模拟开关技术（通用7篇）
模拟开关技术 篇1
模拟开关拉闸操作是电气值班的一项日常工作, 电气值班人员必须按照电力调度的指令或根据用户的用电需求进行操作, 其操作的准确性和规范性决定了电力系统的安全稳定, 如何规范拉闸开关, 决定着工作人员生命安全。在实际生产中为确保拉闸操作的安全正确性, 要求强行带上安全手套。
随着现在网络的发展, Flash动画技术也在飞速发展。Flash动画的动画控制技术一直是Flash动画的一个非常重要的方向。虚拟仿真, 不仅能够生动形象的模仿实验实训过程, 完全调动学生的主动性, 更重要的是可以在学校在实验室硬件条件不足下解决问题, 同时也可以大量减少教学的硬件投资。它不仅广泛的应用于中学课件制作中, 更广泛应用到水电站虚拟安全仿真的研究中, 下面讲述的就是通过Flash代码控制实现模拟开关安全
1 预期效果与功能显示
如图1、图2所示。
功能:正确操作:带上安全手套, 使用鼠标点击右边图形的安全手套, 当松开鼠标的时候, 进入如图2所示, 将手柄打下, 点击下一步进入后面操作。错误操作:不用安全手套拉下手柄, 点击下一步弹出如图3所示的错误操作提示。
2 制作步骤
2.1 绘制实验矢量图形
1) 安全手套的绘制
如图4、图5。
步骤:
第一步:先将原图导入到舞台, 放到底层锁住, 再新建一个图层, 用来画矢量图。
第二步:新建一个层, 使用[钢笔工具], 照着底图将基本形状勾勒出来, 并用[选择工具]调整形状, 再填充相应的颜色。
第三步:按照2) 中相同的方法, 绘制手套的高光部分使其更立体。选择[椭圆工具]画手套口部分, 调整位置。
2) 拉闸开关图形的绘制
第一步:通过矩形工具以及圆形工具将拉闸开关的基本雏形绘制出来;
第二步:填充颜色, 把手是黑灰色, 底板为灰色的过渡色;
第三步:制作高光部分, 高光部分的颜色调节如图7所示;
3) 下一步动态按钮制作
按钮是控制动画的关键, 它的绘制相对的重要。一个完整的按钮对其不同时期的作用, 在绘制过程中有一个变化的过程。如图8所示;
按钮的变化过程分为四个阶段, “弹起”、“指针经过”、“按下”、“点击”,
每个阶段都可以相应的做一些变化。按钮又由两部分组成, 底部的矢量图形与文字, 它们可以做一些大小、颜色与形状方面的变化。
绘制按钮一般使用到的工具是[矩形工具]、[椭圆工具]、[填充变形工具]以及[文字工具]。矢量图形, 只要熟练掌握基本的工具及效果的表现, 大体都能将原图转化成矢量图。
2.2 元件动画以及场景的设置的制作
1) 错误提示框元件的制作
错误提示框要求是一闪一闪的红色提示框, 制作在第二关键帧变红的逐帧动画。具体关键帧布置如图9所示。
2) 手柄影片剪辑的制作
新建影片剪辑取名手柄, 在手柄元件中建立两个关键帧, 一个放置手柄在上面, 一个放置手柄往下的关键帧, 第一个关键帧设置停止;
将手柄元件拖入底板上面, 如图10所示。
3) 安全手套按钮的绘制
新建按钮元件, 将制作好不同动作的手套矢量图放到按钮的弹起、经过和按下状态;如图11所示;
4) 将各个元件拖入场景的关键帧中, 手柄元件取名为bing, 对错元件取名为tishi;
2.3 编写程序
在下一步按钮上加入如下代码:
解释:当点击手套按钮时触发手柄下打, 这时点击下一步操作正确跳动到下一帧, 否则引发提示框的错误元件动画。
3 总结
Flash控制动画在虚拟仿真中的应用很广, 虚拟仿真在虚拟仿真中应用尤为广泛, 该文主要通过Flash的控制技术在水电站拉闸安全操作仿真中的应用, 重点讲述了如何通过代码编辑技术来实现仿真动画操作的技术, 这里我们主要是通过手套按钮的触发来让手柄动画跳动到下一帧的变化来实现, 关键技术是必须点击手套才能让手柄下打, 通过_currentframe语句来实现当手柄下打时跳转下一步即可, 通过_currentframe语句来实现, 这种技术广泛应用于很多虚拟仿真的实验中。
参考文献
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模拟开关技术 篇2
按图1所示电路制作模拟操作板, 所需材料如下:熔断器 (FU) 选1 A的速熔熔断器;开关 (S1, S2, S3) 选额定电流10 A的1P空气断路器;继电器 (K1, K2, K3) 选额定电流10 A或20 A, 额定电压220 V的中间继电器;指示灯选额定电压220 V的灯泡;双投开关 (S4) 一个;模拟盘一面。
2 工作原理
将双投开关拨至高压侧就可以进行高压跌落式熔断器的模拟操作, 拨至低压侧就可以进行低压总开关和分路开关的模拟操作。
模拟高压侧跌落式熔断器操作时, 先合上两边相, 再合上中间相, 正确指示灯亮, 错误灯不亮。如果操作错误, 例如:先合上中相 (S2, 即L2相) , K1和K3的动断触点在闭合状态, K2线圈励磁, K2的动合触点闭合, 电路导通错误灯亮起;停电时, 如果先拉开两边相中的任意一相, 错误灯亮起。
