張衛(wèi)豐1，張艷輝2，羅歡1

　?。?.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518172；2. 中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

　　摘要：提出了一種基于集成運放的交流檢測電路，該電路由電壓衰減電路、差分運算放大及合成電路、電壓過零檢測及頻率檢測電路等組成。通過理論推導(dǎo)，給出了電路關(guān)鍵點參數(shù)的計算公式，并用Multisim軟件對電路進行了仿真，仿真結(jié)果與理論計算值一致。根據(jù)仿真設(shè)計參數(shù)，搭建了實驗電路。實驗結(jié)果表明，實際檢測電壓為3.4 V，電壓過零檢測信號為5 V方波，頻率為100 Hz，與理論計算及仿真結(jié)果一致，驗證了所設(shè)計電路的可行性。電路簡單可靠，易于實現(xiàn)，為各種電源及儀表系統(tǒng)交流電檢測提供了一種新嘗試。

　　關(guān)鍵詞：交流電檢測；過零檢測；集成運算放大器；差分運算放大電路

　　中圖分類號：TM911.23文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.011

　　引用格式：張衛(wèi)豐，張艷輝，羅歡.一種簡易的交流電壓檢測電路［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（5）：32-34.

0引言

　　*基金項目：廣東省自然科學(xué)基金博士啟動項目（S2012040007242）；深圳市科技計劃項目（JCYJ20160527101807403,JCYJ20140418100633638）; 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研課題（2016jgyb03）目前不間斷電源、應(yīng)急電源、高頻整流器、逆變器、變頻器、太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等領(lǐng)域都要對交流電信號進行檢測，以獲取電壓大小、頻率和過零檢測等參數(shù)，從而對電源進行精確控制［1 4］?，F(xiàn)有方法中［5］，通常先通過變壓器降壓，再經(jīng)過整流后分壓，最后由單片機對電壓信號進行采集，得到電壓檢測數(shù)據(jù)，另外再通過過零檢測電路得到過零檢測數(shù)據(jù)。然而由于該方法需要實現(xiàn)電壓檢測和過零檢測兩個電路，且需要變壓器等器件，設(shè)計復(fù)雜，成本較高。

　　基于此，文中提出一種基于集成運放的交流電壓檢測電路，通過簡單的分立器件和常用的集成運放器件，實現(xiàn)同時檢測交流信號的電壓、電壓頻率及過零點參數(shù)，價格低廉、簡單可靠、且易于實現(xiàn)。

1電路組成及原理

　　交流電壓檢測包括電壓大小、頻率及過零點檢測等，檢測到的信號要通過處理器計算處理，對電源系統(tǒng)進行精確控制。以市電為例，其有效值為220 V，峰值為310 V左右，如圖1所示。但實際單片機控制芯片均為低壓器件，所以檢測電路應(yīng)包括電壓衰減電路、運算放大及合成電路、過零及頻率檢測電路等，具體電路如圖2所示。

　　1.1電路原理分析

　　交流電檢測是通過弱電控制芯片來實現(xiàn)的，220 V交流電必須經(jīng)過電壓衰減，降為弱小的電壓信號，然后經(jīng)過集成運放電路進行信號放大合成，才能被單片機等控制芯片可靠接收，并對整個系統(tǒng)進行可靠控制。

　　如圖2所示，電壓衰減電路由R1、R3、R5、R6及直流偏置電壓源組成，市電V1經(jīng)過4個電阻的分壓，在節(jié)點A、B處獲得毫伏級的弱電電壓信號。此弱電信號作為集成運算放大器的輸入信號，再進行比例放大。為減少實際應(yīng)用中供電電源的數(shù)量，集成運放采用單電源供電，則一個運算放大電路只能輸出交流電的正向電壓，為能全部還原輸出交流電信號，須用另一個集成運放，且運放輸入端口信號反接，則能將交流電的負半周電壓轉(zhuǎn)化為正電壓輸出。兩個運算放大電路輸出的電壓信號VAO、VBO經(jīng)過兩個電阻連接在一起，進行交流電壓信號合成，輸出信號為VO，此信號可以直接接入單片機或DSP等控制器進行后續(xù)運算和控制處理。兩路運放輸出的任一路信號，均可作為過零及頻率檢測電路的輸入，文中以負電壓輸出作為過零及頻率檢測電路的輸入，則在交流電的正半周，此運放輸出為零電壓，開關(guān)三極管Q1不導(dǎo)通，Vzero輸出為高電平，當(dāng)交流電正向電壓降到零，負電壓開始增大時，運放輸出電壓開始增大，觸發(fā)開關(guān)三極管Q1導(dǎo)通，Vzero輸出為低電平，當(dāng)交流電不斷變換時，Vzero即為高低電平的脈沖信號，高低電平的脈沖沿即為過零點，而脈沖信號的周期即為交流電信號的周期，從而可以通過單片機或DSP捕捉Vzero信號，通過計算處理后，可得到交流信號的過零點和頻率參數(shù)。

