（信号与信息处理专业论文）基于鉴相技术的焦炉机车定位系统设计.pdf

太原理上大学硕士研究生学位论文 基于鉴相技术的焦炉机车定位系统设计 摘要 在炼焦生产中，要求推焦车、拦焦车、熄焦车三车协同工作，才能使 炼焦生产顺利进行，稍有差错就会酿成重大生产事故。因此三车联锁控制 是一个十分重要的环节，它是焦化厂安全生产的核心。而机车定位技术又 是三车联锁系统中的关键技术。 历史上曾 j 现过不同的机车定位技术，有的精度不高，有的可靠性差， 有的造价过高，不便于推广应用。针对这些问题，我们提出了种基于鉴 相技术的机车定位方法，它具有定位精度高、工作可靠、造价低廉等特点。 将该项技术应用于焦炉三车联锁系统中，可望取代其他定位技术，使系统 造价降低1 7 万元以上。这将使三车联锁系统进一步得到推广，从而使炼焦 生产的安全得到保障。 ， 本文首先对基于鉴相技术的机车定位原理进行了阐述，并给出具体的 了实施方案。然后在第三、四、五章分别给出了软、硬件设汁和数据传输 的实现方法。最后在第六章进行了技术总结，提出了今后的改进意见。 我在设计过程中，完成了机车定位技术的原理分析；完成了硬件电路 的设计和调试等任务；并对系统性能进行了仿真分析和实验验证，定位误 差l c m ，满足三车联锁系统对机车定位精度的要求。通过这次设计任务的 完成，不仅使我的专业基础知识得剑了巩固和提高，更重要的是使我的实 践能力得到了锻炼，为今后从事专业技术工作打下了良好的基础。 关键词：焦炭，三车联锁，机车定位，鉴相技术 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 t h ed e slg no fc o k eo v e nl o c o m o tlv el o c a tlo ns y s t e m b a s e do nd e t e o tln gp h a s et e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h ec o k i n gp r o d u c t i o n ，t h et h r e ec a r so fp u s h i n gc a r ，b l o c k i n gc a ra n d e x t i n g u is h i n gc a rw o r kt o g e t h e r ，c a nm a k et h ec o k i n gp r o d u c t i o nc a r r yo n s m o o t h l y , o ri t w i l ll e a dt om a j o ri n d u s t r i a la c c i d e n t s t h e r e f o r et h r e e c a r i n t e r l o c kc o n t r o li sav e r yi m p o r t a n tp a r to fc o k i n gp r o d u c t i o n i ti st h ec o r eo f p r o d u c t i o ns a f e t yi nt h ec o k i n gp l a n t a n dt h el o c o m o t i v el o c a t i o nt e c h n o l o g yis a l s oi nt h et h r e e c a ri n t e r l o c ks y s t e m sk e yt e c h n o l o g i e s t h e r eh a v eo n c eb e e na l lk i n d so fl o c o m o t i v el o c a t i o nt e c h n o l o g i e si nt h e h i s t o r y s o m eo ft h e mh a v eaw o r s ep r e c i s i o n ，s o m eo ft h e mh a v eap o o r r e l i a b i l i t y , a n ds o m eo f t h e mc o s th i g h e re x c e s s i v e l y s ot h el o c o m o t i v el o c a t i o n t e c h n o l o g i e sc a n tg e tw i d ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o nu n d e rt h i sb a c k g r o u n d i n t h i sp a p e r ，t h ea u t h o rp r o p o s e st h em e t h o do fl o c o m o t i v el o c a t i o nb a s e do n d e t e c t i n gp h a s et e c h n o l o g y , w h i c hh a s t h e a d v a n t a g e so fh i