測控電路-12第十章-邏輯與數(shù)字控制電路2

第十章邏輯控制電路

二值可控元件驅(qū)動(dòng)電路可編程邏輯器件

第十章邏輯控制電路一、功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路場效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路二、繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路異步電動(dòng)機(jī)的二值控制電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一、功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路分類：按照電路中所采用的功率器件類型分類，常見的有晶體管驅(qū)動(dòng)電路、場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和晶閘管驅(qū)動(dòng)電路等類型。按照電路所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型分類，常見的有電阻性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路和電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等類型。按照電路所控制的負(fù)載電源類型分類，常見的有直流電源負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路和交流電源負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等類型

（一）晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路

圖8-1晶體管功率驅(qū)動(dòng)電路VD是續(xù)流二極管，對晶體管V起保護(hù)作用。當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，在晶體管關(guān)斷瞬間，感性負(fù)載所存儲的能量可通過VD的續(xù)流作用而泄放，從而避免被反向擊穿(I)當(dāng)控制信號Ui為低電平時(shí)，I

b較小,晶體管V截止，負(fù)載ZL中電流IL為0；(II)當(dāng)控制信號Ui為高電平時(shí)，I

b較大,晶體管V導(dǎo)通（工作于飽和區(qū)），負(fù)載ZL中電流IL=(Ec－Uce)/ZL，Uce為晶體管V集電極與發(fā)射極間的飽和電壓降。（一）晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路

圖8-1晶體管功率驅(qū)動(dòng)電路負(fù)載所需的電流不太大

設(shè)計(jì)要點(diǎn):合理確定Ui、R與V的電流放大系數(shù)

值之間的數(shù)值關(guān)系，充分滿足

Ib

IL/

，可確保V導(dǎo)通時(shí)工作于飽和區(qū)，以降低V的導(dǎo)通電阻及減小功耗。

（二）場效應(yīng)晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路

用于功率驅(qū)動(dòng)電路的場效應(yīng)晶體管稱為功率場效應(yīng)晶體管。功率場效應(yīng)晶體管是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，所需的驅(qū)動(dòng)功率很小，對驅(qū)動(dòng)電路要求較低。功率場效應(yīng)晶體管具有較高的開啟閾值電壓，有較高的噪聲容限和抗干擾能力。

場效應(yīng)晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場效應(yīng)管，亦稱MOS場效應(yīng)管。功率場效應(yīng)晶體管在制造中多采用V溝槽工藝，簡稱為VMOS場效應(yīng)管。其改進(jìn)型則稱為TMOS場效應(yīng)管圖8-2場效應(yīng)晶體管功率驅(qū)動(dòng)電路a)VMOS場效應(yīng)管電極b)場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路b)a)

漏極D

柵極G

VDS

源極S（三）晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路

交流負(fù)載的功率驅(qū)動(dòng)電路，通常采用晶閘管來構(gòu)成。晶閘管有單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類型。

圖8-3a單向晶閘管圖形符號單向晶閘管亦稱單向可控硅（SCR）一、導(dǎo)通條件二、關(guān)斷條件晶閘管導(dǎo)通條件：在陽極A與陰極K之間加正向電壓，同時(shí)在門極G與陰極K之間加正向電壓（觸發(fā)），這樣陽極A與陰極K之間即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通，只要陽極A與陰極K之間的電流不小于其維持電流IH，門極G與陰極K之間是否還存在正向電壓，對已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管完全沒有影響。晶閘管關(guān)斷條件：主電極陽極A與陰極K之間的電流小于其維持電流IH，晶閘管即進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。圖8-3b雙向晶閘管圖形符號雙向晶閘管亦稱雙向半導(dǎo)體開關(guān)元件（TRIAC）

與單向晶閘管相比較，雙向晶閘管的主要區(qū)別是：①在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?；②觸發(fā)電壓不分極性，只要絕對值達(dá)到觸發(fā)門限值即可使雙向晶閘管導(dǎo)通。

