电缆故障定点仪毕业论文.doc

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1、摘 要 电缆故障定点仪毕业论文 摘 要 随着社会的发展，人们对电力输电的要求越来越高，为了避免在地面上错综 复杂的电线对人们的生活带来不便，在城市中大量的使用地埋电缆，地埋电缆线 一旦发生故障，电力的维修的首要任务是精确定出地埋电缆的故障点。本文根据 电缆故障点高压放电时产生的声音和磁信号，计算出磁、声信号到达接收端的时 间差，可快速准确地找到故障点。 本文针对上述需求，用能响应微弱振动的压电陶瓷探头探测高压放电时产生 的（振动）声音信号，用磁棒线圈探测高压放电时产生的电磁信号，设计了微弱 振动信号的低噪声带通放大和50Hz陷波的模拟放大电路，和兼备电缆路径探测与 声磁同步定点的磁感应信号放大

2、电路等硬件系统，以及相应功能的软件。实验结 果证明，该仪器对达到了地埋电缆电缆故障点定点效果良好，且具有环境噪音屏 蔽。 关键词：电缆故障定点仪 声磁时间差 50Hz陷波陷波 Abstract Abstract With the development of society, peoples requirement of power transmission is higher and higher, in order to avoid the inconvenience of intricate wire on the ground in peoples lives,people incre

3、asingly prefer to cover the cable under the ground .But ,come problems at the same time ,if the cable under the ground has any faults,it is very difficult to recognise where points of fault are located from the ground, which leads to inconvenience for electrical maintenance . Based on the signal of

4、sound and magnetism which emerges when high voltage discharging on point of fault in the cable , and calculation the time difference between magnetic signal and sound signal to reach the receiver, you can quickly and accurately find the point of failure. In response to these needs, the response to t

5、he weak vibration of piezoelectric ceramic probe to detect the high-pressure discharge (vibration), sound signals, electromagnetic signals generated when the bar magnet coil to the detection of high- pressure discharge, design the low noise of the weak vibration signal the vocal cords passenlarge an

6、d 50HZ notch analog amplifier circuit, and both the synchronization point magnetic induction signal in the cable path detection and sound, and magnetic amplifier hardware system, and the corresponding features of the software.The experiment shows that the instrument can quickly and accurately fix th

7、e point of cable fault .And ,whats more ,it has the characteristics of ambient noise shielding and automatically mute when people touch close to it. Keywords: Cable faults tester Time difference between sound and magnetic 50Hz notch 目 录i 目 录 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 电缆故障定点仪概述.1 1.2 电缆故障性质与定位及精确定位.2 1.2.1

8、电缆故障性质.2 1.2.2 电缆故障点预定位方法及其比较.2 1.2.3 电力电缆故障点精确定位与电缆识别方法6 第二章第二章 硬件结构原理及理论分析硬件结构原理及理论分析.9 2.1 系统框图.9 2.2 压电陶瓷的特性.9 2.3 电磁波传感器设计.11 2.4 声路前置带通滤波器电路.11 2.5 陷波器与网络匹配电路.14 2.6 功率放大器电路.16 2.7 磁信号通道的硬件结构.18 2.8 欠采样技术及理论分析.22 2.8.1 欠采样目的.22 2.8.2 采样的方法.22 2.8.3 采样保持电路的分析.23 2.8.4 低通滤波器的设计.27 2.8.5 模拟开关.29

9、2.9 系统供电电路.30 2.10 比较器电路 31 第三章第三章 单片机及软件单片机及软件.33 3.1 核心控制单元.33 3.2 软件部分 34 第四章第四章 总结与展望总结与展望.37 ii目录 4.1 总 结.37 4.2 展 望 .37 致致 谢谢.39 参考文献参考文献.41 第一章 绪 论1 第一章 绪 论 1.1 电缆故障定点仪概述1 近些年,因为电力电缆有其安全性和“可靠“隐蔽的性能等优点，它在城市的电 力网络中得到了越来越多的应用。但是,由于电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻 找故障点是一项非常困难的工作。怎么能准确并且“迅速“而又低成本地寻找到电 力电缆的故障并想办法排

