單片機脈沖觸發器電路設計范文

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摘要:

由于工程上應用交流電子開關柜控制交流電動機其主電路采用晶閘管模塊，單片機產生六個脈沖其相位依次相差60°，而晶閘管必須成對脈沖才能夠導通構成回路，為此要進行脈沖的補充。設計了一款基于單片機的脈沖觸發器。該觸發器利用PSD4000系列芯片的邏輯功能來進行脈沖的補充，通過調制電路對脈沖進行調制。該脈沖觸發器系統運行穩定且成本低廉。

關鍵詞:

沖觸發器;單片機;PSD4000;調制電路

脈沖觸發電路在工業生產中有著廣泛的應用，如工廠煉鋼溫控系統，調壓調功、電機控制系統等。傳統的脈沖觸發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器KC04電路上，輸出兩路相位相差180°的移相脈沖，三片KC04產生六路脈沖輸入到KC41的A0～A5端口，由芯片內部輸入二極管完成脈沖補給，B0～B5輸出六組雙脈沖每組脈沖相位相差60°。產生的脈沖經過脈沖變壓器作用于晶閘管可控硅來控制交流電機，增加了同步變壓器及設備的體積導致成本上升，此電路應用的芯片比較多、電路設計相對復雜、功耗大、抗干擾能力差，不適合在工廠等電磁干擾比較強的惡劣環境下工作。使其應用范圍十分局限，不能廣泛地應用于工業生產［1］。圖1所示為傳統的脈沖形成電路。

1脈沖觸發電路設計與實現

本文以8XC196KB單片機與PSD4000系列為核心，重點研究運用PSD4000系列芯片的邏輯功能實現了脈沖的補給調制電路對脈沖的調制，電路簡單易于實現，價格低廉有著廣闊應用前景。脈沖觸發電路是由8XC196KB單片機、PSD、調制電路、驅動電路組成［2］。由于晶閘管在導通以后其門極就失去了控制作用要靠反向電壓使其關斷，為了減少門極損耗，門極觸發信號選擇脈沖信號，8XC196KB單片機與PSD配合不僅使其在接口資源與存儲空間相關方面的性能有明顯的提高同時減小了系統的體積與功耗。如圖2所示8XC196KB單片機產生7個脈沖。其中六個脈沖其相位依次相差60°，CLK為調制脈沖。單片機產生的脈沖經過PSD內部的邏輯電路處理變成成對的脈沖信號，經過ULN2003A構成的驅動電路作用，脈沖導通雙向可控硅上構成回路，實現調壓來控制交流電機。其中K0G0、K1G1、K2G2、K3G3、K4G4、K5G5為作用在可控硅上的信號。

1．1PSD的邏輯結構與功能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數據、地址、控制總線接口、譯碼及PLD、EPROM、SRAM、可編程I/O接口與一些相關的寄存器組成，如圖3所示。MCU與PSD可以直接相連無需相關外接芯片［3］。功能:(1)PSD內部集成了PLD邏輯結構，PLD器件由輸入緩沖電路、與陣列、或陣列、輸出緩沖電路組成，依據不同需求，芯片內元件的種類、數量可以有不同的設置，電路的功能要通過程序來實現［4］。(2)PSD能提供256kB到4MB不等的大容量的存儲空間，可由內置的可編程PLD譯碼實現靈活的存儲。(3)PSD提供了大量的I/O口，便于擴張［7］。原理:可編程芯片PSD接受單片機發出的脈沖信號，在其內部PLD邏輯門的作用下即單片機產生脈沖信號HSO0跟調制信號CLK、使能信號EN的反相與，脈沖信號HSO1、調制信號CLK、使能信號EN的反相與把這兩組脈沖經邏輯門或在和三態門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。用產生的相應的6組雙脈沖信號來控制晶閘管可控硅，其PSD內部的邏輯關系表達式如下所示。其中，EN為使能信號，它能夠防止單片機在上電或復位的時候失控而胡亂發脈沖，CLK為調制信號，HSO0～HSO5為單片機發出的脈沖信號。圖4所示就是作用在雙向可控硅上的脈沖信號。觸發電流、電壓必須大于門極觸發電流、電壓。即脈沖信號應該有一定的功率與寬度晶閘管才能夠導通，觸發脈沖的寬度應保證晶閘管陽極電流在觸發脈沖消失前達到擎住電流。一般晶閘管的導通時間為6ps，故觸發脈沖的寬度至少應有6ps以上，最好應有20ps～50ps。如果負載功率較大或功率因數較低，還需相應增大脈沖輸出幅度、脈沖寬度。晶閘管的觸發功率(電流、電壓)有規定值，由于晶閘管元件門極參數分散性大，且溫度會影響觸發電壓、電流值。當觸發信號為脈沖形式時，只要觸發功率不超過規定值，觸發電壓、電流的幅值在短時間內可超過額定值。驅動電路中的ULN2003A是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，它由7組達林頓晶體管陣列與相應的電阻、二極管網絡構成具有強驅動能力的雙極型大功率高速集成電路。

