第10章 逻辑控制电路

1、第十章逻辑与数字控制电路第十章逻辑与数字控制电路w 二值可控元件驱动电路二值可控元件驱动电路w 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 第一节第一节 二值可控元件驱动电路二值可控元件驱动电路 一、功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路 二、继电器与电磁阀驱动电路二、继电器与电磁阀驱动电路 三、步进电动机驱动电路三、步进电动机驱动电路一、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

2、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电路等类型电源负载驱动电路等类型 （一）晶体管直流负载功率驱动电路（一）晶体管直流负载功率驱动电路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 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的电流放大系数的电流放大系数 值之间的数值关系，充分满足值之间的数值关

3、系，充分满足 I b I L / ，可确保可确保V导通时工作于导通时工作于 饱和区，以降低饱和区，以降低V的导通电阻及减小的导通电阻及减小功耗。功耗。 （二）场效应晶体管直流负载功率驱动电路（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

4、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 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 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

5、常采用晶交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管和双闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。向晶闸管两种类型。 a 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 单向晶闸管的工作状况：单向晶闸管的工作状况： 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K之间加正向之间加正向电压，同时在门极电压，同时在门极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之间即进之间即进入导通状态。晶闸管一旦导入导通状态。晶闸管一

6、旦导通，只要阳极通，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之间是否还之间是否还存在正向电压，对已经导通存在正向电压，对已经导通的晶闸管完全没有影响。的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之间的电流小之间的电流小于其维持电流于其维持电流IH，晶闸管即进入关晶闸管即进入关断状态。断状态。 电 极M T 2 门 极G 电 极M T 1 b 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）

7、与单向晶闸管相比较，双向晶闸管与单向晶闸管相比较，双向晶闸管的主要区别是：的主要区别是： 在触发之后是双向导通的；在触发之后是双向导通的； 触发电压不分极性，只要绝对值触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。导通。 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 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，一方面可保护开关器

8、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。 继电器是控制

9、和保护线路中广泛应用的一种自动控制电器。其工作原理是在输入一定的物理量（例如电流、电压、转速、时间、温度等）的作用下，自动接通或者断开触点，完成电路同、断功能。常用的继电器分为：电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及干簧继电器等。电流继电器和电压继电器继电器由触点，线圈与磁路系统（包括铁心，衔铁，铁軛，非磁性垫片）及反作用弹簧等组成。当在线圈中通入一定数值的电流或施加一定的电压时，根据电磁铁的作用原理，可使装在铁軛上的可动衔铁吸合，因而带动附属机构使活动触点与一固定触点接通，与另一固定触点断开。利用触点的这种闭合或打开，就可以对电路进行通断控制。I1231 3 常闭触点1

10、 2 常开触点铁心线圈线圈引线弹簧4铁軛45678电流继电器和电压继电器电流继电器或电压继电器是按作用于线圈的激励电流的性质来区分的。如果继电器是按照通入线圈的电流的大小而动作的，就是电流继电器。电流继电器与负载是串连的。如果继电器是按照施加到线圈上的电压大小来动作的，就是电压继电器。电压继电器施与负载电路并联工作的。中间继电器和时间继电器中间继电器中间继电器是电磁式继电器的一种，本质上仍属于电压继电器，但它具有触点多、触点电流大和动作灵敏等特点，所以常用于某一电器与被控电路之间，以扩大电器的控制触点数量和容量。时间继电器时间继电器是在电路中对动作时间起控制作用的继电器。它得到输入信号后，需经

11、过一定的时间，其执行机构才会动作并输出信号，对其它电路进行控制。接触器接触器是用来接通和断开具有大电流负载电路（例如电动机的主回路）的一种自动控制电器。它有直流接触器和交流接触器之分。 接触器在工作原理上与电压继电器相似，都是依靠线圈通电，衔铁吸合使触点动作的。其不同点使接触器用于控制大电流回路的，而且工作次数比较频繁，因此在结构上具有下列特点：（1）触点系统可分为主触点和辅助触点两种。前者用于控制主回路，后者用于操纵控制电路。交流接触器一般有三个主触点，辅助触点的数目有多有少，最高的可以有三个常开触点和三个常闭触点。（2）由于主触点在断开大电流负载电路时将会在活动触点与固定触点之间产生电弧，

12、不仅使通电状态继续维持，而且还会烧坏触点。为了解决这个问题，通常采取灭弧等措施。接触式继电器产品名称接触式继电器产品名称 JZ C 1 X X表示中间继电器 表示接触器式表示设计序号以数值表示常开触头数量以数值表示常闭触头数量正泰JZ系列编号接触式继电器产品名称接触式继电器产品名称 JZ C 1 4 4正泰JZ系列编号接触器式中间继电器，4个常开NO触点，4个常闭触点A1A24NO+4NC13 23 33 43 51 61 71 8114 24 34 44 52 62 72 82NO 3 4NC 1 2固态继电器固态继电器(SSR)是近年发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用TTL

13、 、HTL 、CMOS等集成电路或加简单的辅助电路就可以直接驱动。因此，适宜于在微机测控系统中作为输出通道的控制元件；其输出利用可控硅或晶体管驱动，无触点。与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和会跳、开关速度快、体积小、 重量轻、 寿命长、 工作可靠等特点，并且耐冲击、 抗潮湿、 抗腐蚀。在微机测控等领域中，已逐渐取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件。固态继电器分类（1）依负载电源类型可分为交流固态继电器（AC-SSR)和直流固态继电器（DC-SSR)。AC-SSR以双向可控硅作为开关元件，DC-SSR以功率晶体管作为开关元件，分别用来接通或分断交流或直

14、流负载电源。（2）依控制触发形式，交直流固态继电器可分为过零触发型固态继电器和随机导通型固态继电器。当控制信号输入后，过零触发型总是在交流电源未零电压附近导通，导通时，干扰很小，一般用于计算机I/O接口等场合；随机导通型则是在交流电源的任意状态（指相位）上导通或关闭，但在导通瞬间可能产生较大的干扰。（3）依开关触点形式，固态继电器可分为常开和常闭两种。（4）依安装形式，可分为装配式，焊接式，插座式。固态继电器固态继电器数字控制信号负载“1” 断开“0” 接通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 B

15、2 C2 VD KD1 R V 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。 图图8-6步进电步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

16、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，用以改变步进电机旋转方向。变步进电机旋转方向。w电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，以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。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

17、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 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 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

18、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 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 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

19、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。PLD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

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 通常与门和PLD与门的图形符号 A B C A & B D & D C通常或门和PLD或门的图形符号 A B 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PAL器件的基本逻辑结构器件的基本逻辑结构 输入 & & & & & & & &am

21、p; & & & & & & & & 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

22、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 环行分配器输出信号4序逻辑 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 二相四绕组步进电机驱动步序 步进步序10101010正 转反 转 Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014011010011步进电机状态功能选择 升沿0001步进电机反向旋转CKE1E2SD状态

23、功能任意1任意任意任意保持电动机当前状态任意任意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) 10-1 已知某直流电磁阀的驱动电流为已知某直流电磁阀的驱动电流为6A，用用2mA的的标准标准TTL电平实施控制，试设计一合适的驱动电路。电平实施控制，试设计一合适的驱动电路。 按照图组成电路：其中场效按照图组成电路：其中场效应晶体管应晶体管V1采用采用IRF640，耐压耐压200(V)，极限工作电流极限工作电流15(A)；泄流二极管泄流二极