一种高性能机车速度数模转换装置的设计

陈 平

（戚墅堰机车车辆厂工业公司 江苏 常州 213011）

随着铁路轨道交通技术的迅速发展，先进的机车设备得到广泛的应用，因此对机车上各种信号性能要求也越来越高。运行在主干线的铁路机车对速度信号转换，无论是精度、稳定性还是可靠性都提出了严格的要求，因为信号转换装置性能好坏直接影响着列车的行车安全。机车速度信号经数模转换后主要是提供给机车速度表及相关的控制装置使用，其中0～20 mA电流信号送至机车操纵台上的机车速度表，以显示机车速度，另还作为备用信号送至机车上的监控、电阻制动、超速控制、换向控制、轮缘喷油等这些装置使用；0～6 V电压信号提供给机车电控装置作为机车过渡转换的输入信号。本文所介绍的是新研发一种全新的数模转换装置，与原东风系列内燃机车上所使用的机车速度数模转换装置不同之处在于：设计上完全创新,克服了原设计的分立元件过多，IC过多，布线繁杂，温漂较大等缺点。新设计和应用的数模转换装置，其IC器件由3片减少到2片，并将影响到性能指标的分立元件集成在IC中，其转换精度由0.5%提高到0.1%，系统温漂提高到100 ppm/℃标准内。新设计的转换器可调范围广，对于120 km,160 km,200 km3种不同机车速度车型仅需要1块板即可，克服了3种机车速度需配置3块不同类型板的缺点，方便了用户安装。

1 系统设计方案

本装置工作原理流程图，如图1所示。

装在机车轮对上的DF16型光电速度传感器，将机车走行速度转化为脉冲数字频率信号[1]输入到本装置。脉冲信号先输入到频率/电压转换U1电路，U1将脉冲信号转化与频率成线性正比的电压信号，然后转化后的电压信号输入到电压/电流转换U2电路，该电路将电压信号进行处理，处理后的信号一路经电压整定后，输出与机车速度成正比的0 ～ 6 V电压信号；另一路转换成机车速度（脉冲频率）成正比的0～20 mA电流输出。若电流回路开路，将输出开路报警信号。U1，U2转换电路的电源是由较高稳定精度的三端稳压器LM317[2]稳压后供电，以进一步保证输出精度不受电压波动影响。

图1 工作原理流程图Fig. 1 Working principle flow chart

本装置与机车上的监控主机（也能提供0 ～2 0 mA信号电流）互备，当电流信号（0 ～ 20 mA）取用监控主机时，该装置断电,与电源并接继电器K断电，常闭点 K闭合，电流输出端与地形成直通，由监控主机输出的0 ～ 20 mA电流信号经过机车速度表后，通过K闭合触点接地形成回路。反之，当本装置通电时，K处于断开状态，由本数模转换装置提供0 ～ 20 mA电流信号输出。

2 电路设计

本电路主要是由的频率电压转换U1（LM331）和电压电流转换U2（AD694）及其外围电路组成。LM331功能是将频率转换成电压，然后由AD694将电压信号转为0 ～ 20 mA电流信号输出。

2.1 频率/电压转换电路原理

本电路所用的频率/电压转换芯片是LM331。由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，是一种高精度、低成本、高集成的芯片电路[3]。LM331采用了一种新型温度补偿带隙基准电流，在全温度范围内提供了绝佳的精度值。即使供电电源低至4.0 V，具有低偏置电流的精密定时器电路，也能对100 kHz的电压/频率转换给予快速反应。其工作电压在5 ～ 40 V范围内，输出端的电压输出可高达40 V，同时具有短路保护功能。LM331输入脉冲的有效频率范围为1 Hz ～ 100 kHz，可单/双电源供电。LM331内部原理框图[3]，所如图2所示。

从原理框图2上可以看出，对于频率/电压转换部分，LM331是由1个精密开关电流源(CURRENT SWITCH)，1个输入比较器(COMPARATOR INPUT)和1个单稳态定时器(RS FLLIP-FLOP)组成。

频率-电压转换工作原理：由6脚输入的负边沿脉冲，与7脚电位在比较器内进行比较，若6脚电平低于7脚，将触发RS触发器翻转，稳态的时间由5脚接的Rt、Ct定时电路决定。Rt*Ct值越大，稳态时间去控制精密电流源开关（CURRENT SWITCH）的接通时间越长，从而表现在1脚输出电流平均电流值越大。当Rt*Ct固定后，从1脚输出平均电流大小，即表现在1脚滤波后输出的直流电压大小，其大小只与单位时间内输出的脉冲个数(即输入触发脉冲的频率)成正比，平均电流IAVE=i* (1.1Rt*Ct) *f。2脚是精密开关电流源电流幅度调节端（REFERENCE CURRENT）,通过调节RS阻值来调整开关电流大小。RS越小,精密电流源输出电流越大，反之越小，但RS一般不低于5 k,RS过小时，过大的开关电流源电流将对转换精度产生影响。

