隨著鐵路運量的增加，列車重量、行車速度和行車密度也將不斷提高，在這種情況下出現(xiàn)了高速列車和長鋼軌線路。原有的有絕緣軌道電路已不能適應鐵路運輸發(fā)展的需要，于是產(chǎn)生了無絕緣軌道電路。無絕緣軌道電路的長鋼軌線路減小了列車運行阻力以及列車振動和噪聲，減少了鋼軌和機車輪緣之間的磨損。故世界各先進工業(yè)國家均相繼研究和發(fā)展無絕緣軌道電路。UM71無絕緣軌道電路作為一種先進的列車控制系統(tǒng)，于20世紀60年代在法國研制成功。由于其具有突出的優(yōu)點，很快被多個國家相繼采用。目前，該技術已相當成熟。該系統(tǒng)自二十世紀80年代末引進我國以來，已經(jīng)得到了很好的應用與發(fā)展。
　　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)常沿鐵軌檢查軌道電路運行參數(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，再用普通電容表來測試。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?；诖耍疚奶岢鲆环N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]。

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A_f為11Hz，故UM71軌道電路軌面上傳送的移頻信號由載頻f_o、頻偏A_f和低頻調(diào)制信號F_C三者構成。如某區(qū)段載頻f_o為2000Hz、低頻調(diào)制信號F_C為16.9Hz，則軌面移頻信號在(f_o-A_f)即1989Hz和(f_o+A_f)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信號頻率的正弦測試信號" title="測試信號">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" title="A/D">A/D轉換器采樣，不同的電容值所反應出來的變化了的測試信號不同，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R_A=R_B=R，則，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
　　UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號和調(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。

　　由于特征頻率f₀＝10kHz，Q值取0.7，若取C=0.01μF，
　　
　　即R＝1592Ω，可取R=1.6kΩ。
　　又由于濾波器的通帶放大倍數(shù)A_up和Q有關系式Q=成立，將Q=0.7代入可得A_up=1.57，根據(jù)A_up與R₁、R_f的關系式A_up=1+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，R_f=3.14R。代入R=1.6kΩ可得，R₁取9.1kΩ，R_f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，不再贅述。
3.4 整流電路的設計
　　為了把從濾波電路出來的交流測試信號轉變?yōu)橹绷餍盘?，以便A/D轉換器采集，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。

3.5 數(shù)據(jù)采集與顯示
　　數(shù)據(jù)采集與顯示電路如圖7所示。A/D轉換芯片采用常見的四位半雙積分型A/D轉換芯片ICL7135，它具有精度高、價格低廉、抗干擾能力強等優(yōu)點。通常設計者都是用單片機并行采集ICL7135的轉換數(shù)據(jù)，占用了較多的I/O口資源。本文利用ICL7135的BUSY信號線來獲取A/D轉換結果，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TR1共同控制，這樣便能夠測量INT1引腳的正脈沖寬度，即BUSY信號的高電平寬度。另外用P1.7控制轉換的啟停。
　　顯示部分采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM046。它是四位多功能通用型八段式液晶顯示模塊，內(nèi)含看門狗/時鐘發(fā)生器和兩種頻率的蜂鳴驅動電路，內(nèi)置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，3－4線接口，功耗低、顯示清晰、穩(wěn)定可靠、使用編程簡單，非常適合電池供電的儀器儀表。
4 軟件設計
　　軟件包括液晶顯示模塊的初始化、A/D轉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。