10、除，迅速恢复供电，尽可能减少停电的时间，并削弱因 停电而带来的损失，这已经成了电力部门和生活用电越来越关注的问题。很长时 间以来，工程师们在实践中积累了许多查询故障点的方法，尤其是随着新的技术 的发展，不断提出来了一些新的理论与方法也。电力电缆的故障检测一般可分为 两个步骤,一是故障测距，二是精确定点。因为电缆线在实际应用中,一般是左右 弯曲、上下波动, 而并不是直线传输。所以,在实际测距中所得到的测量结果有可 能和实际测量点与故障点之间的距离有所偏差,这也是下一步精确定点时所要做的 工作。在电缆的故障进行大量的统计中, 全部故障率的 90% 以上的都是电力电缆 的高阻故障，其他的故障只是少数

11、。若想精确定点高阻故障，一般的方法有： 1，声测法(包含声磁同步法)；2，声磁传播时间差测量法。目前情况, 最为经济有 效的故障定点方法是声磁传播时间差法,采用声磁同步法的优点是能判别出声音最 大信号点的,而声测法且做不到。仪器根据接收到的放电时产生的声波和放电时产 生的电磁波,并计算声磁信号的时间差,然后显示距离，这样就可以精确地看到测 量点到故障点的距离。本系统采用声音信号与磁信号传播时间差的测量法,研究了 电力电缆寻迹与故障精确定点仪。利用压电陶瓷接受声音和线圈接受磁信号，然 后把信号经过滤波器与放大器等硬件结构,编写单片机的计算程序,实现了电力电 缆寻迹与故障精确定点的功能。为电力电缆

12、故障的测寻提供了一种有效的手段。 以前的电缆故障定点仪，主要是噪声大，灵敏度低，准确性较差，容易造成故障 点误判，给电力电缆的维修带来不便。 2地面微小振动的检测 1.2 电缆故障性质与定位及精确定位2 1.2.1 电缆故障性质 快速地判断电缆故障的性质与故障原因对分析与判定出故障点都是十分重要。 目前，基于测试故障技术的水平和发生故障的点电阻值的大小，电缆故障大概可 以分为以下几种：1，开路故障；2，低阻故障；3，高阻故障；4，闪络故障及外 护套故障等。电缆故障的原因有： 机械造成的损伤，在电缆故障中占很大的比例，主要原因是安装时受到损伤、 外力破坏等。 绝缘受潮，主要原因是护套穿孔、终端盒

13、密封不良及电缆制造不良。 绝缘老化，其重要的因素是电缆经常过负载地运行而产生电缆过热。 电力电缆故障的原因还有过电压、材料的制作缺陷以及制作工艺不完整等。 1.2.2 电缆故障点预定位方法及其比较 1电桥法 电桥法曾经非常受人们欢迎并是常用的方法，它的工作原理是利用电力电缆 的直流电阻与其长度成正比，电桥法适用于检测低阻接地、外护套和短路故障， 其电路原理图见图1.1所示。但是它的缺陷是：当检测三相低阻故障时，因为没有 完好的做比较的相，这样就没有办法进行测试。 如果故障时是高阻故障，我们 可以运用高压去烧穿故障点，把高阻的故障点击穿变为低阻的故障再去测量，但 并不是所有的高阻故障都可以烧穿为

14、低阻故障，这样就限制了这种方法的运用。 图1.1 电桥法电路原理 2低压脉冲反射法 第一章 绪 论3 低压脉冲反射法适合于检测低阻(一般是低于 10 倍波阻抗)、接地和开路故障， 而且还能够测量电缆的全部长度以及电波在电缆中传播的速度。如果电缆出现了 低阻或接地故障，故障电阻与电缆特性阻抗的并联就是故障点处的等效阻抗，若 故障点处的电阻变小，则反射波形变的也更明显，当故障电阻降低为零时就成为 了全反射。因为测试仪器输入端的等效阻抗(测试仪器的输入阻抗)远大于电力电 缆的特性阻抗，所以能够在测试端产生同极性的反射脉冲，然而在低阻和接地故 障处，因为电力电缆的故障电阻小于电缆特性的阻抗，当 300

15、V 左右的入射脉冲 输入到电缆后能在低阻和接地故障点产生反极性脉冲，该波形可以传输到测试端 被仪器接收，每一个接收到的反极性脉冲的下降沿就是故障点的反射波形。如果 电力电缆出现了开路故障，故障电阻与电缆特性阻抗的串联就是电缆故障的等效 阻抗，若故障点是开路故障，那么故障电阻就是无穷大，在开路故障时，输入到 电缆的入射脉冲将产生全反射，在测试端能够收到同极性的反射脉冲，并且接收 到的同极性的脉冲的上升沿就是故障点产生的反射的波形。低压脉冲反射法的电 路也非常简单，见图 1.2 所示，电缆接头处的特性阻抗一般情况下会变的比较大， 此时，反射波和入射波完全同极性。并且电缆特性阻抗比“T 接”处的等效

