TC9142/TC9203/TC9193/TC9192电动机控制专用 锁相环集成电路

这四种集成电路是由日本东芝公司生产的电动机控制专用 PLL 集成电路，主要应用于数字型电唱机、复印机、软盘驱动器 (FDD)、硬盘驱动器 (HDD) 、光盘驱动器中。

1.TC9142P  锁相环集成电路 TC9142P 是原为高级电唱机 主轴PLL 稳速控制而设计的，简单地改变外围电路及接线.也可 使用于FDD 、HDD和光盘驱动，以及其他电子机械的电动机稳速控 制。从图4-19可知，它由晶体振荡器和可变分频系数的分频器、反 馈信号处理电路、F/V  变换和P/V  变换几部分组成。使用单电源，电 压VDp为5～9.5V,   采用DIP   16封装。其原理框图见图4-19。

TC9142P 是 C²MOS 结构的电路。由电动机的频率发生器 (FG)  产生的速度脉冲信号通常幅值较低，从6脚 (FGN)   输入， 首先经高增益线性放大器(30dB) 放大，然后由施密特电路整形为脉冲信号，进入同步电路和12bit 的 AFC 同步分频器。后者还 受从14脚CP   输入的时钟信号控制。

石英晶体接2和3脚。1/N 基准信号分频器的分频系数N 由 4脚和5脚的逻辑电平N 和 N₂  决定，可在1/4、1/32和1/128三 者中选择。其输出频率信号CPour(15   脚)通常接至14脚，作为 同步脉冲信号。也可以用从微型计算机来的时钟信号直接从14脚 输入，此时晶体振荡器就不使用了。后续两个分频器及10脚、13 脚是为电唱机控制使用的。由10脚的电平可选择1/20或1/27分 频系数，作为电动机转速33 和45r/min  的切换。13脚输出频闪 脉冲信号，可用来对唱盘转速同步的监视。9脚RV 是判断电动机 反转后给出信号输出端。11脚P/S 是运转/停机控制端。12脚LD  是锁定指示端，高电平表示系统进入锁定范围。

TC9142P 最大特点是用两个8bit DAC(数字/模拟转换器)分 别作为F/V  和 P/V  变换。从8脚AFC  (自动频率控制)输出的 是第一个DAC 将数字量的频率差变换为模拟量的信号。从7脚

APC (自动相位控制)输出的是 ( 是FG 的2分频信号)和 FS (从同步时钟信号分频得到)相位比较得到相位差，经另一个 DAC转换的输出电压信号。在使用时，7和8脚信号接加法运算 放大器，进行信号混合，控制电动机的功率放大器，参见图4-2的 双环系统和下面的应用示例。

FGm反馈频率变化时，AFC 和APC 变化如下：

(1)FGm  在锁定范围以下时，AFC  和 APC 为高电平 (H);

(2)FGN 在锁定范围以上时，AFC 和 APC 为低电平(L);

(3)FGn  在锁定范围以内时 ，AFC 和APC 有线性输出。此 8bit DAC的最大偏差为±6.5LSB(Least   Significant    Bit),分 辨 率是1个MSB(Most   Significant   Bit),即 Vpo/256。图4-20给出 F/V 和P/V 变换的输出特性：FG 与 AFC 输出(8bit) 关系和相 位差与锁定范围内APC 输出(7 bit)  的关系。实际上也就是此电 路的鉴频和鉴相特性。

晶体振荡器频率f   和电动机锁定转速n 。(r/min)、电机频率 发生器 (FG)   的每转脉冲数a 有如下关系式：

式中 K-—  由10脚电平决定的分频系数，此电平为高时，K= 20;低电平时，K=27;N——由 4 和 5 脚N₁N₂ 逻辑电平组合决定的分频系数：

当 N₁N₂=11   时 ，N=32;N₁N=10      时 ，N=4;N₁N₂

= 0 1 时 ，N=128。 2.TC9142P 应用示例

〔例4-1〕TC9142P 高精度直流电动机PLL 系统。系统见图 4-21,直流电动机同轴安装简易光电编码盘，每转脉冲数a=36,    取N=4,K=27,       电动机转速为1500r/min,   晶体频率为

