一種高性能機車速度數(shù)模轉換裝置的設計

陳 平

（戚墅堰機車車輛廠工業(yè)公司 江蘇 常州 213011）

隨著鐵路軌道交通技術的迅速發(fā)展，先進的機車設備得到廣泛的應用，因此對機車上各種信號性能要求也越來越高。運行在主干線的鐵路機車對速度信號轉換，無論是精度、穩(wěn)定性還是可靠性都提出了嚴格的要求，因為信號轉換裝置性能好壞直接影響著列車的行車安全。機車速度信號經數(shù)模轉換后主要是提供給機車速度表及相關的控制裝置使用，其中0～20 mA電流信號送至機車操縱臺上的機車速度表，以顯示機車速度，另還作為備用信號送至機車上的監(jiān)控、電阻制動、超速控制、換向控制、輪緣噴油等這些裝置使用；0～6 V電壓信號提供給機車電控裝置作為機車過渡轉換的輸入信號。本文所介紹的是新研發(fā)一種全新的數(shù)模轉換裝置，與原東風系列內燃機車上所使用的機車速度數(shù)模轉換裝置不同之處在于：設計上完全創(chuàng)新,克服了原設計的分立元件過多，IC過多，布線繁雜，溫漂較大等缺點。新設計和應用的數(shù)模轉換裝置，其IC器件由3片減少到2片，并將影響到性能指標的分立元件集成在IC中，其轉換精度由0.5%提高到0.1%，系統(tǒng)溫漂提高到100 ppm/℃標準內。新設計的轉換器可調范圍廣，對于120 km,160 km,200 km3種不同機車速度車型僅需要1塊板即可，克服了3種機車速度需配置3塊不同類型板的缺點，方便了用戶安裝。

1 系統(tǒng)設計方案

本裝置工作原理流程圖，如圖1所示。

裝在機車輪對上的DF16型光電速度傳感器，將機車走行速度轉化為脈沖數(shù)字頻率信號[1]輸入到本裝置。脈沖信號先輸入到頻率/電壓轉換U1電路，U1將脈沖信號轉化與頻率成線性正比的電壓信號，然后轉化后的電壓信號輸入到電壓/電流轉換U2電路，該電路將電壓信號進行處理，處理后的信號一路經電壓整定后，輸出與機車速度成正比的0 ～ 6 V電壓信號；另一路轉換成機車速度（脈沖頻率）成正比的0～20 mA電流輸出。若電流回路開路，將輸出開路報警信號。U1，U2轉換電路的電源是由較高穩(wěn)定精度的三端穩(wěn)壓器LM317[2]穩(wěn)壓后供電，以進一步保證輸出精度不受電壓波動影響。

圖1 工作原理流程圖Fig. 1 Working principle flow chart

本裝置與機車上的監(jiān)控主機（也能提供0 ～2 0 mA信號電流）互備，當電流信號（0 ～ 20 mA）取用監(jiān)控主機時，該裝置斷電,與電源并接繼電器K斷電，常閉點 K閉合，電流輸出端與地形成直通，由監(jiān)控主機輸出的0 ～ 20 mA電流信號經過機車速度表后，通過K閉合觸點接地形成回路。反之，當本裝置通電時，K處于斷開狀態(tài)，由本數(shù)模轉換裝置提供0 ～ 20 mA電流信號輸出。

2 電路設計

本電路主要是由的頻率電壓轉換U1（LM331）和電壓電流轉換U2（AD694）及其外圍電路組成。LM331功能是將頻率轉換成電壓，然后由AD694將電壓信號轉為0 ～ 20 mA電流信號輸出。

2.1 頻率/電壓轉換電路原理

本電路所用的頻率/電壓轉換芯片是LM331。由美國國家半導體公司生產的精密電壓/頻率或頻率/電壓轉換器，是一種高精度、低成本、高集成的芯片電路[3]。LM331采用了一種新型溫度補償帶隙基準電流，在全溫度范圍內提供了絕佳的精度值。即使供電電源低至4.0 V，具有低偏置電流的精密定時器電路，也能對100 kHz的電壓/頻率轉換給予快速反應。其工作電壓在5 ～ 40 V范圍內，輸出端的電壓輸出可高達40 V，同時具有短路保護功能。LM331輸入脈沖的有效頻率范圍為1 Hz ～ 100 kHz，可單/雙電源供電。LM331內部原理框圖[3]，所如圖2所示。

