基于可编程控制器施密特触发器的设计与分析

徐良雄

（武汉交通职业学院机电工程系，湖北 武汉 430065）

1 引言

施密特触发器广泛用于波形的变换、脉冲波形的整形、脉冲的幅度鉴别以及脉冲波形的展宽，是电子仪器、通信专业中应用极为广泛的基本单元电路。

施密特触发器要求：

（1）电路有两个稳定状态。

（2）两个稳定状态的转换需要外加触发信号的作用，而且这两个稳定状态的维持也依赖于该外加触发信号的作用，触发方式是电平触发。

（3）施密特触发器具有回差特性，回差电压等于上限门坎电平减去下限门坎电平［1］。

本文利用FX2N－24MR可编程控制器方便完成这一功能。与普通施密特触发器相比，该设计有以下几个方面优势：

（1）构成简单，工作稳定可靠。改变程序和接线又可作其他用途。

（2）程序编写简单，易于理解和掌握。

（3）回差电压通过软件改变参数就可很方便地进行调节，具有非常高的抗干扰能力［2］。

2 设计

首先以一个具体工作任务为目标，看看整个施密特触发器的设计全过程。该具体工作任务可表述为当外部给出一个倒V字形模拟信号到施密特触发器时，要求在当该倒V字形模拟信号上升至一高电平UT＋＝5V时，施密特触发器电路的输出状态将从一个初稳态翻转到另一个稳态，当该倒V字形模拟信号变为下降时，该信号下降到另一低电平UT－＝2V时，施密特触发器电路的输出状态又从另一个稳态回复到最初的输出稳态［3］。

采用状态转移图SFC来实施这一工作任务。

2.1 施密特触发器输入输出波形

通过工作任务我们可以获得如下的一组波形。

（1）外部倒V字形模拟信号波形上限门坎电平 UT＋＝5V 和下限门坎电平 UT－＝2V。

（2）输出电平起始状态为高电平，当外部倒V字形模拟信号输入波形上升超过高电平UT＋＝5V时，施密特触发器输出电平从起始高电平翻转为低电平；当输入波形从上升变为下降并使电平低于低电平UT－＝2V时，施密特触发器输出电平从低电平回复到高电平。即波形如图1所示。

图1 施密特触发器输入输出波形

2.2 状态转移图SFC设计

图2 施密特触发器状态转移图SFC

采用状态转移图SFC设计时，起始状态元件选择S0，中间状态元件选择S20。施密特触发器输出端选择Y1，X0为启动按钮，X1为停止按钮。M0为编程方便使用的内部通用辅助继电器，外部输入的模拟信号波形采用F2－6A－E模数转换模块完成信号的采集。状态转移图SFC如图2所示。在状态转移图SFC中，当X0启动按钮合上，可编程控制器开始运转，M0通用辅助继电器得电，为信号采集做好了准备，输出端Y1输出高电平。FX2N－24MR将连接X40、Y30扩展口F2－6A－E单元输入第0号通道的输入模拟信号转化成16位二进制数（4位BCD码），并把它读入到基本单元的数据寄存器D300当中。当采集的模拟信号转换成的数字信号在D300中比5V大时，M10接通，Y1置0，输出低电平。当D300中的值比5V小或等于5V时，M10是断开的，Y1输出端保持高电平不变。M10接通期间，D301清零，为S20下一步信号的采集做好了准备，这与图1施密特触发器波形的起始上升阶段的状态一致。Y1输出低电平时，S20被激活，F2－6A－E输入模数转换模块继续采集信号，扩展口及通道号不变，但数据读入到基本单元的数据寄存器D301当中。当D301中的值比2V小时，M22接通，Y1置1，输出高电平。当D301中的值比2V大或等于2V时，M22是断开的，Y1输出端保持低电平不变。M22接通期间，D300清零，为S0下一步信号的采集做好准备。施密特触发器一个周期的信号采集和处理工作完成，等待着下一个周期的到来。X1点动按钮为随时结束工作任务所设置。

将状态转移图SFC变为可以实施的梯形图软件后，就可以将它写入到计算机里。由图2的状态转移图得到的梯形图软件如图3所示。

图3 施密特触发器梯形图

2.3 I／O 分配表

根据现场控制所需的输入信号和输出信号，分配可编程控制器的输入与输出点，如表1所示。

表1 可编程控制器施密特触发器输入输出端口分配表

2.4 可编程控制器施密特触发器实施的接线图

可编程控制器施密特触发器的实施最终要反映到FX2N－24MR型可编程序控制器的输入／输出接线上，图4为可编程控制器施密特触发器实施的接线图。SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，24V直流电源为可编程控制器外加的直流电源。［4］Y1所接的指示灯为实验调试使用，待实验调试成功以后可用负载将它替换掉。

