基于可編程控制器施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)與分析

徐良雄

（武漢交通職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，湖北 武漢 430065）

1 引言

施密特觸發(fā)器廣泛用于波形的變換、脈沖波形的整形、脈沖的幅度鑒別以及脈沖波形的展寬，是電子儀器、通信專業(yè)中應(yīng)用極為廣泛的基本單元電路。

施密特觸發(fā)器要求：

（1）電路有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要外加觸發(fā)信號(hào)的作用，而且這兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的維持也依賴于該外加觸發(fā)信號(hào)的作用，觸發(fā)方式是電平觸發(fā)。

（3）施密特觸發(fā)器具有回差特性，回差電壓等于上限門坎電平減去下限門坎電平［1］。

本文利用FX2N－24MR可編程控制器方便完成這一功能。與普通施密特觸發(fā)器相比，該設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：

（1）構(gòu)成簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。改變程序和接線又可作其他用途。

（2）程序編寫簡(jiǎn)單，易于理解和掌握。

（3）回差電壓通過(guò)軟件改變參數(shù)就可很方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有非常高的抗干擾能力［2］。

2 設(shè)計(jì)

首先以一個(gè)具體工作任務(wù)為目標(biāo)，看看整個(gè)施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)全過(guò)程。該具體工作任務(wù)可表述為當(dāng)外部給出一個(gè)倒V字形模擬信號(hào)到施密特觸發(fā)器時(shí)，要求在當(dāng)該倒V字形模擬信號(hào)上升至一高電平UT＋＝5V時(shí)，施密特觸發(fā)器電路的輸出狀態(tài)將從一個(gè)初穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，當(dāng)該倒V字形模擬信號(hào)變?yōu)橄陆禃r(shí)，該信號(hào)下降到另一低電平UT－＝2V時(shí)，施密特觸發(fā)器電路的輸出狀態(tài)又從另一個(gè)穩(wěn)態(tài)回復(fù)到最初的輸出穩(wěn)態(tài)［3］。

采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC來(lái)實(shí)施這一工作任務(wù)。

2.1 施密特觸發(fā)器輸入輸出波形

通過(guò)工作任務(wù)我們可以獲得如下的一組波形。

（1）外部倒V字形模擬信號(hào)波形上限門坎電平 UT＋＝5V 和下限門坎電平 UT－＝2V。

（2）輸出電平起始狀態(tài)為高電平，當(dāng)外部倒V字形模擬信號(hào)輸入波形上升超過(guò)高電平UT＋＝5V時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出電平從起始高電平翻轉(zhuǎn)為低電平；當(dāng)輸入波形從上升變?yōu)橄陆挡⑹闺娖降陀诘碗娖経T－＝2V時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出電平從低電平回復(fù)到高電平。即波形如圖1所示。

圖1 施密特觸發(fā)器輸入輸出波形

2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC設(shè)計(jì)

