基于可編程控制器施密特觸發器的設計與分析

徐良雄

（武漢交通職業學院機電工程系，湖北 武漢 430065）

1 引言

施密特觸發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、通信專業中應用極為廣泛的基本單元電路。

施密特觸發器要求：

（1）電路有兩個穩定狀態。

（2）兩個穩定狀態的轉換需要外加觸發信號的作用，而且這兩個穩定狀態的維持也依賴于該外加觸發信號的作用，觸發方式是電平觸發。

（3）施密特觸發器具有回差特性，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。與普通施密特觸發器相比，該設計有以下幾個方面優勢：

（1）構成簡單，工作穩定可靠。改變程序和接線又可作其他用途。

（2）程序編寫簡單，易于理解和掌握。

（3）回差電壓通過軟件改變參數就可很方便地進行調節，具有非常高的抗干擾能力［2］。

2 設計

首先以一個具體工作任務為目標，看看整個施密特觸發器的設計全過程。該具體工作任務可表述為當外部給出一個倒V字形模擬信號到施密特觸發器時，要求在當該倒V字形模擬信號上升至一高電平UT＋＝5V時，施密特觸發器電路的輸出狀態將從一個初穩態翻轉到另一個穩態，當該倒V字形模擬信號變為下降時，該信號下降到另一低電平UT－＝2V時，施密特觸發器電路的輸出狀態又從另一個穩態回復到最初的輸出穩態［3］。

采用狀態轉移圖SFC來實施這一工作任務。

2.1 施密特觸發器輸入輸出波形

通過工作任務我們可以獲得如下的一組波形。

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

（2）輸出電平起始狀態為高電平，當外部倒V字形模擬信號輸入波形上升超過高電平UT＋＝5V時，施密特觸發器輸出電平從起始高電平翻轉為低電平；當輸入波形從上升變為下降并使電平低于低電平UT－＝2V時，施密特觸發器輸出電平從低電平回復到高電平。即波形如圖1所示。

圖1 施密特觸發器輸入輸出波形

2.2 狀態轉移圖SFC設計

圖2 施密特觸發器狀態轉移圖SFC

采用狀態轉移圖SFC設計時，起始狀態元件選擇S0，中間狀態元件選擇S20。施密特觸發器輸出端選擇Y1，X0為啟動按鈕，X1為停止按鈕。M0為編程方便使用的內部通用輔助繼電器，外部輸入的模擬信號波形采用F2－6A－E模數轉換模塊完成信號的采集。狀態轉移圖SFC如圖2所示。在狀態轉移圖SFC中，當X0啟動按鈕合上，可編程控制器開始運轉，M0通用輔助繼電器得電，為信號采集做好了準備，輸出端Y1輸出高電平。FX2N－24MR將連接X40、Y30擴展口F2－6A－E單元輸入第0號通道的輸入模擬信號轉化成16位二進制數（4位BCD碼），并把它讀入到基本單元的數據寄存器D300當中。當采集的模擬信號轉換成的數字信號在D300中比5V大時，M10接通，Y1置0，輸出低電平。當D300中的值比5V小或等于5V時，M10是斷開的，Y1輸出端保持高電平不變。M10接通期間，D301清零，為S20下一步信號的采集做好了準備，這與圖1施密特觸發器波形的起始上升階段的狀態一致。Y1輸出低電平時，S20被激活，F2－6A－E輸入模數轉換模塊繼續采集信號，擴展口及通道號不變，但數據讀入到基本單元的數據寄存器D301當中。當D301中的值比2V小時，M22接通，Y1置1，輸出高電平。當D301中的值比2V大或等于2V時，M22是斷開的，Y1輸出端保持低電平不變。M22接通期間，D300清零，為S0下一步信號的采集做好準備。施密特觸發器一個周期的信號采集和處理工作完成，等待著下一個周期的到來。X1點動按鈕為隨時結束工作任務所設置。

