張衛(wèi)豐1，張艷輝2，羅歡1

　　（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(yùn)放的交流檢測(cè)電路，該電路由電壓衰減電路、差分運(yùn)算放大及合成電路、電壓過零檢測(cè)及頻率檢測(cè)電路等組成。通過理論推導(dǎo)，給出了電路關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算公式，并用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與理論計(jì)算值一致。根據(jù)仿真設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建了實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際檢測(cè)電壓為3.4 V，電壓過零檢測(cè)信號(hào)為5 V方波，頻率為100 Hz，與理論計(jì)算及仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電路的可行性。電路簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，為各種電源及儀表系統(tǒng)交流電檢測(cè)提供了一種新嘗試。

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

　　中圖分類號(hào)：TM911.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiǎn)易的交流電壓檢測(cè)電路［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（5）：32-34.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：廣東省自然科學(xué)基金博士啟動(dòng)項(xiàng)目（S2012040007242）；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)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(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等領(lǐng)域都要對(duì)交流電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以獲取電壓大小、頻率和過零檢測(cè)等參數(shù)，從而對(duì)電源進(jìn)行精確控制［1 4］。現(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(jī)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，得到電壓檢測(cè)數(shù)據(jù)，另外再通過過零檢測(cè)電路得到過零檢測(cè)數(shù)據(jù)。然而由于該方法需要實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)和過零檢測(cè)兩個(gè)電路，且需要變壓器等器件，設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高。

　　基于此，文中提出一種基于集成運(yùn)放的交流電壓檢測(cè)電路，通過簡(jiǎn)單的分立器件和常用的集成運(yùn)放器件，實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)交流信號(hào)的電壓、電壓頻率及過零點(diǎn)參數(shù)，價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單可靠、且易于實(shí)現(xiàn)。

1電路組成及原理

　　交流電壓檢測(cè)包括電壓大小、頻率及過零點(diǎn)檢測(cè)等，檢測(cè)到的信號(hào)要通過處理器計(jì)算處理，對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)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(shí)際單片機(jī)控制芯片均為低壓器件，所以檢測(cè)電路應(yīng)包括電壓衰減電路、運(yùn)算放大及合成電路、過零及頻率檢測(cè)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(cè)是通過弱電控制芯片來(lái)實(shí)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(hào)，然后經(jīng)過集成運(yùn)放電路進(jìn)行信號(hào)放大合成，才能被單片機(jī)等控制芯片可靠接收，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)電阻的分壓，在節(jié)點(diǎn)A、B處獲得毫伏級(jí)的弱電電壓信號(hào)。此弱電信號(hào)作為集成運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)，再進(jìn)行比例放大。為減少實(shí)際應(yīng)用中供電電源的數(shù)量，集成運(yùn)放采用單電源供電，則一個(gè)運(yùn)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(hào)，須用另一個(gè)集成運(yùn)放，且運(yùn)放輸入端口信號(hào)反接，則能將交流電的負(fù)半周電壓轉(zhuǎn)化為正電壓輸出。兩個(gè)運(yùn)算放大電路輸出的電壓信號(hào)VAO、VBO經(jīng)過兩個(gè)電阻連接在一起，進(jìn)行交流電壓信號(hào)合成，輸出信號(hào)為VO，此信號(hào)可以直接接入單片機(jī)或DSP等控制器進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算和控制處理。兩路運(yùn)放輸出的任一路信號(hào)，均可作為過零及頻率檢測(cè)電路的輸入，文中以負(fù)電壓輸出作為過零及頻率檢測(cè)電路的輸入，則在交流電的正半周，此運(yùn)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(fù)電壓開始增大時(shí)，運(yùn)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(shí)，Vzero即為高低電平的脈沖信號(hào)，高低電平的脈沖沿即為過零點(diǎn)，而脈沖信號(hào)的周期即為交流電信號(hào)的周期，從而可以通過單片機(jī)或DSP捕捉Vzero信號(hào)，通過計(jì)算處理后，可得到交流信號(hào)的過零點(diǎn)和頻率參數(shù)。

　　1.2電路參數(shù)計(jì)算

　　實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)A、B處的電壓VAB、運(yùn)放輸出電壓VAO、VBO、合成電壓VO、過零檢測(cè)信號(hào)Vzero等是關(guān)鍵參數(shù)，因此，必須對(duì)電路進(jìn)行等效分析，計(jì)算出合理的參數(shù)值，才能保證檢測(cè)電路可靠運(yùn)行。

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

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

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

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

　　實(shí)際應(yīng)用中，取R15=R16，則有:

2仿真與實(shí)驗(yàn)

　　在Multisim軟件中，基于圖2市電檢測(cè)電路建立了仿真模型。實(shí)際應(yīng)用中，市電的檢測(cè)以220 V為中心，存在正負(fù)20%的波動(dòng)，要使檢測(cè)到的參數(shù)值能很好地被單片機(jī)或DSP等控制芯片捕獲，一般要求合成的檢測(cè)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(jì)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(duì)圖2電路進(jìn)行了仿真。

　　圖3給出了市電電壓波形和衰減后的信號(hào)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(hào)峰值為200 mV，仿真結(jié)果與理論計(jì)算一致。

　　圖4給出了差分運(yùn)算電路輸出波形、電壓合成波形和過零電壓偵測(cè)波形。由圖可知，市電正半周，差分運(yùn)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(fù)半周，差分運(yùn)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(fù)半周均為正，峰值為3.35 V；過零檢測(cè)信號(hào)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(jì)算是一致的。

　　為了驗(yàn)證實(shí)際電路的工作效果，基于表1參數(shù)搭建了實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)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(cè)信號(hào)。由圖可知，合成信號(hào)為正弦半波波形，幅值為3.4 V左右；過零偵測(cè)信號(hào)為5 V左右的方波，且均在交流電壓正負(fù)半周過零時(shí)觸發(fā)電路電平轉(zhuǎn)換，頻率為100 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真及理論計(jì)算一致。

　　合成電壓和過零檢測(cè)信號(hào)最終將會(huì)連接到單片機(jī)或DSP控制芯片的A/D口，然后經(jīng)過控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理后，對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，通過仿真及實(shí)驗(yàn)可知，合成電壓及過零檢測(cè)信號(hào)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(jì)。

3結(jié)論

　　文中提出了一種基于集成運(yùn)放器件的交流電檢測(cè)電路。電路由簡(jiǎn)單分立電阻、集成運(yùn)放、三極管等器件組成，價(jià)格低廉，電路簡(jiǎn)單可靠，且易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)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(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、電測(cè)儀表等領(lǐng)域用交流電檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)易可行的方案。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 祝龍記,劉暉.三相UPS電源鎖相與換相技術(shù)的研究［J］. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（4）：29-32.

　　［2］ 薛家祥，沈棟，張思章，等.單相光伏并網(wǎng)逆變器電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］.可再生能源,2012,30（11）：24-29.

　　［3］ 姚正武.晶閘管變流設(shè)備電源精確過零檢測(cè)技術(shù)［J］.電子器件，2014,37（6）:1256-1260.

　　［4］ 姚偉鵬.一種新型交流電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（10）:71.

　　［5］ 任宏斌，冷建偉.基于STM32 的交流電壓檢測(cè)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2016,24（13）:133-135.