(电路设计)过零检测电路探讨.docx

过零检测电路是一个常见的应用，其中运算放大器用作比较器。它常被用来追踪正弦波形的变化，比如从正到负或从负到正的过零点电压的情况。它同样被可被用作方波生成器。过零检测电路还有许多应用，比如标志信号发生器，相位计和频率计等。过零检测电路可以用很多方法来设计，比如使用晶体管，使用运算放大器或是光耦IC等。该文中我们将使用运算放大器来打造一个过零检测电路，正如上面所说，此处的运算放大器用作比较器。过零检测电路的理想波形如下从上图中可以看出当正弦波形过零时，运算放大器会从正转负或是从负转正。这就是过冬检测器如何检测波形过零的。如你所见，输出波形为一个方波，所以过零检测器也被成为方波生成电路。所需元器件运算放大器(LM741)变压器(230V到12V)9V电源电阻(10k3)面包板示波器电路图230V.fo.12V230V电源给到一个12-0-12V的变压器，它的相位输出连接到运算放大器的二号引脚，零线与电池的接地端短接。电池的征集引脚与运算放大器的第7号引脚相连(VCc)。在过零检测电路中，运算放大器的非反向引脚与地相连,从而作为参考电压,而一个正弦波输入（Vin）则输入运算放大器的反向引脚，如电路图说是。随后输入电压与参考电压作比较。此处可以使用大部分运算放大器的IC,这里我们用的是LM741.现在，我们来考虑正弦波的正半轴。我们知道当非反向引脚端的电压要低于反向引脚时，运算放大器的输出为低或处于反向饱和状态。因此，我们会看到一个负电压的波形。再来看正弦波的负半轴，非反向引脚（参考电压）的电压大于反向引脚（输入电压），所以运算放大器的输出为高或正向饱和状态。因此，我们会看到一个正电压的波形，如下图所示。使用光耦的过零检测电路我们上面提到设计过零检测电路有许多方式。以下电路中我们使用了光耦来实现同样的过零检测电路。通过观察输出电压你可以发现每当输入交流波过零时，输出波形为高。5个常用过零检测电路方案（有隔离和非隔离）过零检测电路在电子产品中是常见的电路，常用来测量关于AC电源零点、电源频率和相关相角等参数。主要应用于对AC电源类参数之测量和控制的产品中，其中典型应用有：电源开关时序控制（比如马达控制、照明、加热器等控制）、电功率和功率因素调整、相线控制等产品，特别在家电领域得到更广泛地应用。过零检测的作用为，当电网电压经过正弦波的零点时，电路会产生一个脉冲信号给到单片机的中断口，然后单片机做相应的处理。如上图，交流电每经过零点，过零检测电路都会产生一个脉冲。应用场合：1 .在一些需要给马达类器具调功调速的场合，单片机中断口通过检测过零信号，能识别到电网电压的过零点，通过调整可控硅导通角的大小，从而来调整马达的速度。现实中通过调整可控硅的导通角来调速的例子很多，常见的吊扇就是通过调整可控硅导通角来调速的。但吊扇一般使用的是阻容的方式来调整可控硅的导通角，而并不是使用过零信号。2 .在某些使用可控硅做为负载控制开关的场合，需要控制可控硅在交流电的过零点开通，这样能防止可控硅开通时电流尖峰过大，这样对减少可控硅开通时的应力以及EMC都有好处。3 .某些需要检测电网频率的场合，可以使用单片机的内振来计数单位时间内中断口检测到的过零信号数量来判断电网频率，因为50HZ和60HZ的电网，单位时间内AC电源过零点的数量是不同的。4 .在某些需要精确计时的场合，利用过零信号不失为一个好方法，前提是硬件和软件的滤波要处理好，如果处理的好，计时的精度会比单片机内振的精度要高，在一些对成本要求高的场合，避免了使用外部晶振，减少成本。当然前提是电路中本来已有过零检测电路。接着来说怎么实现通过过零信号计时的，例如按上面第3点描述的，在判断了电网频率后，可使用过零信号计数的方式来计时，假设当前电网频率为50HZ,每当中断口检测计数到50个下降沿的过零信号，即为1秒，如此计数，用来计时。5 .可通过过零信号检测来实现系统掉电保护，如中断口在规定的时间内未检测到过零信号，单片机即判定为设备掉电，单片机立即将需要保存的重要数据存入存储器中，这要求单片机的Vcc供电电容要足够大，以给单片机足够的时间往存储器中写入保存数据。当然系统掉电保护有很多种方案,这只是其中一种,现在很多单片机都支持低电压检测LVD功能。具体过零检测电路方案：常见方案有隔离和非隔离两种，先讲非隔离。R8为限流电阻，D3的作用是交流电负半周时，防止QI的发射结反向击穿,D3将发射结反向电压钳位为0.7VR2和R7为限流电阻，R12的作用为分压电阻，交流电负半周时，将Q3发射结反向电压限制在安全值以下，保护Q3方案35V(ACN)ACN .r1°'<N2M2M通过钳位二极管产生过零脉冲信号方案3过零信号波形过零信号被钳位为最高峰值为5.6V,最低峰值为-0.6V的方波。以下是隔离方案光耦隔离方案，D7作用为保护光耦，防止光耦内部发光管反向击穿，R17和C3组成滤波电路，使过零信号更干净5V变压器隔离方案强抗干扰能力的过零检测电路的设计一般做法对于以过零信号为基准，通过可控硅调压的静电除尘电源的稳定可靠运行,市电过零信号检测的准确及可靠稳定起到了至关重要的作用。常电的市电过零检测电路如下图：图1.常见的市电过零检测电路我的做法我通过深入的分析，发现常用的通过光耦隔离检测过零信号的电路存在抗干扰能力差的缺陷，可能导致过零点位置不对而可控硅错误触发，输出电压抖动的情况。为了克服这些缺降陷，我自己设计了下图的过零检测电路图2.本人设计的过零检测电路我通过以下两个手段提高抗干扰能力：精心计算输入端的低通滤波电路参数，在保证导通角的可调范围的前提下，达到最佳的滤波效果，同时软件通过进入中断的时间差，过滤无效的干扰脉冲，综合考虑最坏情况下滤波电路导致的延时以及其它异常情况，确保不发生误触发。通过加入正反馈，设计迟滞比较电路。迟滞的一个很大好处就是，输入的噪声如果在迟滞区间内，那么输出就不会翻转。而图1以光耦的导通电压作为临界电压,若交流输入端有噪声来回多次穿越光耦导通电压时，输出端即受到干扰,其正负状态产生不正常转换，如下图：图3.干扰杂波穿透参考电压导致过零波形的干扰抗干扰分析采用multisim软件进行仿真分析，电路如下：图4.仿真电路比较器的滞回电压为-80mV+80mV,只要经过低通滤波的最终送到比较器输入端的干扰信号的幅度峰峰值小于160mV,检测电路输出的过零信号就不会有脉冲干扰。杂波频率(HZ)不产生干扰的最大幅度Vpp(V)1000.1677099242000.188961573000.2198626134000.2569550545000.2979353426000.3414063187000.3865285478000.4327858589000.479850098100O0.52750533图5.不同频率最大允许的杂波的幅度即使是频率为20K,幅度峰峰值为8.48V的干扰信号，检测电路也能完美过滤。所输出的过零信号不会引入干扰脉冲。相比之下，采样光耦实现的过零检测电路，只需要在市电输入信号中注入频率为20kHz,幅度峰峰值为566mV的干扰信号，输出的过零信号就能看到干扰脉冲。图7.常见的过零检测电路，注入干扰信号时的输出波形