电缆故障定点仪

1、摘 要摘 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电路等硬件系统，以及相应功能的软件。实验结果

2、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abstractabstractwith 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 increasingly prefer to cover the

3、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 sound and magnetism which em

4、erges 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 the weak vibration of piezoele

5、ctric 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 and 50hz notch analog amplifier

6、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 the point of cable fault .and ,w

7、hats 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.11.1 电缆故障定点仪概述.11.2 电缆故障性质与定位及精确定位.21.2.1 电缆故障性质.21.2.2 电缆故障点预定位方法及其比较.21.2.3 电

8、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.92.1 系统框图.92.2 压电陶瓷的特性.92.3 电磁波传感器设计.112.4 声路前置带通滤波器电路.112.5 陷波器与网络匹配电路.142.6 功率放大器电路.162.7 磁信号通道的硬件结构.182.8 欠采样技术及理论分析.222.8.1 欠采样目的.222.8.2 采样的方法.222.8.3 采样保持电路的分析.232.8.4 低通滤波器的设计.272.8.5 模拟开关.292.9 系统供电电路.302.10 比较器电路 .31第三章第三章 单片机及软件单片机及软件.333.1

9、核心控制单元.333.2 软件部分 .34第四章第四章 总结与展望总结与展望.37ii目录4.1 总 结.374.2 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

10、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。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

11、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

12、与定位及精确定位21.2.1 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

13、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

14、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 300v 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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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，

23、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

24、。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

25、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

26、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

27、，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112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。

28、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，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

29、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。

30、 2.4 声路前置带通滤波器电路4设计一个中心频率为 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）313131131233111)(ccrrsccrccsscrsh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）200200)()(sqssqash得到滤波器的各个参数如下：（2-3）4 . 0255)(73621133313

31、13113131craqrrccrcrahzccrrfoo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）43324131214123131311)s ()()()s ()()()()()()(yyyyyyyyyyhsusuhyuysuyyysuyuysuyysususuioobcocbbb整理上面四个式子得，便可得到式（2-1） 34133211,1,1,sscyryrycy令用 multisim 软件仿真出来其幅频响应如图 2.5图 2

32、.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

33、51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）2222)1()1 (4)1()(rcsrcsrcssh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）rcq1)1 (410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

34、 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）2222)1(4)1()(rcrcsrcssh图 2.7 中陷波器的各个参数如式（2-8）q=0.25， （2-8）rc10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

35、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。tl062 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

36、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，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

37、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

38、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

39、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，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

40、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

41、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550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）2421311211csyryrycsy图 2.9 中左边滤波器的传递函数为式（2-10） （2-10）21211212212111)(2ccrrccrccsscrsh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krrn

42、fcc5 . 72,15011021带通滤波器的标准传递函数为式（2-2）因此该滤波器的各个参数为式（2-11）20地面微小振动的检测 （2-5 . 32khz1521125)(0212121021112fcraqccrrfccrcra11）（2）图 2.9 中右边滤波器传递函数为式（2-12) （2-12)11(11)(4343443443233rrccrsccrccsscrsh）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）7khz15)11(1212520344341034fcraqrrrcfrr

43、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）053)53(341)4213(bocbboicuyuyuyyuyuyuyuyyyyu式（2-14）中的三个式子联立得， （2-15）43531)4321()(yyyyyyyyysh如果令415, 3443,512,311ryscyscyryry则代入式（2-15）可得到式（2-12）2图 2.10 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 13图 2.10 中右端的滤波器幅频响应图见图

44、2.1322地面微小振动的检测图 2.13 带通滤波器幅频响应 22.8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 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

45、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23y 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。（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

46、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61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

47、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121024地面微小振动的检测采样保持是用冲击信号取样，但现实中不存在冲击信号，只能用占空比相对比较小的方波替代。综上所述，采样保持电路的输出端的信号等于两个信号分时输入之和（见图 2.15）。图 2.15 采样保持信号图若采样脉冲的占空比非常小，就可以忽略脉

