高性能机车速度数模转换器的设计

为满足铁路机车高性能和高可靠性的要求，设计了一种高性能机车速度数模转换器. 其功能是将由机车车轮对上的DF16光电速度传感器传输的数字脉冲信号转换为两个0〜6 V和0〜20 mA的模拟信号. 该器件仅使用IC芯片LM331 AD694和一些电路. 其中，LM331是将输入数字脉冲信号转换为一定幅度的电压信号，然后通过AD694将输出电压信号转换为标准0〜20 mA电流和0〜6电压的两个信号. 该器件具有转换速度快，精度高（0.1％），温度漂移小（100 ppm /）和性能可靠的优点. 它是一种高性能的数模转换设备. 关键词: 机车速度数模转换； AD694; LM331 CLC编号: TN02文档标识号: A物品编号: 1674-6236（2014）01-0103-05高性能机车速度数模转换装置的设计（常州七树岩机车车辆厂工业公司，江苏江苏省213011）接收日期: 手稿编号: 201305165作者简介: 平（1968—），男，江苏常州，工程师. 研究方向: 轨道交通领域的自动控制. 2013–05–15随着铁路轨道交通技术的飞速发展，先进的机车设备已被广泛使用，因此各种信号对机车的性能要求也越来越高.

在主线上运行的铁路机车对速度信号转换有严格的要求，无论是精度，稳定性还是可靠性，因为信号转换装置的性能直接影响火车的安全性. 在将机车速度信号的数模转换主要提供给机车速度表和相关的控制设备后，将0〜20 mA的电流信号发送到机车控制台上的机车速度表以显示机车速度，并且作为备用信号，用于发送给机车的监视，阻力制动，超速控制，倒车控制，轮辋燃油喷射等；将0〜6个电压信号提供给机车电子控制装置，作为用于机车过渡转换的输入信号. 本文介绍了一种新开发的新型数模转换设备，该设备不同于原始东风系列柴油机车上使用的机车速度数模转换设备: 设计是完全创新的，克服了离散的原始设计. 组件. 存在许多缺点，例如IC过多，布线复杂以及温度漂移大. 新设计和应用的数模转换设备，其IC器件从3个减少到2个，并且影响性能指标的分立组件集成在IC中，其转换精度从0.5％提高到0.1％，并且系统温度漂移摘要: 高性能机车速度数模转换器陈平（七寿岩机车车辆厂工业公司，江苏常州213011）摘要: 机车运行高性能，高可靠性要求，文章描述了高性能机车速度数字模拟转换，它的作用是DF16型光电速度传感器的数字脉冲信号，转换为0〜6V，0〜20mA两种模拟信号. 器件只有两个IC芯片LM331少量的电路. 其中数字输入脉冲信号的电压信号有一定幅度，AD694电压信号标准为0〜20mA电流0〜6V两个信号输出. 该器件具有转换速度快，精度达0.1％，温度漂移小，性能可靠，高精度数模转换器件的特点. 关键词: 机车速度数模转换器； AD694; LM331增加到100 ppm /标准.

新设计的转换器具有广泛的调整范围. 对于120 km，160 km和200 km，三种不同的机车速度模型仅需要1即可克服3种不同类型的机车速度的缺点. 方便用户安装. 该设备的工作原理流程图如图1所示. 安装在机车车轮对上的DF16光电速度传感器将机车的运行速度转换为脉冲数字频率信号，并将其输入到设备中. 首先将脉冲信号输入到频率/电压转换U1电路，U1将脉冲信号转换为与频率成线性比例的电压信号，然后将转换后的电压信号输入到电压/电流转换U2电路，进行处理和处理电压信号在对电压进行完全调谐之后，将输出一个与机车速度成比例的0电压信号. 另一个被转换成与机车速度（脉冲频率）成正比的0-20 mA电流输出. 如果电流回路断开，则将输出断开警报信号. U1，U2转换电路的电源由三端稳压器LM317组成，具有更高的稳定性和准确性. 系统设计程序电子设计工程Vol.22No.1电子设计工程2014年1月2014年工作原理流程图图. 工作原理流程图LM331内部原理方框图图LM331内部方框图该设备是与机车上的监控主机共同准备的（也可以提供0 mA的信号电流）. 当监视主机使用电流信号（0 20mA）时，设备将关闭电源，并且继电器K与电源并联. 切断电源后，常闭点闭合，电流输出端子直接接地. 监控主机输出的0 20mA电流信号通过机车速度表后，通过K闭合触点接地，形成回路.