图4 可编程控制器施密特触发器接线图

3 运行观察程序

根据所设计的可编程控制器施密特触发器梯形图，采用型号为FX2N－24MR的可编程控制器。把可编程控制器方式开关置于运行“SHOP”档，通过计算机及数据线把程序写入到可编程控制器中，再把可编程控制器方式开关置于运行“RUN”档，会看到当外部倒V字形模拟信号输入波形上升时，与Y1联接的指示灯亮，当输入波形上升超过高电平UT＋＝5V时，与Y1联接的指示灯立即熄灭；当输入波形从上升变为下降时，与Y1联接的指示灯仍然是熄灭的，当输入波形下降超过低电平UT－＝2V时，与Y1联接的指示灯重新被点亮。施密特触发器输出电平从低电平回复到高电平，完成了一个周期的工作。触发器等待着下一次工作任务的到来，外部信号再次通过F2－6A－E模块输入到FX2N－24MR的可编程控制器当中时，Y1联接的指示灯会再来一次循环［5］。按X1点动按钮可随时结束工作任务，取消可编程控制器施密特触发器工作任务的执行。从而使本设计达到了工作任务所设计的要求。实际运用时，将指示灯更换成负载就可以正常工作了，Y1输出端状态同时还控制着工作任务的实施，起着结束S0步同时激活S20步以及结束S20步同时激活S0步的作用。

4 结论

FX系列可编程控制器施密特触发器的设计在信号采集方面还可以采用FX－4AD、FX－2DA、FX－2AD－PT、FX－8AV、FX－1GM 等多种功能模块，因而信号采集方法多样，选择性较强。用可编程控制器构成的施密特触发器，上限门坎电平和下限门坎电平可以在软件里面随意调节，可使回差电压增加得很大，这是一般施密特触发器所不能做到的。当需要上限门坎电平很高，具有强烈的抗干扰性能时，只需改变图2和图3软件中的K5参数，让K5参数改成需要的参数就行了，参数中前面保留K，K后面的数字由自己填写，最大值小于24V都可以满足要求。当希望下限门坎电平很低时，也是只需改变图2和图3软件中的K2参数，让K2参数改成需要的参数，也是参数中前面保留K，K后面的数字由自己填写，最小值大于0V就行。因而回差电压△UT＝ UT＋－UT－可以达到 23V 之多。修改好上限门坎电平K5参数和下限门坎电平K2参数后再按前面所叙述的方法将程序写入到可编程控制器当中运行，所要求的施密特触发器回差电压△UT＝ UT＋ － UT－就可以实现了［6］。

可编程控制器构成的施密特触发器由于可编程控制器的工作稳定可靠性，使得它能够在复杂恶劣的环境条件下正常工作，令人十分放心。当需要可编程控制器有更加重要的工作任务去完成时，又可以很方便地用改变程序和接线的方法去完成赋予它的新任务，待需要它继续完成前述的工作任务时又可以通过改变程序和接线的方法再次复原回来，因此工作十分方便。

可编程控制器构成的施密特触发器的程序编写也很简单，易于理解和掌握，本文尝试了用状态转移图SFC和功能指令中的比较指令这一特殊方法来实施了这一工作任务。通过以上的设计及其分析，已经清楚地看到使用可编程控制器构成的施密特触发器具有结构简单、编程方便、易于理解和掌握、工作稳定可靠的特点。同时它还具有上限门坎电平高、下限门坎电平低，回差电压大，并且可以在软件里面随意调节，改变程序的参数就能实现的优势。应用前景及其可观并具有可操作性。

［1］郑慰萱.数字电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［2］王也仿.可编程控制器应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］康裕荣.论施密特触发器［J］.赣南师范学院学报，2007，（3）：65－67.

［4］汪学典.关于施密特触发器的教学方法研究［J］.高师理科学刊，2008，（1）：97－100.

［5］顾振远.CMOS施密特触发器的工作原理及应用（上）［J］.电子报，2011，（3）：1－3.

［6］冯 勇.一种新型CMOS施密特触发器［J］.计算机测量与控制，2008，16.