測控電路第十章邏輯與數(shù)字控制電路

（優(yōu)選）測控電路第十章邏輯與數(shù)字控制電路目前一頁\總數(shù)四十頁\編于十六點一、功率開關驅(qū)動電路分類：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)動電路、場效應管驅(qū)動電路和晶閘管驅(qū)動電路等類型。按照電路所驅(qū)動的負載類型分類，常見的有電阻性負載驅(qū)動電路和電感性負載驅(qū)動電路等類型。按照電路所控制的負載電源類型分類，常見的有直流電源負載驅(qū)動電路和交流電源負載驅(qū)動電路等類型

目前二頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（一）晶體管直流負載功率驅(qū)動電路

圖8-1晶體管功率驅(qū)動電路VD是續(xù)流二極管，對晶體管V起保護作用。當驅(qū)動感性負載時，在晶體管關斷瞬間，感性負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)當控制信號Ui為低電平時，I

b較小,晶體管V截止，負載ZL中電流IL為0；(II)當控制信號Ui為高電平時，I

b較大,晶體管V導通（工作于飽和區(qū)），負載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。目前三頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（一）晶體管直流負載功率驅(qū)動電路

圖8-1晶體管功率驅(qū)動電路負載所需的電流不太大

設計要點:合理確定Ui、R與V的電流放大系數(shù)值之間的數(shù)值關系，充分滿足

IbIL/，可確保V導通時工作于飽和區(qū)，以降低V的導通電阻及減小功耗。

目前四頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（二）場效應晶體管直流負載功率驅(qū)動電路

用于功率驅(qū)動電路的場效應晶體管稱為功率場效應晶體管。功率場效應晶體管是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，所需的驅(qū)動功率很小，對驅(qū)動電路要求較低。功率場效應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。

目前五頁\總數(shù)四十頁\編于十六點場效應晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場效應管，亦稱MOS場效應管。功率場效應晶體管在制造中多采用V溝槽工藝，簡稱為VMOS場效應管。其改進型則稱為TMOS場效應管目前六頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-2場效應晶體管功率驅(qū)動電路a)VMOS場效應管電極b)場效應管驅(qū)動電路b)a)

漏極D

柵極G

VDS

源極S目前七頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（三）晶閘管交流負載功率驅(qū)動電路

交流負載的功率驅(qū)動電路，通常采用晶閘管來構成。晶閘管有單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類型。

目前八頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖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、導通條件二、關斷條件目前九頁\總數(shù)四十頁\編于十六點晶閘管導通條件：在陽極A與陰極K之間加正向電壓，同時在門極G與陰極K之間加正向電壓（觸發(fā)），這樣陽極A與陰極K之間即進入導通狀態(tài)。晶閘管一旦導通，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)導通的晶閘管完全沒有影響。晶閘管關斷條件：主電極陽極A與陰極K之間的電流小于其維持電流IH，晶閘管即進入關斷狀態(tài)。目前十頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-3b雙向晶閘管圖形符號雙向晶閘管亦稱雙向半導體開關元件（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，只要絕對值達到觸發(fā)門限值即可使雙向晶閘管導通。

目前十一頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-4交流半波導通功率驅(qū)動電路(I)控制信號Ui為高電平Ui=1V1截止Uc足夠高V2管e與b1導通V3導通Uc->0u->0時，V3截止目前十二頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-4交流半波導通功率驅(qū)動電路(II)控制信號Ui為低電平Ui=0V1導通Uc電壓低V2管e與b1截止V3截止R5很大IL=0目前十三頁\總數(shù)四十頁\編于十六點實用中應注意:如果驅(qū)動的是感性負載，必須設置合理的關斷泄流回路，一方面可保護開關器件，另外也可起到消除對外電磁干擾的作用。目前十四頁\總數(shù)四十頁\編于十六點二、繼電器與電磁閥驅(qū)動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，至今仍無法用無觸點器件取代對繼電器或接觸器的驅(qū)動，實際上是對其勵磁線圈電流通斷的控制。繼電器勵磁線圈所需的勵磁電源有直流與交流兩種。

