基于PLC的正交脈沖接口電路

鄧國華

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北省孝感市 432100）

1 引言

電子手輪、編碼器及光柵尺等部件廣泛應(yīng)用于各種機床位置控制，由于這些部件輸出的是A 相和B 相正交脈沖信號，其周期和幅度相同，相位差90°。正相工作時A 相超前B 相90°，反相工作時B 相超前A 相90°。對于不太復(fù)雜的位置控制，用PLC 通過正交信號能夠完成位置檢測和控制，但現(xiàn)在大部份PLC 不能直接識別正交脈沖信號。本接口電路采用邊沿D 觸發(fā)器將A、B 兩相正交脈沖信號轉(zhuǎn)換為脈沖和方向信號，直接與PLC 相連，將脈沖信號接到PLC 高速計數(shù)端（X0），方向信號接到PLC 輸入端（X1）。這樣，PLC 通過內(nèi)部的C235 高速計數(shù)器就能完成位置檢測。

2 邊沿D觸器工作原理

D 觸發(fā)器是一種具有記憶功能的信息存儲器件。其具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)：0、1，分別對應(yīng)電路中的低電平和高電平。在一定的外界信號作用下，觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)[1]。本設(shè)計采用是邊沿D 觸發(fā)器，其內(nèi)部邏輯框圖和符號如圖1所示。

S 和R 可分別將D 觸發(fā)器的Q 端置1 和置0，低電平有效。當S=0 并且R=1 時，無論觸發(fā)器的D 信號是高電平還是低電平，CLK 信號是否觸發(fā)，都會將Q 置為高電平，也就是將其輸出端Q 置1；當S=1 并且R=0 時，不論觸發(fā)器的D 和CLK 是何種狀態(tài)，觸發(fā)器的輸出都被設(shè)置為低電平，即其Q 端置0。所以S 和R 又稱為D 觸發(fā)器的置1 和置0 端。邊沿觸發(fā)器工作過程如下：CLK 由1 跳變到0 時或CLK=0 時，與非門G3 和G4 的輸入端為0，他們的輸出Q3 和Q4 都為1，此時，只要S=R=1，則不論觸發(fā)器的輸入信號D 是何種狀態(tài)，觸發(fā)器的輸出端Q 的狀態(tài)保持不變。

當CLK 由0 跳變到1 時，如果D=0，與非門G5 的輸出端Q5=1，G3 的Q3=0，G6 的Q6=0，G4 的Q4=1，此時觸發(fā)器輸出端Q=0；如果D=1，與非門G5 的輸出端Q5=0，G3 的Q3=1，G6的Q6=1，G4 的Q4=0，此時觸發(fā)器輸出端Q=1。由此可以看出當CLK 信號從0 到1 跳變時，D 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)Q=D。

CLK 由0 跳變到1，觸發(fā)器完成翻轉(zhuǎn)后，如果此時CLK 一直為高電平，則觸發(fā)器的輸入信號D 被封鎖。這是因為G3 和G4 的輸出Q3 和Q4 的狀態(tài)是互補的,即必定有一個是0，如果Q3=0，則G3 輸出的低電平將G5 封鎖，即阻斷了D 信號通往基本RS 觸發(fā)器的路徑；G3 輸出的低電平起到了使觸發(fā)器維持在0 狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)? 狀態(tài)的作用。如果Q4=0 時，將G3 和G6 封鎖，D信號通往基本RS 觸發(fā)器的路徑也被阻斷。Q4 輸出的低電平起到使觸發(fā)器維持在1 狀態(tài)的作用和阻止觸發(fā)器置0 的作用。因此，該觸發(fā)器是在CLK 上升沿前接受輸入信號，上升沿時觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，上升沿后輸入即被封鎖,所以稱之為邊沿觸發(fā)器。從分析可以看出，邊沿D 觸發(fā)器抗干擾能力很強，只在CLK 上升沿觸發(fā)時，輸入信號才起作用，其他時間段，其輸出狀態(tài)不受輸入信號影響。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和工作波形如圖2[2]。

圖1：邊沿D 觸發(fā)器其內(nèi)部邏輯框圖和符號

3 接口電路設(shè)計原理

由于邊沿D 觸發(fā)器具有很強的抗干擾能力，而且電路工作可靠、速度快等優(yōu)點[3]，本電路采用74ALS74 型邊沿觸發(fā)器。接口電路原理圖如圖3所示。

