張衛豐1，張艷輝2，羅歡1

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

　　摘要：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。根據仿真設計參數，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，為各種電源及儀表系統交流電檢測提供了一種新嘗試。

　　關鍵詞：交流電檢測；過零檢測；集成運算放大器；差分運算放大電路

　　中圖分類號：TM911.23文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.011

　　引用格式：張衛豐，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.

0引言

　　*基金項目：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）; 深圳信息職業技術學院教研課題（2016jgyb03）目前不間斷電源、應急電源、高頻整流器、逆變器、變頻器、太陽能發電、風能發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，從而對電源進行精確控制［1 4］。現有方法中［5］，通常先通過變壓器降壓，再經過整流后分壓，最后由單片機對電壓信號進行采集，得到電壓檢測數據，另外再通過過零檢測電路得到過零檢測數據。然而由于該方法需要實現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，實現同時檢測交流信號的電壓、電壓頻率及過零點參數，價格低廉、簡單可靠、且易于實現。

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的，220 V交流電必須經過電壓衰減，降為弱小的電壓信號，然后經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經過4個電阻的分壓，在節點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。

　　1.2電路參數計算

　　實際應用中，節點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，因此，必須對電路進行等效分析，計算出合理的參數值，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，在節點A、B處電壓的疊加，利用疊加定理，可得：

　　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：

　　圖2中兩個集成運放電路均是差分運算放大電路，根據差分運算放大電路特性，則有：

　　合成電壓VO可看成VAO、VBO單獨作用于R15、R16串聯電路中點的電壓疊加，由疊加定理可得:

　　實際應用中，取R15=R16，則有:

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，根據上述原理分析及參數計算，電路模型關鍵參數選取如表1所示。

　　根據表1參數，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，其頻率為正弦交流電的2倍，幅值為5 V。將表1參數分別代入式(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，然后經過控制算法進行運算處理后，對電源系統進行精確控制，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。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、太陽能發電、風能發電、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。

參考文獻

　　［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.單相光伏并網逆變器電參數檢測系統研究［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.