采用LM324 四运算放大器，其中两个接7脚和8脚，作为跟

随器，各接22kΩ 到混合校正放大器，阻容网络起校正作用。由于 电源取8V, 故放大器同相输入端接稳压管ZD 产生4 .2V, 使锁相 时维持相差在π附近。末级用NE555  产生三角波，实现PWM  调 制功率开关。系统运行时，若转速低于设定值，FGm 偏 低 ，AFC  输出高电平，使脉宽增大，电动机加速；反之，若转速高于设定 值 ，FGN  在锁定范围之上，AFC  为低电平，使电动机减速。鉴频 进入锁定范围后，AFC  在0%附近变化，此时靠APC 调整，使相 位差在π附近摆动。此时频差为零，实现高精度稳速。

〔例4 -2〕TC9142P  在复印机中应用。在普通纸复印机 (PPC)  中。显像电动机采用三相霍尔无刷直流电动机，需要高精 度稳速控制。控制电路见图4-22。这里用了四块东芝公司生产的 集成电路TC9142P 专 用PLL 集成电路，TA76494P  ( 与TI494  等 效)通用开关电源PWM 调整器、TA7712P 三相全波霍尔电机控 制器和MP6901 三相逆变桥功率开关模块和少量外围元件组成一 个完整的PLL 控制系统。

被驱动的三相电动机功率约为50W, 采用的MP6901 三相功 率模块由六个达林顿开关晶体管组成，每个开关能力是80V、4A。

电动机采用三片THS   103A霍尔元件作为位置传感器，由两个3302电阻串联在5V电源上得到霍尔元件电流端需要的电流。 TA7712P 将霍尔元件信号进行逻辑运算，换相信号分别从1、3、 5和2、4、6脚输出，去驱动MP6901 的上侧和下侧开关。图中利 用三个NPN 和三个PNP晶体管用作电平转移，以解决从5V 到  电动机33V 电源的差别问题。

TC9142P的测速反馈脉冲从TA7712P 的6脚一相的换相信 号来，它经过一个晶体管放大和由1kΩ 电阻、0.0047μF 电容组成  的低通滤波器滤去高频尖峰杂波，从TC9142P 的6脚输入。 TC9142P的 AFC 速度电压信号和APC 相位差电压信号以 220kΩ和150kΩ不同阻值的电阻，按一定配比在TA76494P 误差  放大器的反相输入端(2脚)输入。此误差放大器的同相输入端  (1脚)按2.5V固定电压，它是从14脚(内设基准电压5V)  由  两个4.7kΩ电阻分压得到。其目的是使系统锁在相位差为π附  近。此误差放大器输出到PWM 比较器，产生的PWM 信号从8和 11脚输出，去控制MP6901,  实现电动机稳速控制。另一个误差  放大器作限流控制用。电流信号是从MP6901的1和11脚外接的 0.2Ω采样电阻上得到的，它接至反相输入端16脚。同相输入端 15脚从5V 分压得到限流的整定值。

3.TC9203P/F 、TC9193F 、TC9192P PLL控制集成电路此 三种专用PLL 控制集成电路的基本部分与TC9142P 相同(见图 4-23),组成一个PLL  IC系列。

TC9203P/F 与 TC9142P 几乎是一样的，不同之处只是将 TC9142P主振荡器后的1/20或1/27分频器改为1/5或1/6分 频器，以适用于5in(127mm)   或 8in(203.2mm)FDD     主轴速度 分别为300或360r/min 的要求。后缀为F 表示是表面安装封装， 以适应箔形FDD的需要。

TC9193F是为HDD 设计的，因此它增加了一个扇区脉冲发 生器，利用内部时钟和指针(index)  脉冲产生硬盘驱动所需要的  扇区脉冲信号，而且有扇区数17和32两档可供选择。此外， TC9193F还为AFC 和APC 增加了缓冲放大器，和为基准电压

(即给定速度)也设置了一个缓冲放大器。为防止缓冲放大器输出 端对地短路损坏，每个放大器输出都串接1.5kΩ 电 阻 。TC9193F  的基准电压由外接设定。

TC9192P 是为复印机设计的。它和TC9193F 相似地设置了 三个缓冲放大器，但基准电压在内部已设置好，是电源电压VDp的 一半。它另外有一个PLL 部分，包括相位比较器 (PD) 、 低通滤 波器 (LPF)    和压控振荡器 (VCO)。