2.4.2 过程开关量的形式和变换
过程开关量（数字量）大致可分为3种形式：机械有触点开关量、电子无触点开关量和非电量开关量。不同的开关量要采用不同的变换方法。
1．机械有触点开关量
机械有触点开关量是工程中遇到的最典型的开关量，它由机械式开关（如继电器、接触器、开关、行程开关、阀门、按钮等）产生，有常开、常闭两种方式。机械有触点开关量的显著特点是无源和开闭时产生抖动。这类开关通常安装在生产现场，在信号变换时应采取隔离措施。
机械有触点开关量的变换方法通常有以下3种：
（1）控制系统自带电源方式
这种方法一般用于开关安装位置离计算机控制装置较近的场合，供电电源为直流24V以下，常用电路有串联和并联两种，如图2.30所示。对于并联电路，触点闭合时输出Vo为高电平，触点打开时Vo为低电平。串联电路正好与之相反。
图2.30 自带电源的开关量变换电路
（2）外接电源方式
这种方式适合于开关安装在离控制设备位置较远的场合。
外接电源可采用交流或直流的形式。采用直流形式的变换电路如图2.31所示。
图2.31 外接直流电源开关量变换电路
在图2.31中，二极管为保护元件。对RC的选择应考虑功率因素，则RC的选择式如下：
RC=0.1VC（kΩ）
PC≥0.1RC（W）
其中，RC的单位为kΩ。
外接电源采用交流时一般采用变压器，将高压交流（220V或110V）变为低压交流，其电路如图2.32所示。这种电路的响应速度较慢，因而使用较少。
图2.32 采用变压器的开关量变换电路
（3）恒流源方式
这种方式适用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取0～10mA，即触点闭合时输出电流为10mA，触点打开时输出电流为0。
2．电子无触点开关量
电子无触点开关量指电子开关（如固态继电器、功率电子器件、模拟开关等）产生的开关量。由于电子无触点开关通常没有辅助机构，其开关状态与主电路没有隔离，因而隔离电路是它的信号变换电路的重要部分。
电子无触点开关量的采集可由两种方式实现。第一种方式与机械有触点开关量的处理方法相同，即把无触点开关当作有触点开关，按图2.33所示的方式连接电路即可。需要注意的是，连接极性不能随意更换。
图2.33 电子无触点开关变换电路
电子无触点开关量的采集的第二种方式是从功率开关的负载电路取样。这种方式的电路框图如图2.34所示。这种方式直接反映负载电路工作状态，而对开关状态的采样是间接的。
3．非电量开关量（数字量）
通过采用磁、光、声等方式反映过程状态，在许多控制领域中得到广泛应用，这种非电量开关量（数字量）需要通过电量转换后才能以电的形式输出。实现非电量开关量（数字量）的信号变换电路包括非电量-电量变换、放大（或检波）电路、光电隔离电路等，如图2.35所示。
图2.34 开关量取样变换电路框图
图2.35 非电量开关量转换
在图2.35中，非电量-电量变换一般采用磁敏、光敏、声敏元件，它将磁、光、声的变化以电压或电流形式输出。由于敏感元件输出信号较弱，输出电信号不一定是逻辑量（也可能是交流电压），因此对信号要进行放大和检波后才能变成具有一定驱动能力的逻辑电信号。隔离电路根据控制系统工作环境以及信号的采集方式来决定是否采用。
对于精度和稳定性要求较高的使用场合，可考虑采用精密仪器或传感器，如磁性编码器、光学编码器、感应同步器等。
各种过程开关量经信号变换后转换成逻辑电信号或脉冲信号，但这种信号的脉冲宽度、脉冲波形形状、脉冲前后沿陡度及信号电平可能不很理想，通常需要进行波形整形和电平变换才能输入到计算机中。
4．波形整形
波形整形的目的是使逻辑信号变为较理想的电信号，并提高抗干扰能力。波形整形包括触点消抖、脉冲定宽、消除毛刺等。
（1）触点消抖
在机械有触点开关中，当触点闭合或打开时将产生抖动，使得开关量在动作瞬间的状态不稳；若是工作在计数方式或作为中断输入，将导致系统工作不正常。因此，采用触点消抖是必要的。
实现触点消抖的方法很多，图2.36所示为采用定时器555的一种消抖电路。定时器555的输出作为D触发器的时钟，而D触发器的D端则与输入相连。555工作在单稳态触发器方式，当触点闭合或打开时将触发555，产生一个脉冲宽度为T-0.632RC的脉冲，只要该脉宽大于触点抖动时间，在D触发器输出端便能获得与输入状态相同、没有抖动的信号。
图2.36 触点消抖电路
（2）脉冲定宽
在许多控制系统中，有时要求在开关量变化时提供一个脉冲宽度稳定的脉冲，如上跳时产生脉冲，下跳时也产生脉冲。采用单稳态触发器很容易实现这个功能。
（3）消除毛刺
由于受环境干扰的影响，传输的开关量信号将产生毛刺。带有毛刺的开关量信号将对计算机控制系统的工作可靠性产生一些影响。消除毛刺通常采用施密特触发器（如74LSl4等）或集成比较器。图2.37所示为采用比较器的整形电路及其电路特性。该电路具有与施密特触发器相似的特性，门坎电平由P0调节，回环宽度由Rt调节。
图2.37 采用比较器的整形电路及其电路特性
5．电平变换
在计算机控制系统中，CPU一般只接受TTL电平信号；当开关量变换后的信号为非TTL电平时，则需要进行电平变换。
电平变换可采用光电隔离、晶体管或CMOS-TTL电平变换芯片，其电路如图2.38所示。其中光电隔离抗干扰性能好，但反应速度较慢，采用晶体管或CMOS-TTL变换芯片则速度较快。
图2.38 电平变换电路