一種微電子相敏接收器的製造方法
2023-05-15 21:14:16 2
一種微電子相敏接收器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種微電子相敏接收器，結構簡明，能夠準確、可靠地觸發繼電器工作，並實現異常報警等功能。該微電子相敏接收器，以MCU1、MCU2為核心的兩套測量電路結構相同，局部電壓和軌道電壓通過微型互感器接入MCU的A/D輸入腳，MCU採集一個周期的兩路電壓波形，通過傅立葉變換算法計算兩路信號的初相角和有效值，求出相位差，進行邏輯判斷，當符合條件時，輸出方波信號，經放大、隔離傳輸、整流濾波，待選擇輸出。MCU3採集計算所有四路電壓，將結果與MCU1、MCU2的處理結果分別進行比較，判斷是否正常，依據設定的策略，選擇其中一路，經輸出電壓接線端子輸出直流電壓使1700繼電器工作，必要時發出報警信號。
【專利說明】一種微電子相敏接收器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種可適用於鐵路系統的信號檢測及邏輯處理電路（裝置），輸出直 流電壓使繼電器工作，並實現異常報警等功能。
【背景技術】
[0002] 隨著電氣化鐵路的發展和科學技術的進步，電氣化鐵路25HZ相敏軌道電路的接 收設備經歷了從機械二元器材向電子二元器材發展的過程。
[0003] 一、機械二兀器材
[0004] 例如，JRJC170/240型二元二位軌道繼電器，專用於電氣化鐵路站內，25HZ相敏軌 道電路，由鐵道部瀋陽信號工廠和西安信號工廠製造。這種器材體積大而且重，曾經造成過 器材的卡阻現象，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，採用數字處理技術對軌道電 路信號進行分析，檢出有用信息，除去幹擾，完成相敏軌道電路的接收功能。在設計使用方 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接收器，優點是建設投資少，容 易為建設單位接受，缺點是一旦元器件不良，容易造成行車事故。
[0008] 2. JXW-25B型為雙套使用型，即一條軌道電路裝2臺接收器，並機工作。優點是安 全可靠性提高，缺點是建設投資大，需要成倍增設變壓器、報警器及其插座等整套設施。
[0009] 三、雙套一體化微電子相敏接收器
[0010] 此接收器相當於上述JXW-25A、B兩種型號接收器的組合，將雙套電路都集成在一 個電子盒內。由於實行雙套一體化，省去了一半接收盒，節省了投資。但我們總結髮現，該方 案仍然有難以克服的缺點：（1)其電路結構中需要使用體積較大的變壓器，原邊直接連接 軌道電壓，輸入端沒有串聯電阻，因此輸入阻抗低（400歐姆）。（2)使用直流電源種類多，有 24V，9V，5V三種，且使用7805,7809等線性集成穩壓電路，功耗大。（3)使用分立原件和小 規模集成電路種類多，數量大，有分立二極體、三極體、光電稱合器、小規模CMOS電路、小規 模TTL電路，造成電路板利用率低，故障機率增大。（4)所使用MCU為基本型，功能弱。（5) 在相位差測量方法上，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，抗幹擾性差，當25HZ信號中有較大50HZ電壓幹擾時，波形畸變， 會造成較大測量誤差。（6)雖然使用兩套相同電路，無仲裁機制，最終結果的產生機制不完 善。（7)由於進行了正弦波-矩形波變換，無法測量輸入電壓的具體值，在判斷電壓是否正 常方面有缺陷，因此對相位差、局部電壓、軌道電壓這三個要素只能進行相位差的判斷。
【發明內容】
[0011] 針對鐵路系統中現有的信號檢測及邏輯處理電路（裝置）存在的上述缺陷，本發 明提供一種微電子相敏接收器，結構簡明，能夠準確、可靠地觸發繼電器工作，並實現異常 報警等功能。
[0012] 本發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量及信號處理電路和一套獨立的 信號處理及控制電路；