g h e rl o c a t i o n p r e c i s i o n ，l o w e rb u i l d i n gc o s t sa n ds t a b i l i t yi nw o r k s a p p l i e di nt h ec o k eo v e i l t h r e e c a ri n t e r l o c ks y s t e m ，t h et e c h n o l o g yw i l lr e p l a c eo t h e r s a n di tc a ng r e a t l y r e d u c eb u il d i n gc o s t sb y17 0t h o u s a n d sy u a na b o v e ，w h i c hc a nm a k et h e t h r e e c a ri n t e r l o c ks y s t e mb e i n gu s e dm o r ew i d e l y , t h e r e b ye n s u r et h ec o k e i i 太原理j 大学硕上研究生学位论文 p r o d u c e ss a f e l y f i r s t l y , t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ep r i n c i p l eo fl o c o m o t i v el o c a t i o nb a s e do n d e t e c t i n gp h a s et e c h n o l o g y , a n dd e s c r i b e sd e t a i l so ft h ei m p l e m e n t a t i o np l a n s e c o n d l y , t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dt h er e a li z a t i o no fd a t a t r a n s m i s s i o na r ed e s c r i b e do n eb yo n ei nt h et h i r dc h a p t e r , f o r t hc h a p t e ra n df i f t h c h a p t e r f i n a l l y , is u m m a r i z et h i sp a p e ri nt h es i x t hc h a p t e r , a n dp r o p o s ef u t u r e 1 m p r o v e m e n tc o m m e n t s i nt h ed e s i g np r o c e s s ，ih a sc o m p l e t e dt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo f l o c o m o t i v el o c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go f h a r d w a r ec i r c u i t ，a n dh a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o nt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，w h i c hp r o v e dt h a tt h el o c a t i o ne r r o ri s n o tb i g g e rt h a n1c m ，w h i c hs a t i s f i e st h r e e c a ri n t e r l o c ks y s t e m sr e q u i r e m e n t so f l o c a t i o np r e c i s i o n t h r o u g ht h i st a s ko fd e s i g n ，n o to n l ym yp r o f e s s i o n a l k n o w l e d g eh a v eb e e nc o n s o l i d a t e da n di m p r o v e d ，m o r ei m p o r t a n t l y , ih a v eb e e n t e m p e r e di np r a c t i c a la b i l i t y , w h i c hb u i l tag o o df o u n d a t i o nf o rm yp r o f e s s i o n a l t e c h n i c a lw o r ki nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c o k e ，t h r e e c a ri n t e r l o c k ，l o c o m o t i v el o c a t i o n ，d e t e c t i n g p h a s e t e c h n o lo g y i 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：磁磊日期：趟! ( 。】