模拟开关技术 篇3
关键词：可编程逻辑控制器,开关量输出,模拟量输出,PWM脉宽调制,占空比,RC时间常数
0 引 言
PLC已被广泛应用于工业生产,而模拟量控制也已不可或缺,如今主流的PLC均具备模拟量输出模块选件,但一个模块至少需要千元左右,对于只需少量模拟量输出点且转换精度要求不高的系统,如冷却系统风机变频调速系统、供水系统压力控制系统、输送机械变频调速系统等,则显得成本较高。如果采用脉宽调制(PWM)技术,基于现有的PLC晶体管开关量实现模拟量输出,在满足控制要求的同时,可大大降低控制系统成本。
本研究以西门子S7-300、S7-200及三菱FX系列PLC为例,介绍采用PWM技术实现利用PLC晶体管开关量输出模拟量的方法。
1 PWM脉宽调制技术介绍
PWM技术被广泛应用于从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[1]。在本研究中,希望通过采用脉冲周期固定、调整脉冲宽度大小的方法,实现一个与脉冲宽度成线性关系的模拟量输出。开关量输出与模拟量输出的波形图如图1所示。图1(a)中,T0为脉冲周期宽度,是一个固定值,T1为开关量输出脉冲宽度,是一个可控的变化值,Δt=T1/T0为脉冲占空比,即输出导通时间占脉冲周期时间的比例[2],输出关断时,占空比为0%,输出始终导通时占空比为100%;图1(b)中,模拟量输出的大小是随着开关量输出占空比大小的变化而变化的,理想的模拟量输出Uout=Umax×Δt,即输出与占空比成线性关系。
2 输出平滑电路
开关量输出必须配合使用平滑电路,才能实现与占空比成线性关系的模拟量输出。同时,由于受频率特性限制,PLC开关量输出必须是晶体管输出类型。一典型的平滑电路如图2所示[3]。图中,当由共发射极输入端输入时,适用于三菱FX系列等共发射极输出的PLC使用,而增加虚线框内的元件后,由共集电极输入端输入,则适用于共集电极输出的西门子等PLC。
2.1 工作原理
以共发射极输入为例,电源经稳压管稳压后保持在10 V,当输入端IN为低电平时,T1导通,T2关断,电源经T1和电阻R对电容C充电,电容C两端电压慢慢上升,直至上升到电源电压;当输入端IN为高电平时,T1关断,T2导通,这时电容C通过电阻R和T2放电,电容C两端电压慢慢下降,直到为零。由输入端IN的高、低电平控制T1和T2的交替导通和断开,输出端电容C不断地经电阻R进行充、放电,使其两端的直流电压保持在一个相对平衡的值。当T1导通时间加长而T2导通时间缩短时,电容C的充电时间加长,放电时间缩短,电容C两端电压较高;反之,当T1导通时间缩短而T2导通时间加长时,电容C的充电时间缩短,放电时间加长,电容C两端电压较低;当IN始终保持在高电平时,即占空比为0%,T1保持关断,T2保持导通,电容C始终处于放电状态,直至电压为零,而IN始终保持在低电平时,即占空比为100%,T1保持导通,T2保持关断,电容C始终处于充电状态,直至电压为电源电压。电容C两端的电压与充、放电时间的比值基本成线性关系,因此,控制T1、T2的导通和关断时间比例,即输入脉冲信号的占空比,可控制电容C两端电压的大小,即:
Uc=Umax×Δt=10 V×Δt (1)
2.2 主要参数选择
电路能否正常工作,关键取决于以下两个因素:
(1) 充放电电阻R和电容C的值。时间常数t=R×C必须远大于脉冲信号脉冲周期T0,一般取10倍以上。时间常数太小时,电容C两端电压不稳,有明显的脉动,但也不能太大,过大会造成线路响应时间太长。
(2) 脉冲信号频率不能太低。频率降低,T0增大,势必要求增大RC时间常数,电容C容量加大,体积会变得很大,同时造成电容C两端电压脉动明显。由于受限于PLC的性能,脉冲信号的频率不可能很高,根据实际经验,一般以不低于8 Hz为宜,上限则取决于PLC的性能。
3 PLC设置及控制程序
3.1 有专用脉宽调制指令的PLC
西门子S7-200系列PLC有两个PTO/PWM发生器,能建立高速脉冲输出串(PTO输出,脉冲周期可以改变,占空比为50%)或高速脉冲宽度可调节的波形(PWM输出,输出脉冲周期和占空比可以改变)[4,5,6],三菱FX系列PLC也具有专用的脉宽调制指令,实现比较简单。
以三菱FX系列PLC为例,其脉宽调制指令为FNC58(PWM),用于Y000和Y001输出控制(即最多可控制2个点),由于三菱FX系列PLC为共发射极输出,平滑线路PWM脉冲信号须从共发射极输入端输入。指令应用如图3所示。
S1—脉宽T1设定值,0～32 767 ms;S2—脉冲周期T0设定值,0～32 767 ms(图中为50 ms);D—输出端,Y000或Y001.
