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電路與系統(tǒng)范文第1篇

【關鍵詞】電路;計算;系統(tǒng)理論;思考

一、引言

伴隨著科學技術水平的不斷提高，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電工和電氣工程各技術領域均獲得了突飛猛進的發(fā)展，特別是各種新微型電子器件的出現(xiàn)，信息的滲透以及擴展，再加上電子計算機的快速發(fā)展，使得電工程理論也發(fā)生了相應的變革。在這種形勢下，加強電路與系統(tǒng)理論的研究也變得尤為重要。

二、經(jīng)典電路和近代電路理論研究

在電路和系統(tǒng)理論的發(fā)展以及形成階段經(jīng)歷了自經(jīng)典到近代這一過程。電路最早出現(xiàn)于物理學中的電磁學，控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)在形成與發(fā)展過程中，其共同基礎均為電路理論。從方法論來看，電路理論主要經(jīng)歷了頻域分析與時域分析交替發(fā)展階段，在早期電路理論傾向于時域分析，但因遇到較復雜的高階段微分方程或者輸入時，于時域進行求解的話比較困難，對此，到后期開始轉(zhuǎn)向于頻域分析。而隨著計算機的普及以及廣泛應用，在微分方程的求解過程中所遇到的難題可借助于計算機得到有效的解決，此時時域分析也重新得到了關注以及重視，頻域和時域相結(jié)合的這一理論也日漸完善。

戰(zhàn)后年代控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)均獲得很大突飛猛進的發(fā)展，尤其是控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)發(fā)展特別迅速，已上升成為了新理論體系，分別為控制論與信息論。在控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)中所運動的信息為時間序列，其帶有一定的隨機性，具備統(tǒng)計分布特征，而這些特征也為電路理論的研究提供了一些新的課題，再加上計算機的廣泛應用，不同新微型電子設備器件的相繼出現(xiàn)，產(chǎn)生了一種新的電路理論，即近代電路理論，該理論所含內(nèi)容非常多，比如非互易電路理論、非線性電路理論、多端電路理論、時變電路理論以及有源電路理論等，其特點主要如下：

第一，在時域分析上，將δ（t）引入至此起到了一定的革命性作用;在變換域分析上，自頻域向復頻域發(fā)展，接著再發(fā)展至Z域，拓寬了信號分析領域。

第二，時域分析和頻域分析之間的有機結(jié)合，小波變換分析法的應用;計算方法的改變，系統(tǒng)步驟解法的應用，該方法滿足計算機程序求解需求。

第三，動力學體系以及代數(shù)拓撲等的引入，不僅為計算機應用于電路提供了相應的理論參考依據(jù)，同時在此基礎上還提出了相關的研究方式，即時變系統(tǒng)研究與非線性系統(tǒng)研究。

近代電路理論就電路規(guī)律性方面的相關內(nèi)容提出了新見解，即認為電荷守恒定律與能量守恒定律為基本電路定律，只有基于集中化這一條件下才可將電壓定律以及電流定律表現(xiàn)出來，因電路現(xiàn)象物理實質(zhì)為電磁場，對此這一觀點在某種意義上更能將電路中所產(chǎn)生的這一電磁過程闡明，同時有利于和經(jīng)典電力學理論中能量守恒定律以及質(zhì)量守恒定律進行對比，構(gòu)建統(tǒng)一且科學的電路和系統(tǒng)理論。

三、電路和系統(tǒng)理論研究分析

所謂系統(tǒng)就是指由不同互相作用以及聯(lián)系的事物所構(gòu)成的一個具備某種作用的整體，其中動物神經(jīng)組織與太陽系等為自然系統(tǒng)，計算機網(wǎng)與供電網(wǎng)等為人工技術系統(tǒng)，此外還包含有思維意識系統(tǒng)以及社會系統(tǒng)等，于電工程范圍內(nèi)，當前現(xiàn)有的系統(tǒng)有控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。