48、冲中占的时间，近视认为模拟开关为理想取样开关，输出等于保持电容上的电压信号。为了计算采样保持系统的传递函数， 需要对复杂的采样保持电路进行简化。见图 2.16图 2.16 采样与保持过程3理想取样开关的拉普拉斯变换见式（2-16）7 （2-16）0)()(kktsektfsf其中 t 是取样信号的周期，零阶保持器的输出为式（2-17） （2-17）0)()()()(khtkttkttktftf其拉普拉斯变换为式（2-18）（2-18）0)()1()(kktstshektfsesf第二章 硬件结构原理及理论分析25根据式（2-16）和式（2-18）可得零阶保持器的传递函数为式（2-19） （2-

49、19）seshts1)(零阶保持器传递函数式（2-19）的幅频响应为式（2-20） （2-20）sstjh/)/sin()(其中，零阶保持器的幅频响应为图 2.17ts2图 2.17 零阶保持器幅频响应4为了方便计算，假设输入信号及取样信号都是从无穷负的时间开始，)(tf则理想采样开关的输出傅里叶变换为式（2-21）7 （2-21）nsnjftjf)(1)(根据式（2-20）可以得到采样保持传递函数的幅频响应为式（2-22） （2-22）nssshnjfjf)(/)/sin()(采样保持系统的幅频响应如图 2.185采样保持后得到的信号经过一个截止频率为 1khz，增益为 3db 的低)(tf

50、h通滤波器（如图 2.19）后的信号设为 g（t）假设该低通滤波器为理想滤波器且其传递函数为式（2-23） 其中 （2-23）)(2)(gjpsrad /20002 根据式（2-19），式（2-21）及式（2-23）和输入信号的频率为 15，采样信号的频率为 14可以得到式（2-24）khzkhz26地面微小振动的检测 （2-24）14)()(4 . 1)()()()(ejpjhjfjg式（2-24）经傅里叶反变换得式（2-25） （2-25）)1410002cos(4 . 1)(ttg因此 15的较高频输入信号经过采样保持和低通滤波器后可以得到很纯khz净的较低频 1的信号，可以方便人耳听到

51、。khz6采样保持与低通滤波的过程（1）时域图如图 2.18时域图如图 2.18 所示，其中：第一行为磁棒接收到的 15khz 信号；第二行为 14khz 取样信号第三行为经过采样保持后的信号 第四行为低通（或带通）滤波后输出信号图 2.18 采样保持的时域图（2）频域图第二章 硬件结构原理及理论分析27采样保持样后的信号，只显示出 40khz 内的波形，如图 2.19 所示，其 1khz频率的强度最大，还有 13khz,15khz,29khz 等一些频率成分的输出。（其中1khz 的分量是由 15khz 频移 14khz 得到，即 1khz=15khz -14khz13khz 的分量是由-1

52、5khz 频移 2 14khz 得到，即 13khz=-15khz+2 14khz29khz 的分量是由 15khz 频移 14khz 得到，即 29khz=-15khz+14khz15khz 的分量是磁棒收到的信号）图 2.19 采样保持频率图再进行低通滤波器滤波之后的信号频谱，如图 2.20 所示，途中只显示了40khz 内的波形，由图可以看出只有 1khz 的频率，其它频率信号幅度看不到了，获得的信号非常纯净。图 2.20 采样保持与滤波频率图28地面微小振动的检测2.8.4 低通滤波器的设计8经过采样后的信号中含有各种频率分量，而只有 1khz 才是有用信号。故设计一个滤波器截止频率为

53、 1000hz，增益为 3db.从而可以获得我们需要的信号，然后送人功放，用耳机可以听到，以用来路径探测时使用。低通滤波器的电路图见图 2.21图 2.21 二阶 mfb 低通滤波器图 2.21 中滤波器的传递函数为式（2-21） （2-21）212122132111)312111(1)(ccrrscrrrsccrrsh根据低通滤波器的标准传递函数式（2-22） （2-22）200220)(sqsash图 2.15 中滤波器的各个参数为式（2-23）khz112121210ccrrf第二章 硬件结构原理及理论分析295113.rra （2-23）5 . 1)312111(120rrrcfq式（

