測控電路第10章邏輯控制電路

第十章邏輯與數(shù)字控制電路

二值可控元件驅(qū)動(dòng)電路可編程邏輯器件

第一節(jié)二值可控元件驅(qū)動(dòng)電路一、功率開關(guān)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

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

I

b

I

L/，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。

a單向晶閘管圖形符號(hào)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

單向晶閘管的工作狀況：

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)。b雙向晶閘管圖形符號(hào)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模虎谟|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。

交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動(dòng)電路實(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。

繼電器是控制和保護(hù)線路中廣泛應(yīng)用的一種自動(dòng)控制電器。其工作原理是在輸入一定的物理量（例如電流、電壓、轉(zhuǎn)速、時(shí)間、溫度等）的作用下，自動(dòng)接通或者斷開觸點(diǎn)，完成電路同、斷功能。常用的繼電器分為：電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時(shí)間繼電器、熱繼電器以及干簧繼電器等。電流繼電器和電壓繼電器繼電器由觸點(diǎn)，線圈與磁路系統(tǒng)（包括鐵心，銜鐵，鐵軛，非磁性墊片）及反作用彈簧等組成。當(dāng)在線圈中通入一定數(shù)值的電流或施加一定的電壓時(shí)，根據(jù)電磁鐵的作用原理，可使裝在鐵軛上的可動(dòng)銜鐵吸合，因而帶動(dòng)附屬機(jī)構(gòu)使活動(dòng)觸點(diǎn)與一固定觸點(diǎn)接通，與另一固定觸點(diǎn)斷開。利用觸點(diǎn)的這種閉合或打開，就可以對電路進(jìn)行通斷控制。I12313常閉觸點(diǎn)12常開觸點(diǎn)鐵心線圈線圈引線彈簧鐵軛45678電流繼電器和電壓繼電器電流繼電器或電壓繼電器是按作用于線圈的激勵(lì)電流的性質(zhì)來區(qū)分的。如果繼電器是按照通入線圈的電流的大小而動(dòng)作的，就是電流繼電器。電流繼電器與負(fù)載是串連的。如果繼電器是按照施加到線圈上的電壓大小來動(dòng)作的，就是電壓繼電器。電壓繼電器施與負(fù)載電路并聯(lián)工作的。中間繼電器和時(shí)間繼電器中間繼電器是電磁式繼電器的一種，本質(zhì)上仍屬于電壓繼電器，但它具有觸點(diǎn)多、觸點(diǎn)電流大和動(dòng)作靈敏等特點(diǎn)，所以常用于某一電器與被控電路之間，以擴(kuò)大電器的控制觸點(diǎn)數(shù)量和容量。時(shí)間繼電器是在電路中對動(dòng)作時(shí)間起控制作用的繼電器。它得到輸入信號(hào)后，需經(jīng)過一定的時(shí)間，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)才會(huì)動(dòng)作并輸出信號(hào)，對其它電路進(jìn)行控制。接觸器接觸器是用來接通和斷開具有大電流負(fù)載電路（例如電動(dòng)機(jī)的主回路）的一種自動(dòng)控制電器。它有直流接觸器和交流接觸器之分。接觸器在工作原理上與電壓繼電器相似，都是依靠線圈通電，銜鐵吸合使觸點(diǎn)動(dòng)作的。其不同點(diǎn)使接觸器用于控制大電流回路的，而且工作次數(shù)比較頻繁，因此在結(jié)構(gòu)上具有下列特點(diǎn)：（1）觸點(diǎn)系統(tǒng)可分為主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)兩種。前者用于控制主回路，后者用于操縱控制電路。交流接觸器一般有三個(gè)主觸點(diǎn)，輔助觸點(diǎn)的數(shù)目有多有少，最高的可以有三個(gè)常開觸點(diǎn)和三個(gè)常閉觸點(diǎn)。（2）由于主觸點(diǎn)在斷開大電流負(fù)載電路時(shí)將會(huì)在活動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧，不僅使通電狀態(tài)繼續(xù)維持，而且還會(huì)燒壞觸點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，通常采取滅弧等措施。接觸式繼電器產(chǎn)品名稱

JZC1–XX表示中間繼電器表示接觸器式表示設(shè)計(jì)序號(hào)以數(shù)值表示常開觸頭數(shù)量以數(shù)值表示常閉觸頭數(shù)量正泰JZ系列編號(hào)接觸式繼電器產(chǎn)品名稱

JZC1–44正泰JZ系列編號(hào)接觸器式中間繼電器，4個(gè)常開NO觸點(diǎn)，4個(gè)常閉觸點(diǎn)A1A24NO+4NC13233343516171811424344452627282NO–34NC–12固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器(SSR)是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或加簡單的輔助電路就可以直接驅(qū)動(dòng)。因此，適宜于在微機(jī)測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用可控硅或晶體管驅(qū)動(dòng)，無觸點(diǎn)。與普通的電磁式繼電器和磁力開關(guān)相比，具有無機(jī)械噪聲、無抖動(dòng)和會(huì)跳、開關(guān)速度快、體積小、重量輕、壽命長、工作可靠等特點(diǎn)，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕。在微機(jī)測控等領(lǐng)域中，已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關(guān)作為開關(guān)量輸出控制元件。固態(tài)繼電器分類（1）依負(fù)載電源類型可分為交流固態(tài)繼電器（AC-SSR)和直流固態(tài)繼電器（DC-SSR)。AC-SSR以雙向可控硅作為開關(guān)元件，DC-SSR以功率晶體管作為開關(guān)元件，分別用來接通或分?jǐn)嘟涣骰蛑绷髫?fù)載電源。（2）依控制觸發(fā)形式，交直流固態(tài)繼電器可分為過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器和隨機(jī)導(dǎo)通型固態(tài)繼電器。當(dāng)控制信號(hào)輸入后，過零觸發(fā)型總是在交流電源未零電壓附近導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)，干擾很小，一般用于計(jì)算機(jī)I/O接口等場合；隨機(jī)導(dǎo)通型則是在交流電源的任意狀態(tài)（指相位）上導(dǎo)通或關(guān)閉，但在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。（3）依開關(guān)觸點(diǎn)形式，固態(tài)繼電器可分為常開和常閉兩種。（4）依安裝形式，可分為裝配式，焊接式，插座式。固態(tài)繼電器＋數(shù)字控制信號(hào)負(fù)載“1”斷開“0”接通交流繼電器的控制三、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。

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(hào)。功率放大電路對脈沖分配電路輸出的信號(hào)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(hào)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(hào)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

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

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

斬波穩(wěn)流式功率放大電路經(jīng)D觸發(fā)器引入U(xiǎn)p信號(hào)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。PLD電路單元圖形符號(hào)及其真值表

通常與門和PLD與門的圖形符號(hào)通常或門和PLD或門的圖形符號(hào)

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)PAL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)例二相四繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖環(huán)行分配器輸出信號(hào)4序邏輯二相四繞組步進(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)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10-4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(hào)。Us則為5kHz的矩形波。通過改