[0014] 每一套測量及信號處理電路包括依次連接的輸入電路、MCU和直流電源電路；其 中輸入電路採用兩個電壓互感器分別測得局部電壓和軌道電壓，這兩路電壓信號送入MCU 進行相位計算、電壓測量和邏輯判斷，輸出作為邏輯結果的電平信號，並產生設定的方波信 號；所述方波信號作為控制信號接入直流電源電路，直流電源電路輸出能夠驅動繼電器的 直流電壓信號；
[0015] 兩套測量及信號處理電路中的MCU分別記為MCU1和MCU2 ;
[0016] 所述信號處理及控制電路包括MCU3、輸出切換電路和報警電路，MCU3分別採集送 入MCU1、MCU2的電壓信號，進行獨立的相位計算、電壓測量和邏輯判斷，相應得出兩路電平 信號；MCU3採集MCU1和MCU2輸出的電平信號與自身得出的所述兩路電平信號進行邏輯運 算，通過所述輸出切換電路控制兩套測量及信號處理電路之一輸出直流電壓信號至待驅動 的繼電器;MCU3的報警控制信號輸出端接報警電路。
[0017] 基於上述解決方案，本發明還進一步作如下優化設計：
[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] 上述方波信號通過電容耦合到分別以三極體TR和場效應管VM為核心的兩級開關 放大電路，場效應管VM間歇導通，經變壓器TF隔離輸出並整流濾波；變壓器TF的接線方式 使得：在場效應管VM導通期，位於變壓器TF次級的二極體反向截止，電能轉化為磁場能儲 存在變壓器TF線圈中；在場效應管VM的截止期，磁場能轉化為電能，位於變壓器TF次級的 二極體導通，產生直流電壓。
[0020] 上述兩套測量及信號處理電路可共用一組整流濾波電路。
[0021] MCU3還採集所述功率放大電路中放大後的電流信號，以監視所屬的測量及信號處 理電路輸出級的工作電流。
[0022] 輸入電路中，對應於局部電壓和軌道電壓在電壓互感器的初級串聯不同阻值的電 阻，以適應不同的輸入電壓；電壓互感器的次級輸出的交流電壓與一個直流電壓相疊加形 成脈動直流電壓，接入MCU中的A/D轉換單元，所述直流電壓由穩壓管與限流電阻實現。
[0023] 本發明結構簡明，能夠準確、安全可靠地觸發繼電器工作，並實現異常報警等功 能。具體有下列優點：
[0024] 1、輸入電路體積小，有硬體冗餘，阻抗高，功耗小，對相同信號源可帶更多設備。
[0025] 2、使用電源種類少，用DC-DC模塊產生隔離的5V直流電壓，電源轉換效率高，功耗 低。
[0026] 3、使用元件數量和種類少，無小規模TTL和CMOS電路。不存在光電耦合器這種一 致性差的元件。
[0027] 4、原始正弦波信號直接進入MCU，使用傅立葉方法計算相位差和有效值，精度高， 抗非25HZ幹擾性能極強，可以對相位差、軌道電壓有效值、局部電壓有效值進行綜合判斷， 結果更可靠。
[0028] 5、有仲裁機制，使用仲裁MCU對兩套獨立電路進行監督和輸出控制。
[0029] 6、可以採用高性能MCU，除基本內核，可通過集成A/D、看門狗、復位、PWM等外圍電 路，使應用電路得到簡化。
[0030] 7、本發明可應用於25HZ和50HZ軌道電路中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發明的結構原理圖。
[0032] 圖2為MCU之前的輸入電路的示意圖。
[0033] 圖3為MCU之後的功率放大以、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LED電路示意圖。
[0035] 圖5為報警控制部分的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 本實施例的相關技術參數：
[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，帶負荷（1700繼電器）彡22V
[0041] (5)軌道電壓測量電路輸入阻抗5K
[0042] (6)局部電壓輸入阻抗25K