从上述原理框图分析出，从6脚输入脉冲周期T，必须大于触发器翻转后稳态脉冲的宽度Tw，通常情况下T＞1.3Tw。若Tw（Tw=1.1Rt*Ct） 过大,则有会在高频脉冲时，精密开关电流源(CURRENT SWITCH)处于常通状态，输出平均电流IAV将达到最大饱和值，从而输出不正确的电压值。反之如果Rt*Ct取得太小, 平均电流IAVE变小，则输出的直流电压小,转换灵敏度低,也影响测量精度。

2.2 频率/电压转换实际设计电路

图3是频率/电压转换实际应用电路。

图3 频率/电压转换实际应用电路Fig. 3 F/V conversion circuit diagram

本电路在量程为120 km/h,160 km/h,200 km/h实际输入的最高频率为fmax=3 368 Hz。工作时由输入机车速度脉冲信号（高电平信号＞9 V）[4]经C9（470 PF）、R5（10 KΩ）组成的微分电路后形成窄脉冲输入到U1的6脚，U1的脚6为比较放大器的负端，脚7为比较器基准电压，7脚的电位是通过R3（10 KΩ）和R11（68 KΩ）分压后确定的。6脚通过上拉电阻R5（10 KΩ）钳位在VCC上，在窄脉冲下降沿，6脚电位将下降，低于脚7电位时输出有效，通过比较器输入到RS单稳态触发电路。只所以输入前端采用微分电路，以防止机车速度（频率）很低时,输入脉冲低电平过宽,引起RS触发器工作异常，对单稳态电路正常工作造成影响。脚3为频率输出端,本电路不用时接地，脚5为单稳态外接定时时间常数RC，为了提高单稳态定时精度，R6（6.8 kΩ）采用精密度为0.1%,温漂为20 ppm/℃的金属膜电阻，C1(0.01 μF)采用精密校正电容。同样为保证转换精度，R12（15 kΩ）、R13（200 kΩ）也是高精密（0.1%、温漂20 ppm/℃）金属膜电阻，C10（1 μF）为精密校正电容。之所以采用精密元件，从1脚的输出电压公式：Vout=fin×2.09 V×（RL/RS）×（Rt*Ct）式中可以看出，影响电压输出的元器件为RL、RS、Rt、Ct。虽然C10不影响输出电压值，但从1脚输出的脉冲电流通过R13，C10组成滤波电路，C10性能影响滤波效果。通过试验表明，R13取值越大，纹波越小，精度越高。输出的电压与R13有直接关系，虽然通过增大R13阻值，会增大输出电压值但阻值越大，带负载能力越小，且易受干扰，所以本设计采用200 KΩ电阻。在3 368 Hz时，输出电压幅值为6.38 V，纹波电压小于10 mV。本设计中采用型号LM331AN，在工作温度范围内精度为20 ppm/℃，非线性精度达到0.03%，完全满足工作要求。

2.3 电压/电流转换原理

AD694是一种单片电压/电流转换器，由美国AD公司生产。它将输入电压信号转换成标准的4～20 mA或0～20 mA电流信号[5]。既可以单电源供电，也可以双电源供电。具有输入缓冲放大、开路报警、温度补偿等功能。使用时只接很少的外部元件，精度高，非线性度达0.002%，抗干扰性强，是过程控制、工业自动化和系统监测等领域中取代分立元件设计的一种理想集成电路。

如图4是AD694的功能框图[5]。

如图4所示，它可分为3个功能块。第一功能块缓冲放大（BUFFER AMPLIFIER），第二功能块电压/电流转换(V/I CONVERER)，能产生0～20 mA电流，第三功能块参考电压和偏置电流发生器（VOLTAGE REFERENCE & OFFSET GENERATOR），由此提供4mA偏置电流和参考电压。

缓冲放大器是一个单电源供电的放大器，可为输入级提供一定增益。当2脚与1脚短接时，也可将放大器作为一个射极跟随器使用。

以COM为参考，4脚悬空，5脚接地，当从缓冲放大器的1脚输入电压信号在0～12.5 V范围内时，A2放大器将0～12.5 V电压信号转换为一个0～1 mA的电流。若不考虑200 MA偏置电流影响，由Q2将电流信号转移到放大器A3正相输入端， A3与Q3组成达林顿放大器，将电流镜像放大，其放大倍数为R3/R4,N=900 Ω/45 Ω=20，即从11脚输出0～20 mA的电流信号。

4 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，可通过引脚6和脚9来进行调整。引脚14（BW ADJ）是电流汇集端，能产生一个恒定的200 μA偏置电流,该电流通过A3、Q3组成的电流源镜像放大后，在Q3输出端Iout产生4 mA偏置电流。 4 mA偏置电流既可以关断，也可以打开并作适当调节。引脚9（4 mA ON/OFF）接高电平时，关断4 mA偏置电流，接COM时打开偏置电流。如果初始电流不为4 mA，可外接基准电压、如引脚7（10 V FORCE）标准电压和电位器来调节引脚6（4 mA ADJ）的电位，从而实现对偏置电流的调整；调节范围100～240 μA，对应到输出Iout端为2～4.8 MA。若不需要调节时，引脚6悬空。

