测控电路第十章逻辑与数字控制电路完美课课件.ppt

1、测控电路第十章逻辑与数字控制电路一、功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路分类：分类：按照电路中所采用的功率器件类型分类，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。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的有电阻性负载驱动电路和电感性负载驱动电路等类型。驱动电路等类型。按照电路所控制的负载电源类型分类，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常见的有直流电源负载驱动电路和交流电源负载驱动

2、电路等类型电源负载驱动电路等类型（一）晶体管（一）晶体管 直流负载直流负载 功率驱动电路功率驱动电路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 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。（一）晶体管直流负载功率驱动电路

3、（一）晶体管直流负载功率驱动电路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 图8-1晶体管功率驱动电路 负载所需的电流不太大 设计要点设计要点:合理确定合理确定Ui、R与与V的电的电流放大系数流放大系数 值之间的值之间的数值关系，充分满足数值关系，充分满足 I b I L/，可确保可确保V导通时工作于饱和区，导通时工作于饱和区，以降低以降低V的导通电阻及减的导通电阻及减小功耗。小功耗。（二）场效应晶体管（二）场效应晶体管 直流负载直流负载 功率驱动电路功率驱动电路 用于功率驱动电路的场效应晶体管称为用于功率驱动电路的场效应晶体管称为功率场效应晶体管。功率场效应晶体管功率场效应晶体管。功率

4、场效应晶体管是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，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启阈值电压，有较高的噪声容限和抗干扰能力。扰能力。场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应管，亦称管，亦称MOS场效应管。功率场效应场效应管。功率场效应晶体管在制造中多采用晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简沟槽工艺，简称为称为VMOS场效应管。其改进型则称为场效应管。其改进型则称为TMOS场效应管场效应管 图8-2场

5、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 VS VD V Ui R IL ZL +Ec b)a)漏极 D 栅极 G VDS 源极S（三）晶闸管交流负载功率驱动电路（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，通交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸管常采用晶闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。种类型。图8-3a 单向晶闸管图形符号 阳 极A 门 极G 阴 极K 单向晶闸管亦称单向可控硅（SCR）一、导通条件一、导通条件二、关断条件二、关断条件 晶闸管导通条件：晶闸管导通条件：在阳极在阳极A与阴极与阴极

6、K之间加正向电压，同时在之间加正向电压，同时在门极门极G与阴极与阴极K之间加正向电压（触发），之间加正向电压（触发），这样阳极这样阳极A与阴极与阴极K之间即进入导通状态。之间即进入导通状态。晶闸管一旦导通，只要阳极晶闸管一旦导通，只要阳极A与阴极与阴极K之间之间的电流不小于其维持电流的电流不小于其维持电流IH，门极门极G与阴极与阴极K之间是否还存在正向电压，对已经导通的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。晶闸管完全没有影响。阳极A 门极G 阴极K 晶闸管关断条件：晶闸管关断条件：主电极阳极主电极阳极A与阴极与阴极K之间的电流小于其维持电之间的电流小于其维持电流流IH，晶闸管

7、即进入关断状态。晶闸管即进入关断状态。电 极M T 2 门 极G 电 极M T 1 图8-3b 双向晶闸管图形符号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（双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）与单向晶闸管相比较，与单向晶闸管相比较，双向晶闸管的主要区别双向晶闸管的主要区别是：是：在触发之后是双在触发之后是双向导通的；向导通的；触发电压不分极触发电压不分极性，只要绝对值达到触性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶发门限值即可使双向晶闸管导通。闸管导通。图图8-4交流半波导通功率驱动电路交流半波导通功率驱动电路 Ui u V1 V3 R1 P1 R2 R3 R5 R4 P2

8、C ZL IL+E VD VS V2 VLC 4N25 K G A b1 b2 e(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截止图图8-4交流半波导通功率驱动电路交流半波导通功率驱动电路 Ui u V1 V3 R1 P1 R2 R3 R5 R4 P2 C ZL IL+E VD VS V2 VLC 4N25 K G A b1 b2 e(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实用中应注意实用中应注意:如果驱动的是感性负载，必须设置合理如果驱动的是感性负载，必须设置合理的关断泄流回路，一

9、方面可保护开关器的关断泄流回路，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件，另外也可起到消除对外电磁干扰的作用。作用。二、继电器与电磁阀驱动电路二、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，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磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种。种

10、。图图8-5交流继电器的控制交流继电器的控制 3-相/50Hz/380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V 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活动触点KD1-1在常闭端（二）场效应晶体管 直流负载 功率驱动电路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。“拍”定子相绕组每改变一次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。(II)控制信号Ui为低电平(I)当控制信号Ui为