[0043] (7)工作電流< 100毫安，（實測65毫安）
[0044] 如圖1所示，本發明中，以MCU1、MCU2為核心的兩套測量電路結構相同，局部電壓 和軌道電壓通過微型互感器接入MCU的A/D輸入腳，MCU採集一個周期的兩路電壓波形，通 過傅立葉變換算法計算兩路信號的初相角和有效值，求出相位差，進行邏輯判斷，當符合條 件時，輸出方波信號，經放大、隔離傳輸、整流濾波，待選擇輸出。MCU3採集計算所有四路電 壓，將結果與MCU1、MCU2的處理結果分別進行比較，判斷是否正常，依據設定的策略，選擇 其中一路，經輸出電壓接線端子輸出直流電壓使1700繼電器工作，必要時發出報警信號。
[0045] MCU3還負責監視輸出級的工作電流（具體可以是圖3中所示功率開關管的電 流），當發現工作電流不正常時，發出報警信號，同時切換輸出到另一路。
[0046] 本發明還進行了具體電路的優化設計。
[0047] 如圖2所示，輸入電路的特點：
[0048] (a)使用4個性能相同的額定電流為毫安級的微型電壓互感器，每一路中對應於 局部電壓和軌道電壓在初級串聯不同阻值的電阻，以適應不同的輸入電壓。
[0049] (b)次級的下端接固定值參考電壓，該電壓可以用穩壓管、電壓基準集成電路、LED 等實現。次級上端相對地電位為直流脈動電壓，可以接入A/D轉換電路。
[0050] (c) 4個互感器分成兩組，一組用於輸入軌道電壓，一組用於輸入局部電壓，實現互 感器硬體冗餘。
[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，控制信號為方波，隔離元件為高頻變壓器。無論功率管擊穿 或短路、前級發生恆為0或恆為1故障，都導致無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構相同，以上半部為例，方波經電容耦合到由TR1和 VM1為核心的兩級開關放大電路，主開關管VM1間歇導通，在導通期，變壓器TF5的接法使次 級的二極體反向截止，電能轉化為磁場能儲存在線圈中。在VM1的截止期，磁場能轉化為電 能，次級的二極體導通，產生直流電壓輸出。由於C5、R15、R16的濾波作用，在R15上得到穩 定的直流壓降，該電壓被MCU3測量，用於監視工作狀態。
[0053] 具體優化的電路結構有以下特點：
[0054] (a)兩路結構相同的安全型電源電路。所謂安全是指：1)當電路本身正常，輸入信 號也符合產生24V直流條件，則24V直流有輸出。2)電路本身正常，輸入信號不符合產生 24V直流條件，則24V無輸出。3)電路本身不正常，則無論信號是否符合產生24V直流條件， 24V直流無輸出且有報警輸出。
[0055] (b)僅當在pul (pu2)輸入特定頻率和幅度的連續方波時，次級才能產生交流電 壓，經二極體半波整流可以得到直流工作電壓。
[0056] (c)關鍵元件場效應管無論擊穿或斷路次級都不會產生電壓。
[0057] (d)VLl(VL2)可以監視工作狀態是否正常。
[0058] (e)電阻R16和R30的額定功率按場效應管擊穿條件下可連續加電選擇。
[0059] 輸出切換電路的特點：
[0060] 圖3中OUT_SEL由MCU3送出，即表1中的SEL，當其為0時，三極體TR3截止，繼電 器RLY1線圈（引腳1-16)無電流，常閉觸點（4-6U1-13)處於閉合狀態，此時由A路變壓 器（圖中上方的變壓器）次級產生的電壓經DS整流、R27、C9濾波，供給負載J0(目標繼電 器）。穩壓管ZN1防止負載開路時電壓過高。肖特基二極體D7為感性負載J0的續流二極 管。若OUT_SEL為1，負載電壓由B路變壓器（圖中下方的變壓器）提供。
[0061] 以下對表1進行解釋。
[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。
[0063] 設MCU1和MCU2各自的判斷結論為A(圖1中A1，輸出到MCU3)和B(圖1中A2， 輸出到MCU3)，MCU3對接入MCU1和MCU2的軌道電壓和局部電壓獨立進行判斷，得出的結論 分別是C1和C2 (C1和C2是MCU3的內部狀態）。
