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構復雜、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的硬件結構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域，怎樣減少元器件的開關損耗，以保證其處在安全生產工作區，是經濟發展安全性地應用元器件的關鍵。交-交變頻器及其無速度傳感器磁感應電機等技術性在工業化生產中的運用，促使交流電路過零無損檢測技術的精確性和可信性越來越尤其重要。傳統的交流調速系統的過零檢測往往采用硬件過零比較器來實現，但由于在實際應用中比較器容易受失調電壓、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生抖動，導致多過零現象，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。

基于目前現有的過零檢測電路存在的缺點和不足，經分析研究，設計了一種新的過零檢測電路，該電路結構簡單、安全可靠，經濟實用，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優勢

LM339是一種較為普通的四路差動比較器，其內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，即可保證輸出狀態發生改變。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比較器構成的過零檢測電路

過零檢測技術是指利用電路準確監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變為0V，從而實現信號的過零檢測。但在生產實踐中，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出誤信號，造成系統的誤動作。

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，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引腳的輸出也變為高電平，這樣兩個信號經過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引腳輸出變為低電平，而2引腳的輸出不變，仍為高電平，兩個信號經過7408N與門之后，輸出變為低電平;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引腳的輸出變為高電平，而2引腳的輸出不變，仍為高電平，這樣兩個信號經過7408N之后，輸出就變成了高電平。

該過零檢測電路可根據設計所需的精確度的不同，調節基準電壓V2和V3的值，可達到設計的要求。

4.過零電路仿真

根據過零檢測原理，利用仿真軟件Mulisim操作方便、仿真快捷的優點，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，對比輸出結果與輸入的關系，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誤動作，從而提高系統的可靠性。

5.實驗分析

根據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，結合實驗室現有的設備，輸入信號用調壓器調節一個8V的信號，用一個多輸出穩壓器為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，使其輸入變為0V和5V兩種狀態。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，能夠實驗防止信號的誤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100μs，精度很高。

結論

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交流電路的過零檢測，穩定性強、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奠定了硬件方面的基礎。
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