旦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：= ：墨盔磊 隰 导师签名：盔窒：噬 日期： 棚) 口 气卯孚、只亏o 、 太原理上大学硕二 ：研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的发展，焦炭的需求量也相应增长。过去的粗放型生产模式严重制约 我国焦化j 业生产的发展，因此三车联锁系统的推广应用就成了我国焦化工业的一个重 要课题。目前影响三车联锁系统推广应用的因素除了对安全生产的重要性认识不足之 外，一个重要的原因是该系统的费用太高，少则几十万，多则上百万元，进口设备则高 达数百万元人民币。 炼焦生产过程首先是将焦煤置于在密闭的焦炉内( 炭化室) 经过1 4 1 8 h 的干馏后得 到红焦，随后通过焦炉的移动机车将红焦从炉室移出送到熄焦室进行熄炭。焦炉移动机 车主要包含推焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车，其中前三个车的协同工作尤为重要。工 作过程是：当焦炭已经炼成后，推焦车打开炉室机侧的炉门，拦焦车打开同一炉室焦侧 的炉门并把导焦栅插入炉室中，熄焦乍位于拦焦车下侧准备接焦，当三车都己准备就绪 后，推焦车开始进行推焦操作，将红焦推到熄焦车的熄焦罐中，由熄焦车运送到熄焦室， 而装煤车只负责将焦煤通过焦炉炉室项部的装煤口送入到煤室中，其运行相对独立。实 际生产中，每个生产工作组包含并排的多个炉室，这就使得焦炉机车行走距离长，往复 频繁，同时焦化生产环境温度高、粉尘大，因此焦炉机车移动控制一直是蕴臧危险因素 较多，发生事故几率较大的焦炉生产环节。由于焦炉机车分别工作在炉室的两侧，受其 阻隔不能互视对方，推焦车、拦焦车和熄焦车在推焦操作前的对正锁定于同一。炉室对焦 炉的安全生产是至关重要，旨内外都曾发生过凶为三车对正偏差几1 导致“红焦落地”的 严重事故。如何保障三车安全高效运行，特别是在进行推焦前的三车精确对_ ：i f 是焦炉生 产安全问题的核心。 目前国内大部分的焦化厂仍停留在人工识别与定位的水平，存在着j 形重的安全隐 患。虽然部分国内焦化厂己经应用了三车联锁控制系统，但这些系统大都是来自国外的 产品，如f i 本、芬兰、德国等，虽然性能优异，但建设费用高( 一般在2 5 0 万人民币以 上) 、而且系统维护成本偏高。 近年来我省炼焦厂一所采用的 车联锁系统全都靠岳阳、上海等几家公司提供。不仅 太段理上大学硕士研究生学位论文 价格昂贵，而且维修极不方便。为了改变这种现状，我们前几年曾与山西新元公司联合 开发了基于无线感应技术的三车联锁系统，解决了维修不便的问题，但造价依然很高。 主要是因为感应电缆的价格高达6 0 0 元m ，每套系统需要3 条不小于l o o m 的咆缆，仅 花在感应电缆上的费用就高达1 8 万元以上。三车联锁系统的总价格高达3 0 万元至5 0 万元。 为此我们改用无线电鉴相定位技术，它的定位精度和工作可靠性与无线感应技术相 当，但省去了3 条感应电缆，从而使系统总价格至少可降低1 7 万元。 本课题所研究的内容就在于将无线电鉴相定位技术用于机车定位系统中，用较低的 造价获得较高的定位精度，来精确定位每一辆机车( 以一辆机车为例) 所到达的具体位 置，精度为1c m 。 1 2 焦炉车辆联锁控制国内外研究现状 焦炉机车运行轨道长度一般长达1 0 0 2 0 0 m ，焦炉机车按照生产工序的要求，需要 处于一种“运行一对正停车一运行”的往复行走状态。如何能使焦车能自动停车定位在 指定的炉号位置，是实现联锁自动控制的关键。焦炉生产处于露天工作环境，受天气的 影响较大，加之车辆是在温度高、粉尘大、腐蚀性气体严重的恶劣环境中作业，车辆分 散、活动频繁、运行时自身振动大，使系统的准确检测与定位控制难以保证，相互问信 息联系不能及时可靠的传递。针对这些问题各国工作者相继提出多种解决方案，值得我 们借鉴使用。 国内最早的应用是将光电传感器，一般采用旋转编码器，安装在车轮上用来检测车 辆运行位置，通过对旋转编码器输出的两路脉冲进行辨向，后接可逆计数器就能实现焦 车绝对位置的检测。这种方式具有没计难度低、电路设计简单、成本低廉、安装调试方 便、运行维护成本低等优点。基于此，很多设计方案都采用了这思路。由于焦车是大 型机械，而且是露天工作，在雨雪天气的影响下，在焦车运行时不可避免的会产生滑移， 同时在常年高温高热的环境下焦车轨道容易出现变形，难以避免产生检测误差和累积误 差。即使增加位置校诈系统，也无法保证对正精度的要求，但是如果仅用于炉号的识别， 在此基础上增加必要的误差补偿装置，还是可以采用的。 另种低成本的解决方案是在铁轨旁安装齿条，用齿轮带动旋转编码器的办法，可 以达到一步运转，然而由于焦炉环境恶劣，铁轨不直不平，车辆横向窜动，落焦堵塞、 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 粉尘、振动等原因，经常造成齿轮脱啮，而不能正常使用。