基于LM339的過零檢測電路方案

由于交流電路過零檢測電路存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過零點(diǎn)檢測不準(zhǔn)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(duì)該設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)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(hào)。

1.引言

隨之電力電子器件在髙壓、大電流量等弱電應(yīng)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(jì)發(fā)展安全性地應(yīng)用元器件的關(guān)鍵。交-交變頻器及其無速度傳感器磁感應(yīng)電機(jī)等技術(shù)性在工業(yè)化生產(chǎn)中的運(yùn)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(shí)現(xiàn)，但由于在實(shí)際應(yīng)用中比較器容易受失調(diào)電壓、噪聲和諧波的影響，實(shí)際電壓的零點(diǎn)與所提取的零點(diǎn)會(huì)有較大地誤差，在實(shí)際應(yīng)用中電網(wǎng)電壓波動(dòng)、背景噪聲等因素都會(huì)引起輸入信號(hào)在過零點(diǎn)附近發(fā)生抖動(dòng)，導(dǎo)致多過零現(xiàn)象，造成實(shí)際基波零點(diǎn)和提取的零點(diǎn)誤差大。近些年一些學(xué)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(yàn)的硬件配置電路原理，但在主控芯片中，開展檢驗(yàn)和測算，給系統(tǒng)軟件的程序編寫和運(yùn)作增加了負(fù)擔(dān)，并危害了過零檢測的時(shí)序性。

基于目前現(xiàn)有的過零檢測電路存在的缺點(diǎn)和不足，經(jīng)分析研究，設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)用，可用于交-交變頻器以及無速度傳感器電動(dòng)機(jī)的過零檢測。

2.LM339優(yōu)勢(shì)

LM339是一種較為普通的四路差動(dòng)比較器，其內(nèi)部有四路集成比較器，每個(gè)比較器包含兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端中一個(gè)稱為同相輸入端（即為“+”），另一個(gè)稱為反相輸入端（即為“-”）。當(dāng)兩個(gè)電壓進(jìn)行比較時(shí)，任意一個(gè)輸入端加待比較的信號(hào)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(dāng)滿足兩個(gè)輸入端電壓差超過10mV時(shí)，即可保證輸出狀態(tài)發(fā)生改變。因此，把LM339用在弱信號(hào)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(diǎn)是：

1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV;

2）電源電壓范圍寬;

3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬;

4）共模范圍大，為0～（Ucc-1.4V）Vo;

5）差動(dòng)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(shè)計(jì)

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(zhǔn)確監(jiān)測并指示出信號(hào)的過零點(diǎn)所處的位置。通常把正弦信號(hào)與水平軸的交點(diǎn)作為信號(hào)的過零點(diǎn)，正弦信號(hào)周期內(nèi)有2個(gè)過零點(diǎn)，信號(hào)從負(fù)值通過零點(diǎn)到達(dá)正值稱為正向過零，對(duì)應(yīng)的過零時(shí)刻稱為正向過零點(diǎn);信號(hào)從正到負(fù)的過零則稱為負(fù)向過零，對(duì)應(yīng)的過零時(shí)刻稱為負(fù)向過零點(diǎn)。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(hào)，當(dāng)Vi由正電壓到達(dá)零點(diǎn)時(shí)，輸出信號(hào)Vo由5V變?yōu)?V，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的過零檢測。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，輸入信號(hào)往往不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，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(hào)，造成系統(tǒng)的誤動(dòng)作。

圖2 基本的過零比較器電路圖

3.2雙限比較電路的設(shè)計(jì)

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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(gè)比較器，為能讓其檢測比較交流信號(hào)，該比較器采用雙電源供電，Vi作為輸入信號(hào)，Vo為輸出信號(hào)，V2和V3分別為雙限比較器的基準(zhǔn)電壓的上限值和下限值;7408N為一個(gè)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(gè)周期內(nèi)，當(dāng)輸入信號(hào)Vi大于基準(zhǔn)電壓V2時(shí)，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(gè)信號(hào)經(jīng)過7408N與門之后，輸出低電平;當(dāng)輸入信號(hào)Vi小于基準(zhǔn)V2，而又大于基準(zhǔn)電壓V3時(shí)，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?，這樣兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過7408N之后，輸出就變成了高電平;當(dāng)輸入信號(hào)Vi小于基準(zhǔn)電壓V3時(shí)，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(gè)信號(hào)經(jīng)過7408N與門之后，輸出變?yōu)榈碗娖?當(dāng)輸入信號(hào)Vi大于基準(zhǔn)電壓V3，而又小于基準(zhǔn)V2時(shí)，比較器的1引腳的輸出變?yōu)楦唠娖?，?引腳的輸出不變，仍為高電平，這樣兩個(gè)信號(hào)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(shè)計(jì)所需的精確度的不同，調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓V2和V3的值，可達(dá)到設(shè)計(jì)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(diǎn)，搭建過零檢測電路的仿真模型。如圖4所示，交流信號(hào)輸入部分用的是幅值為8V，頻率為50Hz的交流電，LM339是用正負(fù)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(gè)12V的電源做上拉，為能方便觀察，對(duì)比輸出結(jié)果與輸入的關(guān)系，仿真時(shí)用一個(gè)四蹤示波器來分別觀察輸入信號(hào)，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(hào)，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(duì)比，分別將引腳1、2的輸出下移了0.8和2.2個(gè)單位，比例設(shè)為20，也就是示波器的一個(gè)格代表20V，而輸入信號(hào)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(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的過零檢測，反應(yīng)速度快，能夠檢測信號(hào)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(hào)的誤過零而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤動(dòng)作，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

5.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備，輸入信號(hào)用調(diào)壓器調(diào)節(jié)一個(gè)8V的信號(hào)，用一個(gè)多輸出穩(wěn)壓器為LM339和7408N提供正負(fù)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(gè)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(shí)驗(yàn)波形圖如圖7和圖8所示。

圖7 過零檢測實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)可以準(zhǔn)確地檢測到交流信號(hào)的過零點(diǎn)，能夠?qū)嶒?yàn)防止信號(hào)的誤過零而導(dǎo)致的誤動(dòng)作;并且，從圖中可以看出，該過零檢測點(diǎn)路的過零點(diǎn)信號(hào)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(shè)計(jì)的，從模擬仿真電路原理圖和構(gòu)建的試驗(yàn)電路原理圖能夠看得出，該電路原理簡約，實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)還可看得出該過零檢測電路可以很好地實(shí)現(xiàn)交流電路的過零檢測，穩(wěn)定性強(qiáng)、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(hào)。該電路不但不僅實(shí)現(xiàn)了交流信號(hào)的過零檢測，還為交-交變頻器自然換流運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)奠定了硬件方面的基礎(chǔ)。
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