和系統(tǒng)定義聯(lián)系密切的有信號，信號這一概念最早提出于通信這一學科中，何謂信號，簡單地講就是信號其實就是消息存在形式，而信號的內(nèi)容則為消息，從某種意義上來講，信號具有隨機性和統(tǒng)計分布特征，結(jié)合近代觀點來看，信息將系統(tǒng)所包括的能量以及物質(zhì)在時間與空間中分布不均勻程度反映了出來，由此可見，信號為形式，消息為內(nèi)容，而信息則為內(nèi)涵。除此之外，和系統(tǒng)還存在聯(lián)系的有網(wǎng)絡以及電路，電路作為電工設備所構(gòu)成的一個總體，為電流通過提供了相關途徑。若電路具備復雜結(jié)構(gòu)，則這種電路叫做網(wǎng)絡，于現(xiàn)代電路學理論中網(wǎng)絡或者電路被看作是實際電路科學抽象。電路和系統(tǒng)之間除了存在某種聯(lián)系以外，二者還各有特色，但是不管是系統(tǒng)，還是電路，均由元件組合所構(gòu)成。電路這種結(jié)構(gòu)為具體性，即對信號實施某一種加工處理;而系統(tǒng)則為信號通過的所有線路。在系統(tǒng)理論中所強調(diào)的是于特定條件下必須要具備某一種功能，即傳輸特性;而電路所強調(diào)的則是系統(tǒng)自身特性的實現(xiàn)應該有的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)。對此，從某種意義上來講，系統(tǒng)涉及到的問題為全局性，而電路涉及到的問題為局部性，信號、系統(tǒng)以及電路之間關系就如同火車車廂、鐵路以及鐵軌間的關系。近幾年，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展速度的加快，信息技術水平的額提高，電路與系統(tǒng)理論在問題科學思想的研究上互相遞饋以及滲透;于問題方法論上互相統(tǒng)一以及協(xié)調(diào)，微電子工業(yè)的快速發(fā)展已使電系統(tǒng)、電器件以及電路融為了一體。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著社會的進步和科學的發(fā)展，電路與系統(tǒng)理論這門學科已成為了一門具備深厚理論基礎以及廣泛實踐基礎的學科，該學科和其他領域?qū)W科相同，所引用的研究方式、概念以及理論內(nèi)容等均在不斷更新，該學科已經(jīng)在電子工程以及電氣工程各技術部門獲得了明顯的應用價值，且也在自身各發(fā)展階段融合了當前關于自然科學理論中的優(yōu)秀成果。電路與系統(tǒng)理論兼有兩個方面的淵源，即理論與實踐;同時還兼有兩個方面的背景，即學術與工業(yè)。除此之外，電路與系統(tǒng)理論還和國民經(jīng)濟、社會進步等學科領域存在著密切的聯(lián)系。

參考文獻

[1]陳來軍，劉鋒，梅生偉等.基于無源系統(tǒng)理論的多相APF自適應控制器設計[C].中國高等學校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第二十五屆學術年會論文集.2009：1-4.

[2]韓東，董博，馬立元等.復雜電路虛擬維修的建模與仿真技術[J].計算機工程與設計，2010，31（7）：1595-1598.

[3]譚曉昀，雷龍剛，王冠石等.電容式微機械陀螺雙環(huán)路閉環(huán)驅(qū)動電路研究[J].傳感技術學報，2010，23（10）：1449-1453.

電路與系統(tǒng)范文第2篇

關鍵詞：拖拉機；帶暖氣系統(tǒng)；短路與斷路

0.引言

自從國家實施農(nóng)機補貼政策以來，農(nóng)村的拖拉機數(shù)量逐年增長，而農(nóng)民因為文化水平普遍較低，缺乏拖拉機的維護和保養(yǎng)意識，在日常工作中遇到問題就會不知所措。因此，讓農(nóng)民盡快掌握拖拉機的使用和維修方式非常重要。電氣系統(tǒng)作為拖拉機的重要組成部分，銀達發(fā)生故障就會影響發(fā)動機的正常工作，因此，農(nóng)民首先需要學會電氣設備故障排除方法。

1.拖拉機電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因

1.1蓄電池早期損壞的原因

蓄電池在拖拉機上安裝不牢固，在行駛過程中容易因劇烈振動而發(fā)生開裂，然后蓄電池的外殼和蓋板脫離，極柱連接板也跟著斷裂；蓄電池極柱和夾頭不匹配，太緊在拆卸時會存在一定難度，太松則可能造成接觸不良，導致極柱被損壞；發(fā)動機開啟的時間太長，連續(xù)開啟導致蓄電池放電，極板變得彎曲；發(fā)電機的調(diào)節(jié)器失去作用，導致蓄電池充電過久，極板上的活性物質(zhì)漸漸脫離；蓄電池的的電量不足，長期放置后產(chǎn)生硫化，無法恢復原狀；低溫時沒有及時充電，導致蓄電池的電解液結(jié)冰，活性物質(zhì)失去效力；電解液中混入了其他雜質(zhì)，這些雜質(zhì)自動放電，導致蓄電池迅速虧電[1]。

1.2蓄電池極板硫化的原因

蓄電池長期處于放電狀態(tài)，或者長期放置沒有充電，致使電解液中硫酸鉛的含量增多，基板上開始形成白色的大顆晶粒；電解液因分解而被蒸發(fā)，分量逐漸變少，然后又沒有及時補充蒸餾水，導致極板被氧化，拖拉機在行駛時電解液受到振動粘附在極板上，硫酸鉛也在極板上結(jié)晶，從而形成極板硫化；電池的表面受到污染，然后自主放電；電解液密度過大或純度不夠也是形成硫化的一大因素；用于配制電解液的蒸餾水或硫酸不夠純凈，從而導致極板硫化。

2.拖拉機電氣系統(tǒng)的主要故障

2.1短路故障

2.1.1出現(xiàn)短路的原因

當電氣系統(tǒng)出現(xiàn)局部短路時，電路負載會因此而失去效用，這條線路的電阻也會變小，而流通的電量卻比較大，電源因為負載過大，導致絕緣燒壞，甚至會引起火災。主要現(xiàn)象有：電源的正負極連接在一起；電路無需負載直接連接；絕緣導線懸于鐵上。故障原因：導線的絕緣作用被破壞，導線相互連接形成短路；燈座或開關的螺絲出現(xiàn)松動，與線頭接觸；接線時將兩個線頭連在一起；導線頭碰到金屬等等[2]。