图4 AD694的功能框图Fig. 4 AD694 functional block diagram

输入量程的调整。1脚（FB）预先设定的输入信号可以是2 V、2.5 V、10 V、12.5 V4种量程的任意一种。当输入不是这4种信号时，可以用输入缓冲放大器A1（BUFFER AMPLIFIER）的增益进行调整，将输入电压整定到以上4种规格中的一种。

文中仅针对0～20 mA输出,输入电压范围为0～12.5 V进行阐述。其他形式的输出及对输入电压的要求如表1[5]所示。

2.4 电压/电流转换实际设计电路

图5是电压/电流转换实际应用电路。

如图5所示，从前级输出的电压信号输入到U2（AD694）3脚（SIG+），经U1前级缓冲放大后，在U2的1脚（FB）输出电压必须是2 V，2.5 V,10 V,12.5 V 4种量程任何一种。机车速度最大时（频率为3 368 Hz）从前级电压信号输出的幅值为6.38 V，不符合上述电压量程的任何一种，所以必须对信号进行处理。本设计选用的输入电压量程是12.5 V，所以前级输入的电压信号经U1缓冲放大后，1脚（FB）在满量程的整定电压必须为12.5 V。这里通过调节VR1（200 K）电阻值选择合适的放大倍数N，以适应机车在120 km/h、160 km/h、200 km/h（ 对 应 2 021 Hz、2 695 Hz、3 368 Hz）3种不同机车速度车型调节需要。缓冲器的放大倍数N=1+（R7+VR1）/R15， 本 设 计 中N=1.25- 4.8 。R7、VR1、R15均 采用高精密、低温漂电阻，以保证放大性能的稳定。

表1 AD694预置范围表Tab.1 Precalibrated ranges for the AD694

图5 电压/电流转换实际应用电路Fig. 5 V/I conversion circuit diagram

AD694引脚 14（BW ADJ）外接电容C5（0.1 μF）至引脚13（Vs），起带通过滤作用，可以限制AD694输出带宽噪声。10脚（AL）接开路报警电路，正常情况下，该端为高电位，电压值不低于Vs-2V ，三极管Q1的基极通过R9（20 kΩ）上拉至Vs等电位，Q1截止；当输出电流环路断开时，10脚（AL）输出低电平，由于R8〈〈R9，三极管Q1的基极通过电阻R8（1 kΩ）被下拉至低电平，Q1导通，报警LED指示灯D5点亮。

11脚（Iout）为电流输出端，通过逆流二极管D3（1N4148）和限流电阻R18（220 Ω）输出。在11脚输出端接有D1（1N4148）、D2（1N4148）以免外接感性负载损坏输出端,11脚还接有电容C2（0.01 μF）以滤除输出噪声。

从U2（AD694）的1脚（FB）输出12.5 V电压(满量程时)，该电压经电阻R10（10 kΩ），可调阻RV2分压整定后，输出6 V电压提供给机车外部的电控装置作为过渡转换的输入信号。

3 测试结果

表2、表3分别是对转换精度和温度影响的测试结果。

表2 转换精度（在20 ℃条件下）Tab.2 Conversion accuracy (20 ℃)

4 运用效果

该新型数模转换装置经过了小批量装车试验，实际运用效果较好。特别是在转换精度、抗干扰性和稳定性能上得到大幅提高，精度从0.5%[6]提高到0.1%，输出信号随温度变化很小。通过分别在-10 ℃，20 ℃，40 ℃3种温度下测试，整机系统温漂在100 ppm/℃内。该转换装置还整合了机车120 km/h、160 km/h、200 km/h 3种速度车型共用1块转换板，互换性强，用户维护方便。通过一段时间装车使用效果来看，稳定性能很好，无一例故障。

表3 温度的影响（在20 mA条件下）Tab.3 Inf l uence of temperature (20 mA)

5 结 论

该新型数模转换装置通过数据测试和装车应用表明，无论其转换精度，温漂特性、还是稳定性方面都达到预期的效果；本装置还减少了IC和分立元器件数量，从而大大降低了故障率，保证电子装置的使用寿命应为20年[7]，完全达到了设计要求。在互换性方面，本装置可适应不同类型的机车，适用性强。此新型数模转换装置将逐步推广应用在各类铁路主干线机车上。

[1]朱建昌.内燃机车电传动[M].北京:中国铁道出版社, 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]中华人民共和国铁道行业标准. TB/T 2760-2010.机车轴端光电转速传感器[S].北京.中华人民共和国铁道部.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]上海德意达.CS.JH-S9/S9A数模转换盒使用维护说明书[C].上海：Shanghai DEUTA,2006.

[7]中华人民共和国铁道行业标准.TB/T 3021-2001.铁道机车车辆电子装置[S].北京.中华人民共和国铁道部,2001.