從原理框圖2上可以看出，對于頻率/電壓轉換部分，LM331是由1個精密開關電流源(CURRENT SWITCH)，1個輸入比較器(COMPARATOR INPUT)和1個單穩(wěn)態(tài)定時器(RS FLLIP-FLOP)組成。

頻率-電壓轉換工作原理：由6腳輸入的負邊沿脈沖，與7腳電位在比較器內進行比較，若6腳電平低于7腳，將觸發(fā)RS觸發(fā)器翻轉，穩(wěn)態(tài)的時間由5腳接的Rt、Ct定時電路決定。Rt*Ct值越大，穩(wěn)態(tài)時間去控制精密電流源開關（CURRENT SWITCH）的接通時間越長，從而表現(xiàn)在1腳輸出電流平均電流值越大。當Rt*Ct固定后，從1腳輸出平均電流大小，即表現(xiàn)在1腳濾波后輸出的直流電壓大小，其大小只與單位時間內輸出的脈沖個數(shù)(即輸入觸發(fā)脈沖的頻率)成正比，平均電流IAVE=i* (1.1Rt*Ct) *f。2腳是精密開關電流源電流幅度調節(jié)端（REFERENCE CURRENT）,通過調節(jié)RS阻值來調整開關電流大小。RS越小,精密電流源輸出電流越大，反之越小，但RS一般不低于5 k,RS過小時，過大的開關電流源電流將對轉換精度產生影響。

從上述原理框圖分析出，從6腳輸入脈沖周期T，必須大于觸發(fā)器翻轉后穩(wěn)態(tài)脈沖的寬度Tw，通常情況下T＞1.3Tw。若Tw（Tw=1.1Rt*Ct） 過大,則有會在高頻脈沖時，精密開關電流源(CURRENT SWITCH)處于常通狀態(tài)，輸出平均電流IAV將達到最大飽和值，從而輸出不正確的電壓值。反之如果Rt*Ct取得太小, 平均電流IAVE變小，則輸出的直流電壓小,轉換靈敏度低,也影響測量精度。

2.2 頻率/電壓轉換實際設計電路

圖3是頻率/電壓轉換實際應用電路。

圖3 頻率/電壓轉換實際應用電路Fig. 3 F/V conversion circuit diagram

本電路在量程為120 km/h,160 km/h,200 km/h實際輸入的最高頻率為fmax=3 368 Hz。工作時由輸入機車速度脈沖信號（高電平信號＞9 V）[4]經C9（470 PF）、R5（10 KΩ）組成的微分電路后形成窄脈沖輸入到U1的6腳，U1的腳6為比較放大器的負端，腳7為比較器基準電壓，7腳的電位是通過R3（10 KΩ）和R11（68 KΩ）分壓后確定的。6腳通過上拉電阻R5（10 KΩ）鉗位在VCC上，在窄脈沖下降沿，6腳電位將下降，低于腳7電位時輸出有效，通過比較器輸入到RS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。只所以輸入前端采用微分電路，以防止機車速度（頻率）很低時,輸入脈沖低電平過寬,引起RS觸發(fā)器工作異常，對單穩(wěn)態(tài)電路正常工作造成影響。腳3為頻率輸出端,本電路不用時接地，腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時時間常數(shù)RC，為了提高單穩(wěn)態(tài)定時精度，R6（6.8 kΩ）采用精密度為0.1%,溫漂為20 ppm/℃的金屬膜電阻，C1(0.01 μF)采用精密校正電容。同樣為保證轉換精度，R12（15 kΩ）、R13（200 kΩ）也是高精密（0.1%、溫漂20 ppm/℃）金屬膜電阻，C10（1 μF）為精密校正電容。之所以采用精密元件，從1腳的輸出電壓公式：Vout=fin×2.09 V×（RL/RS）×（Rt*Ct）式中可以看出，影響電壓輸出的元器件為RL、RS、Rt、Ct。雖然C10不影響輸出電壓值，但從1腳輸出的脈沖電流通過R13，C10組成濾波電路，C10性能影響濾波效果。通過試驗表明，R13取值越大，紋波越小，精度越高。輸出的電壓與R13有直接關系，雖然通過增大R13阻值，會增大輸出電壓值但阻值越大，帶負載能力越小，且易受干擾，所以本設計采用200 KΩ電阻。在3 368 Hz時，輸出電壓幅值為6.38 V，紋波電壓小于10 mV。本設計中采用型號LM331AN，在工作溫度范圍內精度為20 ppm/℃，非線性精度達到0.03%，完全滿足工作要求。