2.1.2短路的判斷方式

（1）觀察法：當拖拉機電氣設備出現(xiàn)短路時，就會出現(xiàn)火花、發(fā)燙和冒煙等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象人體都可以直接觀察得到，從而可以直接判斷電氣設備的位置和原因。（2）觀察電流表：電氣設備的指標都是借助電流表呈現(xiàn)出來的，根據(jù)電流表的數(shù)值就可以判斷是否發(fā)生了故障。如果接通電氣設備后，電流表由0指向滿格刻度，則表明存在短路故障。（3）試驗法：將可能存在短路的電路斷開，然后用肉眼去觀察是否有異常。比如說熔絲器的熔絲短掉，就可以先用車燈做實驗，將兩端的引線接在熔斷器兩端，如果試燈亮起表明正常，然后逐段排除做短路試驗；如果不亮表明存在短路的情況[3]。（4）萬用表檢測法：測量電氣設備中線圈的電阻，從而判斷是否短路。這是比較迅速的一種檢測方法。

2.2斷路故障

2.2.1斷路故障出現(xiàn)的原因

如果將火線的一端作為前頭，搭鐵的作為后頭，那么在線路斷點以前還是可以正常使用的，可以和搭鐵一起組成回路；如果斷點后沒有電，電源就是在某一個電路中斷了，電流流通受到阻礙，所以燈不會亮；導線連接的地方出現(xiàn)脫落跡象；電路接觸不良等。

2.2.2斷路的判斷方式

（1）觀察電流表：當工作電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，電氣設備開啟后，電流表會指向0或者數(shù)值不在放電流的正常范圍內(nèi)，這就表明電氣設備某處出現(xiàn)斷路或者接觸不良。（2）短接試驗法：用螺絲刀或?qū)Ь€短接某段電路，觀察電流表的反應，然后判斷出現(xiàn)斷路的位置。將一根導線的一端連接電氣設備的火線，另一端與各點連接，根據(jù)電氣設備判斷故障所在之處。（3）搭鐵試火法：將一根導線的一端連接電氣設備的火線，另一端用來與機體試火。然后逐步排除沒有發(fā)生故障是電路。也可以通過試驗其他線路有無火找到斷路位置。（4）萬用表檢測法：應萬用表測量各點的支流電壓，如果電壓是正數(shù)或負數(shù)，表明該點的電路通暢；如果電壓為0，表明該點至搭鐵處的電路存在斷路故障。同時也可以使用萬用表測試元件的各項參數(shù)，與正常參數(shù)進行對比，從而判斷故障的位置[4]。（5）試燈法：用拖拉機上的等作為試驗品，將試燈的一端與發(fā)電機的電樞連接，另一端搭鐵。如果試燈不亮，表明存在斷路故障；如果試燈亮起，表明電路無異常。

3.結(jié)語

拖拉機是常用的農(nóng)機設備，具有適應性強和技術難度低的特點，與有利于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。要想拖拉機能夠穩(wěn)定地發(fā)揮出自身的效能，使用者就需要做好日常的維護和保養(yǎng)工作，對電氣設備加強監(jiān)督和防范，及時排查電氣設備中的隱患，掌握更多實用的故障檢查方法，以確保拖拉機能夠正常運行。

參考文獻：

[1] 胡本成.拖拉機蓄電池常見故障的處理方法[J].農(nóng)技服務，2014，28（03）：18-19.

[2] 橇⒚.拖拉機電氣設備常見故障與排除[J].河北農(nóng)機，2013，15（01）：67-68.

電路與系統(tǒng)范文第3篇

檢測與保護電路是交流傳動控制系統(tǒng)重要組成部分，為了滿足控制過程的需要并保證系統(tǒng)的安全可靠，檢測和保護電路的設計顯得尤為重要。本文主要是針對交流傳動控制系統(tǒng)的需要，給出交流傳動主電路的檢測與保護電路設計方法。這個設計主要選取了適當?shù)膫鞲衅鲗ο嚓P信號進行檢測，通過軟、硬件結(jié)合的方法，在危險情況下采取保護措施，從而保證傳動控制系統(tǒng)的安全工作。

地鐵車輛交流傳動系統(tǒng)

地鐵車輛傳動系統(tǒng)可以分為直流傳動和交流傳動兩種。隨著半導體技術和控制技術的不斷發(fā)展，地鐵車輛的電傳動系統(tǒng)已經(jīng)由早期的凸輪調(diào)阻、斬波調(diào)壓的直流牽引傳動方式發(fā)展為交流傳動方式。我國近年投入使用的地鐵車輛基本上幾乎都采用三相交流傳動的牽引方式，先前的一些直流方式也已經(jīng)改造成交流傳動方式，如上海軌道交通1號線。

一般，地鐵車輛主電路為變壓變頻(VVVF)逆變器控制的交流傳動系統(tǒng)，如圖1所示。

列車通過受電弓從直流1500V電網(wǎng)受流，經(jīng)受電弓、主保險絲、高速斷路器、主熔斷器、主開關、濾波電抗器等設備送入到逆變器，經(jīng)逆變器逆變后輸出電壓頻率可調(diào)的三相交流電，給交流牽引電機供電，最終通過接地電刷經(jīng)由車體、轉(zhuǎn)向架形成電流回路。整個交流傳動系統(tǒng)的牽引控制單元一般采用微機控制，其優(yōu)點是可靠性高，并能實現(xiàn)系統(tǒng)的自動檢測與故障診斷，同時也為車輛的安全運行、維護檢修以及保養(yǎng)提供了極大便利。

