單片機(jī)脈沖觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)范文

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摘要:

由于工程上應(yīng)用交流電子開關(guān)柜控制交流電動(dòng)機(jī)其主電路采用晶閘管模塊，單片機(jī)產(chǎn)生六個(gè)脈沖其相位依次相差60°，而晶閘管必須成對(duì)脈沖才能夠?qū)?gòu)成回路，為此要進(jìn)行脈沖的補(bǔ)充。設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的脈沖觸發(fā)器。該觸發(fā)器利用PSD4000系列芯片的邏輯功能來進(jìn)行脈沖的補(bǔ)充，通過調(diào)制電路對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制。該脈沖觸發(fā)器系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且成本低廉。

關(guān)鍵詞:

沖觸發(fā)器;單片機(jī);PSD4000;調(diào)制電路

脈沖觸發(fā)電路在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，如工廠煉鋼溫控系統(tǒng)，調(diào)壓調(diào)功、電機(jī)控制系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的脈沖觸發(fā)電路為模擬電路使用交流電通過同步變壓器后再接到可控硅移相觸發(fā)器KC04電路上，輸出兩路相位相差180°的移相脈沖，三片KC04產(chǎn)生六路脈沖輸入到KC41的A0～A5端口，由芯片內(nèi)部輸入二極管完成脈沖補(bǔ)給，B0～B5輸出六組雙脈沖每組脈沖相位相差60°。產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過脈沖變壓器作用于晶閘管可控硅來控制交流電機(jī)，增加了同步變壓器及設(shè)備的體積導(dǎo)致成本上升，此電路應(yīng)用的芯片比較多、電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜、功耗大、抗干擾能力差，不適合在工廠等電磁干擾比較強(qiáng)的惡劣環(huán)境下工作。使其應(yīng)用范圍十分局限，不能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)［1］。圖1所示為傳統(tǒng)的脈沖形成電路。

1脈沖觸發(fā)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文以8XC196KB單片機(jī)與PSD4000系列為核心，重點(diǎn)研究運(yùn)用PSD4000系列芯片的邏輯功能實(shí)現(xiàn)了脈沖的補(bǔ)給調(diào)制電路對(duì)脈沖的調(diào)制，電路簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低廉有著廣闊應(yīng)用前景。脈沖觸發(fā)電路是由8XC196KB單片機(jī)、PSD、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路組成［2］。由于晶閘管在導(dǎo)通以后其門極就失去了控制作用要靠反向電壓使其關(guān)斷，為了減少門極損耗，門極觸發(fā)信號(hào)選擇脈沖信號(hào)，8XC196KB單片機(jī)與PSD配合不僅使其在接口資源與存儲(chǔ)空間相關(guān)方面的性能有明顯的提高同時(shí)減小了系統(tǒng)的體積與功耗。如圖2所示8XC196KB單片機(jī)產(chǎn)生7個(gè)脈沖。其中六個(gè)脈沖其相位依次相差60°，CLK為調(diào)制脈沖。單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過PSD內(nèi)部的邏輯電路處理變成成對(duì)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過ULN2003A構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路作用，脈沖導(dǎo)通雙向可控硅上構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓來控制交流電機(jī)。其中K0G0、K1G1、K2G2、K3G3、K4G4、K5G5為作用在可控硅上的信號(hào)。

1．1PSD的邏輯結(jié)構(gòu)與功能PSD是WSI推出的帶有邏輯功能的低功耗可編程的一款芯片。它一般由MCU數(shù)據(jù)、地址、控制總線接口、譯碼及PLD、EPROM、SRAM、可編程I/O接口與一些相關(guān)的寄存器組成，如圖3所示。MCU與PSD可以直接相連無需相關(guān)外接芯片［3］。功能:(1)PSD內(nèi)部集成了PLD邏輯結(jié)構(gòu)，PLD器件由輸入緩沖電路、與陣列、或陣列、輸出緩沖電路組成，依據(jù)不同需求，芯片內(nèi)元件的種類、數(shù)量可以有不同的設(shè)置，電路的功能要通過程序來實(shí)現(xiàn)［4］。(2)PSD能提供256kB到4MB不等的大容量的存儲(chǔ)空間，可由內(nèi)置的可編程PLD譯碼實(shí)現(xiàn)靈活的存儲(chǔ)。(3)PSD提供了大量的I/O口，便于擴(kuò)張［7］。原理:可編程芯片PSD接受單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)，在其內(nèi)部PLD邏輯門的作用下即單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)HSO0跟調(diào)制信號(hào)CLK、使能信號(hào)EN的反相與，脈沖信號(hào)HSO1、調(diào)制信號(hào)CLK、使能信號(hào)EN的反相與把這兩組脈沖經(jīng)邏輯門或在和三態(tài)門oe作用，就得到所需要的雙脈沖，同樣的道理可以得到其余的5組雙脈沖。用產(chǎn)生的相應(yīng)的6組雙脈沖信號(hào)來控制晶閘管可控硅，其PSD內(nèi)部的邏輯關(guān)系表達(dá)式如下所示。其中，EN為使能信號(hào)，它能夠防止單片機(jī)在上電或復(fù)位的時(shí)候失控而胡亂發(fā)脈沖，CLK為調(diào)制信號(hào)，HSO0～HSO5為單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)。圖4所示就是作用在雙向可控硅上的脈沖信號(hào)。觸發(fā)電流、電壓必須大于門極觸發(fā)電流、電壓。即脈沖信號(hào)應(yīng)該有一定的功率與寬度晶閘管才能夠?qū)ǎ|發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管陽極電流在觸發(fā)脈沖消失前達(dá)到擎住電流。一般晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間為6ps，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)有6ps以上，最好應(yīng)有20ps～50ps。如果負(fù)載功率較大或功率因數(shù)較低，還需相應(yīng)增大脈沖輸出幅度、脈沖寬度。晶閘管的觸發(fā)功率(電流、電壓)有規(guī)定值，由于晶閘管元件門極參數(shù)分散性大，且溫度會(huì)影響觸發(fā)電壓、電流值。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為脈沖形式時(shí)，只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時(shí)間內(nèi)可超過額定值。驅(qū)動(dòng)電路中的ULN2003A是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，它由7組達(dá)林頓晶體管陣列與相應(yīng)的電阻、二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的雙極型大功率高速集成電路。

