一種微電子相敏接收器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種微電子相敏接收器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，能夠準(zhǔn)確、可靠地觸發(fā)繼電器工作，并實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警等功能。該微電子相敏接收器，以MCU1、MCU2為核心的兩套測(cè)量電路結(jié)構(gòu)相同，局部電壓和軌道電壓通過(guò)微型互感器接入MCU的A/D輸入腳，MCU采集一個(gè)周期的兩路電壓波形，通過(guò)傅里葉變換算法計(jì)算兩路信號(hào)的初相角和有效值，求出相位差，進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)符合條件時(shí)，輸出方波信號(hào)，經(jīng)放大、隔離傳輸、整流濾波，待選擇輸出。MCU3采集計(jì)算所有四路電壓，將結(jié)果與MCU1、MCU2的處理結(jié)果分別進(jìn)行比較，判斷是否正常，依據(jù)設(shè)定的策略，選擇其中一路，經(jīng)輸出電壓接線(xiàn)端子輸出直流電壓使1700繼電器工作，必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種微電子相敏接收器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可適用于鐵路系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)及邏輯處理電路（裝置），輸出直 流電壓使繼電器工作，并實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警等功能。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電氣化鐵路的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電氣化鐵路25HZ相敏軌道電路的接 收設(shè)備經(jīng)歷了從機(jī)械二元器材向電子二元器材發(fā)展的過(guò)程。
[0003] 一、機(jī)械二兀器材
[0004] 例如，JRJC170/240型二元二位軌道繼電器，專(zhuān)用于電氣化鐵路站內(nèi)，25HZ相敏軌 道電路，由鐵道部沈陽(yáng)信號(hào)工廠(chǎng)和西安信號(hào)工廠(chǎng)制造。這種器材體積大而且重，曾經(jīng)造成過(guò) 器材的卡阻現(xiàn)象，鐵道部提出了改革此種器材的要求。
[0005] 二、微電子相敏接收器
[0006] 例如，JXW-25型微電子相敏接收器以微處理為基礎(chǔ)，采用數(shù)字處理技術(shù)對(duì)軌道電 路信號(hào)進(jìn)行分析，檢出有用信息，除去干擾，完成相敏軌道電路的接收功能。在設(shè)計(jì)使用方 案上，制定了兩種方案：
[0007] 1. JXW-25A為單套使用型，即一條軌道電路裝一臺(tái)接收器，優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)投資少，容 易為建設(shè)單位接受，缺點(diǎn)是一旦元器件不良，容易造成行車(chē)事故。
[0008] 2. JXW-25B型為雙套使用型，即一條軌道電路裝2臺(tái)接收器，并機(jī)工作。優(yōu)點(diǎn)是安 全可靠性提高，缺點(diǎn)是建設(shè)投資大，需要成倍增設(shè)變壓器、報(bào)警器及其插座等整套設(shè)施。
[0009] 三、雙套一體化微電子相敏接收器
[0010] 此接收器相當(dāng)于上述JXW-25A、B兩種型號(hào)接收器的組合，將雙套電路都集成在一 個(gè)電子盒內(nèi)。由于實(shí)行雙套一體化，省去了一半接收盒，節(jié)省了投資。但我們總結(jié)發(fā)現(xiàn)，該方 案仍然有難以克服的缺點(diǎn)：（1)其電路結(jié)構(gòu)中需要使用體積較大的變壓器，原邊直接連接 軌道電壓，輸入端沒(méi)有串聯(lián)電阻，因此輸入阻抗低（400歐姆）。（2)使用直流電源種類(lèi)多，有 24V，9V，5V三種，且使用7805,7809等線(xiàn)性集成穩(wěn)壓電路，功耗大。（3)使用分立原件和小 規(guī)模集成電路種類(lèi)多，數(shù)量大，有分立二極管、三極管、光電稱(chēng)合器、小規(guī)模CMOS電路、小規(guī) 模TTL電路，造成電路板利用率低，故障幾率增大。（4)所使用MCU為基本型，功能弱。