16、阻抗大， 因此在此处入射波的极性与反射波的极性相反。 图1.2 低压脉冲发射法测线电路图 3直流高压闪络法 直流高压闪络法简称直闪法，主要是应用于检测高阻闪络故障，高压检测设 备若把电压上升到某确定的值时就会产生闪络击穿。根据取样方式的不同，我们 把直流高压闪络法分为电压取样法和电流取样法。现在以电压取样法为例，其电 路原理图见图1.3所示 4地面微小振动的检测 图1.3 直流高压闪络电压取样法电路图 利用直流高压闪络法得到的波形不仅简单，而且容易理解。但是缺点是不能 多次重复地使用该方法，原因是有些故障点在经历若干次高压闪络放电之后，故 障点的电阻就变得比较小，因此不能够再用直流高压闪络法进

17、行检测，所以在实 际检测作业中及时保存进行直流高压闪络法测试所得的波形是非常必要的。但是 并不是每次检测都能得到故障点的波形，因此在检测时不仅要仔细观察仪器波形， 还要特别留意电压是否突然变小或直流泄电流是否突然变大等现象。 4冲击高压闪络法 冲击高压闪络法主要是应用于直流高压闪络法不能够测试到的泄漏性高阻故 障，并且也能够对闪络性高阻故障进行测试。对于泄漏性的高阻故障点，若运用 直流高压闪络法，因为流过故障点的电流比较大，很大一部分高电压都被分到了 高压检测设备的内阻上，导致电缆上施加的电压比较小，这样故障点就很难产生 闪络击穿，也就根本得不到故障点的波形。冲击高压闪络法与直流高压闪络法的

18、电路原理图几乎一样，它也可以分为电压取样法和电流取样法两种取样方法，不 同之处就是在储能电容与电缆之间串入一个球形间隙，见图1.4所示 图1.4 冲击高压闪络电压取样法电路原理图 当电容不断积累电压并达到足够高时，球形间隙就被击穿而导通，此时电容 上的高压就会对电缆放电产生闪络击穿，得到故障点的波形，它的工作原理其实 就是把直流电源电压一瞬间加到电缆上。因为直闪法波形相对简单，并且比较快 第一章 绪 论5 捷地得到较准确的数据，平时我们应尽可能采用直流高压闪络法检测。 5二次脉冲法 二次脉冲法主要是应用于检测高阻故障与闪络故障。采用的低压脉冲的电压 300V左右，当故障点接地电阻比较小，且小于

19、五倍电缆的波阻抗时，此时对于低 压脉冲而言，可以认为故障电力电缆是开路。 二次脉冲法的过程是：对电力电 缆首先释放一个足够高的高压脉冲，使电缆的故障点产生闪络击穿，然后在故障 点的电弧未熄灭时就紧接着就触发释放第2个低压脉冲，这时对于低压脉冲，故 障点就是完全短路的，其原理图见图1,5所示 图1.5 二次脉冲法原理图 因此检测仪器接收到的低压脉冲反射波形就相当于故障点接地阻抗为零而得 到的波形。如果把释放高压脉冲时得到的低压脉冲波形与未释放高压脉冲时得到 的低压脉冲波形进行相加，两个波形会产生一个发散点，并且发散点就对应着故 障点的反射波形点。这种方法综合了低压脉冲法和高压闪络法的优点，并把他

20、们 两个结合在一起，使测试人员非常容易地检测出故障点的位置。当电缆有“T 接” 故障时，“T 接”处电缆的波阻抗产生了改变，我们应用二次脉冲法完全可以避免 高压闪络法的不足，可以快速准确地知道此处是否为故障点。 6三次脉冲法 在二次脉冲法的基础上，对其提升得到了三次脉冲法, 三次脉冲法方法的原 理如下：第一步，不破坏电力电缆故障点,我们先给电缆施加低压脉冲，这样可以 得到低压脉冲的反射波形；第二步，紧接着在电缆上施加高压脉，此时电缆故障 点被冲击穿并且产生电弧；第三部，当检测到电弧电压降到一定值时，我们施加 6地面微小振动的检测 中压脉冲来延长与稳定电弧放电的时间,然后再施加低压脉冲,这样可以