1．2可控硅晶閘管導(dǎo)通次序雙向晶閘管可控硅必須按照一定的次序成對(duì)導(dǎo)通才能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)壓的功能。根據(jù)三相交流電的對(duì)稱原則確定其導(dǎo)通的次序。在任意時(shí)刻電路中的晶閘管兩相中都會(huì)各有一個(gè)導(dǎo)通，另一相不導(dǎo)通，這時(shí)導(dǎo)通相的負(fù)載相電壓是電源線電壓的一半。把相電壓過零點(diǎn)定為觸發(fā)延遲角α的起點(diǎn)。圖5所示為α=120°晶閘管導(dǎo)通區(qū)間示意圖。

1．3調(diào)制電路由于脈沖變壓器漏電感的存在產(chǎn)生的脈沖會(huì)失真，如圖6所示，增加脈沖變壓器線圈繞組匝數(shù)可以有效的消除干擾但是這樣會(huì)使電路的體積增大成本增加，調(diào)制電路提高脈沖的抗干擾能力，避免使用大的脈沖變壓器，降低了成本，縮小了設(shè)備的體積。本著經(jīng)濟(jì)的原則增加了一個(gè)調(diào)制電路。圖7所示為調(diào)制電路，其中M表示接地。555定時(shí)器與外部器件R3、R4、C5構(gòu)成了多諧振蕩器。VCC通過R3經(jīng)過D1向C5充電，C5的放電過程則通過R4與內(nèi)部的三極管T、C6到接地來實(shí)現(xiàn)的，放電速度快，電路產(chǎn)生振蕩。可通過改變電阻R3、R4的阻值改變矩形脈沖的周期。555定時(shí)器與外部器件R3、C5構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)555電路內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端輸出為低電平，當(dāng)有一個(gè)外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號(hào)輸入，并使TRIG腳點(diǎn)位瞬時(shí)低于1/3VCC時(shí)，低電平比較器動(dòng)作，單穩(wěn)態(tài)電路開始一個(gè)暫緩過程，電容C5開始充電，C5兩端電壓按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)C5兩端電壓為2/3VCC時(shí)，高電平比較器動(dòng)作，輸出電壓從高電平返回低電平，這時(shí)T重新導(dǎo)通，電容很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。通過調(diào)節(jié)外部器件R3、C5可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出信號(hào)占空比的目的。電路由多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩部分構(gòu)成，分別完成對(duì)矩形脈沖信號(hào)頻率、占空比的調(diào)節(jié)。555定時(shí)器成本低廉性能可靠，在構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于它使用靈活、方便，其在測(cè)量與控制、家用電器等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，屬于常用芯片，方便獲得。

2調(diào)試

在對(duì)該方案設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器組成的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電路如圖8所示。MUC選擇8XC196KB單片機(jī)、PSD系列選擇PSD4235輸入電壓U、V、W的相位依次相差120度三相電壓，雙向并聯(lián)可控硅控制端按照?qǐng)D5所示依次導(dǎo)通［6］。系統(tǒng)用電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、波形詳細(xì)分析后得出結(jié)論，該控制系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，能夠較好地滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)技術(shù)要求。

3結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過單片機(jī)與PSD的結(jié)合使用，充分利用了可編程邏輯器件PSD內(nèi)部PLD邏輯門實(shí)現(xiàn)脈沖的補(bǔ)給，大大減化了程序的復(fù)雜度。同時(shí)增加了調(diào)制電路，簡(jiǎn)單、方便，降低了成本，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。

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作者：姚國平 盛占石 單位： 江蘇大學(xué)電氣信息學(xué)院