檢測與保護電路設計

作為一個完備的控制系統(tǒng)，檢測和保護電路是必不可少的。因為傳動系統(tǒng)控制的需要，必須對系統(tǒng)中的一些參數(shù)進行檢測，通過這些量值來控制各設備的工作狀態(tài)，并且在非正常情況下對主電路關鍵環(huán)節(jié)提供各種保護動作，以確保列車的正常運行，提高列車的安全性。為了保證交流傳動系統(tǒng)正常工作以及判別系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)關鍵參數(shù)值的監(jiān)控是最重要的任務。

在列車運行過程中，系統(tǒng)中可能存在各種過電壓、過電流、過熱等故障及危險，如逆變單元、牽引電機輸入過壓、過流，IGBT過熱、電機定子過熱等。如果對這些危險情況聽之任之，將造成嚴重的后果，因此必須采用相應的監(jiān)測和保護措施。一般對傳動系統(tǒng)的檢測包括：直流側(cè)線路電壓、線路電流，逆變器功率器件(多為IGBT)結(jié)溫，牽引電機電流、電壓、溫度等多個方面。在檢測中，使用適當靈敏度與精度的傳感器等來進行實時、連續(xù)監(jiān)控，由檢測信號來進行相關的保護或者控制。傳動系統(tǒng)的檢測及保護電路的總體構(gòu)成如圖2所示。

1　直流側(cè)檢測與保護電路

在牽引傳動系統(tǒng)中，功率模塊的損壞大多數(shù)情況下都與過電流有直接或間接的關系，因此電流檢測與保護電路的設計非常關鍵。雖然傳動主電路中串聯(lián)有熔斷器以防止過電流，但是在過電流故障中，當出現(xiàn)過電流或短路電流時，由于熔斷絲起作用的時間較長，很多情況下在熔斷絲還沒有起保護作用之前，電路元器件就已經(jīng)被損壞。因此，為保護功率器件以及其他元器件，在實際過電流故障中對過流的保護要求非常迅速，通常當出現(xiàn)過電流時，在極短的時間內(nèi)必須封鎖開關管驅(qū)動信號，因此一般通過硬件保護電路來進行過流保護。在當今的逆變器中多采用IGBT集成驅(qū)動器，所謂智能功率模塊(IPM)，即可以實現(xiàn)對電力電子器件的短路、過電流保護，欠電壓監(jiān)測等功能，同時還可將故障信號反饋給主控單元。但由于高壓的存在，為了保護元器件、保證電路正常工作，還必須在系統(tǒng)設計中加入電壓檢測與過電壓保護電路。

檢測電路可使用霍爾電流傳感器，其具有測量電流大、測量頻率寬、響應快、精度高等優(yōu)點，且因其為非接觸式測量，可以實現(xiàn)高壓隔離，能夠適用于高壓測量場合。

由于大多微控制器內(nèi)置的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器只能采集電壓信號，因此傳感器輸出與其電源的參考地之間必須接入一個高精度電阻，用以將采集的電流信號轉(zhuǎn)化為相應的電壓信號。同時，AD口輸入電壓一般在0～5V之間，而采集的電流值為交流量，所以還要進行偏移轉(zhuǎn)化將其變?yōu)閱螛O性。過流檢測及保護電路原理圖如圖3所示。由主電路中串入的霍爾傳感器將采集到的直流電流信號經(jīng)Rm轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過電壓跟隨器，分成檢測與保護兩路。檢測端將電壓信號直接送到微控制器AD采樣通道。而保護端則將采樣電壓信號送入LM393比較器，需要采取保護的電流上下閥值分別由RPI、RP2分壓電阻來設置，可以根據(jù)系統(tǒng)具體需要的保護等級來設定。當其高于參考電壓信號，即輸入電流大干安全值時，比較器輸出低電平信號，將此信號作為保護信號輸入到微控制器的外部中斷引腳，以中斷等方式，迅速發(fā)出控制信號，產(chǎn)生保護動作。反之，當輸入電流小于最低要求時，也會產(chǎn)生中斷信號，進入相應的保護措施。二極管D1、D2組成限幅電路保證了AD模塊輸入在5V之內(nèi)。

在直流側(cè)電壓檢測與保護電路中，需要對逆變器外部的直流網(wǎng)壓、中間的直流環(huán)節(jié)電壓、再生制動時制動斬波器IGBT的兩端電壓等電壓檢測以及采取相應的保護措施。基于霍爾磁平衡式傳感器具有響應速度快，測量精度高等優(yōu)點，所以電壓信號采集電路也可選用霍爾磁平衡式電壓傳感器。

對直流高電壓的檢測可以采用LEM公司的LV100系列霍爾傳感器，根據(jù)測量電壓范圍，可以選定具體的型號為LV100-1500。其采集及處理電路與電流信號電路完全相同，也采用圖3所示方法，只是要注意的是霍爾電壓傳感器與電流傳動器的不同使用方法。

