1、第十章邏輯與數(shù)字控制電路第十章邏輯與數(shù)字控制電路w 二值可控元件驅動電路二值可控元件驅動電路w 可編程邏輯器件可編程邏輯器件 第一節(jié)第一節(jié) 二值可控元件驅動電路二值可控元件驅動電路 一、功率開關驅動電路一、功率開關驅動電路 二、繼電器與電磁閥驅動電路二、繼電器與電磁閥驅動電路 三、步進電動機驅動電路三、步進電動機驅動電路一、功率開關驅動電路一、功率開關驅動電路分類：分類：按照電路中所采用的功率器件類型分類，按照電路中所采用的功率器件類型分類，常見的有晶體管驅動電路、場效應管驅常見的有晶體管驅動電路、場效應管驅動電路和晶閘管驅動電路等類型。動電路和晶閘管驅動電路等類型。按照電路所驅動的負載類型分

2、類，常見按照電路所驅動的負載類型分類，常見的有電阻性負載驅動電路和電感性負載的有電阻性負載驅動電路和電感性負載驅動電路等類型。驅動電路等類型。按照電路所控制的負載電源類型分類，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動電路和交流常見的有直流電源負載驅動電路和交流電源負載驅動電路等類型電源負載驅動電路等類型 （一）晶體管直流負載功率驅動電路（一）晶體管直流負載功率驅動電路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 晶體管功率驅動電路 負載所需的電流不太大 設計要點設計要點: 合理確定合理確定Ui、R與與V的電流放大系數(shù)的電流放大系數(shù) 值之間的數(shù)值關系，充分滿足值之間的數(shù)值關

3、系，充分滿足 I b I L / ，可確保可確保V導通時工作于導通時工作于 飽和區(qū)，以降低飽和區(qū)，以降低V的導通電阻及減小的導通電阻及減小功耗。功耗。 （二）場效應晶體管直流負載功率驅動電路（二）場效應晶體管直流負載功率驅動電路 用于功率驅動電路的場效應晶體管稱為用于功率驅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，是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，所需的驅動功率很小，對驅動電路要求所需的驅動功率很小，對驅動電路要求較低。功率場效應晶體管具有較高的開較低。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

4、限和抗干啟閾值電壓，有較高的噪聲容限和抗干擾能力。擾能力。 場效應晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場效應場效應晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場效應管，亦稱管，亦稱MOS場效應管。功率場效應場效應管。功率場效應晶體管在制造中多采用晶體管在制造中多采用V溝槽工藝，簡溝槽工藝，簡稱為稱為VMOS場效應管。其改進型則稱為場效應管。其改進型則稱為TMOS場效應管場效應管 場效應晶體管功率驅動電路 a)VMOS場效應管電極b)場效應管驅動電路 VS VD V Ui R IL ZL +Ec b)a) 漏極 D 柵極 G VDS 源極S（三）晶閘管交流負載功率驅動電路（三）晶閘管交流負載功率驅動電路 交流負載的功率驅動電路，通

5、常采用晶交流負載的功率驅動電路，通常采用晶閘管來構成。晶閘管有單向晶閘管和雙閘管來構成。晶閘管有單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類型。向晶閘管兩種類型。 a 單向晶閘管圖形符號 陽 極A 門 極G 陰 極K 單向晶閘管亦稱單向可控硅（SCR）一、導通條件一、導通條件二、關斷條件二、關斷條件 單向晶閘管的工作狀況：單向晶閘管的工作狀況： 晶閘管導通條件：晶閘管導通條件：在陽極在陽極A與陰極與陰極K之間加正向之間加正向電壓，同時在門極電壓，同時在門極G與陰極與陰極K之間加正向電壓（觸發(fā)），之間加正向電壓（觸發(fā)），這樣陽極這樣陽極A與陰極與陰極K之間即進之間即進入導通狀態(tài)。晶閘管一旦導入導通狀態(tài)。晶閘管一

6、旦導通，只要陽極通，只要陽極A與陰極與陰極K之間之間的電流不小于其維持電流的電流不小于其維持電流IH，門極門極G與陰極與陰極K之間是否還之間是否還存在正向電壓，對已經(jīng)導通存在正向電壓，對已經(jīng)導通的晶閘管完全沒有影響。的晶閘管完全沒有影響。 陽極A 門極G 陰極K 晶閘管關斷條件：晶閘管關斷條件：主電極陽極主電極陽極A與陰極與陰極K之間的電流小之間的電流小于其維持電流于其維持電流IH，晶閘管即進入關晶閘管即進入關斷狀態(tài)。斷狀態(tài)。 電 極M T 2 門 極G 電 極M T 1 b 雙向晶閘管圖形符號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（雙向晶閘管亦稱雙向半導體開關元件（TRIAC）

