM71系統(tǒng)的特點，可以采用如下方法，即施加一個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出來的變化了測試信號不同，從而確定補償電容的值。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　3 硬件設計

　　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.關于測試信號，可以利用集成運放構成正弦波振蕩電路來產(chǎn)生。不過，隨著大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一些集成器件，功能強且使用方便，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RA=RB=R，則f=（0.33/RC），于是，經(jīng)過計算和試驗，最后取R=3.3kΩ，C=0.01μF，可以得到較好的正弦波形。

　　3．2 功率放大電路的設計

　　本電路采用LM386對測試信號進行功率放大，以增強其驅(qū)動能力。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，可在其1、8腳間接一個2kΩ左右的可變電阻和一個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，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電容，能夠防止LM386自激；要求不高時可略去。具體電路如圖4所示。

　　3．3 濾波電路的設計

　　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，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復式濾波電路。濾波電路濾波是信號處理中的一個重要概念。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工程概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。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)典濾波器或濾波電路。

　　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，特征頻率均設為10khz。濾波器按巴特沃斯（Butterworth）濾波器設計，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的關系式Aup=1+（Rf/R1）和集成運放兩個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計，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 整流電路的設計

　　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。它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀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載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(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，習慣上稱單向脈動性直流電壓。

　　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，可利用集成運放的放大作用和深度負反饋克服二極管非線性造成的誤差。本電路采用了兩個運放構成一個全波精密整流電路，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。通常設計者都是用單片機并行采集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)換結果，即將BUSY信號接到AT89C52的INT1端，定時/計數(shù)器T1設置為計數(shù)器方式，對ICL7135輸入時鐘計數(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 軟件設計

　　軟件包括液晶顯示模塊的初始化、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務程序及數(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?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問題是：測試系統(tǒng)和主體設備的相互影響。即測試系統(tǒng)不能影響主體設備的正常工作，主體設備的工作不應對測試系統(tǒng)和測試結果產(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行。 主體設備對測試系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在兩個方面：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，通過試驗可知，其本身的信號基本被完全濾掉。對于后者，通過試驗中加入感抗和阻抗的模擬電路可知并無太大影響，在現(xiàn)場實測中也未見有太大變化。（作者： 韓佩富， 高振天）