【文章內(nèi)容簡介】 工作溫度范圍內(nèi)和低到 高的精度。 LM331的動態(tài)范圍寬，可達(dá) 100dB；線性度好，最大非線性失真小于 ％，工作頻率低到 性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá) 12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成 V/F或 F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。 AT89C2051 CS3020 速度輸入 脈沖整形 LM331 比較電路 LED 顯示 控制輸出 CD4511 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 LM331為雙列直插式 8引腳芯片， 內(nèi)部電路組成如圖 31所示。由輸入比較器、定時比較器、R－ S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精 密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配 TTL、 DTL和 CMOS等不同的邏輯電路。 LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在 ～ 40V之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可以防止 CCV 短路。 圖 31 LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 LM331 的 性能特點(diǎn)及 引腳功能。 LM331的 性能特點(diǎn)如下： 最大線性度為： ℅ 最佳溫度 穩(wěn)定性； 最大值為：177。 50ppm/℃；小功耗， 5V下的典型值為： 15mW； 電源范圍寬： — 40V，并且有電源短路保護(hù)功能； 寬的動態(tài)范圍： 10 ZKH 滿量程頻率下的最小值為 100dB； 量程范圍： 1 ZH — 100 ZKH 。 LM331芯片的引腳圖如下圖 32，其管腳描述見表 31。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 32 LM331引腳圖 表 31 L298管腳描述 管腳號 名稱 I/O 功能 1 CURO O 電流輸出 2 REFCUR O 參考電流 3 FOUT O 頻率輸出 4 GND _ 地 5 R/C I 定時比較輸入 6 THD I 比較器反向輸入端 7 COM1 I 比較器同向輸入端 8 SV _ 電源 RI （ PIN1）為電流源輸出端，在 0f （ PIN3）輸出邏輯低電平時，電流源 RI 輸出對電容 LC充電。引腳 2（ PIN2）為增益調(diào)整，改變 SR 的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小 .0f （ PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由 tR 和 tC 決定。引腳 4（ PIN4）為電源地。引腳 5（ PIN5）為定時比較器正相輸入端。引腳 6（ PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳 7（ PIN7）為輸入比較器正相輸入端。引腳 8（ PIN8）為電源正端。 LM331 的運(yùn)行參數(shù) LM331的極限參數(shù)（超此極限有可能導(dǎo)致?lián)p壞）表如表 32，電參數(shù)表如表 33 表 32 LM331極限參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)值 單位 電源電壓 40 V 輸出短路電流至 GND 連續(xù) 輸出短路電流至 CCV 連續(xù) 輸出電壓 ～ SV V 工作溫度范圍 0～ +70 ℃ 功耗 （ 25℃ ) W 焊接溫度（點(diǎn)焊， 10秒） 260 ℃ 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 表 33 LM331電參數(shù) (一） 參數(shù) 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 電流源（第 1腳 ） 輸出電流 14KRS? 01PIN?V 116 136 156 μA 電壓變化引起的變化 V1 100 ?? PINV nA 電流源關(guān)斷漏電流 MAXA TT ? 所有驅(qū)動 An 電流變化范圍 100～ 500 μA 參考電壓（第 2腳） 參考電壓 VDC 溫度穩(wěn)定性 ?60 ppm/℃ 時間定性 1000消失 ? % 選擇輸出（第 3腳） SATV mAI 5? V mAI ? (兩個 TTL負(fù)載 ) MAXAMIN TTT ?? V 關(guān)斷漏電流 ? μA 電源電流 電源電流 V5?SV mA V40?SV mA Ta=25℃ ,除其他特殊說明外 CS3020 霍爾元件的介紹 CS3020是 CS系列霍爾傳感器中比較常用的一員，它的由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路的輸出級組成發(fā)磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為電壓。 CS3020 的特征及應(yīng)用 （ 1）特征 CS3020工作頻率寬（ 100K ZH ），開關(guān)速度快，沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能直接和長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 晶體管及 TTL、 MOS等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。 （ 2）應(yīng)用 CS3020典型應(yīng)用于無觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機(jī)等方面。 CS3020 的引腳說明 CS3020只有三個引腳， 1腳接電源， 2腳接地， 3腳接輸出，安裝簡單方便易用。其功能框圖如圖 33。 圖 33 CS3020的功能框圖 CS3020 的電特性和磁特性 CS3020的磁特性見表 34，電特性 見表 35。 表 34 CS3020的磁特性 參數(shù) 符號 最小值 典型值 最大值 單位 工作點(diǎn) Bop — 22 35 mT 釋放點(diǎn) Brp 5 — mT 回差 Btrys 2 — — mT 表 35 CS3020的電特性 參數(shù) 符號 測試條件 最小 典型 最大 單位 電源電壓 CCV — 24 V 輸出高電平電流 ohV OUTI = 20 mA, B BOP — 10 uA 輸出低電平電壓 olV OUTV = 24 V, B BRP — 200 400 mV 電源電流 ccI CCV =輸出開路 — — 8 mA 輸出上升時間 tr RL = 820 Ω CL = 20 pF — — uS 輸出下降時間 tf — — uS 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)機(jī)的車自動換檔系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)原理概圖在論文第二章圖 中也作過表述。 整機(jī)電路原理圖見附錄 1部分。 本章將對系統(tǒng)硬件的各個部分作具體分析。 電源設(shè)計(jì)部分 本設(shè)計(jì)中控制部分的邏輯元件需要 +5V的直流電，而我們實(shí)驗(yàn)用的小型直流電動機(jī)的額定電壓為 12V。這樣我們就需要兩個直流電源。為解決這個問題，我們采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且有很多成熟是集成元件可選擇，電路十分簡單。所以我們在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源如下圖 41。 圖 41 雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源 由上圖可見，這個雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡單，只用了一個 220V 變 12V的變壓器，一個整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（ 7812和 7805）和四個電容。圖中 1C 是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于 1C 本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在 1C 傍邊并聯(lián)一個高頻濾波性能良好的小電容 2C 。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容 3C 和 4C 是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。 速度信號的前端處理部分 在上述文章中我們已經(jīng)闡述到速度信號的前端處理部分從信號采集到信號比較的整個過程，這小結(jié)我們將詳細(xì)說明各個小部分的電路組成。 速度的采集部分 速度采集部分選擇了霍爾速度傳感器 CS3020，電路接法如下圖 42，傳感 器電源電壓接長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 5V，在輸出端和電源之間接一個 1K的電阻，在 原理，當(dāng)機(jī)車轉(zhuǎn)動一圈時速度傳感器輸出三個脈沖波形，在機(jī)車車輪軸和柴油機(jī)轉(zhuǎn)軸上以同樣的方式安裝相同的傳感器。 圖 42 CS3020 電路接圖 脈沖整形的電路 該電路的作用是將霍爾速度傳感器輸出的不規(guī)則的脈沖信號整形為規(guī)則的脈沖信號如圖43所示，電路選擇兩級 CMOS反相器組成的回差電壓可調(diào)的施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)脈沖整形功能。 圖 43 兩級 CMOS 反相器組成的脈沖整形 頻率電壓轉(zhuǎn) 換的電路 由 LM331構(gòu)成的頻率－電壓轉(zhuǎn)換電路如圖 44所示，輸入脈沖 if 經(jīng) 1R 、 1C 組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻 11R 、 10R 分壓而加有約CCV /3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻 9R 加有 CCV 的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時， 經(jīng)微分電路 9R 、 4C 產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的上，當(dāng) 負(fù)向尖脈沖大于 CCV /3時，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時電流開關(guān)打向右邊，電流源 RI 對電容 CL充電，同時因復(fù)零晶體管截止而使電源 CCV 通過電阻 Rt 對電容 Ct 充電。