圖2 施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC

采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC設(shè)計(jì)時(shí)，起始狀態(tài)元件選擇S0，中間狀態(tài)元件選擇S20。施密特觸發(fā)器輸出端選擇Y1，X0為啟動(dòng)按鈕，X1為停止按鈕。M0為編程方便使用的內(nèi)部通用輔助繼電器，外部輸入的模擬信號(hào)波形采用F2－6A－E模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成信號(hào)的采集。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC如圖2所示。在狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC中，當(dāng)X0啟動(dòng)按鈕合上，可編程控制器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，M0通用輔助繼電器得電，為信號(hào)采集做好了準(zhǔn)備，輸出端Y1輸出高電平。FX2N－24MR將連接X(jué)40、Y30擴(kuò)展口F2－6A－E單元輸入第0號(hào)通道的輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成16位二進(jìn)制數(shù)（4位BCD碼），并把它讀入到基本單元的數(shù)據(jù)寄存器D300當(dāng)中。當(dāng)采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)在D300中比5V大時(shí)，M10接通，Y1置0，輸出低電平。當(dāng)D300中的值比5V小或等于5V時(shí)，M10是斷開(kāi)的，Y1輸出端保持高電平不變。M10接通期間，D301清零，為S20下一步信號(hào)的采集做好了準(zhǔn)備，這與圖1施密特觸發(fā)器波形的起始上升階段的狀態(tài)一致。Y1輸出低電平時(shí)，S20被激活，F(xiàn)2－6A－E輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊繼續(xù)采集信號(hào)，擴(kuò)展口及通道號(hào)不變，但數(shù)據(jù)讀入到基本單元的數(shù)據(jù)寄存器D301當(dāng)中。當(dāng)D301中的值比2V小時(shí)，M22接通，Y1置1，輸出高電平。當(dāng)D301中的值比2V大或等于2V時(shí)，M22是斷開(kāi)的，Y1輸出端保持低電平不變。M22接通期間，D300清零，為S0下一步信號(hào)的采集做好準(zhǔn)備。施密特觸發(fā)器一個(gè)周期的信號(hào)采集和處理工作完成，等待著下一個(gè)周期的到來(lái)。X1點(diǎn)動(dòng)按鈕為隨時(shí)結(jié)束工作任務(wù)所設(shè)置。

將狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC變?yōu)榭梢詫?shí)施的梯形圖軟件后，就可以將它寫入到計(jì)算機(jī)里。由圖2的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖得到的梯形圖軟件如圖3所示。

圖3 施密特觸發(fā)器梯形圖

2.3 I／O 分配表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制所需的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，分配可編程控制器的輸入與輸出點(diǎn)，如表1所示。

表1 可編程控制器施密特觸發(fā)器輸入輸出端口分配表

2.4 可編程控制器施密特觸發(fā)器實(shí)施的接線圖

可編程控制器施密特觸發(fā)器的實(shí)施最終要反映到FX2N－24MR型可編程序控制器的輸入／輸出接線上，圖4為可編程控制器施密特觸發(fā)器實(shí)施的接線圖。SB1為啟動(dòng)按鈕，SB2為停止按鈕，24V直流電源為可編程控制器外加的直流電源。［4］Y1所接的指示燈為實(shí)驗(yàn)調(diào)試使用，待實(shí)驗(yàn)調(diào)試成功以后可用負(fù)載將它替換掉。

圖4 可編程控制器施密特觸發(fā)器接線圖

3 運(yùn)行觀察程序

根據(jù)所設(shè)計(jì)的可編程控制器施密特觸發(fā)器梯形圖，采用型號(hào)為FX2N－24MR的可編程控制器。把可編程控制器方式開(kāi)關(guān)置于運(yùn)行“SHOP”檔，通過(guò)計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)線把程序?qū)懭氲娇删幊炭刂破髦校侔芽删幊炭刂破鞣绞介_(kāi)關(guān)置于運(yùn)行“RUN”檔，會(huì)看到當(dāng)外部倒V字形模擬信號(hào)輸入波形上升時(shí)，與Y1聯(lián)接的指示燈亮，當(dāng)輸入波形上升超過(guò)高電平UT＋＝5V時(shí)，與Y1聯(lián)接的指示燈立即熄滅；當(dāng)輸入波形從上升變?yōu)橄陆禃r(shí)，與Y1聯(lián)接的指示燈仍然是熄滅的，當(dāng)輸入波形下降超過(guò)低電平UT－＝2V時(shí)，與Y1聯(lián)接的指示燈重新被點(diǎn)亮。施密特觸發(fā)器輸出電平從低電平回復(fù)到高電平，完成了一個(gè)周期的工作。觸發(fā)器等待著下一次工作任務(wù)的到來(lái)，外部信號(hào)再次通過(guò)F2－6A－E模塊輸入到FX2N－24MR的可編程控制器當(dāng)中時(shí)，Y1聯(lián)接的指示燈會(huì)再來(lái)一次循環(huán)［5］。按X1點(diǎn)動(dòng)按鈕可隨時(shí)結(jié)束工作任務(wù)，取消可編程控制器施密特觸發(fā)器工作任務(wù)的執(zhí)行。從而使本設(shè)計(jì)達(dá)到了工作任務(wù)所設(shè)計(jì)的要求。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，將指示燈更換成負(fù)載就可以正常工作了，Y1輸出端狀態(tài)同時(shí)還控制著工作任務(wù)的實(shí)施，起著結(jié)束S0步同時(shí)激活S20步以及結(jié)束S20步同時(shí)激活S0步的作用。

