一种基于LM833选频电路的设计

叶 斌，成 远

（上海铁大电信科技股份有限公司，上海 200070)

目前，对于无轨道电路区段，无缝钢轨主要采用探伤和巡道工巡视相结合的办法，探伤周期较长，很难及时检查出钢轨的状态。在线式无缝钢轨监测主要依赖基于钢轨的载波信号传输，但钢轨上除50 Hz 的工频干扰外，还有其他叠加信号，为保证可靠提取发送器发送的数据频率信号，本文提出的选频电路能有效的滤除干扰信号，并对载波频率信号进行放大。

1 设计原理

无轨道电路断轨监测主要是基于钢轨的载波信号传输，传输信号的频率决定传输距离和监测断轨区段定位精度。根据公式V=f×λ，其中V 是波速，f 是频率，λ 是波长，在同一介质内，不同频率的传播速度相同，频率越高，相应的波长越短，穿透力越弱，信号衰减越大，传输距离相应越短。从传输距离和监测断轨区段定位精度综合评估，监测定位精度1 km，传输距离不小于2 km。60 kg 钢轨的电阻为29.11 mΩ/km，对载波信号的影响很小，但是考虑道床的影响较大，道床参数包含阻抗、容抗、感抗等因素。通过现场对不同频率在钢轨上的传输距离测试，选择中心频率13.5 kHz 作为载波信号。

发送器通过无缝钢轨传输到收发器，10 kHz 频率信号为“0”，17 kHz 频率信号为“1”，收发器通过变压器进行1 级放大，滤除直流信号，选频电路滤除除10 kHz 和17 kHz 的其他干扰频率信号，对过滤后的信号进行放大。原理如图1 所示。

图1 收发器原理框架图Fig.1 Frame diagram for the principle of transceiver

2 设计方案

LM833 是一款低成本双通道运放芯片，在低频放大电路中广泛应用。传输频率为中心频点13.5 kHz，上边频17 kHz，下边频10 kHz。如图2所示，R5和C8构成RC 滤波电路，过滤50 Hz 工频干扰；T1 为耦合变压器，匝比为50：85，对载波信号进行初级放大；C4过滤直流信号。

选频电路主要分两部分，U1A 为10 kHz 选频电路，U1B 为17 kHz 选频电路；R2和C1构成低通滤波器，R1和C3构成高通滤波器，R1和R2决定选频电路10 kHz 信号的放大倍数；R10和C6构成低通滤波器，R9和C7构成高通滤波器，R9和R10决定选频电路17 kHz 信号的放大倍数。

选频电路的中心频点（以10 kHz 为例）计算如公式（1），（2）所示。

选频电路中心频率确认的基础上，品质因数决定选频电路的带宽，但是从电路设计考虑，品质因数不能过高，但带宽又决定选频电路的可靠性，因此品质因数Q 设计为10，如公式（3）所示。

选频电路放大倍数计算公式如（4）所示。根据公式V=f×λ，频率越高，波长越短，在钢轨传输的衰耗越大，因此，在设计10 kHz 和17 kHz 放大倍数时，需要考虑经过钢轨传输后，在接收端10 kHz和17 kHz 的载波信号强度应在一定范围内，根据现场实际测试，17 kHz 载波信号应为10 kHz 载波信号的10 倍；第一级选频电路实现了17 kHz 和10 kHz 载波信号的放大配比关系；由于后级采用高性能的窄带解调电路，灵敏度较高，为保证解调电路在非饱和状态下可靠工作，需要对选频后的信号进行缩放。

3 测试结果

以10 kHz 载波为例，R1和R2决定选频电路的放大倍数，R1为150 k，R2为100 k，由上述公式可知，R4、R6和R7对选频电路的中心频率及品质因数影响较大，由于考虑电阻的温度变化系数，R4选择NTC 电阻，在温度变化时对电路整体参数进行补偿；采用SP30120 型数字合成扫频仪，输出中心频率13.5 kHz，起始频率5 kHz，终止频率22 kHz，信号强度-40 dB，通过选频电路后，测试输出频谱特性如图3 所示。

图2 选频电路原理图Fig.2 Principle diagram of frequency-selective circuit

图3 选频后输出波形Fig.3 Output waveform after frequency-selective

实验结果表明，本文设计的选频电路对除10 kHz 和17 kHz 以外的频率信号有很大的抑制作用，选频后的信号降低了后级载波处理电路的设计难度，保证基于钢轨的载波信号可靠有效传输。本文设计的选频电路已应用于南宁局湘桂铁路无轨道电路区段的钢轨监测报警系统，可实现数据的稳定、可靠传输，达到预期效果。