7、與單向晶閘管相比較，雙向晶閘管與單向晶閘管相比較，雙向晶閘管的主要區(qū)別是：的主要區(qū)別是： 在觸發(fā)之后是雙向導通的；在觸發(fā)之后是雙向導通的； 觸發(fā)電壓不分極性，只要絕對值觸發(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達到觸發(fā)門限值即可使雙向晶閘管導通。導通。 交流半波導通功率驅動電路交流半波導通功率驅動電路 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 實用中應注意實用中應注意: 如果驅動的是感性負載，必須設置合理如果驅動的是感性負載，必須設置合理的關斷泄流回路，一方面可保護開關器

8、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件，另外也可起到消除對外電磁干擾的作用。作用。二、繼電器與電磁閥驅動電路二、繼電器與電磁閥驅動電路繼電器廣泛用于生產(chǎn)控制和電力系統(tǒng)中，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動，實際上是對對繼電器或接觸器的驅動，實際上是對其勵磁線圈電流通斷的控制。繼電器勵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磁線圈所需的勵磁電源有直流與交流兩種。種。 繼電器是控制

9、和保護線路中廣泛應用的一種自動控制電器。其工作原理是在輸入一定的物理量（例如電流、電壓、轉速、時間、溫度等）的作用下，自動接通或者斷開觸點，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，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。當在線圈中通入一定數(shù)值的電流或施加一定的電壓時，根據(jù)電磁鐵的作用原理，可使裝在鐵軛上的可動銜鐵吸合，因而帶動附屬機構使活動觸點與一固定觸點接通，與另一固定觸點斷開。利用觸點的這種閉合或打開，就可以對電路進行通斷控制。I1231 3 常閉觸點1

10、 2 常開觸點鐵心線圈線圈引線彈簧4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電流的性質來區(qū)分的。如果繼電器是按照通入線圈的電流的大小而動作的，就是電流繼電器。電流繼電器與負載是串連的。如果繼電器是按照施加到線圈上的電壓大小來動作的，就是電壓繼電器。電壓繼電器施與負載電路并聯(lián)工作的。中間繼電器和時間繼電器中間繼電器中間繼電器是電磁式繼電器的一種，本質上仍屬于電壓繼電器，但它具有觸點多、觸點電流大和動作靈敏等特點，所以常用于某一電器與被控電路之間，以擴大電器的控制觸點數(shù)量和容量。時間繼電器時間繼電器是在電路中對動作時間起控制作用的繼電器。它得到輸入信號后，需經(jīng)

11、過一定的時間，其執(zhí)行機構才會動作并輸出信號，對其它電路進行控制。接觸器接觸器是用來接通和斷開具有大電流負載電路（例如電動機的主回路）的一種自動控制電器。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，銜鐵吸合使觸點動作的。其不同點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，因此在結構上具有下列特點：（1）觸點系統(tǒng)可分為主觸點和輔助觸點兩種。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主觸點，輔助觸點的數(shù)目有多有少，最高的可以有三個常開觸點和三個常閉觸點。（2）由于主觸點在斷開大電流負載電路時將會在活動觸點與固定觸點之間產(chǎn)生電弧，

12、不僅使通電狀態(tài)繼續(xù)維持，而且還會燒壞觸點。為了解決這個問題，通常采取滅弧等措施。接觸式繼電器產(chǎn)品名稱接觸式繼電器產(chǎn)品名稱 JZ C 1 X X表示中間繼電器 表示接觸器式表示設計序號以數(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系列編號接觸式繼電器產(chǎn)品名稱接觸式繼電器產(chǎn)品名稱 JZ C 1 4 4正泰JZ系列編號接觸器式中間繼電器，4個常開NO觸點，4個常閉觸點A1A24NO+4NC13 23 33 43 51 61 71 8114 24 34 44 52 62 72 82NO 3 4NC 1 2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

13、 、HTL 、CMOS等集成電路或加簡單的輔助電路就可以直接驅動。因此，適宜于在微機測控系統(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動，無觸點。與普通的電磁式繼電器和磁力開關相比，具有無機械噪聲、無抖動和會跳、開關速度快、體積小、 重量輕、 壽命長、 工作可靠等特點，并且耐沖擊、 抗潮濕、 抗腐蝕。在微機測控等領域中，已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關作為開關量輸出控制元件。固態(tài)繼電器分類（1）依負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元件，DC-SSR以功率晶體管作為開關元件，分別用來接通或分斷交流或直

14、流負載電源。（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)繼電器和隨機導通型固態(tài)繼電器。當控制信號輸入后，過零觸發(fā)型總是在交流電源未零電壓附近導通，導通時，干擾很小，一般用于計算機I/O接口等場合；隨機導通型則是在交流電源的任意狀態(tài)（指相位）上導通或關閉，但在導通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。（3）依開關觸點形式，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)繼電器固態(tài)繼電器數(shù)字控制信號負載“1” 斷開“0” 接通交流繼電器的控制交流繼電器的控制 3-相 /50Hz /380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B