（5) 在相位差測(cè)量方法上，將軌道電壓和局部電壓的正弦波先變換成方波，再判斷相位，此種策 略所用原件多且效果不好，抗干擾性差，當(dāng)25HZ信號(hào)中有較大50HZ電壓干擾時(shí)，波形畸變， 會(huì)造成較大測(cè)量誤差。（6)雖然使用兩套相同電路，無(wú)仲裁機(jī)制，最終結(jié)果的產(chǎn)生機(jī)制不完 善。（7)由于進(jìn)行了正弦波-矩形波變換，無(wú)法測(cè)量輸入電壓的具體值，在判斷電壓是否正 常方面有缺陷，因此對(duì)相位差、局部電壓、軌道電壓這三個(gè)要素只能進(jìn)行相位差的判斷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對(duì)鐵路系統(tǒng)中現(xiàn)有的信號(hào)檢測(cè)及邏輯處理電路（裝置）存在的上述缺陷，本發(fā) 明提供一種微電子相敏接收器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，能夠準(zhǔn)確、可靠地觸發(fā)繼電器工作，并實(shí)現(xiàn)異常 報(bào)警等功能。
[0012] 本發(fā)明的基本解決方案如下：
[0013] 一種微電子相敏接收器，包括兩套互為備份的測(cè)量及信號(hào)處理電路和一套獨(dú)立的 信號(hào)處理及控制電路；
[0014] 每一套測(cè)量及信號(hào)處理電路包括依次連接的輸入電路、MCU和直流電源電路；其 中輸入電路采用兩個(gè)電壓互感器分別測(cè)得局部電壓和軌道電壓，這兩路電壓信號(hào)送入MCU 進(jìn)行相位計(jì)算、電壓測(cè)量和邏輯判斷，輸出作為邏輯結(jié)果的電平信號(hào)，并產(chǎn)生設(shè)定的方波信 號(hào)；所述方波信號(hào)作為控制信號(hào)接入直流電源電路，直流電源電路輸出能夠驅(qū)動(dòng)繼電器的 直流電壓信號(hào)；
[0015] 兩套測(cè)量及信號(hào)處理電路中的MCU分別記為MCU1和MCU2 ;
[0016] 所述信號(hào)處理及控制電路包括MCU3、輸出切換電路和報(bào)警電路，MCU3分別采集送 入MCU1、MCU2的電壓信號(hào)，進(jìn)行獨(dú)立的相位計(jì)算、電壓測(cè)量和邏輯判斷，相應(yīng)得出兩路電平 信號(hào)；MCU3采集MCU1和MCU2輸出的電平信號(hào)與自身得出的所述兩路電平信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn) 算，通過(guò)所述輸出切換電路控制兩套測(cè)量及信號(hào)處理電路之一輸出直流電壓信號(hào)至待驅(qū)動(dòng) 的繼電器;MCU3的報(bào)警控制信號(hào)輸出端接報(bào)警電路。
[0017] 基于上述解決方案，本發(fā)明還進(jìn)一步作如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：
[0018] 上述直流電源電路包括功率放大電路、隔離電路和整流濾波電路。
[0019] 上述方波信號(hào)通過(guò)電容耦合到分別以三極管TR和場(chǎng)效應(yīng)管VM為核心的兩級(jí)開(kāi)關(guān) 放大電路，場(chǎng)效應(yīng)管VM間歇導(dǎo)通，經(jīng)變壓器TF隔離輸出并整流濾波；變壓器TF的接線(xiàn)方式 使得：在場(chǎng)效應(yīng)管VM導(dǎo)通期，位于變壓器TF次級(jí)的二極管反向截止，電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能儲(chǔ) 存在變壓器TF線(xiàn)圈中；在場(chǎng)效應(yīng)管VM的截止期，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，位于變壓器TF次級(jí)的 二極管導(dǎo)通，產(chǎn)生直流電壓。
[0020] 上述兩套測(cè)量及信號(hào)處理電路可共用一組整流濾波電路。
[0021] MCU3還采集所述功率放大電路中放大后的電流信號(hào)，以監(jiān)視所屬的測(cè)量及信號(hào)處 理電路輸出級(jí)的工作電流。
[0022] 輸入電路中，對(duì)應(yīng)于局部電壓和軌道電壓在電壓互感器的初級(jí)串聯(lián)不同阻值的電 阻，以適應(yīng)不同的輸入電壓；電壓互感器的次級(jí)輸出的交流電壓與一個(gè)直流電壓相疊加形 成脈動(dòng)直流電壓，接入MCU中的A/D轉(zhuǎn)換單元，所述直流電壓由穩(wěn)壓管與限流電阻實(shí)現(xiàn)。
