測(cè)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(kāi)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)：按照電路中所采用的功率器件類(lèi)型分類(lèi)，常見(jiàn)的有晶體管驅(qū)動(dòng)電路、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和晶閘管驅(qū)動(dòng)電路等類(lèi)型。按照電路所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類(lèi)型分類(lèi)，常見(jiàn)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(lèi)型。按照電路所控制的負(fù)載電源類(lèi)型分類(lèi)，常見(jiàn)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(lèi)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(mǎn)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。功率場(chǎng)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(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較低。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有較高的開(kāi)啟閾值電壓，有較高的噪聲容限和抗干擾能力。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，亦稱(chēng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管在制造中多采用V溝槽工藝，簡(jiǎn)稱(chēng)為VMOS場(chǎng)效應(yīng)管。其改進(jìn)型則稱(chēng)為T(mén)MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率驅(qū)動(dòng)電路a)VMOS場(chǎng)效應(yīng)管電極b)場(chǎng)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(lái)構(gòu)成。晶閘管有單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類(lèi)型。

a單向晶閘管圖形符號(hào)單向晶閘管亦稱(chēng)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(yáng)極A與陰極K之間加正向電壓，同時(shí)在門(mén)極G與陰極K之間加正向電壓（觸發(fā)），這樣陽(yáng)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(yáng)極A與陰極K之間的電流不小于其維持電流IH，門(mén)極G與陰極K之間是否還存在正向電壓，對(duì)已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管完全沒(méi)有影響。晶閘管關(guān)斷條件：主電極陽(yáng)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(chēng)雙向半導(dǎo)體開(kāi)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(duì)值達(dá)到觸發(fā)門(mén)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(kāi)關(guān)器件，另外也可起到消除對(duì)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(wú)法用無(wú)觸點(diǎn)器件取代對(duì)繼電器或接觸器的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上是對(duì)其勵(lì)磁線(xiàn)圈電流通斷的控制。繼電器勵(lì)磁線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)。利用觸點(diǎn)的這種閉合或打開(kāi)，就可以對(duì)電路進(jìn)行通斷控制。I12313常閉觸點(diǎn)12常開(kāi)觸點(diǎn)鐵心線(xiàn)圈線(xiàn)圈引線(xiàn)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(xiàn)圈的激勵(lì)電流的性質(zhì)來(lái)區(qū)分的。如果繼電器是按照通入線(xiàn)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(xiàn)圈上的電壓大小來(lái)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(duì)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(guò)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(duì)其它電路進(jìn)行控制。接觸器接觸器是用來(lái)接通和斷開(kāi)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(xiàn)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(kāi)觸點(diǎn)和三個(gè)常閉觸點(diǎn)。（2）由于主觸點(diǎn)在斷開(kāi)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(wèn)題，通常采取滅弧等措施。接觸式繼電器產(chǎn)品名稱(chēng)

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(kāi)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(chēng)

JZC1–44正泰JZ系列編號(hào)接觸器式中間繼電器，4個(gè)常開(kāi)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(lái)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(jiǎn)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(cè)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(wú)觸點(diǎn)。與普通的電磁式繼電器和磁力開(kāi)關(guān)相比，具有無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和會(huì)跳、開(kāi)關(guān)速度快、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、工作可靠等特點(diǎn)，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕。在微機(jī)測(cè)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(kāi)關(guān)作為開(kāi)關(guān)量輸出控制元件。固態(tài)繼電器分類(lèi)（1）依負(fù)載電源類(lèi)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(kāi)關(guān)元件，DC-SSR以功率晶體管作為開(kāi)關(guān)元件，分別用來(lái)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(kāi)關(guān)觸點(diǎn)形式，固態(tài)繼電器可分為常開(kāi)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(kāi)“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(jiǎn)稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)，可在開(kāi)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(duì)應(yīng)的角位移或線(xiàn)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(chēng)環(huán)行分配器，用來(lái)對(duì)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(duì)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(lái)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(zhuān)門(mén)單片集成元件、GAL器件等構(gòu)成。

功率放大電路的特性對(duì)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(lèi)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(kāi)關(guān)電路來(lái)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(lái)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(hù)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(guò)程。PLD電路單元圖形符號(hào)及其真值表

通常與門(mén)和PLD與門(mén)的圖形符號(hào)通?；蜷T(mén)和PLD或門(mén)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(lèi)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(lèi)型主要分20引腳和24引腳兩大類(lèi)，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?qǐng)D組成電路：其中場(chǎng)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(kāi)始和停止的電平信號(hào)。Us則為5kHz的矩形波。通過(guò)改