經(jīng)過霍爾傳感器采集到的電流信號由Rm轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號，由電壓跟隨器分成兩路，一路作為電壓值信號采集量同樣送入到微控制器AD采樣通道，另一路則連接成過電壓與欠電壓保護電路，通過與過電壓、欠電壓設定值進行比較。過電壓與欠電壓的設定值同樣由RP1、RP2分壓電阻來設置。采樣值與保護參考值經(jīng)比較器比較后，分別送出過電壓、欠電壓信號到微控制器，由微控制器產(chǎn)生中斷信號，迅速采取保護措施。

2　電機定子電流、電壓檢測電路

根據(jù)異步電動機的控制要求，定子電流檢測的精度和實時性是整個控制系統(tǒng)精度的關鍵，因此對電流檢測要精度高、速度快。微控制器芯片AD轉(zhuǎn)換器對高瞬態(tài)響應的電流傳感器輸出的電機定子電流信號進行轉(zhuǎn)換，依此對逆變器進行控制。對此，同樣可采用霍爾電流傳感器來對電機定子電流進行檢測，能很好滿足系統(tǒng)的要求。電流檢測電路如圖4所示。

例如，采用LEM公司的電流傳感

器LT508-S6(LT208-S7)，其輸出為電流信號，當采樣電流為500A時，輸出電流為100mA，采樣值與輸出值成線性關系。如圖4所示，取樣電阻Rl為50Ω，R2=R3，經(jīng)過運算放大器，可以使輸出電壓處在0～5V之間。

對電機的電壓檢測，可選用霍爾電壓傳感器。如采用LEM電壓傳感器AV100-1500，其構(gòu)成的電壓采樣電路同樣可采用如圖4所示設計方法。

該型號傳感器當原邊電壓達到1500V時，副邊輸出電流有效值為50mA。同樣須經(jīng)串聯(lián)取樣電阻轉(zhuǎn)換為-電壓信號，為了使Rl電壓傳感器輸出電壓信號范圍在-5V～+5V之間，電阻值選擇為100Ω。經(jīng)過調(diào)理，最終輸入到微控制器的電壓在0～5V之間。

3　溫度檢測與過熱保護電路

為了避免系統(tǒng)中元件及設備因溫度過高而發(fā)生工作異?；驌p毀等故障，系統(tǒng)中需要設置過熱檢測及保護電路。

測量溫度有多種方式，如用熱敏電阻、溫度開關等檢測方法。本方案主要針對IGBT過熱與牽引電機過熱來進行設計，采用3線制Pt100鉑電阻設計溫度傳感器，其體積小巧輕薄，易于埋設在相應的檢測位置，并且測量準確度高、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好、能夠靈敏實時地反映溫度變化。

由Pt100構(gòu)成的測量放大電路分為立式電橋電路、差分電路和放大電路。如圖5所示，將溫度傳感器導線一端接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上。當橋路平衡時，鉑電阻的導線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，消除了導線線路電阻帶來的測量誤差，測量準確度高。當被測溫度變化時，Pt100的阻值發(fā)生變化，兩橋臂中間點產(chǎn)生的電位經(jīng)過差分電路輸出其差值，經(jīng)過反相放大，分成兩路信號。其中一路用于輸入到微控制器的AD采集通道，由輸出電壓和鉑電阻溫度一電阻之間線性關系即可獲得被測的溫度。另一路則與設定的保護參考值進行比較，向微控制器反饋保護信號，當反應溫度信號的電壓值超過設定的保護參考值時，比較器輸出高電平，觸發(fā)中斷，采取相應保護措施，保證設備的安全。

電路與系統(tǒng)范文第4篇

關鍵詞：Gardner算法；全數(shù)字時鐘同步；MATLAB

中圖法分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)30-7492-02

Analysis and Simulation of Gardner Arithmetic in Digital Timing Recovery Cycle

HU Peng-fei

(Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: Introduced by Gardner, Gardner arithmetic is a timing error detector arithmetic, and could be applied to digital timing recovery cycle. At first, the paper states the principle of the arithmetic, and precedes the closed-cycle and open-cycle simulation with MATLAB. The result shows that the Gardner arithmetic is suitable for timing recovery cycle, and finds out the main parameter affecting the performance of the timing recovery cycle.

Key words: gardner; digital timing recovery circuit; MATLAB

在接收機中，時鐘需要與輸入信號的符號周期相同步。早期的模擬接收機中，典型的同步方法是通過反饋環(huán)來調(diào)整本地采樣時鐘的相位來實現(xiàn)的；現(xiàn)階段的全數(shù)字時鐘同步電路中，采樣時鐘是固定不變的，通過對采樣信號的處理，來進行同步。因此，作為時鐘同步電路中的關鍵模塊，時間誤差檢測就成為優(yōu)先需要解決的一個問題。

1 Gardner算法原理

對于全數(shù)字時鐘同步電路中的時間誤差檢測，現(xiàn)階段有很多算法可供選擇。文獻[1]中提到的TED(Time Error Detector)算法，被稱為MM算法，MM算法無需派生信號、過零檢測、平方律器件以及窄帶濾波器，所有的信息都來自以符號周期為間隔的采樣信號。但是，使用MM算法的前提是，信號中存在判定信息，即假設接收機能夠得到已知的參考信號，因本接收機信號沒有已知訓練序列，MM算法不適用。

