一種簡易的交流電壓檢測電路*

張衛(wèi)豐，張艷輝，羅 歡

(1.深圳信息職業(yè)技術學院，廣東 深圳 518172；2. 中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057)

一種簡易的交流電壓檢測電路*

張衛(wèi)豐1，張艷輝2，羅 歡1

(1.深圳信息職業(yè)技術學院，廣東 深圳 518172；2. 中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057)

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，給出了電路關鍵點參數(shù)的計算公式，并用Multisim軟件對電路進行了仿真，仿真結果與理論計算值一致。根據(jù)仿真設計參數(shù)，搭建了實驗電路。實驗結果表明，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果一致，驗證了所設計電路的可行性。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。

交流電檢測；過零檢測；集成運算放大器；差分運算放大電路

0 引言

目前不間斷電源、應急電源、高頻整流器、逆變器、變頻器、太陽能發(fā)電、風能發(fā)電等領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，設計復雜，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，開關三極管Q1不導通，Vzero輸出為高電平，當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)開關三極管Q1導通，Vzero輸出為低電平，當交流電不斷變換時，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：

(1)

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

③在a的蓋玻片一側滴加1滴pH為4.4的酸雨模擬液，用吸水紙在對側吸引，3 min后拍照記錄。然后用紅墨水染色，觀察細胞核著色情況，3min后再拍照記錄。

(2)

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：

(3)

(4)

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:

(5)

實際應用中，取R15=R16，則有:

(6)

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。因此，根據(jù)上述原理分析及參數(shù)計算，電路模型關鍵參數(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)電路電平轉換，頻率為100 Hz。實驗結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，適合控制芯片A/D采樣，方便了控制系統(tǒng)的設計。

3 結論

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)。實驗結果與理論分析及仿真結果一致，驗證了所設計電路的可行性，為不間斷電源、應急電源、高頻整流器、逆變器、變頻器、太陽能發(fā)電、風能發(fā)電、電測儀表等領域用交流電檢測提供了一種簡易可行的方案。

[1] 祝龍記,劉暉.三相UPS電源鎖相與換相技術的研究[J]. 安徽理工大學學報，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.晶閘管變流設備電源精確過零檢測技術[J].電子器件，2014,37(6):1256-1260.

[4] 姚偉鵬.一種新型交流電檢測電路的設計[J].數(shù)字技術與應用，2015(10):71.

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

A simple AC voltage detection circuit

Zhang Weifeng1, Zhang Yanhui2, Luo Huan1

(1.Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518172, China；2. ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

A novel AC voltage detection circuit based on integrated operational amplifier is proposed. The circuit consists of a voltage decay circuit, a differential operation amplifier, a synthetic circuit, a voltage zero crossing detection circuit and a frequency detection circuit. The key parameters are derived through theoretical analysis. Then, the circuit is simulated with Multisim. The simulation results are in agreement with the theoretical calculation. According to the design parameter of the simulation, experimental circuit is built. The experimental results show that the detected voltage is 3.4 V, voltage zero crossing detection signal is 5 V square wave and the frequency is 100 Hz. These results are in agreement with the theoretical calculation and the simulation, which validate the proposed circuit. The new circuit is simple, reliable and easy to implement, which provides a new way for application of AC voltage detection in power and instrumentation systems.

AC voltage detection; voltage zero crossing detection; integrated operational amplifier; differential operational amplifier circuit

廣東省自然科學基金博士啟動項目(S2012040007242)；深圳市科技計劃項目(JCYJ20160527101807403,JCYJ20140418100633638); 深圳信息職業(yè)技術學院教研課題(2016jgyb03)

TM911.23

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.011

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

2016-11-01)

張衛(wèi)豐(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向：新型電源技術，馬達控制及其功率變換技術。

張艷輝(1979-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：電路與系統(tǒng)。

羅歡(1980-)，男，碩士，講師，主要研究方向：計算機控制技術。