例:在输出端Y000输出一个20 Hz,占空比为20%的脉冲信号。应设定为:
S2=50 ms,即频率f=1 000 ms/50 ms=20 Hz;S1=10 ms,占空比Δt=S1/S2=20%;分辨率为1/50。当用此设置控制某一最高运行频率为50 Hz的变频器时,理想的频率控制最小单位为1 Hz。
3.2 无专用脉宽调制指令的PLC
西门子S7-300、S7-400等PLC并无专用的脉宽调制指令,但通过循环中断程序(定时中断)也能实现PWM输出。S7-300 PLC的实现方法如下:
(1) 硬件设置。修改CPU设置cyclic interrupts中OB35的循环中断时间[7],这个时间需根据PWM脉冲频率及模拟量输出的分辨率而定,循环中断时间太长,则造成频率太低或分辨率太低,而循环中断时间太短,会使CPU负担太重。以4 ms为例,每1 s内CPU调用OB35的次数为1000 ms÷4 ms=250次,若分辨率要求为1/25,则频率为250÷25=10 Hz。
(2) 控制程序。基于S7-300/400 PLC实现的PWM控制程序如图5所示。
①插入OB35程序块,并在该程序块中加入CALL FC1指令(FC1功能块用作PWM控制程序)。
②以循环中断时间为4 ms,分辨率为1/25为例,其中中间继电器M100.0启动PWM输出,Q4.0作脉冲输出点,DB1.DBW0为脉冲周期计数器,DB1.DBW2为占空比设置值,在FC1中输入如图5所示程序。若在DB1.DBW2中设置为20,程序运行后,置位M100.0,则在Q4.0上输出频率为10 Hz、占空比Δt=20÷25=80%的脉冲信号,经平滑电路处理后,在电容器C上得到理想的模拟信号大小为:
Uc=Umax×Δt=10 V×80%=8 V。
4 应用实例
以杭州发动机有限公司从美国应达公司进口的12.5T保温电炉为例,其逆变电源冷却水要求额定温度为33 ℃,最低不得低于25 ℃,最高不高于69 ℃,冷却水系统由杭州发动机有限公司自行设计配套。为了满足冷却水温度要求,其冷却塔风机采用变频控制,根据水温调节冷却塔风机转速。具体配置如下:
(1) 硬件配置。PLC采用三菱FX1N-40MT-001;温度检测为电炉配套的5个冷却水温度检测开关,接入PLC输入点,分别设置为25 ℃、31.5 ℃、33 ℃、34.5 ℃、40 ℃,其中25 ℃为低温报警点,40 ℃为高温报警点;变频器选用三菱FR-A140E-7.5风机专用变频器。
(2) 参数设置。运行频率控制设置为模拟量0～10 V,最高运行频率52 Hz,模拟量信号由PLC的Y0采用PWM脉宽调制输出后经平滑电路提供,脉冲周期设置为100 ms(S2为100,即脉冲频率10 Hz),占空比设置值则根据冷却水温度自动调整,分辨率为1/25(即S1的最小单位为4 ms),Y2用作变频器运行控制信号。
(3) 工作数据。实际测试的运行数据如图6所示。由图中可以看出实际模拟量输出信号线性较好。由于晶体管饱和压降的缘故,当占空比为0%时,实际输出并非为零,而是0.359 V,在变频控制使用中,太低的频率段并无实用价值,因此,该缺陷对实际应用没有影响;当占空比为100%时,实际输出为9.7 V,由于变频器最高频率设置为52 Hz,变频器实际运行的最高频率为:
Fmax=Uc×52÷10=9.7×52÷10=50.4 Hz,基本接近电动机额定运行频率。
5 结束语
与模拟量输出模块相比,采用PWM控制方法输出的模拟量在实际应用中有一定的局限性,如分辨率低,线性度较差,但仍不失为一种实现模拟量输出的方法,特别是在一些项目总价较低的场合,更具有其应用价值。随着电子技术的发展,PLC运行速度日益提高,采用PMW技术实现模拟量输出,其分辨率及线性度水平将得到很大突破。
参考文献
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模拟开关技术 篇4
(一)开关量定义