相反，当设备加电时，K关闭，并且数模转换设备提供20mA的电流信号输出. 该电路主要由频率电压转换U1（LM331）和电压电流转换U2（AD694）及其电路组成. LM331的功能是将频率转换为电压，然后由AD694将电压信号转换为0 20mA电流信号输出. 2.1频率/电压转换电路的原理本电路中使用的频率/电压转换芯片为LM331. 美国国家半导体公司生产的精密电压/频率或频率/电压转换器是高精度，低成本和高度集成的芯片电路. LM331采用新型的温度补偿带隙基准电路设计，在整个温度范围内均具有出色的精度. 即使电源低至4.0 V，具有低偏置电流的精密定时器电路也可以快速响应100 kHz的电压/频率转换. 它的工作电压在5范围内，输出的输出电压可以高达40 V，并且具有短路保护. LM331输入脉冲的有效频率范围是1 Hz 100kHz，可以通过单/双电源供电. LM331的内部原理框图如图2所示. 从功能框图2可以看出，对于频率/电压转换部分，LM331由CURRENTSWITCH，1个输入比较器（COMPARATORINPUT）和单稳态定时器（RSFLLIP- FLOP）.

频率-电压转换的工作原理: 比较器比较引脚6输入的负沿脉冲. 如果引脚6的电平低于7，则触发RS触发器，并通过引脚5连接稳态时间. 确定Rt和Ct定时电路. Rt * Ct的值越大，控制精密电流源开关（CURRENT SWITCH）的接通时间的稳态时间越长，因此输出电流的平均电流值越大. 当Rt * Ct固定时，“电子设计工程” 2014的平均电流大小从引脚1输出，这是引脚1滤波后输出的直流电压的大小，其大小仅与脉冲数有关每单位时间的输出（即输入触发脉冲频率）与平均电流成正比. I AVE引脚是精密开关电流源电流幅度调整端子（REFERENCE CURRENT），调整越小，精度输出电流越大电流源，反之亦然，但R太小，太大开关电流源电流会影响转换精度. 从上面的原理框图中可以分析，引脚6的输入脉冲周期T必须大于触发器触发后稳态脉冲的宽度T. 通常，T> 1.3T太大，高频脉冲源（CURRENT SWITCH）处于常开状态，平均输出电流IAV太小，平均电流IAVE就会有精确的开关电流. 很小，输出直流电压也很小，转换方式也会影响测量精度.

2.2频率/电压转换的实际设计电路是频率/电压转换的实际应用电路. 该电路的最大输入频率在120 km / h，160 km / h，200 km / h的范围内是fmax = 3368 Hz. 在运行过程中，由输入机车速度脉冲信号（高电平信号> 9（470PF），R（10KΩ））组成的差分电路形成一个窄脉冲，并输入到放大器U1的负端，引脚7为基准比较器的电压，引脚7的电势通过11（引脚68通过上拉电阻R（10KΩ）钳位到VCC. 在窄脉冲的下降沿，电势6将下降. 高于引脚7的电位，输出有效，比较器输入到单稳态触发电路，只有输入的前端使用差分电路，以防止机车速度时输入脉冲低电平过宽（频率）非常低，导致R速率输出端子该电路在不使用时接地引脚5是单稳态外部定时时间常数RC，为了提高单稳态定时精度，R（6.8kΩ）使用精度为0.1％的金属膜电阻器和温度漂移为20 ppm /，C使用精密校正电容器. 为了确保转换精度，12（15 13（200kΩ）也是高精度（0.1％，温度漂移20 ppm /）金属膜电阻器，C 10频率/电压转换实际应用电路图. 转换电路图输出电压公式: Vout = fin2.09 10并不影响输出功率值，而是从引脚1到R 13 10组成的滤波电路输出的脉冲电流，滤波效果影响性能C 10.