將狀態轉移圖SFC變為可以實施的梯形圖軟件后，就可以將它寫入到計算機里。由圖2的狀態轉移圖得到的梯形圖軟件如圖3所示。

圖3 施密特觸發器梯形圖

2.3 I／O 分配表

根據現場控制所需的輸入信號和輸出信號，分配可編程控制器的輸入與輸出點，如表1所示。

表1 可編程控制器施密特觸發器輸入輸出端口分配表

2.4 可編程控制器施密特觸發器實施的接線圖

可編程控制器施密特觸發器的實施最終要反映到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器實施的接線圖。SB1為啟動按鈕，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所接的指示燈為實驗調試使用，待實驗調試成功以后可用負載將它替換掉。

圖4 可編程控制器施密特觸發器接線圖

3 運行觀察程序

根據所設計的可編程控制器施密特觸發器梯形圖，采用型號為FX2N－24MR的可編程控制器。把可編程控制器方式開關置于運行“SHOP”檔，通過計算機及數據線把程序寫入到可編程控制器中，再把可編程控制器方式開關置于運行“RUN”檔，會看到當外部倒V字形模擬信號輸入波形上升時，與Y1聯接的指示燈亮，當輸入波形上升超過高電平UT＋＝5V時，與Y1聯接的指示燈立即熄滅；當輸入波形從上升變為下降時，與Y1聯接的指示燈仍然是熄滅的，當輸入波形下降超過低電平UT－＝2V時，與Y1聯接的指示燈重新被點亮。施密特觸發器輸出電平從低電平回復到高電平，完成了一個周期的工作。觸發器等待著下一次工作任務的到來，外部信號再次通過F2－6A－E模塊輸入到FX2N－24MR的可編程控制器當中時，Y1聯接的指示燈會再來一次循環［5］。按X1點動按鈕可隨時結束工作任務，取消可編程控制器施密特觸發器工作任務的執行。從而使本設計達到了工作任務所設計的要求。實際運用時，將指示燈更換成負載就可以正常工作了，Y1輸出端狀態同時還控制著工作任務的實施，起著結束S0步同時激活S20步以及結束S20步同時激活S0步的作用。

4 結論

FX系列可編程控制器施密特觸發器的設計在信號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，因而信號采集方法多樣，選擇性較強。用可編程控制器構成的施密特觸發器，上限門坎電平和下限門坎電平可以在軟件里面隨意調節，可使回差電壓增加得很大，這是一般施密特觸發器所不能做到的。當需要上限門坎電平很高，具有強烈的抗干擾性能時，只需改變圖2和圖3軟件中的K5參數，讓K5參數改成需要的參數就行了，參數中前面保留K，K后面的數字由自己填寫，最大值小于24V都可以滿足要求。當希望下限門坎電平很低時，也是只需改變圖2和圖3軟件中的K2參數，讓K2參數改成需要的參數，也是參數中前面保留K，K后面的數字由自己填寫，最小值大于0V就行。因而回差電壓△UT＝ UT＋－UT－可以達到 23V 之多。修改好上限門坎電平K5參數和下限門坎電平K2參數后再按前面所敘述的方法將程序寫入到可編程控制器當中運行，所要求的施密特觸發器回差電壓△UT＝ UT＋ － UT－就可以實現了［6］。

可編程控制器構成的施密特觸發器由于可編程控制器的工作穩定可靠性，使得它能夠在復雜惡劣的環境條件下正常工作，令人十分放心。當需要可編程控制器有更加重要的工作任務去完成時，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，待需要它繼續完成前述的工作任務時又可以通過改變程序和接線的方法再次復原回來，因此工作十分方便。

可編程控制器構成的施密特觸發器的程序編寫也很簡單，易于理解和掌握，本文嘗試了用狀態轉移圖SFC和功能指令中的比較指令這一特殊方法來實施了這一工作任務。通過以上的設計及其分析，已經清楚地看到使用可編程控制器構成的施密特觸發器具有結構簡單、編程方便、易于理解和掌握、工作穩定可靠的特點。同時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節，改變程序的參數就能實現的優勢。應用前景及其可觀并具有可操作性。

［1］鄭慰萱.數字電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［2］王也仿.可編程控制器應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］康裕榮.論施密特觸發器［J］.贛南師范學院學報，2007，（3）：65－67.

［4］汪學典.關于施密特觸發器的教學方法研究［J］.高師理科學刊，2008，（1）：97－100.

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

［6］馮 勇.一種新型CMOS施密特觸發器［J］.計算機測量與控制，2008，16.