Gardner在文獻[2]中提出一種獨立于載波相位的時間誤差檢測算法。此算法僅僅需要2倍符號速率采樣，并且其中之一為期望采樣時間處的采樣值。在原文中，算法的推導基于時間有限、2電平信號，但是同樣也適用于帶寬有限、多電平的情況。

Gardner的顯著特點是相位誤差與載波相位無關，使時鐘同步電路與載波同步環(huán)路能夠相互獨立，減少環(huán)路之間的耦合。不僅如此，誤差檢測器的輸入只需2倍于符號速率的采樣頻率，工作頻率低，有利于電路設計實現(xiàn)的簡化和環(huán)路延遲。

該算法每個符號周期計算一次，計算公式為：

et (r)= xI (r-)[xI (r)- xI (r-1) ]+xQ (r-)[xQ (r)- xQ (r-1)] (1-1)

公式中，xI (r-1)、xI (r)和xI (r-1/2)為I路采樣值，對應的，xQ (r-1)、xQ (r)和xQ (r-)為Q路采樣值。

假設，時間誤差檢測器的輸入信號中帶有未知載波相位差Δθ：

(1-2)

由此可得：

(1-3)

(1-4)

將1-3和1-4帶入公式1-1，得到

et (r)= xI (r-)[xI (r)- xI (r-1) ]+xQ (r-)[xQ (r)- xQ (r-1)] (1-5)

式1-5和式1-1完全相同，所以得到結(jié)論：時鐘同步電路可以在相位環(huán)路之前完成。

2 算法仿真

本文的仿真包括開環(huán)仿真和閉環(huán)仿真兩種，其中開環(huán)仿真可以計算得到時間誤差檢測器的增益，為后面的閉環(huán)仿真提供參數(shù)基礎。

2.1 開環(huán)仿真

如圖1所示，開環(huán)仿真的具體實現(xiàn)步驟為：先假定輸入信號的時鐘誤差為ΔT/T為固定值，求出該固定誤差下的時間誤差檢測器輸出，并進行統(tǒng)計平均，求出一個對應與該誤差的平均值，然后，修改時鐘誤差ΔT/T，求出一組統(tǒng)計平均輸出值，根據(jù)這些輸出值，可以繪制一條曲線。依據(jù)這個步驟，分別求出4QAM，16QAM，64QAM和256QAM的曲線如圖2所示。

在結(jié)果中可以得到兩個結(jié)論：1) 時間誤差檢測器的特性曲線近似關于原點奇對稱，因此特性曲線又被稱為S曲線；2) 隨著調(diào)制信號星座點的增加，信號幅度的增大，時間誤差檢測的誤差值也越來越大。

從S曲線中，我們還可以得到時間誤差檢測器的增益，即曲線在0點處的斜率Kd=(dUt)/(d(ΔT/T))|Δn=0，根據(jù)曲線在0點處近似為直線，上式可簡化為：

(2-1)

由此，對于不同調(diào)制信號星座的增益為：

表1

從中可以看出，隨著調(diào)制星座點的增加，時間誤差檢測的輸出越來越大。

2.2 閉環(huán)仿真

如圖3所示，閉環(huán)仿真不同于開環(huán)仿真之處在于，閉環(huán)仿真根據(jù)時間誤差檢測的輸出值，對內(nèi)插器參數(shù)進行調(diào)制，形成一個反饋，時間誤差會慢慢減小。

根據(jù)框圖，在MATLAB中編寫相應的程序，對算法進行驗證。一般而言，衡量定時同步性能的指數(shù)為分數(shù)間隔μ，隨著整個時鐘同步系統(tǒng)的工作，分數(shù)間隔會逐漸收斂，最后趨近于一個固定值，并在該值附近進行微小的震蕩。

其中環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬ω，對整個時鐘同步的性能有很大的影響，在仿真中，分別假設ω為0.001,0.0005和0.0001，調(diào)制方式為64QAM。對應與不同ω值得到分數(shù)間隔μ的同步過程，如圖4, 5和6所示。

在圖4，圖5，圖6中，左圖為分數(shù)間隔μ的收斂過程，右圖為其收斂完成后的震蕩情況?？梢缘玫?，隨著ω變小，分數(shù)間隔μ的收斂速度變慢，但是在收斂完成后的震蕩幅度減小。在實際運用中需要折中考慮收斂速度和穩(wěn)定誤差，可以根據(jù)需要調(diào)整ω來達到系統(tǒng)要求。

3 結(jié)論

本文闡述了Gardner算法的原理，指出了該算法相對于其他時鐘同步算法的優(yōu)勢：1算法僅僅需要2倍符號速率采樣，并且其中之一為期望采樣時間處的采樣值；2的顯著特點是相位誤差與載波相位無關，使時鐘同步電路與載波同步環(huán)路能夠相互獨立，減少環(huán)路之間的耦合。

此外，在MATLAB中對Gardner算法進行仿真，既得到了該算法在運用中參數(shù)的選擇考量，也驗證了該算法在時鐘同步電路中的有效性。

參考文獻：

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[3] Hong-Kui Yang,Martin Snelgrove.Symbol Timing Recovery Using Oversampling Techniques[M].IEEE,1996:1296-1300.