1．2可控硅晶閘管導通次序雙向晶閘管可控硅必須按照一定的次序成對導通才能夠實現調壓的功能。根據三相交流電的對稱原則確定其導通的次序。在任意時刻電路中的晶閘管兩相中都會各有一個導通，另一相不導通，這時導通相的負載相電壓是電源線電壓的一半。把相電壓過零點定為觸發延遲角α的起點。圖5所示為α=120°晶閘管導通區間示意圖。

1．3調制電路由于脈沖變壓器漏電感的存在產生的脈沖會失真，如圖6所示，增加脈沖變壓器線圈繞組匝數可以有效的消除干擾但是這樣會使電路的體積增大成本增加，調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，縮小了設備的體積。本著經濟的原則增加了一個調制電路。圖7所示為調制電路，其中M表示接地。555定時器與外部器件R3、R4、C5構成了多諧振蕩器。VCC通過R3經過D1向C5充電，C5的放電過程則通過R4與內部的三極管T、C6到接地來實現的，放電速度快，電路產生振蕩。可通過改變電阻R3、R4的阻值改變矩形脈沖的周期。555定時器與外部器件R3、C5構成的單穩態觸發器，穩態時555電路內部放電開關管T導通，輸出端輸出為低電平，當有一個外部負脈沖觸發信號輸入，并使TRIG腳點位瞬時低于1/3VCC時，低電平比較器動作，單穩態電路開始一個暫緩過程，電容C5開始充電，C5兩端電壓按指數規律增長。當C5兩端電壓為2/3VCC時，高電平比較器動作，輸出電壓從高電平返回低電平，這時T重新導通，電容很快經放電開關管放電，暫態結束，恢復穩態。通過調節外部器件R3、C5可調節輸出信號的暫態持續時間，從而達到調節輸出信號占空比的目的。電路由多諧振蕩器和單穩態觸發器兩部分構成，分別完成對矩形脈沖信號頻率、占空比的調節。555定時器成本低廉性能可靠，在構成單穩態觸發器和多諧振蕩器時電路結構簡單。由于它使用靈活、方便，其在測量與控制、家用電器等許多領域得到廣泛應用，屬于常用芯片，方便獲得。

2調試

在對該方案設計脈沖發生器組成的系統進行測試，測試電路如圖8所示。MUC選擇8XC196KB單片機、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，雙向并聯可控硅控制端按照圖5所示依次導通［6］。系統用電機進行實驗，在對實驗數據、波形詳細分析后得出結論，該控制系統工作性能穩定可靠，能夠較好地滿足工業現場的各項技術要求。

3結束語

本設計的創新點在于通過單片機與PSD的結合使用，充分利用了可編程邏輯器件PSD內部PLD邏輯門實現脈沖的補給，大大減化了程序的復雜度。同時增加了調制電路，簡單、方便，降低了成本，系統運行安全可靠已廣泛應用于工業生產各個領域。

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作者：姚國平 盛占石 單位： 江蘇大學電氣信息學院