由于交流電路過零檢測電路存在結(jié)構(gòu)復雜、過零點檢測不準確、編程繁瑣等問題，本文介紹了一種基于LM339的硬件結(jié)構(gòu)簡單的過零檢測電路。通過仿真軟件Mulisim對該設計電路進行了仿真，實驗證明了該方案過零檢測的可行性、穩(wěn)定性和可靠性，可直接作為交流電路中CPU的過零信號。

1.引言

隨之電力電子器件在髙壓、大電流量等弱電應用領(lǐng)域，怎樣減少元器件的開關(guān)損耗，以保證其處在安全生產(chǎn)工作區(qū)，是經(jīng)濟發(fā)展安全性地應用元器件的關(guān)鍵。交-交變頻器及其無速度傳感器磁感應電機等技術(shù)性在工業(yè)化生產(chǎn)中的運用，促使交流電路過零無損檢測技術(shù)的精確性和可信性越來越尤其重要。傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)的過零檢測往往采用硬件過零比較器來實現(xiàn)，但由于在實際應用中比較器容易受失調(diào)電壓、噪聲和諧波的影響，實際電壓的零點與所提取的零點會有較大地誤差，在實際應用中電網(wǎng)電壓波動、背景噪聲等因素都會引起輸入信號在過零點附近發(fā)生抖動，導致多過零現(xiàn)象，造成實際基波零點和提取的零點誤差大。近些年一些學家明確提出了某些新的過零檢測方式，這種方式降低了過零檢驗的硬件配置電路原理，但在主控芯片中，開展檢驗和測算，給系統(tǒng)軟件的程序編寫和運作增加了負擔，并危害了過零檢測的時序性。

基于目前現(xiàn)有的過零檢測電路存在的缺點和不足，經(jīng)分析研究，設計了一種新的過零檢測電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，經(jīng)濟實用，可用于交-交變頻器以及無速度傳感器電動機的過零檢測。

2.LM339優(yōu)勢

LM339是一種較為普通的四路差動比較器，其內(nèi)部有四路集成比較器，每個比較器包含兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端中一個稱為同相輸入端（即為“+”），另一個稱為反相輸入端（即為“-”）。當兩個電壓進行比較時，任意一個輸入端加待比較的信號電壓，另一端則加固定電壓做門限電壓。若“+”端高于“-”端，則輸出截止，輸出端開路;若“-”端高于“+”端，則輸出飽和，即輸出端接低電壓。當滿足兩個輸入端電壓差超過10mV時，即可保證輸出狀態(tài)發(fā)生改變。因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。

圖1 LM339引腳圖

該電壓比較器的特點是：

1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV;

2）電源電壓范圍寬;

3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬;

4）共模范圍大，為0～（Ucc-1.4V）Vo;

5）差動輸入電壓范圍寬;

6）輸出端電位可靈活方便地選用。

3.過零檢測電路的設計

3.1比較器構(gòu)成的過零檢測電路

過零檢測技術(shù)是指利用電路準確監(jiān)測并指示出信號的過零點所處的位置。通常把正弦信號與水平軸的交點作為信號的過零點，正弦信號周期內(nèi)有2個過零點，信號從負值通過零點到達正值稱為正向過零，對應的過零時刻稱為正向過零點;信號從正到負的過零則稱為負向過零，對應的過零時刻稱為負向過零點。因此，過零檢測技術(shù)可分為單向過零檢測和雙向過零檢測。

如圖2所示為比較器構(gòu)成的基本的過零比較電路，其Vi為輸入信號，當Vi由正電壓到達零點時，輸出信號Vo由5V變?yōu)?V，從而實現(xiàn)信號的過零檢測。但在生產(chǎn)實踐中，輸入信號往往不是標準的正弦信號，大都存在諧波以及其他的干擾，這樣就很容易造成該過零比較電路發(fā)出誤信號，造成系統(tǒng)的誤動作。

圖2 基本的過零比較器電路圖

3.2雙限比較電路的設計

考慮到基本的LM339N過零比較器電路存在的不足，結(jié)合其電壓比較器的特點，設計了一種雙限過零比較器。如圖3所示是雙限過零比較電路原理圖。圖中U2A和U2B是LM339的兩個比較器，為能讓其檢測比較交流信號，該比較器采用雙電源供電，Vi作為輸入信號，Vo為輸出信號，V2和V3分別為雙限比較器的基準電壓的上限值和下限值;7408N為一個集成的雙輸入四與門電路。