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[6] 丁玉美,高西全.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學出版,2001.

[7] Martin Oerder,Heinrich Meyr.Digital Filer and Square Timing Recovery[J].IEEE Trans.On Comm.1988.5(36): 605-612.

電路與系統(tǒng)范文第5篇

【關鍵詞】電力系統(tǒng)；輸電線路；監(jiān)測控制

中圖分類號：TM77文獻標識碼： A

【引言】電力系統(tǒng)的規(guī)模和技術水準已成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的標志之一。全方位監(jiān)測電力系統(tǒng)中的輸電線路例如動態(tài)增容監(jiān)測、施工弧垂觀測、防雷監(jiān)測等都要準確無誤，還要經(jīng)常對輸電線路進行檢查，這樣才能保障整個系統(tǒng)的安全，維護國家和人民的生命財產(chǎn)安全，提高經(jīng)濟和社會效益。

1 電力系統(tǒng)中對輸電線路監(jiān)測及檢查的意義

1電力系統(tǒng)中輸電線路監(jiān)測及檢查的意義

電網(wǎng)事業(yè)的飛速進步帶動了電力行業(yè)的發(fā)展，輸電線路實行監(jiān)測和檢查也是非常必要的，這將是電力行業(yè)實現(xiàn)科技化、現(xiàn)代的化必經(jīng)之路。在線、遠程監(jiān)控技術的應用、多功能儀器設備的應用都將不斷推動電力行業(yè)向前發(fā)展。監(jiān)測和檢查工作不能盲目、草率、必須有經(jīng)過嚴格培訓的專業(yè)人員來操作，它也能夠?qū)崿F(xiàn)減員增效的效果。電力系統(tǒng)的安全暢通運行也能夠節(jié)省電力企業(yè)不必要的維修費用，整個系統(tǒng)的良好運行也是保證人民、國家生命、財產(chǎn)安全的重要手段，必將帶動企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。輸電線路由于具有布局范圍大、電力需求多樣、線路距離長等特點，一旦受到大風、冰雪、暴雨、冰雹等惡劣天氣的影響，或者是山洪、地震、山體滑坡等嚴重自然災害的影響，線路很可能受損甚至中斷，影響著電力系統(tǒng)的運行和安全狀態(tài)。這就要求電力工作者實時監(jiān)測線路運行狀況，發(fā)現(xiàn)問題時在第一時間全面的檢修輸電線路，盡快恢復電力運行。

2 輸電線路的監(jiān)測

2.1 輸電線路動態(tài)增容的監(jiān)測

在我國，經(jīng)濟和文化發(fā)達地區(qū)的用電量明顯高于其它地區(qū)，用電高峰期的用電限制問題非常嚴重，很多電力系統(tǒng)的輸電線路都存在著電力輸送容量受限制的制約。在酷暑嚴寒等高溫、低溫氣象條件下，輸電線路的導線極易發(fā)生損壞，此次，必須要建立動態(tài)增容檢測系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)學中的建模計算出導線的最大電容量，對輸電線路的溫度，張力以及環(huán)境溫度、濕度、氣壓、風速等進行嚴密的監(jiān)測，必須建立一套完整的輸電線路動態(tài)增容監(jiān)測系統(tǒng)。

輸電線路動態(tài)增容監(jiān)測包括氣象監(jiān)測、導線溫度監(jiān)測和導線拉力監(jiān)測等。氣象監(jiān)測是通過實時監(jiān)測運行中電力系統(tǒng)輸電線路的天氣條件和氣象環(huán)境。如光照、風速、雨雪、陰晴、是否發(fā)生冰雹等狀態(tài)。所有的氣象監(jiān)測設備和高壓的輸電線路沒有直接的接觸，削弱了監(jiān)測設備受高壓影響的程度。需要注意的是，每隔一段時間都要對風速計量儀表進行校準，因為整個氣象監(jiān)測系統(tǒng)非常容易受到風速計量儀表精確度的干擾。導線溫度監(jiān)測是利用導線的熱導方程和溫度測量設備測得的基礎數(shù)據(jù)進行計算，得到最大載流量，監(jiān)測好操作、計算簡便。需要引起注意的是隨著線路距離的拉開，導線與風向的夾角會有較大的變化。導線拉力是利用高壓導線之間加載的拉力測量儀器，能夠在較短時間內(nèi)測出導線的水平拉力?？梢酝ㄟ^拉力方程計算出導線的溫度，拉力監(jiān)測優(yōu)點就是能夠測得整體的環(huán)境溫度，減少了氣象監(jiān)測位置的數(shù)量布置，需要注意的是拉力傳感器必須在輸電線路空載的條件下才能進行安裝。

2.2 輸電線路的施工弧垂觀測

弧垂是指輸電線路懸掛曲線內(nèi)的任意一點到兩個支撐懸掛物間的距離，架空的輸電線路架設是利用桿塔等支撐物將導線懸掛在支撐物之間，時間長了懸掛點間就容易松弛，出線弧垂現(xiàn)象。電力工程師不論是在施工還是系統(tǒng)運行中都會遇到監(jiān)測弧垂的問題。