21、得到故障 点的低压脉冲反射波形,把未施加高压脉冲得到的低压脉冲波形与施加高压脉冲得 到的低压脉冲波形进行叠加，同样可以发现发散点，并且发散点就是故障点对应 的位置.由于采用了中压脉冲技术，电弧时间得到稳定和延长,它比二次脉冲法更 容易得到故障点波形。 1.2.3 电力电缆故障点精确定位与电缆识别方法 1声测法 声测法是电缆故障精确定点的主要方法,一般应用于测试部分低阻故障，闪络 性故障和高阻故障。与冲闪法使用的设备相同，若故障是电缆的护层被烧穿，可 以很方便直接地听到故障点的发电声；若故障是电缆的护层未被烧穿，采用压电 陶瓷做声电换能器，可以将很小的震动信号换成电信号，进行滤波，放大，功放 等

22、处理，侦听时用耳机来进行，故障点位置就是侦听出的最响点的位置。 2声磁同步法 对于人而言，对声音响度没有对频率敏感，故在实际测试中，再加上环境噪 声的干扰，很难用声测法去准确辨别故障点。因为电力故障点在放电时，不仅有 放电声产生，而且还会有向地面传播的高频电磁波的产生。运用压电陶瓷接受声 音信号，利用线圈接受磁信号，再测量出两路信号到来的时间差就可以计算出故 障点的距离，是声磁同步法的工作原理。在声波测试方法的基础上不断改进，提 高抗干扰能力。 3音频感应法 声磁同步法固然先进，但是它也有自己的缺陷，当遇到低阻故障，如三相对 地短路，相地短路以及相间短路，此时电缆故障点电阻等于零，采用声磁同步

23、法 时，故障点产生的磁信号和电声音都非常地微弱，运用声磁同步法根本无法进行 精确定位。而音频感应法的工作原理是：通过仪器向导体施加 1kHz 左右的音频 电流，检测人员在地面上用音频线圈探头沿着电缆的走向进行检测，用音频线圈 探头接收到的磁信号，需要经过处理（如滤波，放大，功率放大）才能用耳机侦 听或者用表头显示。检测低阻抗故障（相间短路，相对地短路），检测人员拿着 仪器顺着电力电缆路径前进，在故障点之前，同耳机可以听到施加的音频信号， 第一章 绪 论7 响度适当，并且在故障处时声响会增强，过了故障点后，声响会有明显变化（例 如声音很微弱，或者根本就听不）。但是针对于单相接地的故障，由于其他相

24、完 好无缺，施加的音频信号可以在这个路径上都被仪器检测出来，并且响度都差不 多，单线圈检测的方法已经不可行。 此时可以采用两个线圈做差动线圈来接收，原理如下：两个线圈收到的电压 信号做差分，从而可以抵消流过地的电流产生的磁场，剩下的导体与金属护套之 间流动的电流产生的磁场，可以被接收器接受并用来定位，在故障点前，仪器能 收由于其中一相对地短路而造成的差信号，而在故障点之后，由于没有没有电流 流经导体，因此，仪器接收到的信号为零。 8地面微小振动的检测 第二章 硬件结构原理及理论分析9 第二章 硬件结构原理及理论分析 2.1 系统框图 图 2.1 系统框图 该系统主要有磁和声音两条通路，线圈作为

25、磁传感器，压电陶瓷作为声音传 感器，他们负责收集故障点发出的微弱声音与磁信号，然后在经过放大，带通滤 波，声音信号经过功率放大器后可直接听到声音。但是磁信号频率分量太多，经 过带通滤波，然后欠采样，低通滤波，可以得到人耳可以听到的纯净声音,从而可 以进行路径探测。两路信号经过比较器得到单片机可以处理的 TTL 电平，然后传 送给单片机，由于磁信号总是早于声音信号到来，从而单片机可以根据两个信号 到来的时间差计算出故障点距离仪器的距离，从而实现快速，准确地电缆故障定 点探测。 2.2 压电陶瓷的特性3 压电效应早在 1880 年就为雅克和皮埃尔.居里兄弟所发现，但这一效应的广 泛应用，只是在压电