2.3 電壓/電流轉換原理

AD694是一種單片電壓/電流轉換器，由美國AD公司生產。它將輸入電壓信號轉換成標準的4～20 mA或0～20 mA電流信號[5]。既可以單電源供電，也可以雙電源供電。具有輸入緩沖放大、開路報警、溫度補償?shù)裙δ?。使用時只接很少的外部元件，精度高，非線性度達0.002%，抗干擾性強，是過程控制、工業(yè)自動化和系統(tǒng)監(jiān)測等領域中取代分立元件設計的一種理想集成電路。

如圖4是AD694的功能框圖[5]。

如圖4所示，它可分為3個功能塊。第一功能塊緩沖放大（BUFFER AMPLIFIER），第二功能塊電壓/電流轉換(V/I CONVERER)，能產生0～20 mA電流，第三功能塊參考電壓和偏置電流發(fā)生器（VOLTAGE REFERENCE & OFFSET GENERATOR），由此提供4mA偏置電流和參考電壓。

緩沖放大器是一個單電源供電的放大器，可為輸入級提供一定增益。當2腳與1腳短接時，也可將放大器作為一個射極跟隨器使用。

以COM為參考，4腳懸空，5腳接地，當從緩沖放大器的1腳輸入電壓信號在0～12.5 V范圍內時，A2放大器將0～12.5 V電壓信號轉換為一個0～1 mA的電流。若不考慮200 MA偏置電流影響，由Q2將電流信號轉移到放大器A3正相輸入端， A3與Q3組成達林頓放大器，將電流鏡像放大，其放大倍數(shù)為R3/R4,N=900 Ω/45 Ω=20，即從11腳輸出0～20 mA的電流信號。

4 mA偏置電流發(fā)生器。當我們需要的輸出是4～20 mA而不是0～20 mA電流信號時，可通過引腳6和腳9來進行調整。引腳14（BW ADJ）是電流匯集端，能產生一個恒定的200 μA偏置電流,該電流通過A3、Q3組成的電流源鏡像放大后，在Q3輸出端Iout產生4 mA偏置電流。 4 mA偏置電流既可以關斷，也可以打開并作適當調節(jié)。引腳9（4 mA ON/OFF）接高電平時，關斷4 mA偏置電流，接COM時打開偏置電流。如果初始電流不為4 mA，可外接基準電壓、如引腳7（10 V FORCE）標準電壓和電位器來調節(jié)引腳6（4 mA ADJ）的電位，從而實現(xiàn)對偏置電流的調整；調節(jié)范圍100～240 μA，對應到輸出Iout端為2～4.8 MA。若不需要調節(jié)時，引腳6懸空。

圖4 AD694的功能框圖Fig. 4 AD694 functional block diagram

輸入量程的調整。1腳（FB）預先設定的輸入信號可以是2 V、2.5 V、10 V、12.5 V4種量程的任意一種。當輸入不是這4種信號時，可以用輸入緩沖放大器A1（BUFFER AMPLIFIER）的增益進行調整，將輸入電壓整定到以上4種規(guī)格中的一種。

文中僅針對0～20 mA輸出,輸入電壓范圍為0～12.5 V進行闡述。其他形式的輸出及對輸入電壓的要求如表1[5]所示。

2.4 電壓/電流轉換實際設計電路

圖5是電壓/電流轉換實際應用電路。

如圖5所示，從前級輸出的電壓信號輸入到U2（AD694）3腳（SIG+），經U1前級緩沖放大后，在U2的1腳（FB）輸出電壓必須是2 V，2.5 V,10 V,12.5 V 4種量程任何一種。機車速度最大時（頻率為3 368 Hz）從前級電壓信號輸出的幅值為6.38 V，不符合上述電壓量程的任何一種，所以必須對信號進行處理。本設計選用的輸入電壓量程是12.5 V，所以前級輸入的電壓信號經U1緩沖放大后，1腳（FB）在滿量程的整定電壓必須為12.5 V。這里通過調節(jié)VR1（200 K）電阻值選擇合適的放大倍數(shù)N，以適應機車在120 km/h、160 km/h、200 km/h（ 對 應 2 021 Hz、2 695 Hz、3 368 Hz）3種不同機車速度車型調節(jié)需要。緩沖器的放大倍數(shù)N=1+（R7+VR1）/R15， 本 設 計 中N=1.25- 4.8 。R7、VR1、R15均 采用高精密、低溫漂電阻，以保證放大性能的穩(wěn)定。