目前十五頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-5交流繼電器的控制控制信號Ui=0直流繼電器KD1勵磁線圈無電流活動觸點KD1-1在常閉端交流繼電器KA1勵磁線圈無電流活動觸點KA1-1在常閉端無電壓輸出目前十六頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-5交流繼電器的控制控制信號Ui=1直流繼電器KD1勵磁線圈有電流KD1-1閉合交流繼電器KA1勵磁線圈有電流KA1-1閉合有電壓輸出目前十七頁\總數(shù)四十頁\編于十六點三、步進電動機驅(qū)動電路步進電動機簡稱步進電機，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)變成與其相對應的角位移或線位移，因而是控制系統(tǒng)中常用的自動化執(zhí)行元件。

目前十八頁\總數(shù)四十頁\編于十六點舉例：反應式步進電動機

極與極之間的夾角為60°，每個定子磁極上均勻分布了五個齒，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）反應式步進電動機的結(jié)構

單段式三相反應式步進電動機的結(jié)構：定子鐵心上有六個均勻分布的磁極，沿直徑相對兩個極上的線圈串聯(lián)，構成一相勵磁繞組。目前十九頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（2）反應式步進電動機的工作原理

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

幾個概念的含義：“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”——指有兩相繞組同時通電。目前二十頁\總數(shù)四十頁\編于十六點步進電機工作原理目前二十一頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-6步進電動機控制電路框圖脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來對輸入的步進脈沖進行邏輯變換，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行放大，產(chǎn)生使電動機旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流。步進方向信號指定各相導通的先后次序，用以改變步進電機旋轉(zhuǎn)方向。目前二十二頁\總數(shù)四十頁\編于十六點電源控制信號用來在必要時使各相電流為零，以達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器件等構成。

功率放大電路的特性對步進電機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、步距細分等類型。

目前二十三頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（一）單電壓功率放大電路

圖8-7單電壓功率放大電路步進電機每相繞組的供電都是由功率開關電路來執(zhí)行的，三相步進電機應有三個功率放大電路單元

目前二十四頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-8繞組電流I

L的波形a）Ui頻率低時b）Ui頻率高時目前二十五頁\總數(shù)四十頁\編于十六點同時增大外接電阻RC和電源電壓Ec，可使步進電機轉(zhuǎn)速高時的輸出轉(zhuǎn)矩顯著提高，但同時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)動電路目前二十六頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（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導通，IL上升U1<U2目前二十七頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（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導通Uq=0V1截止，IL下降U1>U2目前二十八頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（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目前二十九頁\總數(shù)四十頁\編于十六點經(jīng)D觸發(fā)器引入Up信號的主要目的是給定超聲斬波頻率，以避免單純由R6上的電壓波動來控制V1通斷引入的不規(guī)則噪聲。目前三十頁\總數(shù)四十頁\編于十六點第二節(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造或設置。使用PLD設計優(yōu)點靈活，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。目前三十一頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖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通常或門和PLD或門的圖形符號

目前三十二頁\總數(shù)四十頁\編于十六點可編程陣列邏輯PAL（一）PAL器件結(jié)構（二）PAL器件的類型（三）PAL器件的應用實例目前三十三頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（一）PAL器件結(jié)構圖8-13PAL器件的基本邏輯結(jié)構

輸入

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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

目前三十四頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（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PAL器件按電路能耗又可分為標準型、半功耗和1/4功耗型；按運行速度又可分為標準型、高速和超高速型；按可靠性又可分為軍用和民用等。目前三十五頁\總數(shù)四十頁\編于十六點（三）PAL器件的應用實例圖8-14二相四繞組步進電動機驅(qū)動原理圖目前三十六頁\總數(shù)四十頁\編于十六點圖8-15環(huán)行分配器輸出信號4序邏輯目前三十七頁\總數(shù)四十頁\編于十六點表8-1二相四繞組步進電機驅(qū)動步序步進步序10101010正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)

Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q311010101021001