F/V变换器在船池拖车控制系统的应用

F/V变换器在船池拖车控制系统的应用

F/V变换器在船池拖车控制系统的应用
在船池拖车控制系统中，拖车速度给定信号由控制台拨码盘给出，经F／V变换成与速度成正比的给定电压信号U1。拖车测速反馈装置将拖车的实际运行速度转变成脉冲信号，也经F／V变换成与速度成正比的反馈电压信号U2。由控制器对给定电压信号U1和反馈电压信号U2进行处理，控制拖车电机电枢供电电压即可获得不同的运行速度。
1 LM331概述
LM331是专用的F／V转换集成电路，内含能隙基准电源，具有很高的转换精度及温度稳定性。而且频率适应范围宽、线性好、外围电路简单。LM331内部结构框图及相关外围元件如图1所示，主要包括单稳态电路(由R-S触发器、比较器等组成，其结构与工作原理类似于555定时器)，精密电流镜，输出电路等。LM331采用8脚DIP封装。
LM331各引脚功能说明如下：脚1为脉冲电流输出端，内部相当于脉冲恒流源，脉冲宽度与内部单稳态电路相同；脚2为输出端脉冲电流幅度调节，RS越小，输出电流越大；脚3为脉冲电压输出端，OC门结构，输出脉冲宽度及相位同单稳态，不用时可悬空或接地；脚4为地；脚5为单稳态外接定时时间常数RC；脚6为单稳态触发脉冲输入端，低于脚7电压触发有效，要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw；脚7为比较器基准电压，用于设置输入脉冲的有效触发电平高低；脚8为电源Vcc，正常工作电压范围为4～40 V。LM331输入脉冲的有效频率范围1 Hz～100 kHz，但在电路设计时必须保证其单稳态输出脉冲的宽度Tw≤0.8 Tmin(其中Tmin为输入脉冲周期的最小值)，以避免在最高频率输入时出现输出饱和现象而产生附加的非线性误差。






2 F／V变换结构及工作原理
整个电路由施密特脉冲整形、分频电路，F／V变换以及输出电平匹配四部分构成，简化电路如图2所示。






施密特整形部分采用十六进制施密特触发器。施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号，如图3所示。
利用可以非常方便地将输入信号变换成同频率的矩形脉冲，如图2所示，脚1为信号输入端，脚2为输出，只需在2脚和地之间接一电容即可。主要作用是将给定的正弦脉冲信号整形为适合于数字电路需要的矩形脉冲、消除干扰，同时也起隔离作用。
分频电路部分主要由组成。是一种二进制同步加计数器，在的一个封装中有两组二进制计数器，其逻辑功能如图4所示。













若把内部的两组二进制计数器级联，即1Q4的输出作EN2的时钟脉冲(的5、10脚相连)，可用构成一种8位二进制计数器，最多可实现八级二分频的功能，即的2～5和11～14的8个输出端的脉冲周期分别为2N(分)，N代表1～8的变化，即周期分别为2，4，8，…，256(分)。这里只需使用三级二分频，把的3～5三个输出端与LM331的输入端用开关K1组合相连，只要接通某些开关，即可实现三级二分频。
F／V变换部分由集成电路LM331及相关元件构成。输入脉冲信号先经Ri，Ci组成的微分电路变成窄脉冲后输入第6脚输入比较器的反相输入端，因为当输入脉冲频率很低时，相应的输入脉冲低电平宽度太大，而LM331允许的输入负脉冲宽度必须小于单稳态触发器输出正脉冲的宽度Tw(Tw=1.1RtCt)。所以微分电路可以使LM331在低频率时也能正常工作。输入比较器的同相输入端经电阻R1，R2分14压而加有约7／8VCC的直流电压，反相输入端经电阻Ri加有VCC的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路Ri，Ci产生一负尖脉冲(要有足够的幅度)叠加到反相输入端的Vcc上，当6脚电压低于7脚电压时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时内部精密电流源IR对1脚电容CL充电，电容CL的充电时间由定时电路Rt，Ct决定，这里Rt，Ct分别取典型值6.81 kΩ和0.01 μF，充电时间T=1.1RtCt=7.5×10-5s，充电电流的大小由内部电流源IR决定，IR=1.9 V／Rs，因此调节可变电阻Rs可以调整1脚的电压输出值，当Rs不变时，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多，输出电压(电容CL两端的电压)就越高，实现了频率-电压的变换。输出电压Vo与fi的关系为：Vo=2.09 RLRtCtfi／Rs，电阻Rs，RL，Rt和电容Ct直接影响转换结果，因此对元件的精度有一定要求，为了提高精度和稳定性，阻容元件选用低温度系数的器件。而且微分电容Ci的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容Ci小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL组成低通滤波器，CL一般为0.01～1μF之间较为合适，CL大些，输出电压Vo的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑。
输出电平匹配部分的作用是将F／V变换所得电压幅度和阻抗能和后续的控制系统相匹配。LM331虽然具有很高的转换精度及温度稳定性，但是其输出的带载能力不强。实际上当LM331的1脚输出直接接负载(10 kΩ)时，1脚电压跌落了约50％，因此我们加了一级电压跟随器。电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。电压跟随器对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响。因此电压跟随器不但具有提高带载能力的作用，而且还具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。由通用集成运方UA741接成电压跟随器如图2所示。
3结 语
该系统电路结构简单、体积小、成本低、线性好，参数稳定可靠，对转速变化适应范围宽，检测灵敏度调整简单方便。虽然由LM331构成的F／V变换器具有较大的滤波时间常数，但是在本系统中完全满足设计要求，现已成功应用于船模试验水池拖车控制系统。

    本文可能所用到的IC型号：