許多從事微控制器和數位邏輯程式設計的人員正在從微控制器和數位邏輯程式設計過渡到可編程邏輯控制器（PLC）。這固然是好消息，但也帶來了一些關於 PLC 本質及其與物理世界連結方式的誤解。本文將介紹邏輯電平閾值，並以邏輯 1 和邏輯 0 的通用邊界來呈現結果。我們還將測量輸入電阻。掌握這些知識後，您將能夠正確地將現場裝置連接到 PLC。您還將了解為什麼 PNP 感測器是首選裝置。同時，如果您考慮 PLC 的輸入電阻，您也將更能理解 NPN 型感測器的用途。
圖 1：用於測量 PLC 邏輯電平閾值和輸入電阻的測試裝置。
邏輯閾值
圖 1 顯示了實體測試裝置。我們選擇 Crouzet Millenium Slim PLC 作為代表性元件。需要兩個電源。右側的電源供應器提供 24VDC 電壓為 PLC 供電。左側的可變電源用於向 PLC 的輸入引腳提供測試電壓。PLC 被編程為當數字輸入高於邏輯 1 閾值時點亮綠色指示燈。
透過改變可變電源電壓，我們可以確定綠色指示燈的亮滅點。結果如圖 2 所示。所有低於 9VDC 的電壓都被識別為邏輯 0，而高於 11VDC 的電壓都被識別為邏輯 1。9VDC 到 11VDC 之間的電壓範圍無法確定。此 PLC 具有一定的遲滯特性，開啟時需要 11VDC 電壓，關閉時電壓必須降至9VDC。這種特性是理想的，因為它能提供清晰的轉換，並可能避免不確定（抖動）的數位輸入偵測。
圖 2：PLC 邏輯閾值示意圖，其中 11VDC 以上為邏輯 1，9VDC 以下為邏輯 0。
技術提示：您可能在運算放大器課程中接觸過遲滯現象。回想一下比較器電路，它利用正回授來實現「黏滯」輸出。基於運算放大器的比較器的輸出會保持在一個位置，直到輸入電壓超過閾值，然後它會翻轉並「黏滯」在新位置，直到輸入電壓大幅反向擺動。因此，該系統具有較強的抗噪音能力。
輸入電阻
圖 3 顯示了測量輸入電阻的測試裝置。如圖 3 所示，在 PLC 輸入端和可變電源之間串聯一個 10kohm 的電阻。此電阻安裝在圖 1 中 PLC 右側的接線端子上。
圖 3：PLC 數位輸入電阻約為 12kohm 的示意圖。測試串聯電阻上會產生壓力降。
在最近的一次測試中，如圖 3 所示，向串聯電阻注入了 19.3V 的電壓。對應的 10kohm 串聯電阻上的壓降為 8.94V，這表示電流為 894uA，計算公式如下：
I_{in} = \dfrac{8.94 \ V}{10 \ k\Omega} = 0.894 \ mA
隨後測得 PLC 兩端電壓為 10.44V。由此計算出的輸入電阻為：
R_{input} = \dfrac{10.44 \ V}{0.000894 \ A} \approx 11.7 \ k\Omega
輸入電壓閾值和輸入電阻均與 Crouzet PLC 的規格書非常吻合。
影響
用微控制器的語言來說，PLC 的數位輸入端有一個下拉電阻。
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未連接的 PLC 輸入端是可以接受的，它們將被讀取為邏輯0。
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開關和感測器必須將輸入電阻上拉至 24VDC 電源軌。這樣做需要提供大約 2mA 的電流。
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我們之前使用的 5VDC 和 3.3VDC 邏輯與 PLC 不相容。但是，它們可以與 PLC 的類比輸入端一起使用——這或許可以作為另一篇文章的主題。
首選 PNP 型感測器，因為它們的設計目的是將輸入上拉至 24VDC 電源軌。NPN 型元件下拉至地，除非增加一個低阻值電阻，否則無法運作。這個外部上拉電阻的阻值必須合適，使得由此產生的分壓器將空載電壓置於邏輯 1 區域內，如圖 2 所示。關於 PNP 和 NPN 的區別及解決方案，請參閱先前的文章。
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