26、陶瓷发现之后才得以实现。本世纪四十年代发现了钛酸钡， 五十年代发现了锆钛酸铅（PZT）和以锆钛酸铅为基的三元系、四元系，满足了 不同的特殊要求。七十年代初，又研制成功具有电光效应的锆钛酸铅镧（PLZT) 透明陶瓷材料，近年来出现了锆钛酸铅和高分子聚合物压电体的复合材料以及压 10地面微小振动的检测 电薄膜等，这些材料为压电材料的应用开辟了新的前景。压电陶瓷是一种多晶材 料，它以制作简单，成本低廉以及换能效率高等优点，得到了迅速发展。压电陶 瓷的品种不断推陈出新，其应用领域方兴未艾。目前压电陶瓷的应用已渗透到国 防建设及国民经济的各个领域，从导航的压电陀螺到探测地下压力变化的换能器： 从日常生活

27、的扬声器、传声器到现代尖端科学用的红外探测器、电子计算机存储 器：从民用的安全保险装置到军用的报警器：从气体的引燃到超声、水声方面的 应用等。反过来，这些应用又促进了压电陶瓷材料本身的发展。每一个压电陶瓷 材料都有其谐振的基频，与它安装的方法、自身尺寸等因素有关。为了减少系统 频带过宽而使噪声增加，我用示波器测量了压电陶瓷探头的频谱响应曲线，从而 设计带通滤波器时，使滤波器带宽尽可能窄，而又包含压电陶瓷探头的基频区， 且把压电陶瓷探头响应最大得那点作为滤波的中心频率。这样可以得到好的响应， 而又滤去了噪声。下面是用数字示波器（型号：GDS-2062，选择示波器内部把信 号放大 100 倍)测量

28、的压电陶瓷的频谱响应图：（如图 2.2） 图 2.2 压电陶瓷响应特性 说明：上面的图均是压电陶瓷探头放在地面上时的测量 1标有 first 的图（第一行左数第一个）：是示波器没有任何输入时的频谱 响应，明显示波器被 50Hz 交流电干扰。 第二章 硬件结构原理及理论分析11 2标有 chair 的图（第一行中间）：是稍有力的用椅子击打探头附加的地面 时的频谱响应，除了被市电干扰的波峰外，另有三个波峰，有分析可知，540Hz 是压电陶瓷探头的谐振基频，1235Hz,1630Hz 分别是其二次，三次谐波响应。 3标有 move 的图（第一行右数第一个）：是用脚推动探头在地面上移动时 的频谱响应，

29、由于移动速度慢，其基频响应特别好，二次，三次谐波响应很弱。 4标有 move2 的图（第二行左数第一个）：是用脚快速推动探头在地面上 移动时的频谱响应，由于速度加快，与图 move 相比，三次谐波响应明显增强。 5标有 tick 的图（第二行中间）：是让探头轻轻击打地面时的响应，由于 时用探头击打地面，即使非常轻，压电陶瓷的响应也比较剧烈，击打地面时产生 的谐波非常多。由于压电陶瓷对于谐振频带外的频率信号响应比较弱，且都差不 多，因此上图中会有许多幅值比较低的波峰。 6标有 foot 的图（第二行右数第一个）：是用脚用力跺探头附近的地面时 的响应，产生声音的源频率低，因此只有基波响应。 根据对

30、图 2.2 的分析可以得出结论：有上面六副图可知，本探头的谐振基波 是 540Hz,综合减弱噪声与响应频带的矛盾，我设计的带通滤波器能通过一，二， 三次谐波的响应，中心频率设为 736Hz,带宽设为 1840Hz。 2.3 电磁波传感器设计 电磁波传感器是用来检测由于电缆故障点击穿放电而产生的畸变的电磁信号 的,它可以将磁信号转换成电压信号然后传送到下一级放大电路中。在两根10 mm*120 mm 的铁氧体磁棒上缠绕上漆包线,然后将两线棒串联起来, 互相垂直 放置, 这样做的目的就是为了能够检测到各个方向上畸变的电磁信号，是仪器灵 敏度更高。 2.4 声路前置带通滤波器电路4 设计一个中心频率

31、为 736Hz，带宽为 1840Hz 的带通滤波器。选用的运放是 NE5532，设计一定的偏置电路让其工作在单电源模式下。带通滤波器电路图如图 12地面微小振动的检测 2.3： 图 2.3 声音带通滤波器 图 2.3 中滤波器的传递函数为： （2-1） 3131311 31 2 33 1 1 1)( CCRR s CCR CC s s CR sH 因此该滤波器为一个带通滤波器与一个增益为 0dB 的全通滤波器，根据各个 元件的参数及带通滤波器的标准传递函数式（2-2） （2-2） 2 0 0 2 0 0) ( )( s Q s s Q A sH 得到滤波器的各个参数如下： （2-3） 4 .

