在船池拖車控制系統(tǒng)中，拖車速度給定信號(hào)由控制臺(tái)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(hào)U1。拖車測(cè)速反饋裝置將拖車的實(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)生附加的非線性誤差。

　　2 F／V變換結(jié)構(gòu)及工作原理

　　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)換過程中的正反饋?zhàn)饔茫梢园堰呇刈兓徛闹芷谛孕盘?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的輸入端用開關(guān)K1組合相連，只要接通某些開關(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=1.1RtCt)。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(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(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=7.5×10-5s，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0.01～1μF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(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。

　　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

　　該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、線性好，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)水池拖車控制系統(tǒng)。