[0023] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，能夠準(zhǔn)確、安全可靠地觸發(fā)繼電器工作，并實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警等功 能。具體有下列優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1、輸入電路體積小，有硬件冗余，阻抗高，功耗小，對(duì)相同信號(hào)源可帶更多設(shè)備。
[0025] 2、使用電源種類(lèi)少，用DC-DC模塊產(chǎn)生隔離的5V直流電壓，電源轉(zhuǎn)換效率高，功耗 低。
[0026] 3、使用元件數(shù)量和種類(lèi)少，無(wú)小規(guī)模TTL和CMOS電路。不存在光電耦合器這種一 致性差的元件。
[0027] 4、原始正弦波信號(hào)直接進(jìn)入MCU，使用傅里葉方法計(jì)算相位差和有效值，精度高， 抗非25HZ干擾性能極強(qiáng)，可以對(duì)相位差、軌道電壓有效值、局部電壓有效值進(jìn)行綜合判斷， 結(jié)果更可靠。
[0028] 5、有仲裁機(jī)制，使用仲裁MCU對(duì)兩套獨(dú)立電路進(jìn)行監(jiān)督和輸出控制。
[0029] 6、可以采用高性能MCU，除基本內(nèi)核，可通過(guò)集成A/D、看門(mén)狗、復(fù)位、PWM等外圍電 路，使應(yīng)用電路得到簡(jiǎn)化。
[0030] 7、本發(fā)明可應(yīng)用于25HZ和50HZ軌道電路中。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0032] 圖2為MCU之前的輸入電路的示意圖。
[0033] 圖3為MCU之后的功率放大以、隔離傳輸、整流濾波以及輸出切換部分的電路示意 圖。
[0034] 圖4為L(zhǎng)ED電路示意圖。
[0035] 圖5為報(bào)警控制部分的電路示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036] 本實(shí)施例的相關(guān)技術(shù)參數(shù)：
[0037] (1)局部電壓正常值> 50V
[0038] (2)軌道電壓正常值> 15V
[0039] (3)相位差正常值80-110度
[0040] (4)輸出電壓：空載彡24V，帶負(fù)荷（1700繼電器）彡22V
[0041] (5)軌道電壓測(cè)量電路輸入阻抗5K
[0042] (6)局部電壓輸入阻抗25K
[0043] (7)工作電流< 100毫安，（實(shí)測(cè)65毫安）
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明中，以MCU1、MCU2為核心的兩套測(cè)量電路結(jié)構(gòu)相同，局部電壓 和軌道電壓通過(guò)微型互感器接入MCU的A/D輸入腳，MCU采集一個(gè)周期的兩路電壓波形，通 過(guò)傅里葉變換算法計(jì)算兩路信號(hào)的初相角和有效值，求出相位差，進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)符合條 件時(shí)，輸出方波信號(hào)，經(jīng)放大、隔離傳輸、整流濾波，待選擇輸出。MCU3采集計(jì)算所有四路電 壓，將結(jié)果與MCU1、MCU2的處理結(jié)果分別進(jìn)行比較，判斷是否正常，依據(jù)設(shè)定的策略，選擇 其中一路，經(jīng)輸出電壓接線(xiàn)端子輸出直流電壓使1700繼電器工作，必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
[0045] MCU3還負(fù)責(zé)監(jiān)視輸出級(jí)的工作電流（具體可以是圖3中所示功率開(kāi)關(guān)管的電 流），當(dāng)發(fā)現(xiàn)工作電流不正常時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)切換輸出到另一路。
[0046] 本發(fā)明還進(jìn)行了具體電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0047] 如圖2所示，輸入電路的特點(diǎn)：
[0048] (a)使用4個(gè)性能相同的額定電流為毫安級(jí)的微型電壓互感器，每一路中對(duì)應(yīng)于 局部電壓和軌道電壓在初級(jí)串聯(lián)不同阻值的電阻，以適應(yīng)不同的輸入電壓。
[0049] (b)次級(jí)的下端接固定值參考電壓，該電壓可以用穩(wěn)壓管、電壓基準(zhǔn)集成電路、LED 等實(shí)現(xiàn)。次級(jí)上端相對(duì)地電位為直流脈動(dòng)電壓，可以接入A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0050] (c) 4個(gè)互感器分成兩組，一組用于輸入軌道電壓，一組用于輸入局部電壓，實(shí)現(xiàn)互 感器硬件冗余。