系统运行可靠的前提是设计 出一套能够适应焦车运行状况的一套联动装置，这本身就会增加系统的设计难度、同时 也增加系统不稳定因素，使可靠性降低。 采用对射方式组成的红外线编码识别系统是9 0 年代我国出现的一种炉号识别方法， 它采用了绝对编码，理论上没有累积误差，在南京梅山焦化厂等就是采用了这种方法。 由于是光路混合，在焦炉恶劣环境中烟雾粉尘会产生干扰，并带来较突出的维护工作量， 但总体上这还是一个较可靠实用的识别方式。 用接近丌关加金属码牌进行炉号识别对位是克服粉尘干扰采取的一种方案。由于接 近开关有效感应距离短，不超过1 0 c m ，使接近开关与码牌间的距离难以控制，不能保 证对正精度。但接近丌关的低成本、易维护、以及非接触性非常合适于焦车这种振动非 常强烈工作形式下的炉号识别。存在的不足是金属码牌不能实现绝对编码，使炉号识别 的软件工作量和系统的不稳定因素增加。 感应无线技术是发达国家七十年代末兴起的一项新技术，目前仅日本住友等几个大 公司掌握该技术，该技术主要应用于大型机车的数据通信、地址检测，并结合计算机技 术、自动化技术达到自动控制的目的。感应无线技术将无线通讯与炉号位置识别合于一 体，能实现大型移动设备的定位和与地面通讯，能适应恶劣的环境，在技术上是较好的 解决方案，己在武汉钢厂使用，效果非常理想。但这种方案的最大缺点是技术非常复杂， 成本昂贵，且焦侧( 拦焦车侧) 电缆易于损坏，一旦损坏，维修困难，维修时间长，影 响焦炉的连续生产，而且维修费用高。 射频识别技术( r f i d ) 是9 0 年代兴起的一项新型自动识别技术，它的突出优点是 利用无线射频方式进行非接触双向通讯，从而达到识别目标和数据交换的目的，利用电 子标签的信息标示可以完成多目标识别r f i d 技术已应用于交通、商业自动化等领域。 利用r f i d 技术进行焦炉炉号识别将具有固定编号的电子标签设于每孔焦炉，利用车上 的读写器来识别和确定车辆的绝对地址，是解决焦炉车辆定位的行之有效的方法。它具 有成本低，适应性强，绝对码址尤积累误差，抗十扰能力强，预埋标签无源等优点，其 缺点是对难精度偏低，但如果射频i jj , n 仪用f 炉号的识别还是完全能够满足系统的精度 要求的，是值得推荐的方式。 利用y 射线传播的强穿透性和直线性实现三车联锁是近年来出现的一个新方法。射 线适应环境的能力强，可在- 2 0 5 0 的温度下稳定工作，对正的精度非常高，已经 3 太原理】：犬学硕士研究生学位论文 应用于宝钢，效果非常理想。但y 射线具有放射性，对保护装置安全保障装置要求较高， 使得系统维护复杂，成本高。同时由于人们对射线的恐惧心理，也使得这项技术的推广 受到限制。 采用激光对正技术是国内的另一个创新技术，即在炉室旁按照炉室的距离预置一排 特定高度的钢辊，并在焦车上装一鼓轮机构，当焦车行驶进入炉室区域后，钢辊会沿着 鼓轮表面的螺旋沟槽移动，从而拨动鼓轮旋转，带动鼓轮机构中增量式旋转编码器，由 焦车控制器完成炉号的读取和识别。其主要部件都是无源的机械机构。精确对位是利用 三灯显示激光对射装置进行检测，在炉室的对应区域埋入遮光板，通过三束激光的对射 和不同的反射结果，从而提高机车对正的精度。 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是美国从本世纪7 0 年代开始研制， 历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时 三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。全球定位系统具有性能好、精度高、 应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。但由于他的精度随各个卫星的不同，而时 时发生着变化，一般精度为几米到几十米。无法满足机车高精度定位的要求。 1 3 本课题的主要研究任务 本课题的研究任务内容是在现今相位测量技术已经成熟的基础上，通过用鉴相器测 量载波相位差的方法来解决焦炉车辆的定位问题，并达到用较低的造价获得较高的定位 精度的目的。本文将重点讨论以下几个方面： 1 阐述基于相位测量技术的高精度无线定位原理，并对其定位精度进行分析，证 明该方法定位误差l e n a ，满足三车联锁系统对机车定位精度的要求。 2 根据本高精度无线定位原理设计一套机车位置采集装置，确定机车的实时位置。 3 设计上位机监控系统，上位机应用高级语言编程实现工作状念的动画监控，通 过无线数字电台实现各车与中控室之问的数据交换。 1 4 三车联锁系统总体方案 从功能上考虑，可将三车联锁系统划分为以下几个部分：信号发射部分、机车天线接 收部分、机车位置检测部分、机车控制器部分、通信网络和上位机监控部分，如图卜1 所示。 