什么是過零檢測(cè)器 過零檢測(cè)器的原理

一、什么是過零檢測(cè)器（ZCD）？

過零檢測(cè)器檢測(cè)輸入信號(hào)過零值或零電壓電平的次數(shù)。零檢測(cè)器基本上是一個(gè)比較器電路，將輸入的正弦信號(hào)或正弦波信號(hào)與零電壓電平進(jìn)行比較。

換句話說(shuō)，我們可以說(shuō)檢測(cè)到電壓從正電平變?yōu)樨?fù)電平，從負(fù)電平變?yōu)檎娖?。?dāng)輸入電壓越過零電平到高電平或高電平到零時(shí)，過零檢測(cè)器的輸出會(huì)發(fā)生變化。

過零檢測(cè)電路

過零檢測(cè)器將輸入信號(hào)與零參考電壓 (Vref ) 進(jìn)行比較。它通過從低切換到高來(lái)改變 +V sat 或 -Vsat 的輸出，反之亦然。當(dāng)輸入越過零參考電壓時(shí)。當(dāng)輸入電壓信號(hào)稍微高于或低于 0v 時(shí)，輸出會(huì)迅速變化。可以使用通用運(yùn)算放大器、使用光耦合器或使用晶體管來(lái)制作過零檢測(cè)器。

二、過零檢測(cè)器的原理

1、反相過零檢測(cè)電路

在反相過零檢測(cè)電路中，我們將零電壓基準(zhǔn)與同相輸入引腳連接，如下圖所示。

該電路代表使用 LM741 運(yùn)算放大器的過零檢測(cè)器電路。在這種配置中，我們將信號(hào)電壓施加到反相端子，將零電壓參考信號(hào)施加到同相輸入。2N2222 NPN 晶體管將電壓電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

反相過零檢測(cè)電路

仿真結(jié)果圖表示來(lái)自晶體管引腳的輸出信號(hào)。

在正弦波的正半周期內(nèi)，Vin - > Vin +（即接地），因此輸出將等于 -15 V，但晶體管將保持關(guān)閉，我們將在晶體管集電極端子處獲得數(shù)字高信號(hào)。

同樣，在從正周期轉(zhuǎn)換到負(fù)周期后，零參考電壓Vin+將變得大于負(fù)電壓信號(hào)，比較器輸出將變?yōu)?15V。

但它會(huì)打開晶體管。我們將在輸出端獲得數(shù)字低信號(hào)。

反相過零檢測(cè)電路仿真波形圖

2、同相過零檢測(cè)電路

除了輸入引腳與 Vin+ 和 Vin- 輸入信號(hào)的連接外，這種類型的工作方式完全相同。在同相過零檢測(cè)器中，輸入電壓加到同相端，反相端接地，使參考電壓為零。這是同相過零檢測(cè)的電路圖：

同相過零檢測(cè)電路

當(dāng)Vin+ 小于零參考電壓 Vin- 時(shí)，我們的輸出電壓等于 +15 V。

由于晶體管，我們?cè)诩姌O輸出端得到一個(gè)數(shù)字低或零電壓信號(hào)。晶體管導(dǎo)通并使集電極端子與地短路。

在 Vin+ 的正半周期內(nèi)，輸出將為數(shù)字高電平。因?yàn)?Vin+ 變得大于零參考電壓 Vin-。我們?cè)谳敵鲆_上得到 -15 V 電壓，晶體管保持關(guān)閉。

同相過零檢測(cè)電路

3、帶脈沖輸出的過零檢測(cè)電路

從上面的仿真結(jié)果可以清楚地看出，只要正弦波通過零參考電壓，兩個(gè)輸出信號(hào)就會(huì)從數(shù)字高電平變?yōu)榈碗娖交驈牡碗娖阶優(yōu)楦唠娖?。但在那之后，?shù)字要么保持?jǐn)?shù)字高，要么保持?jǐn)?shù)字低。

現(xiàn)在，當(dāng)正弦波從正周期變?yōu)樨?fù)周期或負(fù)周期變?yōu)檎芷跁r(shí)，如果你只想在短時(shí)間內(nèi)獲得脈沖，該怎么辦？該電路僅在周期轉(zhuǎn)換時(shí)提供輸出脈沖。

全橋電路將負(fù)半周期轉(zhuǎn)換為正半周期。

晶體管和電阻網(wǎng)絡(luò)用作上升沿檢測(cè)器。它將運(yùn)算放大器的輸出變?yōu)槊}動(dòng)輸出。

帶脈沖輸出的過零檢測(cè)電路

前面的例子和這個(gè)例子之間的唯一區(qū)別是邊緣檢測(cè)電路。我們使用LM358 運(yùn)算放大器作為比較器。當(dāng)我們想在任何微控制器上使用過零檢測(cè)器時(shí)，類似正方形的輸出對(duì)我們沒有好處。該脈沖輸出顯示從正周期到負(fù)周期的正弦波變化，反之亦然。

帶脈沖輸出的過零檢測(cè)電路

4、使用光耦合器進(jìn)行過零檢測(cè)

該電路在正弦波的每個(gè)零電壓參考上提供脈沖輸出， 4N25 光耦合器在兩個(gè)正周期期間保持開啟，因?yàn)槿珮螂娐穼⒇?fù)周期轉(zhuǎn)換為正周期。

當(dāng)光耦合器打開時(shí)，輸出將為零，因?yàn)檩敵鰧⑹菂⒖嫉亍?/p>

在正弦波過零時(shí)，光耦合器關(guān)閉，輸出端出現(xiàn) Vcc 幅度的脈沖。

使用光耦合器進(jìn)行過零檢測(cè)

三、過零檢測(cè)器作用

ZCD 作為相位計(jì)

ZCD 作為時(shí)間標(biāo)記生成器

交流電源控制器

感應(yīng)電機(jī)速度控制和軟啟動(dòng)器

使用 Arduino 等的晶閘管觸發(fā)角控制

編輯：黃飛