圖8-4交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動(dòng)電路(I)控制信號Ui為高電平Ui=1V1截止Uc足夠高V2管e與b1導(dǎo)通V3導(dǎo)通Uc->0u->0時(shí)，V3截止圖8-4交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動(dòng)電路(II)控制信號Ui為低電平Ui=0V1導(dǎo)通Uc電壓低V2管e與b1截止V3截止R5很大IL=0實(shí)用中應(yīng)注意:如果驅(qū)動(dòng)的是感性負(fù)載，必須設(shè)置合理的關(guān)斷泄流回路，一方面可保護(hù)開關(guān)器件，另外也可起到消除對外電磁干擾的作用。二、繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路繼電器廣泛用于生產(chǎn)控制和電力系統(tǒng)中，具有接觸電阻小、流通電流大和耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，至今仍無法用無觸點(diǎn)器件取代對繼電器或接觸器的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上是對其勵(lì)磁線圈電流通斷的控制。繼電器勵(lì)磁線圈所需的勵(lì)磁電源有直流與交流兩種。

圖8-5交流繼電器的控制控制信號Ui=0直流繼電器KD1勵(lì)磁線圈無電流活動(dòng)觸點(diǎn)KD1-1在常閉端交流繼電器KA1勵(lì)磁線圈無電流活動(dòng)觸點(diǎn)KA1-1在常閉端無電壓輸出圖8-5交流繼電器的控制控制信號Ui=1直流繼電器KD1勵(lì)磁線圈有電流KD1-1閉合交流繼電器KA1勵(lì)磁線圈有電流KA1-1閉合有電壓輸出三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡稱步進(jìn)電機(jī)，可在開環(huán)條件下十分方便地將數(shù)字系統(tǒng)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)變成與其相對應(yīng)的角位移或線位移，因而是控制系統(tǒng)中常用的自動(dòng)化執(zhí)行元件。

舉例：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

極與極之間的夾角為60°，每個(gè)定子磁極上均勻分布了五個(gè)齒，齒槽距相等，齒距角為9°。轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組，只有均勻分布的40個(gè)齒，齒槽距相等，齒距角為360°/40＝9°。繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心（1）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)：定子鐵心上有六個(gè)均勻分布的磁極，沿直徑相對兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一相勵(lì)磁繞組。（2）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點(diǎn)：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩各相定子齒之間彼此錯(cuò)齒1/m齒距，m為相數(shù)

幾個(gè)概念的含義：“拍”——定子相繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為“一拍”?！皢巍薄钢挥幸幌嗬@組通電?！半p”——指有兩相繞組同時(shí)通電。步進(jìn)電機(jī)工作原理圖8-6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路框圖脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來對輸入的步進(jìn)脈沖進(jìn)行邏輯變換，產(chǎn)生給定工作方式所需的各相脈沖序列信號。功率放大電路對脈沖分配電路輸出的信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流。步進(jìn)方向信號指定各相導(dǎo)通的先后次序，用以改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。電源控制信號用來在必要時(shí)使各相電流為零，以達(dá)到降低功耗等的目的。

脈沖分配電路可用數(shù)字電路組合、軟件序列分配、專門單片集成元件、GAL器件等構(gòu)成。

功率放大電路的特性對步進(jìn)電機(jī)的性能有極其明顯的影響。功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波穩(wěn)流、步距細(xì)分等類型。

（一）單電壓功率放大電路

圖8-7單電壓功率放大電路步進(jìn)電機(jī)每相繞組的供電都是由功率開關(guān)電路來執(zhí)行的，三相步進(jìn)電機(jī)應(yīng)有三個(gè)功率放大電路單元

圖8-8繞組電流I

L的波形a）Ui頻率低時(shí)b）Ui頻率高時(shí)同時(shí)增大外接電阻RC和電源電壓Ec，可使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩顯著提高，但同時(shí)使功耗急劇增大功耗的增加一方面降低了效率，使電源體積龐大；另一方面引起電氣部件發(fā)熱，增大系統(tǒng)故障的發(fā)生率。為此，發(fā)展了雙電壓、斬波穩(wěn)流等驅(qū)動(dòng)電路（二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路

圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路(I)控制信號Ui為高電平Ui=1U2U1UON=1Q=1UODG1=0截止Uq=1V1導(dǎo)通，IL上升U1<U2（二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路

圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路(I)控制信號Ui為高電平Ui=1U2U1UON=0Q=0UODG1=1導(dǎo)通Uq=0V1截止，IL下降U1>U2（二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路

圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路(II)控制信號Ui為低電平Ui=0U2U1UODG2=0V2截止，IL下降為0經(jīng)D觸發(fā)器引入U(xiǎn)p信號的主要目的是給定超聲斬波頻率，以避免單純由R6上的電壓波動(dòng)來控制V1通斷引入的不規(guī)則噪聲。第二節(jié)可編程邏輯器件(PLD)

PLD與定制器件的主要區(qū)別是可編程性，其邏輯功能可由用戶構(gòu)造或設(shè)置。使用PLD設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)靈活，研制周期縮短，空間尺寸減小，降低系統(tǒng)故障率。PLD從其出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了由PROM、FPLA到PAL和GAL的發(fā)展過程。圖8-10PLD電路單元圖形符號及其真值表

圖8-11通常與門和PLD與門的圖形符號圖8-12通?；蜷T和PLD或門的圖形符號

可編程陣列邏輯PAL（一）PAL器件結(jié)構(gòu)（二）PAL器件的類型（三）PAL器件的應(yīng)用實(shí)例（一）PAL器件結(jié)構(gòu)圖8-13PAL器件的基本邏輯結(jié)構(gòu)

輸入

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

1

1

1

1

O2

O1

O0

O3

輸出

可編程的

“與”陣列

不可編程的

“或”陣列

I0I1I2I3

（二）PAL器件的類型主要分20引腳和24引腳兩大類，還有40（或44）和80（或84）引腳的宏P(guān)AL器件按電路能耗又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、半功耗和1/4功耗型；按運(yùn)行速度又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、高速和超高速型；按可靠性又可分為軍用和民用等。（三）PAL器件的應(yīng)用實(shí)例圖8-14二相四繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖圖8-15環(huán)行分配器輸出信號4序邏輯表8-1二相四繞組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步序步進(jìn)步序10101010正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)

Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014011010011表8-2步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)功能選擇

升沿0001步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)CKE1E2SD狀態(tài)功能任意1任意任意任意保持電動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)任意任意1任意任意保持電動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)升沿001任意設(shè)置輸出為初狀態(tài)升沿0000步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)圖8-16電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)步序卡諾圖10.1已知某直流電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流為6A，用2mA的標(biāo)準(zhǔn)TTL電平實(shí)施控制，試設(shè)計(jì)一合適的驅(qū)動(dòng)電路。

按照圖組成電路：其中場效應(yīng)晶體管V1采用IRF640，耐壓200(V)，極限工作電流15(A)；泄流二極管VD需耐壓200(V)，極限工作電流10(A)；箝位二極管VS的箝位電壓為6.8(V)，極限工作電流100(mA)；電阻R1為510(

)，電源Ec按照直流電磁閥的要求取定。

+EC

VD

ZL

IL

R1

VV1

UiVS

10.2

若圖8-4中的負(fù)載ZL是電阻加熱器，應(yīng)在電路中做何改動(dòng)以便實(shí)現(xiàn)不同加熱速度的給定？改動(dòng)后的電路如圖所示。Ui為控制加熱開始和停止的電平信號。Us則為5kHz的矩形波。通過改變Us的占空比，可控制V1的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)不同加熱速度的給定。EZL

ILP1R5R1VDR2R3~ueb2

A

V14N25R6SCR1VSb1

V2C1R4Ui

K4N25P2USR710.3

圖8-9的電路應(yīng)如何改動(dòng)，才能使圖8-6中