4 結(jié)論

FX系列可編程控制器施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)在信號(hào)采集方面還可以采用FX－4AD、FX－2DA、FX－2AD－PT、FX－8AV、FX－1GM 等多種功能模塊，因而信號(hào)采集方法多樣，選擇性較強(qiáng)。用可編程控制器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，上限門坎電平和下限門坎電平可以在軟件里面隨意調(diào)節(jié)，可使回差電壓增加得很大，這是一般施密特觸發(fā)器所不能做到的。當(dāng)需要上限門坎電平很高，具有強(qiáng)烈的抗干擾性能時(shí)，只需改變圖2和圖3軟件中的K5參數(shù)，讓K5參數(shù)改成需要的參數(shù)就行了，參數(shù)中前面保留K，K后面的數(shù)字由自己填寫，最大值小于24V都可以滿足要求。當(dāng)希望下限門坎電平很低時(shí)，也是只需改變圖2和圖3軟件中的K2參數(shù)，讓K2參數(shù)改成需要的參數(shù)，也是參數(shù)中前面保留K，K后面的數(shù)字由自己填寫，最小值大于0V就行。因而回差電壓△UT＝ UT＋－UT－可以達(dá)到 23V 之多。修改好上限門坎電平K5參數(shù)和下限門坎電平K2參數(shù)后再按前面所敘述的方法將程序?qū)懭氲娇删幊炭刂破鳟?dāng)中運(yùn)行，所要求的施密特觸發(fā)器回差電壓△UT＝ UT＋ － UT－就可以實(shí)現(xiàn)了［6］。

可編程控制器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器由于可編程控制器的工作穩(wěn)定可靠性，使得它能夠在復(fù)雜惡劣的環(huán)境條件下正常工作，令人十分放心。當(dāng)需要可編程控制器有更加重要的工作任務(wù)去完成時(shí)，又可以很方便地用改變程序和接線的方法去完成賦予它的新任務(wù)，待需要它繼續(xù)完成前述的工作任務(wù)時(shí)又可以通過(guò)改變程序和接線的方法再次復(fù)原回來(lái)，因此工作十分方便。

可編程控制器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的程序編寫也很簡(jiǎn)單，易于理解和掌握，本文嘗試了用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC和功能指令中的比較指令這一特殊方法來(lái)實(shí)施了這一工作任務(wù)。通過(guò)以上的設(shè)計(jì)及其分析，已經(jīng)清楚地看到使用可編程控制器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、易于理解和掌握、工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。同時(shí)它還具有上限門坎電平高、下限門坎電平低，回差電壓大，并且可以在軟件里面隨意調(diào)節(jié)，改變程序的參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用前景及其可觀并具有可操作性。

［1］鄭慰萱.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［2］王也仿.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］康裕榮.論施密特觸發(fā)器［J］.贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，（3）：65－67.

［4］汪學(xué)典.關(guān)于施密特觸發(fā)器的教學(xué)方法研究［J］.高師理科學(xué)刊，2008，（1）：97－100.

［5］顧振遠(yuǎn).CMOS施密特觸發(fā)器的工作原理及應(yīng)用（上）［J］.電子報(bào)，2011，（3）：1－3.

［6］馮 勇.一種新型CMOS施密特觸發(fā)器［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16.