开关量是指非连续性信号的采集和输出,包括遥信采集和遥控输出。它有1和0两种状态,这是数字电路中的开关性质,而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开。
(二)模拟量定义
模拟量是指连续的电压,电流等信号量,模拟信号是幅度随时间连续变化的信号。其经过抽样和量化后就是数字量。
二、开关量与模拟量在锅炉主保护中的应用举例
开关量测点炉膛压力低低三取二输出为数字量,通过输出值0或1判断其是否满足动作条件;模拟量测点锅炉给水流量低值判断,是将补偿计算值与定值比较判断后输出0或1,再通过三取二模块逻辑判断输出,具体实现如下说明:
1)炉膛压力低低保护:取就地三个压力开关常闭节点,通过硬线将开关量信号送入FSSS控制站的不同DI卡件,然后通过三取二逻辑判断输出。
2)给水流量低低:就地三个差压变送器通过硬线,将模拟量信号送入相应控制站的不同AI卡件,通过逻辑组态计算出流量,经过比较模块作出判断,输出数字量;再经过相应控制站不同DO卡件输出,通过硬线送到FSSS控制站的不同DI卡件,最后通过三取二逻辑判断输出。
通过上述主保护开关量与模拟量逻辑判断比较,可以看出各有利弊。如炉膛压力低低保护,直接通过就地送入FSSS控制站,响应速度相对模拟量比较稍快,并且可避免中间DO卡件故障导致信号不来的可能性。但是开关量不能实时监视炉膛压力,而且开关本身故障时无法判别,只能在校验时发现其值是否偏离,切换差是否符合要求。相反,给水流量低低就不存在这种情况,通过模拟量测量不仅可以实时显示给水情况,并且故障时可以通过测量参数立刻反应,这样儿就能及时处理;但其存在中间环节可能导致信号检测不到的弊端;由于存在中间环节及多一次的逻辑组态致使模拟量保护信号相对于开关量稍慢,但是这个时间差的影响微乎其微。
三、模拟量优于开关量
随着仪表技术和DCS技术的飞速发展,仪表、DCS系统及系统相应卡件的可靠性越来越高,所以上述模拟量存在的问题都可以解决。但是开关量依然不可避免的存在局限性,所以本人认为现场采用模拟量要远远优于开关量,下面就个人经历及查阅的资料进行说明。
国华呼伦贝尔电厂:C真空泵补水电磁阀自动开条件改造前只通过开关量进行控制,由于就地开关量信号无法监视真空泵汽水分离器实时液位,所以信号来时不能确定其是否准确,或者直接无信号,这就导致液位低电磁阀不动作;改造后采用真空泵汽水分离器液位低(开关量)或真空泵汽水分离器液位低(<70mm),这样既达到了联锁作用又达到了监视作用,改造截止目前应用效果很好。
国华呼伦贝尔电厂高低加控制逻辑中也均采用模拟量判断来实现,开关量取消,实际效果显著;另外磨煤机保护条件中密封风与一次风差压大就地也是采用差压变送器进行测量,逻辑组态中将实时测量差压模拟量通过逻辑判断输出开关量,再逻辑3取2输出作为磨煤机跳闸条件。
通过咨询大唐乌纱山电厂、国华锦界、华润徐州电厂等,采用模拟量逻辑判断输出作为联锁、保护条件的控制系统,效果稳定可靠。尤其是大唐乌纱山电厂除了主保护采用开关量,其他联锁、保护条件均采用模拟量逻辑判断输出数字量来实现,效果很好。另外大唐乌纱山磨组密封风与一次风差压也是采用差压变送器测量,磨组运行期间通过实测参数趋势多次提前发现测点取样管路堵塞现象,采取紧急措施进行吹扫,避免磨组跳闸。
通过现场维护经验和上述案例来看模拟量可以实时监测测量数据,通过数据可以提前判断测点取样是否有堵塞现象或仪表是否有故障,采取紧急措施提前处理,防止设备误动或拒动。而开关量测量只有实测值达到仪表设定值才会触发其动作报警,不能提前防范而使保护动作。从现场实践情况来看采用模拟量测量可靠性明显高于开关量,由于模拟量测量可以提前发现设备是否故障,测量参数是否异常可以有效防止设备误动或拒动。
四、模拟量取代开关量做保护逻辑设想
就鸿电二期现场而言,可将现有的逻辑:如炉膛压力低、磨煤机密封风与一次风差低、火检冷却风与炉膛差压低等均为开关量的保护或联锁条件进行改进。
