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(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(guò)零檢測(cè)及頻率檢測(cè)電路等組成。通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)零檢測(cè)等參數(shù),，從而對(duì)電源進(jìn)行精確控制［1 4］?，F(xiàn)有方法中［5］，通常先通過(guò)變壓器降壓,，再經(jīng)過(guò)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(guò)過(guò)零檢測(cè)電路得到過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)零點(diǎn)檢測(cè)等，檢測(cè)到的信號(hào)要通過(guò)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(guò)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(guò)弱電控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，220 V交流電必須經(jīng)過(guò)電壓衰減,，降為弱小的電壓信號(hào),，然后經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)零及頻率檢測(cè)電路的輸入,，文中以負(fù)電壓輸出作為過(guò)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(kāi)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(kāi)始增大時(shí)，運(yùn)放輸出電壓開(kāi)始增大,，觸發(fā)開(kāi)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(guò)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(guò)單片機(jī)或DSP捕捉Vzero信號(hào),，通過(guò)計(jì)算處理后，可得到交流信號(hào)的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)零檢測(cè)信號(hào)Vzero在正弦交流電壓的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)可知,，合成電壓及過(guò)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)

　?。?］ 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.

　?。?］ 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(guò)零檢測(cè)技術(shù)［J］.電子器件,，2014,37（6）:1256-1260.

　?。?］ 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.

　?。?］ 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.