輸電線路弧垂的監(jiān)測方法主要有兩種：等長法和角度法。等長法主要是把弧垂板綁定在觀測檔的第2基桿上，綁定順序是先綁比較高的桿塔，后綁低處的，觀測原理是三點一線原理。觀察者站立的位置應該在弧垂板與觀察桿塔在同一個面上。這樣做既能避免虛光現(xiàn)象，又能增加觀測準確度。角度法是指確定好觀測桿塔后，查出觀測點桿塔行將要觀測的掛線橫擔高度定義為h1，測量儀測得的天頂角90°時，測量儀器高度定義為h2，橫擔至滑輪槽高度定義為h3，根據(jù)公式a=h1-h2-h3，計算出儀器到滑輪槽的高度a，來提高監(jiān)測的準確性。

3 輸電線路的檢查要點

3.1 輸電線路的檢修模式

科學的輸電線路檢修模式是變線為點，輸電線路的檢修要求檢修人員熟練掌握電力知識，懂得在線和離線檢修方式。輸電線路檢修原則為首先要選擇好交通方便便于維修的線路，選擇質(zhì)量優(yōu)異，售后保障好的監(jiān)測設備；其次，要考慮一旦整個電力系統(tǒng)跳閘后對系統(tǒng)運行安全影響相對較小的輸電線路；再次，要選擇絕緣端子老化率小于3‰，且絕緣爬距滿足國家電力行業(yè)標準的線路。

（1）絕緣子監(jiān)測有在線、離線監(jiān)測，具體分為分布電壓和零值電阻監(jiān)測。監(jiān)測周期為：連續(xù)4年為2‰～3‰的老化率的，每兩年一次；連續(xù)4年在2‰以內(nèi)的老化率的，每4年一次，不能超過5次；（2）跨越物監(jiān)測要根據(jù)巡視線路狀態(tài)及時修正被跨越物地點、位置、與電力和通訊線的交叉角、距離；（3）雷電監(jiān)測：認真分析雷電系統(tǒng)顯示的基礎數(shù)據(jù)，如雷密度、雷電日、時間、電流強度等；（4）導地線和金具監(jiān)測：采用，紅外線監(jiān)測導地線、連接金具的溫度值；（5）桿塔監(jiān)測：監(jiān)測內(nèi)容包括桿塔傾斜度、撓曲度、砼桿裂紋、鐵件腐蝕、桿塔和拉盤基礎位移值、基礎沖刷情況等。輸電線路的檢修工作復雜而突變，專業(yè)人員一定要耐心檢修，不能放過絲毫漏洞，確保電力系統(tǒng)的順暢、安全運行。 3.2 架空輸電線路的檢修

線路檢修完全按照國家和地方的相關規(guī)范來執(zhí)行，定期檢查、維護。主要規(guī)范有：（1）《設備狀態(tài)檢修管理規(guī)定（試行）》；（2）《輸變電設備風險評估導則（試行）》；（3）《輸變電設備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)建設技術原則（試行）》；（4）《輸變電設備狀態(tài)檢修工作驗收細則》；（5）《輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》；（6）《輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)管理規(guī)范》；（7）《輸變電設備狀態(tài)檢修績效評估標準》；（8）《輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》。

絕緣檢修主要是緣子瓷質(zhì)端子的清潔，據(jù)國家相關監(jiān)測污染區(qū)域的劃分標準，Ⅱ級以上污區(qū)設備可以免除清掃，環(huán)境清潔度達標，減少了絕緣端子檢修的工作量。0―I級污區(qū)35 kV設備檢修要配合2.4cm/kV，Ⅲ級的66 kV設備配合2.1cm/kV；Ⅲ級以上的污區(qū)：110kV～220kV絕緣檢修配備為1.78cm/kV。此外的電氣連接檢修一般是通過紅外監(jiān)測技術輔助，金屬監(jiān)測一般還是通過專業(yè)的人工定期巡視、排查來完成的。

3.3 輸電線路的防雷監(jiān)測

我國輸電線路的防雷監(jiān)測技術已經(jīng)達到了領先水平，主要是對外電源的改善和避雷裝置的選擇?？梢圆捎酶鼡Q電路中的零值瓷瓶，在保證對地距離足夠的條件下對所有的桿塔增添絕緣子，這樣可以明顯改善輸電線路中的絕緣即接地水平。早前電力行業(yè)一般用瓷制外套的避雷器，易爆炸，重量大，施工不方便，碎片影響絕緣端子的接地性能?，F(xiàn)在技術的發(fā)達引領了避雷器裝置的進步，國內(nèi)外都選用了硅膠制作的避雷器，既安全又實用。安裝前要做好交接試驗、帶電試驗等。

4 結(jié)論

現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技、經(jīng)濟的不斷騰飛，帶來了電力行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對電力的需求是愈來愈多。這就要求電力工作人員更加細致的對輸電線路要嚴密監(jiān)測，及時檢查、維修，確保整個電力系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

參考文獻：

[1]王政，葉志瓊.工業(yè)與民用配電施工質(zhì)量驗收與質(zhì)量控制手冊[M].中國電力出版社，2009.