4 太原理：r 入学硕士研究生学位论文 图1 一i 三车联锁系统配置图 f i g u r e1 1g e n e r a ll a y o u to ft h et h r e ev e h i c l ei n t e r l o c k i n gs y s t e m 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 三车联锁系统各部分功能如下： 1 信号发射部分是完成频率信号的产生，然后用相距1 0 0 2 0 0 m 的高塔发射出去。 同时要求这两个发射塔发射出同频同相的信号，以便根据机车接收信号相位差来确定其 精确位置。 2 机车天线接收部分是完成发射塔发出高频信号的多天线接收，由于多天线接收会 产生相互干扰，所以我们采用搁板将其分开来解决干扰的影响，从而将接收信号进行处 理，并最终送入鉴相器鉴相。 。 3 机车位置检测装置分别装在推焦车、拦焦车、熄焦车上，它将接收到的信号处理 后送入鉴相器，把得到相位差进行处理、运算和分析后将数据( 机车的位置) 经通信网 络上传到中心控制室，由上位机做后续处理。 4 下位机机车控制器用来检测各机车的状态信息。通过无线通信模块同上位机实 现数据交换，将检测信息上传，接收上位机的命令，按既定协议解释命令，最终向机车 发出控制信号，控制机车的动作。 车上的显示屏直观地向司机显示各车当前所在的炉号和运行方向、推焦炉号、计划 推焦时问和各种辅助信号，指导司机控制机车的运行。 6 太原理工人学硕士研究生学位论文 第二章机车位置数据检测系统 2 1 无线电鉴相定位原理 2 1 1 定位系统的整体结构 1 设计思想 基本定位设计思想是由一个射频信号发生器产生一个高频载波，再用一个较低频率 的正弦波对它进行幅度调制。然后传到轨道两端的发射天线上发射。安装在各个机车上 的接收机将接收到的信号解调，并进行相位比较，从而获得机车位置的信息。设计简图 如图2 1 所示。 2 方案概述 = 二= 机车行进方向 图2 - 1 系统示意图 f i g u r e 2 1s y s t e m ss k e t c h 主站发射的载波频率是8 3 3 m h z 被0 2 3 m h z 调制，通过轨道两端的两个发射天线 发射出去。机车上有一对定向接收天线分别接收轨道两端的天线发来的信号，然后由两 套完全相同的接受电路分别对这两路信号进行处理。首先经过带通滤波器得到8 3 3 m h z 的已调波，并滤除带外杂波。为了提高鉴相精度，把接收到的高频信号与本机振荡信号 进行混频得到1 0 7 m h z 的中频信号，并将0 2 3 m h z 的信号解调出来。再用两个鉴相器 分别对来自两端的信号鉴相。一个鉴相器对两个8 3 3 m h z 的信号鉴相，得到段内位置m 。 另一个鉴相器对两个0 2 3 m h z 的信号鉴相，得到段落位置甩。最后可计算出机车的实际 位置为： 7 太原理 大学硕：f = 研究生学位论文 f 3 6 0 刀+ m ( c m )( 2 1 ) 2 1 2 机车定位精度分析 本课题所研究的定位精度为l c m ，而现今鉴相器的精度已经达到1 0 ，所以可以推断 此高精度的定位是可以实现的。我们只需要区分所得到的相位差是在哪一个3 6 0 0 内( 段 落位置) ，和在3 6 0 0 内的哪一个精确度数上( 段内位置) 。 1 段内位置确定 发射天线发射的高频信号是频率为8 3 3 m h z 的信号，由公式： e = f 五，其中c - 3 1 0 8m s( 2 2 ) 可以求得：且l = 以l - 3 ，6 m 。我们选用l c m 代表相位l 。，所以3 6 m 也就表示相位 3 6 0 。，这样就达到了1 c m 的精度，这3 6 m 为一段。 1 8 0 。3 6 0 05 4 0 。7 2 0 0 图2 - 2 段内位置检测示意图 f i g u r e 2 - 2s k e t c hm a po fi n s i d eo fs e g m e n t ：sl o c a t i o nd e t e c t i o n 机车处于轨道中心位置时，距两端发射天线距离相等，接收到两端信号的相位差为 零，我们以此为基准点：当机车向左或者向右行驶时，接收的信号产生相位差。 以向右行使为例。假设机车白中心位置向右行驶了nc m ，此时机车距两发射塔的 位置不同，所以发射波到达接收天线的时间不在相同，由此产生了相位差。当机车行驶 l c m ，则此时的相位差是2 。，而我们用1 。代表i c m ，理论定位精度可达0 5 c m ，加上 系统的其他误差仍可以使定位精度不超过1 c r n 。如图2 2 所示，每3 6 m 为一周期，这 就意味着段内位置测量只能测量3 6 m 范围内的距离，所以需要引入段落位置测量来解 决多值问题。 2 段落位置确定 段落位置确定是在轨道上确定机车位置是在哪个3 6 m 上，所以我们选用发射的频 8 太原理： 人学硕士研究生学位论文 率为0 2 3 m h z 的信号，波长五2 = 12 9 6 m = 3 6 3 6 0 。，即每3 6 m 代表长波中的1 。，定 位原理同段内位置确定相同。因其一个波长为1 2 9 6 m ，完全覆盖了机车轨道的长度，不 会出现多值问题。如图2 3 所示。当段落与段内位置均确定后，通过计算，便可得到机 车位置数据输出。 