54、2-21）的推导过程如下：根据图 2.21、图 2.15 和式（2-21） 25,114213, 12,311scyryryscyry令则可得到式（2-21）图 2.15 中滤波器幅频特性如图 2.22图 2.22 mfb 低通幅频特性2.8.5 模拟开关cd4066 是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端排列与 cc4016 一致，但具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。cd4066 由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的 p 和 n 器件在控制信号作用下同时开关。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在

55、整个工作信号范围内导通阻抗比较低。与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。但若应用于采保电路，仍推荐 cd4016。当30地面微小振动的检测模拟开关的电源电压采用双电源时，例如 =5v， =5v（均对地 0v 而言），则输入电压对称于 0v 的正、负信号电压（5v5v）均能传输。这时要求控制信号 c=“1”为+5v，c=“0”为-5v，否则只能传输正极性的信号电压。在实际应用中使用独立的电源驱动 vdd 和信号输入，vdd 的电流能力应超过的 vdd / rl（rleeffective 双边的 4cd4066bm/cd4066bc 的交

56、换机外部负载）。这一规定避免任何永久性的电流流过的 vdd 电源通电时或从cd4066bm/cd4066bc 删除或钳行动。在某些应用中，外部负载电阻的电流可能包括 vdd 和信号线组件。为了避免绘图 vdd 电流时切换到终端 1，4，8 或11，电流流过整个双向开关的压降不得超过 0.6v 在 25时，或 0.4v 在 125时（计算值显示从 ron） 。没有 vdd 的电流将流经 rl 如果到终端 2，3，9 或 10的开关电流。 2.9 系统供电电路91由于该仪器是手持设备，故选用电池组（四节 1.5v 电池串联）供电。系统中用到的运放 ne5532，tl062 是双电源运放，若让其工作

57、在单电源模式下，必须为其提供一定得直流偏置，且直流偏置电压一般选择为 vcc/2。考虑到电池组放电后电压会下降而最大限度的使用电池，选择的偏置电压为：2.75v，该电压由图 2.23 中的电路提供。图 2.23 2.75v 偏置电压第二章 硬件结构原理及理论分析31图 2.17 中输出电压的计算公式为式（2-24） 式（2-24）v75. 21212rrrvvout2基准源 tl431根据其数据手册上显示，它在全量程范围温度系数为 20ppm/，典型的输出阻抗为 0.2，能施加的反向电流能力为 1ma 到 100ma，输出噪声低，内部有一个 2.5v 的基准电压，可以在其 ref 端接分压电阻

58、能得到从 vref 到 36v 之间的任意电压，并能自动调节输出电压或把 ref 端短接到 k 可以从 k 端得到一个稳定的 2.5v 电压。电源电压波动抑制比高，最低只需要 1ma 的反向电流就可提供稳定的电压，它能提供一个陡峭开启特性，从而使其成为代替齐纳二极管的优秀替代品。当需要几十 ma 级电流的电压源时，可以直接从 tl431 的 k 端引出（当然，i（ka）至少得比所需电流大 1ma）。可以用 tl431 与三极管等电路组合，可以得到所需电压，大电流的电源。tl431 有很多巧妙的应用，例如可以做小信号放大器,具体应用电路请参考数据手册上的推荐电路。2.10 比较器电路单片机负责检

59、测时间差并计算距离信息，由于声音和磁信号都是模拟信号，而单片机能处理的只能是数字逻辑电平，因此需要一个模拟信号向数字逻辑信号装换的电路。一般系统中完成模拟信号向数字信号转换需要一个 a/d 转换芯片。而本系统只需要测量出两个信号到来的时间差，不要高成本 a/d 装换芯片，只有两个比较器,而 lm393 里面集成了两个比较器，正好满足系统要求。lm393 的主要参数如下：1工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 236v， 双电源：118v；消耗电流小， icc=0.8ma；输入失调电压小， vio=2mv；共模输入电压范围宽， vic=0vcc-1.5v；输出与 ttl，dtl，

60、mos，cmos 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门； 32地面微小振动的检测2lm393 的应用：6lm393 是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准 pc 板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于 10k 将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回 1.010mv)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入 ic(集成电路板 integrated circuit，