由于上述均是3取2判断,本人认为可以采用两个开关量与一个模拟量组合、两个模拟量与一个开关量组合或者均为模拟量,这样不仅可以实时监视相关参数,而且通过模拟量可以做出报警、联锁、跳闸条件所需要的信号,就可以直接减少仪表的安装数量,这是开关量仪表无法达到的。
通过咨询一些电厂,就磨煤机密封风与一次风差压保护条件来讲,大多数电厂都是采用模拟量判断,现在模拟量仪表、DCS的可靠性完全可以满足辅机保护,那么就可以满足主保护,因此本人认为主保护条件为开关量的也可以改成模拟量,也确信模拟量取代开关量会是一种趋势。
五、结论
模拟开关技术 篇5
1 传统模拟开关原理及栅增压原理
在MOS技术中,传统的开关实现就是一个PMOS管和一个NMOS管并联,如图1所示,A和B两端分别为传送信号的输入、输出端,两个管子的栅极分别由极性相反的信号来控制。由于MOS管的源极和漏极可以互换,因此这个电路的输入、输出端也可以互换,它可以控制信息双向流通,就像一个双向开关。工作过程:当控制信号S=1时,PMOS管和NMOS管均导通,传输门接通,信号畅行无阻;当控制信号S=0时,PMOS管和NMOS管均截止,传输门关闭,开关断开。当一管的导通电阻减小,则另一管的导通电阻就增加。由于两管是并联运行,可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS传输门的优点。
1.1 模拟开关分析
CMOS开关的导通电阻为:(1)
展开为:(2)
其中un和up表示NMOS管和PMOS管迁移率;Cox表示器件的栅氧化层电容;Vg表示NMOS管栅电压,Vthn|Vthp|分别表示NMOS管和PMOS管的阈值电压,如果设计时取时,式(2)可化简为:
导通电阻将不随输入信号改变而改变,可等效为一个恒定阻值的电阻,如式(3),不会引起模拟信号的失真,由于导通电阻是由两个电阻并联,所以阻值较单管开关小得多,使得开关速率又得到提高。从式(3)中可以知道MOS开关为了能提高速度和精度,需要抬高NMOS管的栅电压。增加栅电压最直接的办法就是提高电路的电源低压,但是从低电压系统角度来说这增加了成本,因此需要加一个电源电路,最好的办法是芯片内部产生一个电压来增加栅电压。
1.2 栅增压原理
栅增压原理是依靠电荷泵的工作原理:先贮存能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。本文中所用的电容式电荷泵采用电容器来贮存能量,通过电容对电荷的积累,电容A端接时钟信号Clk,当A点电位为0时,B点电位为Vdd;当A点电位为Vdd时,由于电容两端的电压不会突变,理想情况下,此时B点电位被抬升为2Vdd,因为电荷泵的有效开环输出电阻存在,使得实际情况B点电位低于2Vdd。
2 改进型模拟开关电路设计
2.1 电路描述和分析
图4为本文设计的栅增压电路,M3和M4组成了一对传输门,可以保证输入信号在高低电压无损失地传输到传输门的另一端。M1的栅极接反相器的输出端,漏源两端分别接电容正极板和电源电压,M1的作用是当开关连通且时钟信号为高电平时,保证电容电压抬升后不会迅速放电使电容正极板电位为0。M2的栅极接时钟信号CLK,漏源两端分别接电容正极板和电源电压,它的作用是当开关关闭时,M2导通时使电容正极板电位保持在电源电压。下面分析该电路的工作情况:
当开关关闭时,S为低电平,M1导通,保证电容正极板上的电压最低为VDD,此时M3和M4都不导通,信号不能达到输出端。当开关导通时,S为高电平,M1截止,时钟为低电平时,M2和M5导通,M1和M6关闭,电容充电至P-Vds;CLK为高时,由于电容两边电压不会突变,电容正极板上的电压会被抬升至原来的两倍。
从上面分析可知,所有跟开关栅端电压连通的电压都是和输入信号无关的,因此开关导通电阻与输入信号无关,可以大大抑制信号有关的电压损失,保证了信号的线性度和器件的可靠性。
2.2 性能仿真及结果分析
