测控电路第十章逻辑与数字控制电路

1、（优选）测控电路第十章逻辑与数字控制电路第一页，共四十页。一、功率开关驱动电路分类：按照电路中所采用的功率器件类型分类，常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱动电路和晶闸管驱动电路等类型。按照电路所驱动的负载类型分类，常见的有电阻性负载驱动电路和电感性负载驱动电路等类型。按照电路所控制的负载电源类型分类，常见的有直流电源负载驱动电路和交流电源负载驱动电路等类型 第二页，共四十页。（一）晶体管 直流负载 功率驱动电路 图8-1晶体管功率驱动电路 VD是续流二极管，对晶体管V起保护作用。当驱动感性负载时，在晶体管关断瞬间，感性负载所存储的能量可通过VD的续流作用而泄放，从而避免被反向击穿 (I)当控制

2、信号Ui为低电平时，I b较小, 晶体管V截止，负载ZL中电流IL为0； (II)当控制信号Ui为高电平时，I b较大, 晶体管V导通（工作于饱和区），负载ZL中电流 IL = (EcUce) / ZL，Uce为晶体管V集电极与发射极间的饱和电压降。第三页，共四十页。（一）晶体管直流负载功率驱动电路 图8-1晶体管功率驱动电路 负载所需的电流不太大 设计要点: 合理确定Ui、R与V的电流放大系数 值之间的数值关系，充分满足 I b I L / ，可确保V导通时工作于饱和区，以降低V的导通电阻及减小功耗。 第四页，共四十页。（二）场效应晶体管 直流负载 功率驱动电路 用于功率驱动电路的场效应晶体

3、管称为功率场效应晶体管。功率场效应晶体管是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，所需的驱动功率很小，对驱动电路要求较低。功率场效应晶体管具有较高的开启阈值电压，有较高的噪声容限和抗干扰能力。 第五页，共四十页。场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应管，亦称MOS场效应管。功率场效应晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简称为VMOS场效应管。其改进型则称为TMOS场效应管 第六页，共四十页。图8-2场效应晶体管功率驱动电路 a)VMOS场效应管电极b)场效应管驱动电路b)a) 漏极D 栅极G VDS 源极S第七页，共四十页。（三）晶闸管交流负载功率驱动电路 交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸

4、管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。 第八页，共四十页。图8-3a 单向晶闸管图形符号单向晶闸管亦称单向可控硅（SCR）一、导通条件二、关断条件 第九页，共四十页。晶闸管导通条件：在阳极A与阴极K之间加正向电压，同时在门极G与阴极K之间加正向电压（触发），这样阳极A与阴极K之间即进入导通状态。晶闸管一旦导通，只要阳极A与阴极K之间的电流不小于其维持电流IH，门极G与阴极K之间是否还存在正向电压，对已经导通的晶闸管完全没有影响。晶闸管关断条件：主电极阳极A与阴极K之间的电流小于其维持电流IH，晶闸管即进入关断状态。第十页，共四十页。图8-3b 双向晶闸管图形符号双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（

5、TRIAC） 与单向晶闸管相比较，双向晶闸管的主要区别是： 在触发之后是双向导通的； 触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。 第十一页，共四十页。图8-4交流半波导通功率驱动电路(I)控制信号Ui为高电平Ui=1V1截止Uc足够高V2管e与b1导通V3导通Uc-0u-0时，V3截止第十二页，共四十页。图8-4交流半波导通功率驱动电路(II)控制信号Ui为低电平Ui=0V1导通Uc电压低V2管e与b1截止V3截止R5很大IL=0第十三页，共四十页。实用中应注意: 如果驱动的是感性负载，必须设置合理的关断泄流回路，一方面可保护开关器件，另外也可起到消除对外电磁干扰的作用。

6、第十四页，共四十页。二、继电器与电磁阀驱动电路继电器广泛用于生产控制和电力系统中，具有接触电阻小、流通电流大和耐压高等优点，至今仍无法用无触点器件取代对继电器或接触器的驱动，实际上是对其励磁线圈电流通断的控制。继电器励磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种。 第十五页，共四十页。图8-5交流继电器的控制 控制信号Ui=0直流继电器KD1励磁线圈无电流活动触点KD1-1在常闭端交流继电器KA1励磁线圈无电流活动触点KA1-1在常闭端无电压输出第十六页，共四十页。图8-5交流继电器的控制 控制信号Ui=1直流继电器KD1励磁线圈有电流KD1-1闭合交流继电器KA1励磁线圈有电流KA1-1闭合有电压输