[0051] 如圖3所示，安全的24V直流電源電路可以分為功率放大電路、隔離電路和整流濾 波電路。工作電源為直流24V，控制信號(hào)為方波，隔離元件為高頻變壓器。無(wú)論功率管擊穿 或短路、前級(jí)發(fā)生恒為0或恒為1故障，都導(dǎo)致無(wú)24V輸出，可保證工作的安全性。
[0052] 雙路直流電源電路的兩路結(jié)構(gòu)相同，以上半部為例，方波經(jīng)電容耦合到由TR1和 VM1為核心的兩級(jí)開(kāi)關(guān)放大電路，主開(kāi)關(guān)管VM1間歇導(dǎo)通，在導(dǎo)通期，變壓器TF5的接法使次 級(jí)的二極管反向截止，電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能儲(chǔ)存在線(xiàn)圈中。在VM1的截止期，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電 能，次級(jí)的二極管導(dǎo)通，產(chǎn)生直流電壓輸出。由于C5、R15、R16的濾波作用，在R15上得到穩(wěn) 定的直流壓降，該電壓被MCU3測(cè)量，用于監(jiān)視工作狀態(tài)。
[0053] 具體優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：
[0054] (a)兩路結(jié)構(gòu)相同的安全型電源電路。所謂安全是指：1)當(dāng)電路本身正常，輸入信 號(hào)也符合產(chǎn)生24V直流條件，則24V直流有輸出。2)電路本身正常，輸入信號(hào)不符合產(chǎn)生 24V直流條件，則24V無(wú)輸出。3)電路本身不正常，則無(wú)論信號(hào)是否符合產(chǎn)生24V直流條件， 24V直流無(wú)輸出且有報(bào)警輸出。
[0055] (b)僅當(dāng)在pul (pu2)輸入特定頻率和幅度的連續(xù)方波時(shí)，次級(jí)才能產(chǎn)生交流電 壓，經(jīng)二極管半波整流可以得到直流工作電壓。
[0056] (c)關(guān)鍵元件場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)論擊穿或斷路次級(jí)都不會(huì)產(chǎn)生電壓。
[0057] (d)VLl(VL2)可以監(jiān)視工作狀態(tài)是否正常。
[0058] (e)電阻R16和R30的額定功率按場(chǎng)效應(yīng)管擊穿條件下可連續(xù)加電選擇。
[0059] 輸出切換電路的特點(diǎn)：
[0060] 圖3中OUT_SEL由MCU3送出，即表1中的SEL，當(dāng)其為0時(shí)，三極管TR3截止，繼電 器RLY1線(xiàn)圈（引腳1-16)無(wú)電流，常閉觸點(diǎn)（4-6U1-13)處于閉合狀態(tài)，此時(shí)由A路變壓 器（圖中上方的變壓器）次級(jí)產(chǎn)生的電壓經(jīng)DS整流、R27、C9濾波，供給負(fù)載J0(目標(biāo)繼電 器）。穩(wěn)壓管ZN1防止負(fù)載開(kāi)路時(shí)電壓過(guò)高。肖特基二極管D7為感性負(fù)載J0的續(xù)流二極 管。若OUT_SEL為1，負(fù)載電壓由B路變壓器（圖中下方的變壓器）提供。
[0061] 以下對(duì)表1進(jìn)行解釋。
[0062] MCU3控制輸出切換電路按照表1所示的輸出決策策略，選擇輸出一路直流電壓信 號(hào)。
[0063] 設(shè)MCU1和MCU2各自的判斷結(jié)論為A(圖1中A1，輸出到MCU3)和B(圖1中A2， 輸出到MCU3)，MCU3對(duì)接入MCU1和MCU2的軌道電壓和局部電壓獨(dú)立進(jìn)行判斷，得出的結(jié)論 分別是C1和C2 (C1和C2是MCU3的內(nèi)部狀態(tài)）。
[0064] 如果這四個(gè)結(jié)論一致為0(表1第1行），SEL為0,表明選A路輸出；ALM為1，LED 為1，表明不報(bào)警；方波A = 0,表明無(wú)24V直流輸出，此狀態(tài)對(duì)應(yīng)軌道空閑。（表1中方波A =1有誤，應(yīng)改為〇)
[0065] 如果這四個(gè)結(jié)論一致為1(表1第15行），SEL為0,表明選A路輸出；ALM為1，LED 為1，表明不報(bào)警；方波A = 1，表明有24V直流輸出，此狀態(tài)對(duì)應(yīng)軌道占用。此時(shí)雖不報(bào)警， 但監(jiān)視輸出級(jí)工作狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)輸出級(jí)的工作電流異常，則切換為B路輸出，同時(shí)報(bào)警。 [0066] 在四個(gè)結(jié)論并非完全一致時(shí)：