基于NEC0.35um CMOS工艺的模型参数,采用Spectre模拟软件,对图3进行模拟仿真。电源电压为5V,输入信号singlin为500KHZ,信号幅度5V,电荷泵时钟为100MHZ,电容为1.8pf,仿真得到了开关导通电阻随Vg电压的变化(图5)、电荷泵抬升后的电压(图6)和输出信号结果(图7),可见,导通电阻在大于电源电压时急剧降低,电容正极板上的电压可以抬升至9V,输出电压波形比较理图想,损耗很小,几乎没有。
3 结语
本文分析了CMOS模拟开关对传输信号的影响。利用电荷泵技术,设计了一种5V电源电压下的模拟开关,该器件适用于0～5V的输入信号,并能将0～5V的时钟信号抬升到0～10V,从而具有更好的线性特性和更小的导通电阻,大大降低信号的失真。对开关电路进行了分析,采用Spectre软件,基于NEC0.35um CMOS工艺条件进行仿真,验证了该结构的线性度和可靠性。
摘要：提出了一种基于电荷泵的模拟开关结构。该结构使用电荷泵抬升MOS管的栅电压,从而大大改善开关的导通能力、线性度和动态传输范围。通过仿真验证了开关电路性能,结果表明设计的开关电路在电压0-5V范围内,导通电阻很小且信号损耗很小无失真。因而特别适用于低压系统。
关键词：电荷泵,电平抬升,模拟开关
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模拟开关技术 篇6
在数字化测量技术和微型计算机或带微处理器的测控系统中,常需要有多路参数的数据采集、巡回检测和控制。这类系统或装置可对几十点甚至上千点的参数进行自动的、按顺序的测量、显示或控制。若每一路都采用各自的放大器、采样/保持、A/D转换等环节,不仅会使系统的成本增加,而且由于各组件特性的分散性给校准带来极大的困难,甚至使校准成为不可能。因此,通常采用公共的采样/保持、A/D转换(有时也可将某些放大器共用)。为实现这种设计,通常需要采用集成模拟多路开关来实现。由于模拟开关采用了MOS管的开断性能,模拟开关回路可以实现较高的关断阻抗,一般是兆欧姆以上的关断阻抗和很低的导通阻抗,一般为几个欧姆级别,可以很好的实现信号链路切换和断开隔离的功能。而模拟开关CD4053在单片机中的应用就很普遍。
1 模拟开关CD4053的简介
开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器,当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时,继电器就吸合或释放,其触点接通或断开电路。CMOS模拟开关是一种可控开关,它不像继电器那样可以用在大电流、高电压场合,而只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。
CD4053是三通道数字控制模拟开关,有三个独立的数字控制输入端A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和低截止漏电流。幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。例如若VDD==5,VSS=0,VEE=-13.5V,则0~5V的数字信号可控制-13.5~4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=“1”时,所有通道截止。控制输入端为高电平时,“0”通道被选,反之,“1”通道被选。如表一所示。
2 模拟开关CD4053实现的防抖动电路
当机械开关工作时,其开关触点的闭合和张开,都会产生随机性的机械抖动,给电路产生不希望的振荡脉冲和干扰,因此防抖动电路得到普遍应用。