　　1.2電路參數(shù)計算

　　實際應(yīng)用中，節(jié)點A、B處的電壓VAB、運放輸出電壓VAO、VBO、合成電壓VO、過零檢測信號Vzero等是關(guān)鍵參數(shù)，因此，必須對電路進行等效分析，計算出合理的參數(shù)值，才能保證檢測電路可靠運行。

　　電壓衰減電路，相當(dāng)于兩個電壓源單獨作用時，在節(jié)點A、B處電壓的疊加，利用疊加定理，可得：

　　式中，V1為檢測的交流電壓，實際應(yīng)用中，一般取R5=R6，R1=R3，則有：

　　圖2中兩個集成運放電路均是差分運算放大電路，根據(jù)差分運算放大電路特性，則有：

　　合成電壓VO可看成VAO、VBO單獨作用于R15、R16串聯(lián)電路中點的電壓疊加，由疊加定理可得:

　　實際應(yīng)用中，取R15=R16，則有:

2仿真與實驗

　　在Multisim軟件中，基于圖2市電檢測電路建立了仿真模型。實際應(yīng)用中，市電的檢測以220 V為中心，存在正負20%的波動，要使檢測到的參數(shù)值能很好地被單片機或DSP等控制芯片捕獲，一般要求合成的檢測電壓范圍在5 V以內(nèi)。因此，根據(jù)上述原理分析及參數(shù)計算，電路模型關(guān)鍵參數(shù)選取如表1所示。

　　根據(jù)表1參數(shù)，在Multisim軟件中對圖2電路進行了仿真。

　　圖3給出了市電電壓波形和衰減后的信號波形。由圖可知，220 V市電，峰值電壓為310 V左右，衰減后的電壓峰值為200 mV左右。將表1參數(shù)值代入式(2)，可得衰減后的信號峰值為200 mV，仿真結(jié)果與理論計算一致。

　　圖4給出了差分運算電路輸出波形、電壓合成波形和過零電壓偵測波形。由圖可知，市電正半周，差分運放電路的輸出VAO為正弦半波，峰值為6.7 V，VBO輸出為零；市電負半周，差分運放電路的輸出VBO為正弦半波，峰值為6.7 V，VAO輸出為零；合成電壓波形為正弦半波，正負半周均為正，峰值為3.35 V；過零檢測信號Vzero在正弦交流電壓的過零處觸發(fā)，其頻率為正弦交流電的2倍，幅值為5 V。將表1參數(shù)分別代入式(3)、式(4)和式(6)，可得VAO、VBO峰值均為6.76 V，VO峰值為3.38 V。由此可知，仿真與理論計算是一致的。

　　為了驗證實際電路的工作效果，基于表1參數(shù)搭建了實驗電路。實驗波形如圖5所示。圖中，1通道為合成電壓波形，2通道為過零檢測信號。由圖可知，合成信號為正弦半波波形，幅值為3.4 V左右；過零偵測信號為5 V左右的方波，且均在交流電壓正負半周過零時觸發(fā)電路電平轉(zhuǎn)換，頻率為100 Hz。實驗結(jié)果與仿真及理論計算一致。

　　合成電壓和過零檢測信號最終將會連接到單片機或DSP控制芯片的A/D口，然后經(jīng)過控制算法進行運算處理后，對電源系統(tǒng)進行精確控制，通過仿真及實驗可知，合成電壓及過零檢測信號均為正，且在5 V范圍之內(nèi)，適合控制芯片A/D采樣，方便了控制系統(tǒng)的設(shè)計。

3結(jié)論

　　文中提出了一種基于集成運放器件的交流電檢測電路。電路由簡單分立電阻、集成運放、三極管等器件組成，價格低廉，電路簡單可靠，且易于實現(xiàn)。實驗結(jié)果與理論分析及仿真結(jié)果一致，驗證了所設(shè)計電路的可行性，為不間斷電源、應(yīng)急電源、高頻整流器、逆變器、變頻器、太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、電測儀表等領(lǐng)域用交流電檢測提供了一種簡易可行的方案。

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