F／V轉換器在船模試驗水池拖車(chē)控制系統中的應用

　　在船池拖車(chē)控制系統中，拖車(chē)速度給定信號由控制臺撥碼盤(pán)給出，經(jīng)F／V變換成與速度成正比的給定電壓信號U1。拖車(chē)測速反饋裝置將拖車(chē)的實(shí)際運行速度轉變成脈沖信號，也經(jīng)F／V變換成與速度成正比的反饋電壓信號U2。由控制器對給定電壓信號U1和反饋電壓信號U2進(jìn)行處理，控制拖車(chē)電機電樞供電電壓即可獲得不同的運行速度。

　　1 LM331概述

　　LM331是專(zhuān)用的F／V轉換集成電路，內含能隙基準電源，具有很高的轉換精度及溫度穩定性。而且頻率適應范圍寬、線(xiàn)性好、外圍電路簡(jiǎn)單。LM331內部結構框圖及相關(guān)外圍元件如圖1所示，主要包括單穩態(tài)電路(由R-S觸發(fā)器、比較器等組成，其結構與工作原理類(lèi)似于555定時(shí)器)，精密電流鏡，輸出電路等。LM331采用8腳DIP封裝。

　　LM331各引腳功能說(shuō)明如下：腳1為脈沖電流輸出端，內部相當于脈沖恒流源，脈沖寬度與內部單穩態(tài)電路相同；腳2為輸出端脈沖電流幅度調節，RS越小，輸出電流越大；腳3為脈沖電壓輸出端，OC門(mén)結構，輸出脈沖寬度及相位同單穩態(tài)，不用時(shí)可懸空或接地；腳4為地；腳5為單穩態(tài)外接定時(shí)時(shí)間常數RC；腳6為單穩態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端，低于腳7電壓觸發(fā)有效，要求輸入負脈沖寬度小于單穩態(tài)輸出脈沖寬度Tw；腳7為比較器基準電壓，用于設置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平高低；腳8為電源Vcc，正常工作電壓范圍為4～40 V。LM331輸入脈沖的有效頻率范圍1 Hz～100 kHz，但在電路設計時(shí)必須保證其單穩態(tài)輸出脈沖的寬度Tw≤0.8 Tmin(其中Tmin為輸入脈沖周期的最小值)，以避免在最高頻率輸入時(shí)出現輸出飽和現象而產(chǎn)生附加的非線(xiàn)性誤差。

　　2 F／V變換結構及工作原理

　　整個(gè)電路由施密特脈沖整形、分頻電路，F／V變換以及輸出電平匹配四部分構成，簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

　　施密特整形部分采用十六進(jìn)制施密特觸發(fā)器MC14584。施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過(guò)程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號，如圖3所示。

　　利用MC14584可以非常方便地將輸入信號變換成同頻率的矩形脈沖，如圖2所示，腳1為信號輸入端，腳2為輸出，只需在2腳和地之間接一電容即可。MC14584主要作用是將給定的正弦脈沖信號整形為適合于數字電路需要的矩形脈沖、消除干擾，同時(shí)也起隔離作用。

　　分頻電路部分主要由CD4520組成。CD4520是一種二進(jìn)制同步加計數器，在CD4520的一個(gè)封裝中有兩組二進(jìn)制計數器，其邏輯功能如圖4所示。

　　若把CD4520內部的兩組二進(jìn)制計數器級聯(lián)，即1Q4的輸出作EN2的時(shí)鐘脈沖(CD4520的5、10腳相連)，可用CD4520構成一種8位二進(jìn)制計數器，最多可實(shí)現八級二分頻的功能，即CD4520的2～5和11～14的8個(gè)輸出端的脈沖周期分別為2N(分)，N代表1～8的變化，即周期分別為2，4，8，…，256(分)。這里只需使用三級二分頻，把CD4520的3～5三個(gè)輸出端與LM331的輸入端用開(kāi)關(guān)K1組合相連，只要接通某些開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現三級二分頻。

　　F／V變換部分由集成電路LM331及相關(guān)元件構成。輸入脈沖信號先經(jīng)Ri，Ci組成的微分電路變成窄脈沖后輸入第6腳輸入比較器的反相輸入端，因為當輸入脈沖頻率很低時(shí)，相應的輸入脈沖低電平寬度太大，而LM331允許的輸入負脈沖寬度必須小于單穩態(tài)觸發(fā)器輸出正脈沖的寬度Tw(Tw=1.1RtCt)。所以微分電路可以使LM331在低頻率時(shí)也能正常工作。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R1，R2分14壓而加有約7／8VCC的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻Ri加有VCC的直流電壓。當輸入脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，經(jīng)微分電路Ri，Ci產(chǎn)生一負尖脈沖(要有足夠的幅度)疊加到反相輸入端的Vcc上，當6腳電壓低于7腳電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時(shí)內部精密電流源IR對1腳電容CL充電，電容CL的充電時(shí)間由定時(shí)電路Rt，Ct決定，這里Rt，Ct分別取典型值6.81 kΩ和0.01 μF，充電時(shí)間T=1.1RtCt=7.5×10-5s，充電電流的大小由內部電流源IR決定，IR=1.9 V／Rs，因此調節可變電阻Rs可以調整1腳的電壓輸出值，當Rs不變時(shí)，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多，輸出電壓(電容CL兩端的電壓)就越高，實(shí)現了頻率-電壓的變換。輸出電壓Vo與fi的關(guān)系為：Vo=2.09 RLRtCtfi／Rs，電阻Rs，RL，Rt和電容Ct直接影響轉換結果，因此對元件的精度有一定要求，為了提高精度和穩定性，阻容元件選用低溫度系數的器件。而且微分電容Ci的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來(lái)觸發(fā)輸入比較器，但電容Ci小些有利于提高轉換電路的抗干擾能力。電阻RL和電容CL組成低通濾波器，CL一般為0.01～1μF之間較為合適，CL大些，輸出電壓Vo的紋波會(huì )小些，電容CL小些，當輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應會(huì )快些。這些因素在實(shí)際運用時(shí)要綜合考慮。

　　輸出電平匹配部分的作用是將F／V變換所得電壓幅度和阻抗能和后續的控制系統相匹配。LM331雖然具有很高的轉換精度及溫度穩定性，但是其輸出的帶載能力不強。實(shí)際上當LM331的1腳輸出直接接負載(10 kΩ)時(shí)，1腳電壓跌落了約50％，因此我們加了一級電壓跟隨器。電壓跟隨器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。當輸入阻抗很高時(shí)，就相當于對前級電路開(kāi)路；當輸出阻抗很低時(shí)，對后級電路就相當于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。電壓跟隨器對前級電路相當于開(kāi)路，輸出電壓又不受后級阻抗影響。因此電壓跟隨器不但具有提高帶載能力的作用，而且還具備隔離作用，即使前、后級電路之間互不影響。由通用集成運方UA741接成電壓跟隨器如圖2所示。

　　3結 語(yǔ)

　　該系統電路結構簡(jiǎn)單、體積小、成本低、線(xiàn)性好，參數穩定可靠，對轉速變化適應范圍寬，檢測靈敏度調整簡(jiǎn)單方便。雖然由LM331構成的F／V變換器具有較大的濾波時(shí)間常數，但是在本系統中完全滿(mǎn)足設計要求，現已成功應用于船模試驗水池拖車(chē)控制系統。