32、0 255 )( 736 2 11 33 3 1 313 11 3131 CRAQ R R CCR CR A Hz CCRR f O o 式（2-1）的推导工程如下： 第二章 硬件结构原理及理论分析13 为了便于推导，把图 2.3 中的电路图处理一下，元件用 Yn 表示，电路变化 为：图 2.4 图 2.4 带通滤波器传递函数推导电路图 （2-4） 43324131 21 41231 3131 1)s ( )( )( )s ( )()( )()( )()( YYYYYYYY YY H sU sU H YUYsUYYYsU YUYsUYYsU sUsU i O OBC OCB BB 整理上面四个

33、式子得 ，便可得到式（2-1） 34 1 3 3 211 , 1 , 1 ,ssCY R Y R YCY令 用 Multisim 软件仿真出来其幅频响应如图 2.5 图 2.5 声音带通滤波器幅频响应 14地面微小振动的检测 NE5532 具有非常好的性能尤其是其低噪声性能（在 1kHz 输入时，输入当量 噪声电压为，而 LM358 的噪声电压却为，TL062 的噪声电HznV /5HznV /40 压为 42），非常适合于本仪器，。其数据手册上这样描述：Hznv/ 结合出色的直流和交流特性的高性能运算放大器的NE5532和NE5532A。他们 具有非常低噪声，高输出驱动能力，高带宽团结增益和

34、最大输出摆幅，低失真， 高转换率，输入保护二极管，输出短路保护。这些运算放大器的内部补偿为单位 增益操作。该NE5532A已经指定为等效输入噪声电压的最高限额。 2.5 陷波器与网络匹配电路5 1由于声音带通滤波器放大了 256 倍，即使市电 50Hz 对压电陶瓷探头有微 小的干扰，若被放大 256 倍传入耳际也会出现大得噪声，甚至超过有用信号。陷 波器一般是有源器件做成，其 优点是 Q 值可调且可以很大，电路图如图 2.6 图 2.6 有源双 T 50Hz 陷波器 图 2.6 中陷波器的传递函数如式（2-5） （2-5） 22 22 ) 1 ( )1 (4 ) 1 ( )( RC s RC

35、s RC s sH 陷波器的各个参数计算如式（2-6）： 第二章 硬件结构原理及理论分析15 （2-6） RC Q 1 )1 (4 1 0 为反馈系数 2在本仪器所用的是无源双 T 陷波器，优点是电路比较简单，不仅省去了 两个运放，而且可以降低功耗，缺点是 Q 值比较小，且 Q 值不能调节。Q 值小意 味着 50HZ 附近的信号衰减大，由于有用的信号在 200HZ 以上，这里的小 Q 值对 振动的测量并没有影响。电路图请见图 2.7 图 2.7 无源双 T 50Hz 陷波器 图 2.7 中电路图传递函数为式（2-7）： （2-7） 22 22 ) 1 ( 4 ) 1 ( )( RCRC s R

36、C s sH 图 2.7 中陷波器的各个参数如式（2-8） Q=0.25， （2-8） RC 1 0 说明：中心频率设为50Hz，但是求得的电阻不容易得到，因此可以通过并联 电阻以得到合适的电阻值，从而微调中心频率，有一点需要注意，这里所用的电 16地面微小振动的检测 阻与电容必须是误差较小的，电容用CBB电容，电阻尽量用精度1%以下的。 3声音带通滤波器后面由于接了无源双 T 陷波器，使得在接入下一级时输 入信号源内阻非常高，因此需要解决匹配的问题。这里选择了 TL062 运放作为跟 随放大器，这是它的一个作用；另一个作用是在采样保持后面用，可以让保持电 容保持时间更长而几乎不改变其电压。T

37、L062 是非常适合低电压系统的，并且工 作电流只需 200uA,输入级为 JFET 对管，因此其输入阻抗非常高，并且具有高的 压摆率，可达 3.5V/us.它的输入偏置电压和电流也非常低。它是一个双运放，在 这里选择其中一个运放做跟随器，另一个运放可以做低通滤波器，作用是滤取欠 采样后信号的高频成分。 2.6 功率放大器电路 为了驱动耳机，需要将信号进行功率放大。本仪器选用LM386作为功率放大 器，它非常适合于电池供电的系统，因为它的工作电压可以从4V到12V之间，静 态漏电流只有2mA，静态功耗比较低，输入时可以参考地输入，静态输出自动为 半电源电压，失真小，并且所需的外部器件最非常少，