11、低电平时，I b较小,晶体管V截止，负载ZL中电流IL为0；（三）晶闸管交流负载功率驱动电路图8-9斩波稳流式功率放大电路(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中电流图8-12通常或门和PLD或门的图形符号活动触点KA1-1在常闭端“双”指有两相绕组同时通电。为此，发展了双电压、斩波稳流等驱动电路第二节可编程逻辑器件(PLD)交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。第二节可编程逻辑器件(PLD)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。触发电

12、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。图图8-5交流继电器的控制交流继电器的控制 3-相/50Hz/380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V 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闭合有电压输出三、步进电动机驱动电路三、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，因变成与其相对应的角位移或线位移，因而是

13、控制系统中常用的自动化执行元件。而是控制系统中常用的自动化执行元件。举例：举例：反应式步进电动机反应式步进电动机 极与极之间的夹角为极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为9。转子铁心上无绕组，只有。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为360/409。绕组绕组定子铁心定子铁心转子铁心转子铁心（1）反应式步进电动机的结构）反应式步进电动机的结构 单段式三相反单段式三相反应式步进电动机应式步进电动机的结构：的结构：定子铁心上有定子铁心上有六个均匀分

14、布的六个均匀分布的磁极，沿直径相磁极，沿直径相对两个极上的线对两个极上的线圈串联，构成一圈串联，构成一相励磁绕组。相励磁绕组。（2）反应式步进电动机的工作原理）反应式步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原理工作的。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各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，齿距，m为相数为相数 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。A A B B C C 定子 转子 绕组 图图8-6步进电步

15、进电动机控动机控制电路制电路框图框图 A+步进脉冲 脉 功 B+冲 率 C+步进方向 分 放 A 配 大 B 电源控制 电 电 C 路 路 电动机w脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步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。相脉冲序列信号。w功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放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。大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。w步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步

16、进电机旋转方向。变步进电机旋转方向。电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，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。以达到降低功耗等的目的。w 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。w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。（一）单电压功率放大电路（一）单电压功率放大电路 图图8-7单电压功率放大电路单电压功率放大电路 Ui VD VS R RL RC L IL V+Ec 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 图

17、图8-8绕组电流绕组电流I L的波形的波形a）Ui频率低时频率低时b）Ui频率高时频率高时 Ui IL a)Ui IL b)同时增大外接电阻RC和电源电压Ec，可使步进电机转速高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（二）斩波稳流式功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路图8-12通常或门和PLD或门的图形符号活动触点KD1-1在常闭端晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。(I)当控制信号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；图8

18、-1晶体管功率驱动电路a)VMOS场效应管电极b)场效应管驱动电路直流继电器KD1励磁线圈无电流合理确定Ui、R与V的电流放大系数 值之间的数值关系，充分满足为此，发展了双电压、斩波稳流等驱动电路（二）PAL器件的类型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。(I)当控制信号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；双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）图8-4交流半波导通功率驱动电路（一）晶体管 直流负载 功率驱动电路图8-4交流半波导通功率驱动电路图8-5交流继电器的控制单段式三相反应式步进电动机的结构：（二）斩波稳流式

19、功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路 图图8-9斩波稳流式功率放大电路斩波稳流式功率放大电路 光耦合器 UR +80V VLC -+N&1 R D C Q DG1 DG2 DF R1 R2 R3 R4 R1 RL Up Ui VS2 VD2 VS1 V1 VD1 V2+12V +5V L IL R6 Uq(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（二）斩波稳流式功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路 图图8-9斩波稳流式功率放大电路斩波稳流式功率放大电路 光耦合器 UR +80V VLC -+N&1 R D C Q DG

20、1 DG2 DF R1 R2 R3 R4 R1 RL Up Ui VS2 VD2 VS1 V1 VD1 V2+12V +5V L IL R6 Uq(II)控制信号Ui为低电平Ui=0U2U1UODG2=0V2截止，IL下降为0经经D触发器引入触发器引入Up信号的主要目的是给信号的主要目的是给定超声斩波频率，以避免单纯由定超声斩波频率，以避免单纯由R6上的上的电压波动来控制电压波动来控制V1通断引入的不规则噪通断引入的不规则噪声。声。第二节可编程逻辑器件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，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。其逻辑功能可由