7、出第十七页，共四十页。三、步进电动机驱动电路步进电动机简称步进电机，可在开环条件下十分方便地将数字系统的脉冲数转变成与其相对应的角位移或线位移，因而是控制系统中常用的自动化执行元件。 第十八页，共四十页。举例： 反应式步进电动机 极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360/409。绕组定子铁心转子铁心（1）反应式步进电动机的结构 单段式三相反应式步进电动机的结构： 定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。第十九页，共四十页。（2）反应式步进电动机的工

8、作原理 按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数 几个概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”指只有一相绕组通电。 “双”指有两相绕组同时通电。第二十页，共四十页。步进电机工作原理第二十一页，共四十页。图8-6步进电动机控制电路框图脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号。功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。第二

9、十二页，共四十页。电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，以达到降低功耗等的目的。 脉冲分配电路可用数字电路组合、软件序列分配、专门单片集成元件、GAL器件等构成。 功率放大电路的特性对步进电机的性能有极其明显的影响。功率放大电路有单电压、双电压、斩波稳流、步距细分等类型。 第二十三页，共四十页。（一）单电压功率放大电路 图8-7单电压功率放大电路 步进电机每相绕组的供电都是由功率开关电路来执行的，三相步进电机应有三个功率放大电路单元 第二十四页，共四十页。图8-8绕组电流I L的波形a）Ui频率低时b）Ui频率高时 第二十五页，共四十页。同时增大外接电阻RC和电源电压Ec，可使步进电机转速高

10、时的输出转矩显著提高，但同时使功耗急剧增大 功耗的增加一方面降低了效率，使电源体积庞大；另一方面引起电气部件发热，增大系统故障的发生率。为此，发展了双电压、斩波稳流等驱动电路 第二十六页，共四十页。（二）斩波稳流式功率放大电路 图8-9斩波稳流式功率放大电路 (I)控制信号Ui为高电平Ui=1U2U1UON=1Q=1UODG1=0截止Uq=1V1导通，IL上升U1U2第二十八页，共四十页。（二）斩波稳流式功率放大电路 图8-9斩波稳流式功率放大电路 (II)控制信号Ui为低电平Ui=0U2U1UODG2=0V2截止，IL下降为0第二十九页，共四十页。经D触发器引入Up信号的主要目的是给定超声斩

11、波频率，以避免单纯由R6上的电压波动来控制V1通断引入的不规则噪声。 第三十页，共四十页。第二节可编程逻辑器件(PLD) PLD与定制器件的主要区别是可编程性，其逻辑功能可由用户构造或设置。使用PLD设计优点 灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，降低系统故障率。PLD从其出现至今，经历了由PROM、FPLA到PAL和GAL的发展过程。第三十一页，共四十页。图8-10PLD电路单元图形符号及其真值表 图8-11通常与门和PLD与门的图形符号图8-12通常或门和PLD或门的图形符号 第三十二页，共四十页。可编程阵列逻辑PAL（一）PAL器件结构（二）PAL器件的类型（三）PAL器件的应用实例第三十三

12、页，共四十页。（一）PAL器件结构图8-13PAL器件的基本逻辑结构 输入 & & & & & & & & & & & & & & & & 1 1 1 1 O2 O1 O0 O3 输出 可编程的 “与”阵列 不可编程的 “或”阵列 I0I1I2I3 第三十四页，共四十页。（二）PAL器件的类型主要分20引脚和24引脚两大类，还有40（或44）和80（或84）引脚的宏PAL器件 按电路能耗又可分为标准型、半功耗和1/4功耗型；按运行速度又可分为标准型、高速和超高速型；按可靠性又可分为军用和民用等。 第三十五页，共四十页。（三）PAL器件的应用实例图8-14二相四绕组步进电动机驱动原理图第三十六页，共四十页。图8-15环行分配器输出信号4序逻辑第三十七页，共四十页。表8-1 二相四绕组步进电机驱动步序 步进步序10101010正 转反 转Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q