图2 - 3 段落位置检测示意图 f i g u r e2 - 3s k e t c hm a po f o u t s i d eo fs e g m e n t ? sl o c a t i o nd e t e c t i o n 2 2 机车位置采集装置硬件设计 2 2 1 发射电路 1 调幅电路 由定位原理可知，本无线定位系统需要发射电路产生8 3 3 m h z 和0 2 3 m h z 的两个 频率稳定的正弦信号。为了节省发射天线的个数，我们用o 2 3 m h z 的i f 弦波对8 3 3 m h z 的高频载波进行幅度调制，然后传到轨道两端的发射天线上发射。采用幅度调制的好处 是不影响相位和频率。 本课题中我们采用基极调幅电路。如图2 4 所示，c 1 ，c 2 分别对载波和调制信号 旁路以形成通路，c 3 对载波和调制信号均能旁路。r 2 、r 3 为偏嚣电路，使晶体管发射 结处于临界导通，从而使放大器工作在甲乙类状念。t l 是高频变压器，t 2 是低频变压 器，它们分别使高频载波信号和低频调制信号耦合到晶体管基极上。 9 太原理：人学硕：e 研究生学位论文 图2 4 基极调幅电路 f i g u r e 2 - 4c i r c u i to fa m p l i t u d em o d u l a t i o no f b a s i l a r 2 高频晶体振荡电路 电路如图2 5 ，由晶体振荡器，选频放大器等组成，主要功能是把晶体振荡器输出 的弱信号通过选频放大后，输出定位系统需求的频率稳定的8 3 m h z 的信号。其中r 1 、 r 2 、r 3 是三极管v t l 的偏置电阻，调节r i 、r 2 可调节、，t 1 的静态工作点；r 3 为v t l 的发射极反馈电阻，用于稳定直流工作点；c 4 为旁路电容；电感l 1 是回路电感，电容 c 2 、c 3 、c 5 、c 6 构成回路电容，c 5 、c 6 组成一个电容分压电路，将振荡电压的一部 分通过晶体s j t 反馈到三极管v t i 的发射极，在晶体s j t 的谐振频率左右，晶体呈现 的阻抗很小，反馈很强，电路可以满足起振条件。调节电容c 3 ，电路可以在很小的频 率范围内振荡，振荡频率由整个反馈环的相位平衡条件决定，而不是单单取决于晶体 s j t 的谐振频率。但是由于晶体s j t 的等效q 值很高，在稍微偏离晶体s j t 谐振频率时， 相移就会发生很大的变化，所以晶体对谐振频率的数值起主要作用。振荡的信号经耦合 电容c 7 送至选频放大器v t 2 的基极，由v t 2 的集电极将放大的信号送入由电感l 2 、 电容c 8 、c 9 组成的谐振选频嘲路，调整电容c 8 使回路谐振在8 3 m 的；频率上，信号 经福合电容c 1 1 输出。r 4 、r 5 为v t 2 的偏置电阻：c 1 0 为交流旁路电容：r 6 为v t 2 的发射极反馈电阻。电感l 3 、电容c 1 2 、c 】3 组成了高频扼流回路，既防止高频信号分 流到电源中去，也抑制了电源中的谐波窜入高频电路中去。 1 0 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 图2 - 5 高频振荡放大电路 f i g u r e 2 - 5c i r c u i to fh i g h f r e q u e n c ym o n o f i e r 3 发射电路 2 3 0 k h z 的晶体振荡电路与8 3 m h z 的类似，这罩就不在赘述，用0 2 3 m h z 的正弦波对 8 3 m h z 的高频载波进行幅度调制，就得到下面的发射电路的总体电路。 太原理工火学硕 = 影f 究生学位论文 图2 - 6 发射电路 f i g u r e 2 - 6c i r c u i to ft a n s m i t e 太原理工人学硕士研究生学位论文 2 2 2 接收电路 我们设计的接收电路的作用是经过带通滤波器得到8 3 3 m h z 的已调波，放大并滤 除带外杂波。 c 2 5 亿5 l 1 f l 2 ； 6 tf j 、2 t r 1 1 0 k r 3 l k ，f l r 4 1 0 k l l1 k l 3 ，、r 、1 n 5 6 u ) - 呙 v t l9 0 1 8 r 6 r 5c 3 k 5 2 5 v t 2 9 0 1 8 r 7l i l 上6 5 1 u 下卸 图2 7 接收电路 f i g u r e 2 - 7c i r c u i to fr e c e i v e 电路如图2 7 所示。天线接收到的信号经耦合电容c 1 送入由l 1 ，c 2 组成的选频滤 波回路，再经l 2 耦合后送入三极管v t l 的基极，调节c 2 可以改变选频回路的谐振频 率；r i 、r 2 、r 3 是三极管v t l 的偏置电阻，调节r 1 、r 2 来调整v t i 的静态工作点； r 4 为v t l 的发射极反馈电阻，用来稳定静态工作点；c 3 是旁路电容；信号被三极管 v t l 放大后经耦合电容c 4 送入v t 2 的基极；r 5 、r 6 是v t 2 的偏置电阻，r 7 为v t 2 的发射极反馈电阻；c 6 是旁路电容；电容c 5 、电感似组成选频回路，滤除三极管v t 2 送来的振荡信号的杂波，再经电容c 7 耦合送入下级；l 3 、c 8 组成高频扼流圈，既起到 了抑制了电源中的谐波和高频电路的互扰的作用，同时也阻止了v t 2 回路中的高频分 流进入v t l 中，避免了前后级的互扰。 