表1 AD694預置范圍表Tab.1 Precalibrated ranges for the AD694

圖5 電壓/電流轉換實際應用電路Fig. 5 V/I conversion circuit diagram

AD694引腳 14（BW ADJ）外接電容C5（0.1 μF）至引腳13（Vs），起帶通過濾作用，可以限制AD694輸出帶寬噪聲。10腳（AL）接開路報警電路，正常情況下，該端為高電位，電壓值不低于Vs-2V ，三極管Q1的基極通過R9（20 kΩ）上拉至Vs等電位，Q1截止；當輸出電流環(huán)路斷開時，10腳（AL）輸出低電平，由于R8〈〈R9，三極管Q1的基極通過電阻R8（1 kΩ）被下拉至低電平，Q1導通，報警LED指示燈D5點亮。

11腳（Iout）為電流輸出端，通過逆流二極管D3（1N4148）和限流電阻R18（220 Ω）輸出。在11腳輸出端接有D1（1N4148）、D2（1N4148）以免外接感性負載損壞輸出端,11腳還接有電容C2（0.01 μF）以濾除輸出噪聲。

從U2（AD694）的1腳（FB）輸出12.5 V電壓(滿量程時)，該電壓經電阻R10（10 kΩ），可調阻RV2分壓整定后，輸出6 V電壓提供給機車外部的電控裝置作為過渡轉換的輸入信號。

3 測試結果

表2、表3分別是對轉換精度和溫度影響的測試結果。

表2 轉換精度（在20 ℃條件下）Tab.2 Conversion accuracy (20 ℃)

4 運用效果

該新型數(shù)模轉換裝置經過了小批量裝車試驗，實際運用效果較好。特別是在轉換精度、抗干擾性和穩(wěn)定性能上得到大幅提高，精度從0.5%[6]提高到0.1%，輸出信號隨溫度變化很小。通過分別在-10 ℃，20 ℃，40 ℃3種溫度下測試，整機系統(tǒng)溫漂在100 ppm/℃內。該轉換裝置還整合了機車120 km/h、160 km/h、200 km/h 3種速度車型共用1塊轉換板，互換性強，用戶維護方便。通過一段時間裝車使用效果來看，穩(wěn)定性能很好，無一例故障。

表3 溫度的影響（在20 mA條件下）Tab.3 Inf l uence of temperature (20 mA)

5 結 論

該新型數(shù)模轉換裝置通過數(shù)據(jù)測試和裝車應用表明，無論其轉換精度，溫漂特性、還是穩(wěn)定性方面都達到預期的效果；本裝置還減少了IC和分立元器件數(shù)量，從而大大降低了故障率，保證電子裝置的使用壽命應為20年[7]，完全達到了設計要求。在互換性方面，本裝置可適應不同類型的機車，適用性強。此新型數(shù)模轉換裝置將逐步推廣應用在各類鐵路主干線機車上。

[1]朱建昌.內燃機車電傳動[M].北京:中國鐵道出版社, 2009.

[2]Texas Instruments Incorporated.3-TERMINAL ADJUSTABLE REGULATOR[EB/OL].USA:Texas Instruments [2001].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm317.pdf.

[3]National Semiconductor Corporation.LM231A/LM231/LM331A/LM331 Precision Voltage-to-Frequency Converters[EB/OL].[1999].http://www.mouser.com/ds/2/282/snosbi2a-67094.pdf.

[4]中華人民共和國鐵道行業(yè)標準. TB/T 2760-2010.機車軸端光電轉速傳感器[S].北京.中華人民共和國鐵道部.2010.

[5]Analog Devices. 4-20mA Transmitter AD694 REV.A [EB/OL].(2002).http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD694.pdf.

[6]上海德意達.CS.JH-S9/S9A數(shù)模轉換盒使用維護說明書[C].上海：Shanghai DEUTA,2006.

[7]中華人民共和國鐵道行業(yè)標準.TB/T 3021-2001.鐵道機車車輛電子裝置[S].北京.中華人民共和國鐵道部,2001.