摘 要：拖車(chē)是船模試驗(yàn)水池必備的大型設(shè)備，本院拖車(chē)由于電子元器件逐漸老化或損壞，其控制效果很不理想，所以需對(duì)原來(lái)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。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(gòu)成，其中基于LM331的F/V變換是核心部分，決定著整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。該系統(tǒng)體積小，線(xiàn)性好，參數(shù)穩(wěn)定可靠，現(xiàn)已成功應(yīng)用于船模試驗(yàn)水池拖車(chē)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：脈沖整形；分頻；F/V轉(zhuǎn)換；LM331

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-131-02

F/V Converter and Its Application in Trailer Controlling System of Ship Model Towing Tank

ZHANG Fujing，YE Jiawei

(College of Traffic and Communications，South China University of Technology，Guangzhou，510640，China)

Abstract：Trailer is a large-scale equipment that the laboratory must be prepared，and our trailer is owing to the fact that the electronics component is damaged gradually，and it is not ideal to control effect，so needing to transform to the original system.The whole circuit is by pulse shaping of Schmitt Trigger and frequency-halving circuit，F(xiàn)/V converter as well as the export level matching four bibliographic categories branch forming.The F/V converter based on LM331 is the nucleus part，which is decidingthe control function of whole system.This system volume is small，linear good，and the parameter is stablized reliably，and the successful application is in the ship model experimental basin trailer at present.

Keywords：pulse shaping;frequency-halving circuit;F/V converter;LM331

在船池拖車(chē)控制系統(tǒng)中，拖車(chē)速度給定信號(hào)由控制臺(tái)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(hào)U1。拖車(chē)測(cè)速反饋裝置將拖車(chē)的實(shí)際運(yùn)行速度轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)，也經(jīng)F/V變換成與速度成正比的反饋電壓信號(hào)U2。由控制器對(duì)給定電壓信號(hào)U1和反饋電壓信號(hào)U2進(jìn)行處理，控制拖車(chē)電機(jī)電樞供電電壓即可獲得不同的運(yùn)行速度。

1 LM331概述

LM331是專(zhuān)用的F/V轉(zhuǎn)換集成電路，內(nèi)含能隙基準(zhǔn)電源，具有很高的轉(zhuǎn)換精度及溫度穩(wěn)定性。而且頻率適應(yīng)范圍寬、線(xiàn)性好、外圍電路簡(jiǎn)單。LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及相關(guān)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(jié)構(gòu)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(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源，脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相同;腳2為輸出端脈沖電流幅度調(diào)節(jié)，RS越小，輸出電流越大;腳3為脈沖電壓輸出端，OC門(mén)結(jié)構(gòu)，輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài)，不用時(shí)可懸空或接地;腳4為地;腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時(shí)時(shí)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(fù)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(zhǔn)電壓，用于設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)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(shí)出現(xiàn)輸出飽和現(xiàn)象而產(chǎn)生附加的非線(xiàn)性誤差^[1]。

整個(gè)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(gòu)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(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)，如圖3所示。

利用MC14584可以非常方便地將輸入信號(hào)變換成同頻率的矩形脈沖，如圖2所示，腳1為信號(hào)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(hào)整形為適合于數(shù)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(jì)數(shù)器，在CD4520的一個(gè)封裝中有兩組二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其邏輯功能如圖4所示。

若把CD4520內(nèi)部的兩組二進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)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(gòu)成一種8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，最多可實(shí)現(xiàn)八級(jí)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(jí)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(xiàn)三級(jí)二分頻。

F/V變換部分由集成電路LM331及相關(guān)元件構(gòu)成。輸入脈沖信號(hào)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?yàn)楫?dāng)輸入脈沖頻率很低時(shí)，相應(yīng)的輸入脈沖低電平寬度太大，而LM331允許的輸入負(fù)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=1.1 RtCt)。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(dāng)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(fù)尖脈沖(要有足夠的幅度)疊加到反相輸入端的Vcc上，當(dāng)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(nèi)部精密電流源IR對(duì)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-5s，充電電流的大小由內(nèi)部電流源IR決定，IR=1.9 V/Rs ，因此調(diào)節(jié)可變電阻Rs可以調(diào)整1腳的電壓輸出值，當(dāng)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(xiàn)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(zhuǎn)換結(jié)果，因此對(duì)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(lái)觸發(fā)輸入比較器，但電容Ci小些有利于提高轉(zhuǎn)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0.01~1 μF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(dāng)輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮^[2]。

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(zhuǎn)換精度及溫度穩(wěn)定性，但是其輸出的帶載能力不強(qiáng)。實(shí)際上當(dāng)LM331的1腳輸出直接接負(fù)載(10 kΩ)時(shí)，1腳電壓跌落了約50%，因此我們加了一級(jí)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(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開(kāi)路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。電壓跟隨器對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開(kāi)路，輸出電壓又不受后級(jí)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(jí)電路之間互不影響。由通用集成運(yùn)方UA741接成電壓跟隨器如圖2所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、線(xiàn)性好，參數(shù)穩(wěn)定可靠，對(duì)轉(zhuǎn)速變化適應(yīng)范圍寬，檢測(cè)靈敏度調(diào)整簡(jiǎn)單方便。雖然由LM331構(gòu)成的F/V變換器具有較大的濾波時(shí)間常數(shù)，但是在本系統(tǒng)中完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已成功應(yīng)用于船模試驗(yàn)水池拖車(chē)控制系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］李良光.F/V轉(zhuǎn)換集成電路LM331在測(cè)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2000，27(2):57-58.

［2］林漢.LM331壓頻變換器的原理及應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，1999(10):20-22.

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作者簡(jiǎn)介

張富景 男，1982年出生，碩士研究生。主要從事波浪發(fā)電與控制技術(shù)方向的研究。