2 2 3 混频电路 我们固然可以对接收到的高频载波直接进行检测鉴相，但由于频率较高，测相误差 会比较大。由下面的理论分析可知，高频信号通过取样下变频转换成为相应的中颇信号 并不改变两个信号的相位差。因此为了提高鉴相精度和稳定性，我们采用先将信号混频 后选频放大再去鉴相。在本课题中所选用的混频器足型号为m o t o r o l a 的m c l 4 9 6 。 1 下变频原理 1 3 凹十脚 m 盯 一 _ a 筇丫l上t 太原理j 二大学硕： ：研究生学位论文 下变频原理如图2 8 所示，由频率变换装置来完成。变频器由取样锁相装置充任。 虽然其功能和普通的变频器相同，但是其频率覆盖范围却比经典的变频器大很多，甚至 跨越上百个倍频程。两路变频器必须采用公共的本振源或者取样脉冲源。 图2 - 8 下变频原理图 f i g u r e 2 8d i a g r a mo f l o w e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n 下变频采用取样鉴相电路实现，加到a d 转换器上的取样脉冲信号用单位脉冲序列 表示为： k ( f ) 文f n t ，+ t 0( 2 3 ) 其中，矸为取样脉冲周期，v 2 ( t ) = v 2 s i n ( g - 2 t ) + o o 广m o i 】表示初始时延，其对应的初始相移 6 1 = ( 2 r d t , ) t ,( 2 - 4 ) 设被取样的正弦波为v t ( t ) = v l s i n ( c - 0 0 f + 0 0 ) ，岛为其初相，则被取样的正弦波可表示为： ( f ) = 巧s i n ( m 0 9 ，f + 0 2 )( 2 5 ) 式中0 2 = ( o o o - m o o ，) t + o o 表示以m o o d 为参考的瞬时相位。 在咖相对于m o o ，有固定频偏值的情况下，鉴相器的取样过程如下： 取样发生在r n = ，z t , - f l ，所以只需要将，。代a ( 2 5 ) 中即可得理想取样时( 取样开关内阻 为零) 取样点电压的电压值为： p 硪f n 产v i s i n m 2 7 t t , ( n 了 f 1 ) + 】“s i n ( 2 m n r t + 0 2 一t 0 0 1 ) = s i n o c ( t )( 2 6 ) 其中，弘垆( c o o t + o o ) 一( m o o ，t + m 0 1 ) 表示信号源输出f 弦信号与取样脉冲信号m 次谐波 之间的相位差。 当o = m o o 。时，铲岛一m o - 。说明取样点电压值是不随时间变化的。 1 4 太原理工大学硕上研究生学位论文 当。 聊，时，取样鉴相在此时相当于一个下变频器，输出一个电平随正弦变化的 低频正弦波，且被取样的原正弦波( 垆f o s i n ( w o 什o o ) 的相位信息得到了保留，输出的低 频正弦波为 瞅如) ：v ls i n ( w o m 蚺) t + e o m o d = v js i n ( q t ) + o o t 0 0 1 ( 2 - 7 ) 同理，假设被取样的另一路同频正弦波为v 2 ( o = z 2 s i n ( c o o t ) + o o l ，则 o e ( t ) = ( t o o m a g r ) t + o o 厂m o l( 2 8 ) 表示信号源输出正弦信号与取样脉冲信号m 次谐波之间的相位差。取样脉冲信号对正弦 波v 2 ( t ) = v 2 s i n ( w o t ) + o o l 取样的输出为低频正弦波： 眦f n ) = v 2 s i n ( 2 t ) + o o l t o o l 】 ( 2 9 ) 其中o = - a o - m o ) ，可知，进行双路频率置换后，下变频所得的两路信号仍然是同频信 号，且原始信号k ( f ) 与v 2 ( t ) 的相位信息得到了保留。所以( f ) 与v 2 ( t ) 的相位差可以通 过测量以( f ) 和o e ( t ) 的差值来获得。 由此理论分析可知，混频并不改变两个信号的相位差。在本课题中所选用的混频器 是型号为m o t o r o l a 的m c l 4 9 6 。 2 m c l 4 9 6 引脚图 m c l 4 9 6 引脚如图2 - 9 所示。弓【脚功能说明如下： s i g n a li n p u t ：信号输入端； g a i na d j u s t ：增益调整 b i a s ：偏置电压 o u t p u t ：输出端 n c ：不连接； i n p u tc a r r i e r ：输入载波端； c a r r i e ri n p u t ：载波输入端； o u t p u t ：反向输出端； v e e ：电源。 