测试表明，值13越大数模转换芯片的转换速率，波动越小，精度越高. 输出电压连接到R13. 尽管增加R13的电阻会增加输出电压，但电阻越大，负载能力越小，容易受到干扰. 因此，此设计使用200电阻. 在3368 Hz时，输出电压幅度为6.38 V，纹波电压小于10 mV. 在本设计中，使用的模型为LM331AN，在工作温度范围内的精度为20 ppm /，非线性精度达到0.03％，完全可以满足工作要求. 2.3电压和电流转换原理AD694是美国AD Division生产的单芯片电压/电流转换器. 它将输入电压信号转换为标准的4〜20 mA 0〜20mA电流信号. 它可以由单电源或双电源供电. 具有输入缓冲放大，断路报警，温度补偿等功能. 使用时，只连接了很少的外部元件，具有很高的精度，0.002％的非线性度和很强的抗干扰性. 它是一种理想的集成电路，可替代过程控制，工业自动化和系统监控领域中的分立组件设计. 图4是AD694的功能框图. 如图4所示，它可以分为3个功能块. 第一个功能块缓冲放大器（BUFFER AMPLIFIER），第二个功能块电压/电流转换CONVERER），可产生0〜20mA电流，第三个功能块参考电压和偏置电流发生器（VOLTAGE REFERENCE OFFSETGENERATOR），可提供4mA偏置电流和参考电压.

缓冲放大器是一种单电源放大器，可为输入级提供一定的增益. 当引脚2短路时，该放大器也可用作发射极跟随器. 以COM为参考，引脚4悬空，引脚5接地. 当从缓冲器放大范围时，A2放大器将0〜12.5的电压信号转换为0〜1mA的电流. 如果不考虑200 MA偏置电流的影响，则Q2将电流信号传输到放大器A3的正输入端子. A3和Q3构成了达林顿放大器，该放大器放大了当前图像. 放大系数为RN =900Ω/ 45Ω= 20，即从引脚11输出0〜20 mA的电流信号. mA偏置电流发生器. 当我们需要的输出是4〜20 mA而不是0〜20 mA电流信号时，可以通过引脚6进行调整. 引脚14（BW ADJ）是集流端子，可以产生恒定的200偏置电流. 该电流被由A3和Q3组成的电流源放大，并在Q3输出端子Iout产生4 mA偏置电流. 可以关闭或打开mA偏置电流，并进行适当调整. 引脚9（4 mA开/关）连接到高电平时，4 mA偏置电流关闭，而连接到COM时，偏置电流打开. 如果初始电流不是4 mA，则可以使用为100〜240μA，对应于输出Iout的2〜4.8 MA.

如果不需要调整，则引脚6悬空. 输入范围调整. 引脚1（FB）的预设输入信号可以是2 V，2.5 V，10 V和12.5 V的4个范围中的任何一个. 当输入不是这4种信号时，输入缓冲放大器A1的增益（BUFFER AMPLIFIER）可用于将输入电压调节为上述4种规格之一. 本文仅适用于0〜20 mA输出，并且输入电压范围是0〜12.5 AD694功能框图. 图AD694功能框图AD694预设范围表Tab.1预校准范围〜204.5连接COM连接COM〜205.0连接COM〜2015.0浮动11输出电流/ mAPin mAON / OFF）引脚FS）最小电源电压V〜202.5至COM浮动〜 2012.5至COM至COM〜2012.5至COM暂停〜2012.5至COM〜2015.0浮动引脚（FB）输入电压范围/电压/电流转换实际应用电路图. 转换电路图2.4电压/电流转换的实际设计电路为实际电压/电流转换应用电路.