如图一所示,防抖动电路由1只CD4053、3只电阻器(R1~R3)和1只电容器C等构成。CD4053中的3个模拟开关(G1~G3)都是双向单刀双掷模拟开关,用单电源电压VDD供电。模拟开关G3的1端作为输入端接地,0端也作为输入端接电源VDD,输出端Q相对于其控制端Q呈倒相门工作状态。同样模拟开关G2的1端作为输入端经电阻器R2接地,0端也作为输入端经电阻器R3接电源VDD,输出端Q相对于其控制端Q也呈倒相门工作状态。模拟开关G2、G3的输出端和控制端相互交连,构成了一个S---R双稳触发器,触发信号S和R分别设在模拟开关G2的1输入端和0输入端。模拟开关G1的公用端作为输入信号VI的输入端;0端作为触发信号S的输出端,连到模拟开关G2的1输入端;1端作为触发信号R的输出端,连到模拟开关G2的0输入端。模拟开关G2的输出端Q经电阻器R1和电容器C构成的积分器连到模拟开关G1的控制端A。
要选择电阻器R1~R3的参数使R1>>R2=R3>>RON,其中RON是模拟开关G2的导通电阻,约为300Ω;同时还要选择电容器C,使时间常数RIC足够大于输入信号VI边沿振荡的时间。
在加电的瞬间,输入信号VI=0,由于电容器C上的电压不能突变,故使模拟开关G1控制端A的电压VA=0,因此,模拟开关G1的0输出端S导通在输入端VI=0电位上,1输出端R经电阻器R3接电压VDD。此时SR=01,QQ=QQ,即S---R双稳触发器处于QQ=01或QQ=10的随机状态。假如S---R双稳触发器处于QQ=01的初始状态,则模拟开关G1的状态不再变化,模拟开关G2的状态也不再变化,S—R双稳触发器也就停留在QQ=01的初始状态。假如S---R双稳触发器处于QQ=10的初始状态,则G2开关的输出电压VQ=VDD要经过电阻器R1对电容器C开始充电,G1开关的模拟开关型防抖动电路。
3 模拟开关CD4053与单片机的连接
所谓模拟开关,实际上就是MOS管构成的传输门。模拟开关的电压电流关系具有电阻的性质,即电流趋于零时压降也趋于零。它类似于实际的开关,信号电流一定是从输入端流到输出端,信号是传过去的,而且模拟开关的信号传达方向可以是双向的。
如图二所示,输入模拟量A1与输入模拟量A2分别输入到CD4053的ax,ay,而CD4053的输出a连接到A/D转换器中,同时CD4053的A由单片机的P1.1控制管脚控制,根据CD4053输入输出状态的真值表得到,当P1.1=A=0时,a=ax;当P1.1=A=1时,a=ay。即当单片机P1.1=0时,单片机得到的是输入模拟量A1的转换数据;而当单片机P1.1=1时,单片机得到的是输入模拟量A2的转换数据。
同样,当实现更多通道的开关时,就需要应用模拟开关CD4053的B、C通道。如输入模拟量B1与输入模拟量B2分别输入到CD4053的bx,by,而CD4053的输出b连接到A/D转换器中,同时CD4053的B由单片机的P1.2控制管脚控制,根据CD4053输入输出状态的真值表得到,当P1.2=B=0时,b=bx;当P1.2=B=1时,b=by。即当单片机P1.2=0时,单片机得到的是输入模拟量B1的转换数据;而当单片机P1.2=1时,单片机得到的是输入模拟量B2的转换数据。模拟开关CD4053 C通道的工作原理也是如此。
最后值得一提的是,当模拟开关CD4053需要控制模拟量为负数的导通与断开时,即输入模拟量为负数时,模拟开关CD4053的管脚7(VEE)必须连接到电源负电压(一般为-5V),只有这样,模拟开关CD4053的输出量才能与输入模拟量一样同为负数,否则其输出量会与输入模拟量不一致,这也就失去了模拟开关的作用。
4 结束语
通过上文论述可知,在单片机中应用模拟开关CD4053时,不管是硬件电路图还是软件编程,都应该严格参照其模拟开关输入输出状态的真值表。同样,对于更多通道、结构更复杂的模拟开关也只要不怕繁琐,一步一步按照其各个通道的真值表进行硬件连接和软件编程即可。
摘要：本文阐述了模拟开关CD4053在单片机中的应用,包括模拟开关CD4053实现的防抖动电路,CD4053与单片机的硬件连接及其应用技巧。
关键词：模拟开关CD4053,单片机,防抖动电路
参考文献
[1]邱关源.电路(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2003.