電子手輪等部件輸出（NPN 型開集電極輸出）的A 相信號分別連接到U1A 與非門的輸入端和U4A D 觸發(fā)器的D 端，B 相信號連接到 U4A D 觸發(fā)器的CLK 端。A 相信號經(jīng)過U1A 與非門反相后送給三極管Q3 再次反相，然后驅(qū)動U2 光耦輸入端，其輸出端與PLC 的高速計數(shù)端X0 相連。A 相信號在經(jīng)過兩次反相后與X0信號相位相同。

當有正相正交脈沖輸出時，由于B 相信號與U4A CLK 相連，A 相脈沖超前B 相90°，B 相脈沖上升沿總是對應(yīng)A 相脈沖高電位，也就是U4A 的每個CLK 端脈沖上升沿觸發(fā)時，U4A D 觸發(fā)器的D端總是高電位，此時D 觸發(fā)器的Q 端就一直是高電平。

圖3：接口電路原理圖

圖4：接口電路時序圖

圖5：脈沖計數(shù)梯形圖

當有負相正交脈沖輸出時，B 相脈沖超前A 相90°，B 相脈沖上升沿總是對應(yīng)A 相脈沖低電位，也就是U4A 的每個CLK 端脈沖上升沿觸發(fā)時，U4A D 觸發(fā)器的D 端總是低電位，此時D 觸發(fā)器的Q 端就一直是低電平。

通過D 觸發(fā)器的Q 端電平的變化就能判斷出正交脈沖是正相還是反相。D 觸發(fā)器U4A 1Q 端信號經(jīng)過U1A 與非門反相后送給三極管Q4 再次反相，然后驅(qū)動U3 光耦輸入端，其輸出端與PLC的輸入端X1 相連。這樣就通過D 觸發(fā)器將正交脈沖信號轉(zhuǎn)換成脈沖和方向信號，便于PLC 處理。X1 是高電平（OFF）時，PLC 內(nèi)部計數(shù)器做增計數(shù)，電子手輪等在作正向工作，X1 是低電平（ON）時，PLC 內(nèi)部計數(shù)器做減計數(shù)，電子手輪等在作負向移動。在本電路中，D 觸發(fā)器的R、S 端都接到高電平。其接口電路時序見圖4。

電路中U1 與非門的作用主要是為了給脈沖整形并保證PLC 接收到的信號與電子手輪等輸出的正交信號相位一致。與非門的輸出電流太小，不宜直接驅(qū)動光耦的輸入端，所以采用三極管進行電流放大，然后驅(qū)動光耦。采用4N35 高速光耦的主作用為是為了提高抗干擾能力和進行電源電壓轉(zhuǎn)換，因為TTL 芯片的電源電壓只有5V，而一般PLC 輸入端電壓是24V。

4 應(yīng)用及注意事項

此接口電路已經(jīng)用于FX2N 為控制系統(tǒng)的曲軸磨床和修整器等設(shè)備與電子手輪、位置編碼器聯(lián)接，脈沖計數(shù)梯形圖如圖5。

X010 是開始計數(shù)命令，X1 OFF 時，M8235 不動作，C235 增計數(shù)（正相）；X1 ON 時，M8235 動作，C235 減計數(shù)（負相）。C235 的計數(shù)值就是當前位置。D100 可設(shè)定正、反向限位值。實際應(yīng)用中有兩點要注意：首先接口電路板與電子手輪等部件之間的距離要盡可能短，避免線長引入干擾。其次FX2N X0 單相脈沖計數(shù)頻率不能大于60KHz[4]，對于電子手輪這個頻率足夠。但對于編碼器或光柵尺來說，如果脈沖當量為1μm,,其移動速度不能大于60mm/s，不過對于要求不高的場合，這個速度能滿足要求。

5 結(jié)束語

本文介紹的正交脈沖接口電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實用性強，已在機械設(shè)備上穩(wěn)定可靠使用多年。它既可作為PLC 的接口電路也可用于單片機或其他控制器的接口電路。如果電子手輪或編碼器輸出是26LS31 芯片驅(qū)動的差分信號時，可在本電路的D 觸發(fā)器前端加1 個26LS32 芯片，將每相雙路輸出轉(zhuǎn)換成每相單路輸出，即能完成將差分正交脈沖信號轉(zhuǎn)換成脈沖和方向。