38、在外部少量器件时内部设 定的增益为20，如果想增加增益可以在1,8管脚之间接一个电阻和电容，可以设定 增益为20到200之间的任何值。其内部电路图如图2.8 图2.8 LM386内部电路图 其典型应用电路如图2.9： 第二章 硬件结构原理及理论分析17 图 2.9 功率放大器 LM386 的应用4： 尽管 LM386 的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间， 甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态 冲击，在输出喇叭上会产生非常刺耳的噪声。 1通过接在 1 脚、8 脚间的电容（1 脚接电容+极）来改变增益，断开时增 益为 20。因此用不到大的增益，电

39、容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处 噪音减少，何乐而不为。 2PCB 设计时，所有外围元件尽可能靠近 LM386；地线尽可能粗一些；输 入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此，可以减少干扰。这是硬道理，毫 无疑问。 3选好调节音量的电位器。质量太差的不要，否则受害的是耳朵；阻值不 要太大，10K 最合适，太大也会影响音质，转那么多圈圈，不方便调节。 4尽可能采用双音频输入/输出。好处是：“+”、“”输出端可以很好地抵消 共模信号，因此能有效抑制共模噪声。 5第 7 脚（BYPASS）的旁路电容不能省略，在工程应用中，BYPASS 端必 须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定

40、后，该管脚电压值约等 于电源电压的一半。增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度， 有效抑制噪声。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致， 因此这个旁路电容的作用非常大。 18地面微小振动的检测 6减少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直+耦合。隔断直流电压，直 流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成 了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄； 太低还会使截止频率（fc=1/(2*RL*Cout)）提高。分别测试，发现10uF/4.7uF最 为合适，这是经验值。 7电源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源

41、，太好了。由于电压不 同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。 非常可行的方法：将上电、掉电时间短的电源放到+12V 处，选择上升相对较慢 的电源作为 LM386 的 Vs，但不要低于 4V，效果确实非常不错。 8LM386 的每个输入端都并联了一个 50k 的电阻到地，由于其输入偏置 电流为 250nA,因此，在没有输入时，输入引脚有 12.5mV 的电压。如果直流信号 源的内阻大于 250k，则对于输入引脚增加的偏置电压比较小，可以忽略。若直 流信号源的内阻小于 10k，则应用时需要将没有用到的输入引脚通过一个电阻 短接到地。当然如果信号源通过一个电容再连接到

42、输入引脚，一切问题都可以解 决了。当需要大得增益时，需要通过一个电阻与电容串联后在连接到引脚 1 和 8 之间，就可以得到 20 到 200 之间的任意增益了。 2.7 磁信号通道的硬件结构 1在电缆定点之前，需要知道电缆的埋设路径，电缆埋设路径的测量方法 为：在电缆的一端由路径信号发生器输入15kHz的间歇功率信号，在电缆的埋设 路径上方会产生电磁信号，可以用路径探测仪器来查询电缆的埋设路径，称为电 缆的寻迹。磁信号的收集用一个线圈和谐振电容可以解决，接受器是电感和电容 组成的LC谐振到15kHz的谐振选频电路，可以使15kHz的磁信号感应出比较大的 电压，然后经过两级15kHz窄带放大约5

43、50倍。 其电路图由两个带通滤波器组成，见图2.10 第二章 硬件结构原理及理论分析19 图 2.10 磁信号窄带放大电路 （1）图 2.9 中左边滤波器 根据式（2-4）中的推导公式，又有 （2-9） 24 2 1 3 1 1 2 11 CSY R Y R Y CSY 图 2.9 中左边滤波器的传递函数为式（2-10） （2-10） 2121 1 212 21 21 1 1)( 2 CCRRCCR CC s s CR sH 因此该滤波器为一个带通滤波器和一个增益为 0dB 的全通滤波器 又因为 kRR nFCC 5 . 72,1501 1021 带通滤波器的标准传递函数为式（2-2） 因此该

