F／V轉換器在船模試驗水池拖車控制系統(tǒng)中的應用

　　在船池拖車控制系統(tǒng)中，拖車速度給定信號由控制臺撥碼盤給出，經(jīng)F／V變換成與速度成正比的給定電壓信號U1。拖車測速反饋裝置將拖車的實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進行處理，控制拖車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(wěn)定性。而且頻率適應范圍寬、線性好、外圍電路簡單。LM331內部結構框圖及相關外圍元件如圖1所示，主要包括單穩(wěn)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似于555定時器)，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(wěn)態(tài)電路相同；腳2為輸出端脈沖電流幅度調節(jié)，RS越小，輸出電流越大；腳3為脈沖電壓輸出端，OC門結構，輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài)，不用時可懸空或接地；腳4為地；腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時時間常數(shù)RC；腳6為單穩(wěn)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(wěn)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，但在電路設計時必須保證其單穩(wěn)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出現(xiàn)輸出飽和現(xiàn)象而產生附加的非線性誤差。

　　2 F／V變換結構及工作原理

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

　　施密特整形部分采用十六進制施密特觸發(fā)器MC14584。施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，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(shù)字電路需要的矩形脈沖、消除干擾，同時也起隔離作用。

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

　　若把CD4520內部的兩組二進制計數(shù)器級聯(lián)，即1Q4的輸出作EN2的時鐘脈沖(CD4520的5、10腳相連)，可用CD4520構成一種8位二進制計數(shù)器，最多可實現(xiàn)八級二分頻的功能，即CD4520的2～5和11～14的8個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3～5三個輸出端與LM331的輸入端用開關K1組合相連，只要接通某些開關，即可實現(xiàn)三級二分頻。

　　F／V變換部分由集成電路LM331及相關元件構成。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，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(wěn)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時，經(jīng)微分電路Ri，Ci產生一負尖脈沖(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，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時內部精密電流源IR對1腳電容CL充電，電容CL的充電時間由定時電路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(jié)可變電阻Rs可以調整1腳的電壓輸出值，當Rs不變時，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，實現(xiàn)了頻率-電壓的變換。輸出電壓Vo與fi的關系為：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(wěn)定性，阻容元件選用低溫度系數(shù)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的紋波會小些，電容CL小些，當輸入脈沖頻率變化時，輸出響應會快些。這些因素在實際運用時要綜合考慮。

　　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(xù)的控制系統(tǒng)相匹配。LM331雖然具有很高的轉換精度及溫度穩(wěn)定性，但是其輸出的帶載能力不強。實際上當LM331的1腳輸出直接接負載(10 kΩ)時，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。當輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路；當輸出阻抗很低時，對后級電路就相當于一個恒壓源，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

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