模拟开关技术 篇7
开关的导电回路电阻试验是非常重要的试验项目, 能够检验开关在正常运行时是否会产生不能允许的发热, 已经通过短路电流时开关的开断能力。常规方法测量小车开关导电回路电阻采用电流电压法, 也称四线法测试技术, 测试原理见图1。
电流源输出恒定电流流过标准电阻R0和待测电阻Rx。采样标准电阻R0上的电压信号U0, 经滤波放大处理后送入AD转换为数字量, 进而计算出电流值I, 见公式 ( 1) 。同样, 采样待测电阻Rx上的电压信号Ux, 经滤波、多级放大处理后送入AD转换为数字量, 通过公式 ( 2) 计算出电阻值Rx。
常规方法接线如图2 所示, 将测试钳夹在梅花触头上。
仪器输出电流在100 A以上, 电流钳夹在梅花触头上, 容易导致触指压紧弹簧通过大电流产生发热淬火而失去弹性, 如图3 所示。
另外, 由于小车开关停电试验时, 柜内静触头是带电的, 常规方法测量的回路电阻不包括小车开关“梅花触头与柜内静触头的接触电阻”, 如果触指压紧弹簧弹性不良, 动触头对开关柜内静触头的插接压力将大大减小, 给主回路造成接触不良, 使运行中的开关柜异常发热, 甚至危害到绝缘性能导致跳闸。如图4 所示。
新方法: 在小车开关的梅花触头插入与原配静触头直径相同的模拟静触头, 电流钳夹在模拟静触头上, 不接触触指压紧弹簧, 避免了试验过程中大电流烧蚀梅花触头弹簧。
另外, 模拟静触头采用与柜内静触头相同的标准尺寸制作, 可以模拟运行条件, 解决“常规方法测量的回路电阻不包括小车开关梅花触头与柜内静触头的接触电阻”的问题, 填补常规试验方法的空白。
2 模拟静触头的制作及试验方法
使用紫铜材料按照标准尺寸, 设计并制作出小车开关的模拟静触头, 可以确保触头的导电性能、避免损伤触指片; 将模拟静触头向外延伸部分改小, 以方便测试钳夹接; 为了方便作业人员拔插触头, 可在模拟静触头设置把手, 试验时, 在小车开关的梅花触头上插入模拟静触头, 电流钳直接夹在模拟静触头上, 避免了试验过程中触头弹簧流过大电流发热烧蚀, 可以检测出小车开关的整体导电性能。
如果10 k V小车开关梅花触头的触指烧蚀或弹簧老化松动, 将直接影响开关的安全运行。但是常规的试验方法无法检测出梅花触头的导电性能以及触指压紧弹簧是否疲劳和松动, 只能由检修人员用经验进行判断。采用“模拟静触头法测量开关小车导电回路电阻”, 梅花触头如果存在以上问题影响导电性能, 测量结果将有所反应, 通过分段试验和经验数据对比, 可以判断出梅花触头的弹簧性能。
3现场验证及数据分析
截至目前, 已在4 个变电站的11 个开关柜上进行验证, 积累了11 组数据。详见表1。
通过表1 的分析可知, 采用模拟静触头进行辅助测量, 可以模拟运行条件, 测出10 k V小车开关整体导电回路电阻, 当柜内静触头与梅花触头接触不良时, 电阻值必然会偏大, 并能够有效发现开关柜缺陷, 填补了常规试验的空白。同时避免了试验过程中大电流烧蚀梅花触头弹簧, 解决了现场问题。
4 效益分析
4. 1 降低了现场作业的风险
常规方法是将测试线的接线钳直接夹在梅花触头上, 容易导致触指压紧弹簧通过大电流产生发热淬火而失去弹性。
采用“模拟静触头法测量开关小车导电回路电阻”, 是在小车开关的梅花触头上插入模拟静触头, 电压、电流钳直接夹在模拟静触头上, 不接触触指压紧弹簧, 解决了“回路电阻测试过程中容易烧蚀触指压紧弹簧”的问题。
4. 2 保障了10 k V开关的安全稳定运行
如果10 k V小车开关梅花触头的触指烧蚀或弹簧老化松动, 将直接影响开关的安全运行。但是常规的试验方法无法检测出梅花触头的导电性能以及触指压紧弹簧是否疲劳和松动, 只能由检修人员用经验进行判断。
采用“模拟静触头法测量开关小车导电回路电阻”, 如果梅花触头与柜内静触头接触不良, 测量结果将有所反应, 能够有效发现缺陷, 为10 k V开关的安全稳定运行提供有力保障。
4. 3 提高了试验数据的准确性
模拟静触头采用与柜内静触头相同的标准尺寸制作, 可以模拟运行条件, 解决“常规方法测量的回路电阻不包括小车开关梅花触头与柜内静触头的接触电阻”的问题, 测量出小车开关的整体导电回路电阻, 填补常规试验方法的空白, 提高了试验数据的准确性。
5 结语
采用模拟静触头辅助测量10 k V小车开关整体导电回路电阻, 避免了试验过程中大电流烧蚀梅花触头弹簧, 并能够模拟运行状态, 有效发现梅花触头缺陷。可以有效解决目前10 k V小车开关试验过程遇到的生产实际问题, 为10 k V开关的安全稳定运行提供有力保障。
摘要：10 kV小车开关是变电站内的重要设备, 如果10 kV小车开关梅花触头的触指烧蚀或弹簧老化松动, 将直接影响开关的安全运行, 但常规试验方法无法检测梅花触头的导电性能, 使用模拟静触头可以解决这个问题。本项目是设计并制作出一种10 kV小车开关的模拟静触头, 采用模拟静触头辅助测量10 kV小车开关整体导电回路电阻, 避免了试验过程中大电流烧蚀梅花触头弹簧, 并能够有效发现梅花触头缺陷, 确保10 kV开关的安全运行。