44、滤波器的各个参数为式（2-11） 20地面微小振动的检测 （2- 5 . 32 kHz15 2 11 25 )( 021 2121 0 211 12 fCRAQ CCRR f CCR CR A 11） （2）图 2.9 中右边滤波器传递函数为式（2-12) （2-12 ) 11 ( 1 1 )( 43434434 432 33 RRCCR s CCR CC s s CR sH ） 根据图 2.9 中右边滤波器 中各个元件的参数及带通滤波器的标准传递函数式 （2-2） 计算得该滤波器的各个参数为式（2-13） （2-13） 7 kHz15) 11 ( 1 2 1 25 2 034 4341 0

45、3 4 fCRAQ RRRC f R R A 式（2-12）的推导过程如下： 为方便推导把图 2.10 中的滤波器处理如下：如图 2.11 图 2.11 传递函数推导简化电路模型 第二章 硬件结构原理及理论分析21 （2-14） 0 53)53( 341)4213( B OCB BOiC U YUYUYYU YUYUYUYYYYU 式（2-14）中的三个式子联立得， （2-15） 435 31 )4321( )( YYYYYYY YY sH 如果令 4 1 5, 34 43, 5 1 2, 3 1 1 R YSCY SCY R Y R Y 则代入式（2-15）可得到式（2-12） 2图 2.1

46、0 中左端的滤波器幅频响应图见图 2.12 图 2.12 带通滤波器幅频响应 1 3图 2.10 中右端的滤波器幅频响应图见图 2.13 22地面微小振动的检测 图 2.13 带通滤波器幅频响应 2 2.8欠采样技术及理论分析 2.8.1 欠采样目的 在定点之前，一般需要知道电缆的埋设路径，电缆埋设路径的探测方法是， 在电缆上施加 15kHz 的间歇信号，用磁棒线圈在地面上方探测 15kHz 的间歇信号， 由于 15kHz 的信号在人耳听力范围内属于较高频率，如果直接进入功放后用耳机 监听，不仅听起来刺耳，大多数人可能听不到。因此运用欠采样及滤波技术，把 15kHz 信号变成人耳听起来舒服的

47、1kHz 的间歇信号。 2.8.2 采样的方法 关于采样，可以用 AD，乘法器，模拟开关等完成。根据所用其目的，尽可 能节省成本与设计简单来选择用哪种方法。 1取样的方法有下面三种： （1）AD:可完成将模拟信号转化为数字信号，常用其测量电压，数字信号处 理的前端采样。 （2）乘法器，可以实现两个信号的相乘。根据傅里叶变换原理，两个信号 时域相乘，频域相卷积，经过一定得滤波器，可实现对信号频移，因此乘法器 X 通道输入处理信号，Y 通道输入一定频率的正弦波信号，可以实现对其调制；若 第二章 硬件结构原理及理论分析23 Y 通道输入一定频率与占空比的单位振幅方波，可实现对 X 通道信号的取样。

48、（3）模拟开关：其实其模型就是一个乘法器，只不过它其中的一个输入端 只能是方波，控制着模拟开关的开与关，其实现的功能与乘法器取样的功能一样， 由于模拟开关有内阻，后面通常接一个跟随器从而使被采样信号无衰减。 2在本系统中，运用欠采样的目的是为了把 15kHz 的信号频移到 1kHz。若 运用乘法器可以可方便地达到目的，但是还需要一个 14kHz 的正弦信号源，这样 实现起来成本比较高。若运用模拟开关取样，后面再加上简单的阻容保持电路， 构成采样保持（S/H），再经过一个低通滤波器，可以得到需要 1kHz 的信号。因 此本系统选用模拟开关构成的采样保持电路。其实，取样保持与 A/D+D/A（假设

49、 A/D 量化的数字信号未经过任何处理直接输出至 D/A）实现的功能完全一样。 2.8.3 采样保持电路的分析6 1下面是采样保持电路的电路图（如图 2.14）： 图 2.14 采样保持电路 2采样保持电路的工作过程如下：当取样脉冲为高电平时，模拟开关 打开，输入信号一方面给电阻 R2 电容 C1 充电，另一方面将信号输出给输出 端，此时输出等于输入信号；当取样脉冲为低电平时，模拟开关关断，输出 端的电压由电容上的电压决定，由于 JFET 输入级运放 TL062 的输入阻抗很 大，可达，电容放电时间很长，故电容上的电压可认为不变。理想的 12 10 24地面微小振动的检测 采样保持是用冲击信号取