如图5所示，从上一级输出的电压信号输入到U2（AD694）引脚（SIG +）. 放大U1前级缓冲器后，U2引脚（FB）上的输出电压必须为2 V，2.5 V，10 V，为12.5范围中的任意一个. “电子设计工程” 2014年测试结果当机车速度最大（频率3 368 Hz）时，前级电压信号的输出幅度为6.38 V，不满足上述任何电压范围，因此必须对信号进行处理. 为此设计选择的输入电压范围为12.5. 前一级输入的电压信号被U1放大并缓冲，并且引脚1（FB）的满电压设置电压必须为12.5V. 在这里，调整VR1（200电阻值以选择合适的放大倍数N以适合机车在120km / h，160 km / h，200 km / h（分别对应于021Hz，2 695 Hz，3 368 Hz）的情况下. 15此设计中的N = 1.25- 4.8使用高精度，低温漂移电阻可确保放大性能的稳定性. AD694引脚14（BW ADJ）外部电容器C引脚13（Vs）用作带通滤波器，可以限制AD694输出带宽噪声10引脚（AL）接到开路报警电路，通常情况下，该端子为高电位，电压值不低于Vs-2V，晶体管Q被拉至Vs相等电位，Q截止；当输出电流回路断开数模转换芯片的转换速率，引脚10（AL）低电平输出，警报LED指示灯D因为R点亮，所以5灯亮起.

引脚11（Iout）是电流输出端子，通过反向电流二极管D3（1N4148）和限流电阻18（220Ω）输出. D1（1N4148）和D2（1N4148）连接到11针输出端子，以防止外部感应负载损坏输出端子. 11引脚电容器也连接到C（0.01μF），以滤除输出噪声. 从U2（AD694）的引脚1（FB）输出12.5电压（满量程）. 该电压作为输入信号通过电阻R 10（10kΩ）和可调电阻RV电压提供给机车外部的电子控制装置. . 转换精度（在20个条件下）表2转换精度（20个输出电流/ mA实际非线性误差机车速度/（km / h）对应频率/ Hz 200/3 368 20.000 100/1684 10.002 0.01％50/842 5.004 0.02％温度效应（在20mA以下）表3干扰温度（20 mA）输出电流/ mA /温度效应/（ppm /）环境温度/ 20 20.000 -1019.96 67 40 20.02 25应用效应新的数模转换设备已通过小批量加载测试，实际应用效果更好.

尤其是，转换精度，抗干扰和稳定性能提高到0.1％，并且输出信号随温度变化很小. 通过分别在-10、20和40的温度下进行测试，整个系统的温度漂移在100 ppm /以内. 该转换装置还集成了机车120 km / h，160 km / h，200 km / h的速度模型，共享一块转换板，互换性强，维护方便用户. 从一段时间的车辆装载效果来看，稳定性非常好，不会出现故障情况. 新的数模转换设备通过数据测试和加载应用程序显示，无论其转换精度，温度漂移特性和稳定性如何，该设备均已达到预期的效果；该设备还减少了IC和分立元件的数量，从而大大减少了故障率，确保了电子设备的使用寿命应为20％，完全可以满足设计要求. 在互换性方面，该装置可以适应不同类型的机车，并且具有很强的适用性. 这种新型的数模转换装置将逐渐推广并应用于各种类型的铁路干线机车. 参考文献: 朱建昌. 柴油机车的电驱动[M]. 北京: 中国铁道出版社，2009. 德州仪器. 3端子可调节调节器[EB / OL]. 美国: 德州仪器[2001]. Ti.com.cn/ cn / lit / ds / symlink / lm317.pdf. 美国国家半导体公司. LM231A/ LM231 / LM331A / LM331精密电压至频率转换器[EB / OL]. [1999]. 中华人民共和国铁路行业标准. TB/ T 2760 -2010. 机车轴端光电速度传感器[S]. 北京. 中华人民共和国铁道部. 2010. ADI公司. 4-20mA变送器AD694 REV.A [EB / OL]. （2002）. CS.JH-S9 / S9A数模转换盒操作和维护手册[C]. 上海: 上海DEUTA，2006年. 中华民国铁路行业标准. TB / T3021-2001. 铁路机车车辆电子设备[S]. 北京. 中华人民共和国铁道部，2001年. 一种高性能机车速度数模转换装置的设计. 欢迎订阅2014年“电子设计工程”杂志（半月刊）国内邮政编码: 52-142国际发行代码: M2996价格: 15.00

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