l5 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i g n a li n o u t g a i na d i u s t g a i na d j u s t s i g n a li n n u t b i a s o u t , o u t n c 图2 - 9 m c l 4 9 6 引脚图 f i g u r e 2 9p r o so fm c 1 4 9 6 v e e n c o u t p u t n c c a r r i e ri n p u t n c i n p u tc a r r i e r 3 m c l 4 9 6 电路 m c l 4 9 6 混频电路如图2 一1 0 所示。载波信号和调制信号分别由m c l 4 9 6 的1 0 脚和 1 脚输入，经过内部乘法器相乘，输出信号就会包含频率为两个输入信号差频的已调波， 两个输入信号的输出差频信号由6 和1 2 脚输出，其中6 脚是同相输出端，1 2 脚是反相 输出端。1 0 、脚所接电容的作用是滤除直流成分，滑动变阻器是调零的作用。在输出端接 一个带通滤波器，带宽与己调波频带宽度相等，就可取出调制规律与外来己调波信号完 全相同的中频已调信号。 f i g u r e 2 10c i r c u i to fm i x e r 图2 1 0 混频电路 本课题中本振选用7 0 m h z 的晶体振荡电路，实现力法与2 2 1 中的高频振荡电路 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 相同，晶振选取的是型号为j a 7 2 a 一7 0 m h z 的石英晶振，电路如图2 - 1 1 所示。 图2 1 17 0 m h z 晶体振荡电路 f i g u r e 2 11c i r c u i to fc r y s t a lm i x e ro f7 0 m h z 2 2 4 检波电路 将接收到的高频信号与本机振荡信号进行混频得到的中频信号解调出0 2 3 m h z 的 信号，之后才能分别将两个不同频率的信号送入鉴相器。 检波电路图如图2 1 2 所示。主要通过电容的充、放电来实现的。输入为1 3 3 m h z 的调制信号，经过线圈耦合到检波回路，通过电容c l 的充、放电，在电容c 2 处检出 0 2 3 m h z 的信号。 =1 v ：门 字3r - j ，v d= c 4 7 图2 1 2 检波电路 f i g u r e 2 - 12c i r c u i to fd e m o d u l a t i o n 2 2 5 整形电路 由于a d 9 9 0 1 鉴相器的输入信号需要的是方波信号，所以需要在鉴相之自，j 加一个整 彤电路，即将正弦波整形成方波。我们所选用的运算放大器件是型号为a d 5 5 3 9 的高频 1 7 rii_-l-lii 太原理工人学硕士研究生学位论文 运算放大器。 图2 1 3 是a d 5 5 3 9 整形电路，1 脚是同相输入端，混频后的信号经电容滤除直流后 进入放大器；1 4 脚是反相输入端，可以通过滑动变阻器调节直流电流值；3 脚和1 0 脚 所接电容均是起到滤除直流的作用；8 脚为放大输出，为了保证输出为纯交流，所以输 出的电流经电容后为实际的放大输出。 图2 1 3 整形电路 f i g u r e 2 13c i r c u i to fp l a s t i c 2 2 6 鉴相电路 鉴相技术是本课题的关键技术，机车位嚣的确定是依靠相位差鉴别来实现的，所以 鉴相的精度决定着定位的精度。根据本课题的要求，选取的鉴相器不仅要有较高的鉴相 精度，而且要有较高的工作频率。经查阅资料并对符合系统要求的几款鉴相器进行比较， 我们最终选择了型号为a d 9 9 0 1 的鉴相器。 1 超高速鉴频鉴相器a d 9 9 0 1 介绍 a d 9 9 0 1 是美国a d i 公司生产的超高速鉴频鉴相器。它的一个主要特点是无需预分 频就可以对中频输入进行鉴相或鉴频，不会出现常规锁相环( p l l ) q b 常见的相位不确定 1 8 太原理工人学硕士研究生学位论文 现象。由于采用了特殊的设计，a d 9 9 0 1 的线形范围不像其他电路有不稳定相位检测区。 仅需要+ 5 v 电源，就能在t t l 或c m o s 逻辑电平下工作。它还能在一5 2 v 的e c l 电平 输入下工作。集电极丌路的输出结构使输出摆幅达到后继电路的输入要求。通过一个电 阻就可简单设置芯片的输出电流，芯片工作在低频时可以降低功耗。 2 a d 9 9 0 】引脚图 a d 9 9 0 1 有商业级( 工作温度范围为0 。c 一7 0 c ) ，也有军用级( 工作温度范围一5 5 1 2 5 ) 芯片。商业级芯片采用1 4 脚d i p 和2 0 脚l c c 、p l c c 封装。我们选用的 是商业级t 丁l 型。引脚图如下所示： g r o u n d b l a s g r o u n d g r o u n d v c o p u t o u t p u t 十v s 图2 1 4a d 9 9 0 1 引脚图 f i g u r e 2 1 4p i n so f a d 9 9 0 1 g r o u n d g r o u n d r e f e r e n c e 烈p u t + v c o u t p u t r