圖3 雙限過零比較電路原理圖

該電路圖的工作原理是：在一個周期內(nèi)，當輸入信號Vi大于基準電壓V2時，比較器的1引腳和2引腳輸出分別為高電平和低電平，兩個信號經(jīng)過7408N與門之后，輸出低電平;當輸入信號Vi小于基準V2，而又大于基準電壓V3時，比較器的1引腳的輸出不變，仍為高電平，而2引腳的輸出也變?yōu)楦唠娖剑@樣兩個信號經(jīng)過7408N之后，輸出就變成了高電平;當輸入信號Vi小于基準電壓V3時，比較器的1引腳輸出變?yōu)榈碗娖?，?引腳的輸出不變，仍為高電平，兩個信號經(jīng)過7408N與門之后，輸出變?yōu)榈碗娖?當輸入信號Vi大于基準電壓V3，而又小于基準V2時，比較器的1引腳的輸出變?yōu)楦唠娖剑?引腳的輸出不變，仍為高電平，這樣兩個信號經(jīng)過7408N之后，輸出就變成了高電平。

該過零檢測電路可根據(jù)設計所需的精確度的不同，調(diào)節(jié)基準電壓V2和V3的值，可達到設計的要求。

4.過零電路仿真

根據(jù)過零檢測原理，利用仿真軟件Mulisim操作方便、仿真快捷的優(yōu)點，搭建過零檢測電路的仿真模型。如圖4所示，交流信號輸入部分用的是幅值為8V，頻率為50Hz的交流電，LM339是用正負12V的電源供電，7408N用5V的直流電源供電，引腳1和引腳2的輸出用一個12V的電源做上拉，為能方便觀察，對比輸出結(jié)果與輸入的關(guān)系，仿真時用一個四蹤示波器來分別觀察輸入信號，引腳1和2以及7408N的輸出。

圖4 過零電路仿真原理圖

圖5和圖6分別為過零電路的仿真結(jié)果圖和仿真的局部放大圖，圖中1是輸入信號，2是7408N的輸出，3是LM339的引腳1的輸出，4是引腳2的輸出。為了便于觀察對比，分別將引腳1、2的輸出下移了0.8和2.2個單位，比例設為20，也就是示波器的一個格代表20V，而輸入信號的比例為10，7408N的輸出比例為5。

圖5 仿真結(jié)果圖

圖6 過零局部放大圖

由圖5和圖6可以看出，該過零檢測電路可以實現(xiàn)交流信號的過零檢測，反應速度快，能夠檢測信號的快速過零，該檢測電路由于利用的是比較器的雙限比較，可以一定程度上防止信號的誤過零而導致的系統(tǒng)誤動作，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

5.實驗分析

根據(jù)過零檢測電路的原理圖和仿真原理圖搭建過零檢測電路的實驗平臺，結(jié)合實驗室現(xiàn)有的設備，輸入信號用調(diào)壓器調(diào)節(jié)一個8V的信號，用一個多輸出穩(wěn)壓器為LM339和7408N提供正負12V和5V的電壓，為保證7408N不被LM339的輸出燒壞，在7408N的輸入端做了一個5V和地的限幅電路，使其輸入變?yōu)?V和5V兩種狀態(tài)。該過零檢測電路的實驗波形圖如圖7和圖8所示。

圖7 過零檢測實驗波形圖

圖8 過零局部放大圖

由上面兩圖可以看出：該過零檢測電路在實驗時可以準確地檢測到交流信號的過零點，能夠?qū)嶒灧乐剐盘柕恼`過零而導致的誤動作;并且，從圖中可以看出，該過零檢測點路的過零點信號大概持續(xù)100μs，精度很高。

結(jié)論

本過零檢測電路方案是采用比較器LM339而設計的，從模擬仿真電路原理圖和構(gòu)建的試驗電路原理圖能夠看得出，該電路原理簡約，實用性強，同時還可看得出該過零檢測電路可以很好地實現(xiàn)交流電路的過零檢測，穩(wěn)定性強、可靠性高，并具備非常好的抗干擾性，能夠直接作為交流電路中CPU的過零信號。該電路不但不僅實現(xiàn)了交流信號的過零檢測，還為交-交變頻器自然換流運行方式的實現(xiàn)奠定了硬件方面的基礎。
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