15、2 C2 VD KD1 R V 三、步進電動機驅動電路三、步進電動機驅動電路步進電動機簡稱步進電機，可在開環(huán)條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)轉件下十分方便地將數(shù)字系統(tǒng)的脈沖數(shù)轉變成與其相對應的角位移或線位移，因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。而是控制系統(tǒng)中常用的自動化執(zhí)行元件。 圖圖8-6步進電步進電動機控動機控制電路制電路框圖框圖 A+ 步進脈沖 脈 功 B+ 沖 率 C+ 步進方向 分 放 A 配 大 B 電源控制 電 電 C 路 路 電動機w脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來對輸入的步脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來

16、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。相脈沖序列信號。w功率放大電路對脈沖分配電路輸出的信號進行放功率放大電路對脈沖分配電路輸出的信號進行放大，產(chǎn)生使電動機旋轉所需的激磁電流。大，產(chǎn)生使電動機旋轉所需的激磁電流。w步進方向信號指定各相導通的先后次序，用以改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方向。變步進電機旋轉方向。w電源控制信號用來在必要時使各相電流為零，以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。達到降低功耗等的目的。w 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

17、集成元件、GAL器件等構成。 w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。 （一）單電壓功率放大電路（一）單電壓功率放大電路 單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 Ui VD VS R RL RC L IL V +Ec 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 繞組電流繞組電流I L的波形的波形a）Ui頻率低時頻率低時b）Ui頻率高時頻率高時 Ui IL a) Ui IL b)同時增大外接電阻RC和電源電壓Ec，可使步進電機轉速高時的輸出轉矩顯著提高，但同時使功耗急劇增大 功耗的增加

18、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)流等驅動電路 （二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路（二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路 斬波穩(wěn)流式功率放大電路斬波穩(wěn)流式功率放大電路 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 經(jīng)經(jīng)D觸發(fā)器引入觸發(fā)器引入Up信號的主要目的是給信號的主要目的是給定超聲斬波頻率，以避免單純由定超聲斬波頻率，以避免單純由R6上的上的電壓

19、波動來控制電壓波動來控制V1通斷引入的不規(guī)則噪通斷引入的不規(guī)則噪聲。聲。 第二節(jié)可編程邏輯器件第二節(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，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。其邏輯功能可由用戶構造或設置。使用使用PLD設計優(yōu)點設計優(yōu)點 靈活，研制周期縮短，空間尺寸減小，靈活，研制周期縮短，空間尺寸減小，降低系統(tǒng)故障率。降低系統(tǒng)故障率。PLD從其出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了由從其出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了由PROM、FPLA到到PAL和和GAL的發(fā)展過程。的發(fā)展過程。PLD電路單元圖形符號及其真值表 B = A A A A B D E F C = A 0 0 0 0

20、 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 通常與門和PLD與門的圖形符號 A B C A & B D & D C通常或門和PLD或門的圖形符號 A B C A 1 B D 1 D C可編程陣列邏輯可編程陣列邏輯PAL（一）（一）PAL器件結構器件結構（二）（二）PAL器件的類型器件的類型（三）（三）PAL器件的應用實例器件的應用實例（一）（一）PAL器件結構器件結構PAL器件的基本邏輯結構器件的基本邏輯結構 輸入 & & & & & & & &am

21、p; & & & & & & & & 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）（二）PAL器件的類型器件的類型主要分主要分20引腳和引腳和24引腳兩大類，還有引腳兩大類，還有40（或（或44）和）和80（或（或84）引腳的宏）引腳的宏PAL器器件件 按電路能耗又可分為標準型、半功耗和按電路能耗又可分為標準型、半功耗和1/4功耗型；功耗型；按運行速度又可分為標準型、高速和超按運行速度又可分為標準型、高速和超高速型；高速型；按可靠性又可分為軍用和民用等。按可靠

22、性又可分為軍用和民用等。 （三）（三）PAL器件的應用實例器件的應用實例二相四繞組步進電動機驅動原理圖 +E 步進電動機 步進時鐘 CK 環(huán) 功 選中信號 E1 行 Q0 率 A 選中信號 E2 分 Q1 驅 B 初態(tài)設置 S 配 Q2 動 C 轉向控制 D 電 Q3 電 D 路 路 環(huán)行分配器輸出信號4序邏輯 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 二相四繞組步進電機驅動步序 步進步序10101010正 轉反 轉 Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014011010011步進電機狀態(tài)功能選擇 升沿0001步進電機反向旋轉CKE1E2SD狀態(tài)

23、功能任意1任意任意任意保持電動機當前狀態(tài)任意任意1任意任意保持電動機當前狀態(tài)升沿001任意設置輸出為初狀態(tài)升沿0000步進電機正向旋轉電動機驅動步序卡諾圖 Q0n Q0n 0 1 1 0 1 1 0 0 D 1 0 0 1 D 0 0 1 1 Q2n Q2n a) b) 10-1 已知某直流電磁閥的驅動電流為已知某直流電磁閥的驅動電流為6A，用用2mA的的標準標準TTL電平實施控制，試設計一合適的驅動電路。電平實施控制，試設計一合適的驅動電路。 按照圖組成電路：其中場效按照圖組成電路：其中場效應晶體管應晶體管V1采用采用IRF640，耐壓耐壓200(V)，極限工作電流極限工作電流15(A)；泄流二極管泄流二極