[0067] 如果A與C1 一致為1，方波A= 1(即圖中pul是連續(xù)方波），SEL為0,表明選A 路工作，有24V直流輸出至待驅(qū)動(dòng)的1700繼電器，報(bào)警。
[0068] 如果B與C2-致為1，方波B = 1(即圖中pu2是連續(xù)方波），SEL為1，表明選B 路工作，有24V直流輸出至待驅(qū)動(dòng)的1700繼電器，報(bào)警。
[0069] 其他情況方波A、方波B均無(wú)，故無(wú)24V直流輸出，報(bào)警。
[0070] 表 1
[0071]

【權(quán)利要求】
1. 一種微電子相敏接收器，其特征在于： 包括兩套互為備份的測(cè)量及信號(hào)處理電路和一套獨(dú)立的信號(hào)處理及控制電路； 每一套測(cè)量及信號(hào)處理電路包括依次連接的輸入電路、MCU和直流電源電路；其中輸 入電路采用兩個(gè)電壓互感器分別測(cè)得局部電壓和軌道電壓，這兩路電壓信號(hào)送入MCU進(jìn)行 相位計(jì)算、電壓測(cè)量和邏輯判斷，輸出作為邏輯結(jié)果的電平信號(hào)，并產(chǎn)生設(shè)定的方波信號(hào)； 所述方波信號(hào)作為控制信號(hào)接入直流電源電路，直流電源電路輸出能夠驅(qū)動(dòng)繼電器的直流 電壓信號(hào)； 兩套測(cè)量及信號(hào)處理電路中的MCU分別記為MCU1和MCU2 ; 所述信號(hào)處理及控制電路包括MCU3、輸出切換電路和報(bào)警電路，MCU3分別采集送入 MCU1、MCU2的電壓信號(hào)，進(jìn)行獨(dú)立的相位計(jì)算、電壓測(cè)量和邏輯判斷，相應(yīng)得出兩路電平信 號(hào)；MCU3采集MCU1和MCU2輸出的電平信號(hào)與自身得出的所述兩路電平信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn) 算，通過(guò)所述輸出切換電路控制兩套測(cè)量及信號(hào)處理電路之一輸出直流電壓信號(hào)至待驅(qū)動(dòng) 的繼電器;MCU3的報(bào)警控制信號(hào)輸出端接報(bào)警電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電子相敏接收器，其特征在于：所述直流電源電路包括功 率放大電路、隔離電路和整流濾波電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電子相敏接收器，其特征在于：在直流電源電路中，所述方 波信號(hào)通過(guò)電容耦合到分別以三極管TR和場(chǎng)效應(yīng)管VM為核心的兩級(jí)開(kāi)關(guān)放大電路，場(chǎng)效 應(yīng)管VM間歇導(dǎo)通，經(jīng)變壓器TF隔離輸出并整流濾波；變壓器TF的接線(xiàn)方式使得：在場(chǎng)效應(yīng) 管VM導(dǎo)通期，位于變壓器TF次級(jí)的二極管反向截止，電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能儲(chǔ)存在變壓器TF 線(xiàn)圈中；在場(chǎng)效應(yīng)管VM的截止期，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，位于變壓器TF次級(jí)的二極管導(dǎo)通，產(chǎn) 生直流電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電子相敏接收器，其特征在于：兩套測(cè)量及信號(hào)處理電路 共用一組整流濾波電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電子相敏接收器，其特征在于：MCU3還采集所述功率放大 電路中放大后的電流信號(hào)，以監(jiān)視所屬的測(cè)量及信號(hào)處理電路輸出級(jí)的工作電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的微電子相敏接收器，其特征在于：輸入電路中，對(duì) 應(yīng)于局部電壓和軌道電壓在電壓互感器的初級(jí)串聯(lián)不同阻值的電阻，以適應(yīng)不同的輸入 電壓；電壓互感器的次級(jí)輸出的交流電壓與一個(gè)直流電壓相疊加形成脈動(dòng)直流電壓，接入 MCU中的A/D轉(zhuǎn)換單元，所述直流電壓由穩(wěn)壓管與限流電阻實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK104155910SQ201410446774
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】劉曉楓, 馬丹, 劉筱天, 劉晉銘 申請(qǐng)人:西安嘉信鐵路器材有限公司