當(dāng)電容 LC 兩端電壓達(dá)到2 CCV /3時，定時比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時電流開關(guān)打向左邊，電容 LC 通過電阻 LR 放電，同時，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時電容 Ct 迅速 放電，完成一次充放電過程。此后，長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時，電路重復(fù)上述的工作過程。從前面的分析可知，電容 LC 的充電時間由定時電路 Rt 、 Ct 決定，充電電流的大小由電流源 RI 決定，輸入脈沖的頻率越高，電容 LC 上積累的電荷就越多輸出電壓 (電容 LC 兩端的電壓 )就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率－電壓的變換。按照前面推導(dǎo) V/F 表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓 OV 與 if 的關(guān)系為：Sitt RCRRV / 90 ? 圖 44 LM331F/V 電路圖 電容 4C 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 4C 小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻 LR 和電容 LC 組成低通濾波器。電容 LC大些，輸出電壓 OV 的紋波會小些，電容 LC 小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時，輸出響應(yīng)會快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時要綜合考慮 圖 45(a) LM331 簡單 F/V 轉(zhuǎn)換電路 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 45(b) LM33(b) 高精度 F/V 轉(zhuǎn)換電路 圖 45(a) 是一個簡單電路，輸出電流經(jīng) 100kRL? 和 1ufCL? 的濾波器后，波動峰值將低于 10mV，但響應(yīng)比較慢，例如：一個 秒的時間常數(shù)，所對應(yīng)的建立時間是 秒（達(dá)到 %的精度）。 圖 45(b)是一個高精度 F/V 轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)放起輸入緩沖和濾波的作用。這種電路波動峰值將低于 5mV ,響應(yīng)時間相對較快，但輸入頻率低于 200 ZH 時，此電路的波動要比圖 (a)大，一般需要對濾波時間常數(shù)既要滿足快速 響應(yīng)，又要滿足足夠小的波動的要求。 電壓比較的電路 在上一小結(jié)中講述到了通過比較機(jī)車速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可以確定機(jī)車是否需要進(jìn)行換檔，當(dāng)機(jī)車的速度低于柴油機(jī)的速度時，機(jī)車運(yùn)行在 1 檔，當(dāng)機(jī)車速度大于柴油機(jī)速度時，機(jī)車換檔到 2 檔。比較代表兩個速度的電壓是由施密特電壓比較電路完成的，它不但可以比較兩個電壓信號，還可以在 2檔到 1檔的轉(zhuǎn)換生一個施密特回滯。 圖 46 電壓比較電路 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 圖 46所示是將機(jī)車速度和柴油機(jī)速度電壓信號轉(zhuǎn)換成換檔信號的具體電路。圖中， 0u 和1u 分別是代表機(jī)車速度和柴油機(jī)速度的電壓信號。兩個運(yùn)算放大器 1F 和 2F 都接成電壓比較器的形式。兩個輸出端分別輸入一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的 S 和 R 端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出經(jīng)過一個光電隔離器件的處理即可變成換檔信號。在圖 2中， 1F 的兩個輸入電壓和 2F 的反相端輸入電壓都直接接 0u 或 1u 。而 2F 同相輸入端則由 2R 和 3R 對 Ub 分壓后輸入，由于 2R 為 560Ω，而 3R 為 10kΩ，實(shí)際的輸入電壓為 1u 。通常機(jī)車的初始檔位都是 1檔，隨著機(jī)車速度逐漸增加，當(dāng)其速度大于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速（即 10 uu? ）時，輸出高電平并 1F 加入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的S 端，對于 2F ，由 10 uu ? ，可得 10 uu? ，所以 F2輸出低電平到單穩(wěn)觸發(fā)器的 R端。這樣，觸發(fā)器將輸出高電平，以控制電路輸出換 2檔信號，從而使后面的單片機(jī)電路進(jìn)行換檔。當(dāng)機(jī)車速度下降到小于 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速時，即 10 uu? ，但 10 uu ? 時， 1F 輸出低電平，但由于此時 2F 的同相輸入端 11 uu 95 .0? ， 2F 的輸出端 仍然為低電平，這樣，由于單穩(wěn)觸發(fā)器的S 和 R端都輸入低電平，所以它的輸出端仍維持原來的狀態(tài)而不輸出換檔信號。當(dāng) 10 uu ?時， 2F 的輸出端轉(zhuǎn)換為高電平，此時單穩(wěn)觸發(fā)器的輸入端 S 端為低電