[0064] 如果這四個結論一致為0(表1第1行），SEL為0,表明選A路輸出；ALM為1，LED 為1，表明不報警；方波A = 0,表明無24V直流輸出，此狀態對應軌道空閒。（表1中方波A =1有誤，應改為〇)
[0065] 如果這四個結論一致為1(表1第15行），SEL為0,表明選A路輸出；ALM為1，LED 為1，表明不報警；方波A = 1，表明有24V直流輸出，此狀態對應軌道佔用。此時雖不報警， 但監視輸出級工作狀態，若發現輸出級的工作電流異常，則切換為B路輸出，同時報警。 [0066] 在四個結論並非完全一致時：
[0067] 如果A與C1 一致為1，方波A= 1(即圖中pul是連續方波），SEL為0,表明選A 路工作，有24V直流輸出至待驅動的1700繼電器，報警。
[0068] 如果B與C2-致為1，方波B = 1(即圖中pu2是連續方波），SEL為1，表明選B 路工作，有24V直流輸出至待驅動的1700繼電器，報警。
[0069] 其他情況方波A、方波B均無，故無24V直流輸出，報警。
[0070] 表 1
[0071]
【權利要求】
1. 一種微電子相敏接收器，其特徵在於： 包括兩套互為備份的測量及信號處理電路和一套獨立的信號處理及控制電路； 每一套測量及信號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 入電路採用兩個電壓互感器分別測得局部電壓和軌道電壓，這兩路電壓信號送入MCU進行 相位計算、電壓測量和邏輯判斷，輸出作為邏輯結果的電平信號，並產生設定的方波信號； 所述方波信號作為控制信號接入直流電源電路，直流電源電路輸出能夠驅動繼電器的直流 電壓信號； 兩套測量及信號處理電路中的MCU分別記為MCU1和MCU2 ; 所述信號處理及控制電路包括MCU3、輸出切換電路和報警電路，MCU3分別採集送入 MCU1、MCU2的電壓信號，進行獨立的相位計算、電壓測量和邏輯判斷，相應得出兩路電平信 號；MCU3採集MCU1和MCU2輸出的電平信號與自身得出的所述兩路電平信號進行邏輯運 算，通過所述輸出切換電路控制兩套測量及信號處理電路之一輸出直流電壓信號至待驅動 的繼電器;MCU3的報警控制信號輸出端接報警電路。
2. 根據權利要求1所述的微電子相敏接收器，其特徵在於：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. 根據權利要求2所述的微電子相敏接收器，其特徵在於：在直流電源電路中，所述方 波信號通過電容耦合到分別以三極體TR和場效應管VM為核心的兩級開關放大電路，場效 應管VM間歇導通，經變壓器TF隔離輸出並整流濾波；變壓器TF的接線方式使得：在場效應 管VM導通期，位於變壓器TF次級的二極體反向截止，電能轉化為磁場能儲存在變壓器TF 線圈中；在場效應管VM的截止期，磁場能轉化為電能，位於變壓器TF次級的二極體導通，產 生直流電壓。
4. 根據權利要求2所述的微電子相敏接收器，其特徵在於：兩套測量及信號處理電路 共用一組整流濾波電路。
5. 根據權利要求2所述的微電子相敏接收器，其特徵在於：MCU3還採集所述功率放大 電路中放大後的電流信號，以監視所屬的測量及信號處理電路輸出級的工作電流。
6. 根據權利要求1至5任一所述的微電子相敏接收器，其特徵在於：輸入電路中，對 應於局部電壓和軌道電壓在電壓互感器的初級串聯不同阻值的電阻，以適應不同的輸入 電壓；電壓互感器的次級輸出的交流電壓與一個直流電壓相疊加形成脈動直流電壓，接入 MCU中的A/D轉換單元，所述直流電壓由穩壓管與限流電阻實現。
【文檔編號】G05B19/042GK104155910SQ201410446774
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】劉曉楓, 馬丹, 劉筱天, 劉晉銘 申請人:西安嘉信鐵路器材有限公司