21、用户构造或设置。使用使用PLD设计优点设计优点 灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，降低系统故障率。降低系统故障率。PLD从其出现至今，经历了由从其出现至今，经历了由PROM、FPLA到到PAL和和GAL的发展过程。的发展过程。图8-10PLD电路单元图形符号及其真值表 B=A A A A B D E F C=A 0 0 0 0 1 B 0 1 0 0 1 A B C 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 D E F 图8-11通常与门和PLD与门的图形符号 A B C A&B D&D C图8-12通常或门和PLD或门的图形符号 A B

22、 C A 1 B D 1 D C可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL（一）（一）PAL器件结构器件结构（二）（二）PAL器件的类型器件的类型（三）（三）PAL器件的应用实例器件的应用实例（一）（一）PAL器件结构器件结构图图8-13PAL器件的基本逻辑结构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（二）（二）PAL器件的类型器件的类型主要分主要分20引脚和引脚和24引脚两大类，还有引脚两大类，还有40（或（或44）和）和80（或（或84）引脚的宏）引脚的宏PAL器器件件 按电路能耗又可分为标准型、半功耗和

23、按电路能耗又可分为标准型、半功耗和1/4功耗型；功耗型；按运行速度又可分为标准型、高速和超按运行速度又可分为标准型、高速和超高速型；高速型；按可靠性又可分为军用和民用等。按可靠性又可分为军用和民用等。（三）（三）PAL器件的应用实例器件的应用实例图8-14二相四绕组步进电动机驱动原理图 +E 步进电动机 步进时钟 CK 环 功 选中信号 E1 行 Q0 率 A 选中信号 E2 分 Q1 驱 B 初态设置 S 配 Q2 动 C 转向控制 D 电 Q3 电 D 路 路 （三）PAL器件的应用实例（三）晶闸管交流负载功率驱动电路（三）PAL器件的应用实例二、继电器与电磁阀驱动电路图8-10PLD电路

24、单元图形符号及其真值表图8-4交流半波导通功率驱动电路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活动触点KD1-1在常闭端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。二、继电器与电磁阀驱动电路(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中电流经D触发器引入Up信号的主要目的是给定超声斩波频率，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。活动触点KD1-1在常闭端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

25、型。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。（三）晶闸管交流负载功率驱动电路图8-9斩波稳流式功率放大电路（二）PAL器件的类型图8-7单电压功率放大电路（三）晶闸管交流负载功率驱动电路图8-15环行分配器输出信号4序逻辑 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 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 Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014011010011表8-2步进电机状态功能选择 升沿0001步进电机反向旋转CKE1E2SD状态功能任意1任意任意任意保持电动机

26、当前状态任意任意1任意任意保持电动机当前状态升沿001任意设置输出为初状态升沿0000步进电机正向旋转图8-4交流半波导通功率驱动电路图8-6步进电动机控制电路框图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。活动触点KD1-1在常闭端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。双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）（二）PAL器件的类型直流继电器KD1励磁线圈无电流(II)控制信号Ui为低电平按可靠性又可分为军用和民用等。图8-10PLD电路单元图形符号及其真值表触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。（二）PAL器件的类

27、型a)VMOS场效应管电极b)场效应管驱动电路图8-1晶体管功率驱动电路经D触发器引入Up信号的主要目的是给定超声斩波频率，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。图8-9斩波稳流式功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路表8-2步进电机状态功能选择(I)控制信号Ui为高电平第二节可编程逻辑器件(PLD)为此，发展了双电压、斩波稳流等驱动电路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。单段式三相反应式步进电动机的结构：图8-9斩波稳流式功率放大电路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

28、，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）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。(I)控制信号Ui为高电平二、继电器与电磁阀驱动电路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。活动触点KA1-1在常闭端（二）PAL器件的类型（三）晶闸管交流负载功率驱动电路a)VMOS场效应管电极b)场效应管驱动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灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，降低系统故障率。交流继电器KA1励磁线圈无电流双向晶闸管亦称双向半

29、导体开关元件（TRIAC）（二）PAL器件的类型在触发之后是双向导通的；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双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）其改进型则称为TMOS场效应管为此，发展了双电压、斩波稳流等驱动电路主要分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(I)控制信号Ui为高电平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。双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）PLD从其出现至今，经历了由PROM、FPLA到PAL和GAL的发展过程。

30、“拍”定子相绕组每改变一次图8-1晶体管功率驱动电路(I)当控制信号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；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。活动触点KD1-1在常闭端当驱动感性负载时，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。a)VMOS场效应管电极b)场效应管驱动电路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。图8-16电动机驱动步序卡诺图 Q0n Q0n 0 1 1 0 1 1 0 0 D 1 0 0 1 D 0 0 1 1 Q2n Q2n a)b)