提高過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)精度的方法

田萍果，畢雪芹

（1.西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，陜西 西安710025；2.西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安71003）

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)廣泛應(yīng)用于漏電檢測(cè)、開(kāi)關(guān)電路、電網(wǎng)工頻頻率和相位的測(cè)量以及諧波分析等各種應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，新的檢測(cè)方法不斷出現(xiàn)，但是由于種種原因引起的電網(wǎng)頻率的漂移，使得N個(gè)采樣點(diǎn)并非均勻地分布在一個(gè)整周波內(nèi)，從而使測(cè)量出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)精度不夠、可靠性不高。實(shí)驗(yàn)證明，采樣點(diǎn)不均勻、不對(duì)應(yīng)的問(wèn)題可以直接隨著信號(hào)過(guò)零檢測(cè)精度的提高而解決。本文針對(duì)運(yùn)放穩(wěn)定度不高、具有溫度漂移等問(wèn)題，提出提高過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)精度的方法—采用兩次放大，再送入專用過(guò)零比較器進(jìn)行比較。分析證明，過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間誤差由 7.899 μs[1]減小到了 6.423 μs，大大提高了過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的精度。

1 過(guò)零比較器的工作原理

過(guò)零比較器是一種用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)過(guò)零時(shí)刻的電路，即將信號(hào)與某一設(shè)定閾值比較，判斷信號(hào)距離零點(diǎn)的遠(yuǎn)近，從而撲捉信號(hào)過(guò)零點(diǎn)。具體檢測(cè)過(guò)程是，首先傳感器采集電壓電流信號(hào)，然后將其送入過(guò)零比較器中進(jìn)行比較判斷，最后輸出同周期的過(guò)零脈沖信號(hào)[2]。

常用的過(guò)零檢測(cè)方法原理圖如圖1所示。當(dāng)輸入信號(hào)電壓>0 V時(shí)，輸出正脈沖；當(dāng)輸入電壓<0 V時(shí)，輸出負(fù)脈沖。通過(guò)檢測(cè)輸出脈沖的跳變，即可檢測(cè)出輸入信號(hào)的電壓過(guò)零點(diǎn)，而輸出脈沖的上升沿和下降沿則分別反映了信號(hào)電壓的上升過(guò)零點(diǎn)和下降過(guò)零點(diǎn)[3]。

圖1 常用過(guò)零檢測(cè)原理圖Fig.1 General zero-crossing detection schematic

2 傳統(tǒng)電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路存在的問(wèn)題

根據(jù)上述過(guò)零檢測(cè)的原理，傳統(tǒng)的過(guò)零檢測(cè)電路如圖2所示，由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)、噪聲等因素，導(dǎo)致多過(guò)零現(xiàn)象和實(shí)際基波零點(diǎn)和提取的零點(diǎn)誤差較大[4-5]，電路中的運(yùn)算放大器產(chǎn)生了主要影響因素。

圖2 傳統(tǒng)過(guò)零檢測(cè)電路Fig.2 Traditional zero-crossing detection circuit

1)運(yùn)放構(gòu)成過(guò)零比較器存在相位誤差

運(yùn)放具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，但是由運(yùn)放構(gòu)成的過(guò)零比較器存在著相位誤差。為減小相位誤差，可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，其中因放大造成的波峰、波谷失真對(duì)于過(guò)零檢測(cè)不構(gòu)成影響。

2)運(yùn)放自身穩(wěn)定性

溫度漂移，輸入失調(diào)等影響運(yùn)放性能穩(wěn)定的因素也會(huì)造成過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)精度下降。此外選擇運(yùn)放時(shí)還應(yīng)考慮到高速轉(zhuǎn)換速率[6]。

3 方案的提出

出于經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的角度考慮，采用了運(yùn)放構(gòu)成兩次放大，再進(jìn)行比較。圖3所示為改進(jìn)的過(guò)零檢測(cè)電路。

圖3 改進(jìn)的過(guò)零檢測(cè)電路Fig.3 Improved zero-crossing detection circuit

1）限幅電路

由電阻R2、二極管D1、D2組成，限幅電路所起的作用有兩個(gè)方面：一是保護(hù)作用，防止因差模電壓過(guò)大而損壞運(yùn)放；二是減小輸入電壓使正負(fù)電源電壓在有限的供電范圍內(nèi)輸出電壓均不會(huì)失真，這里，信號(hào)頂部和底部被截不影響過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)。

2）兩級(jí)運(yùn)放放大電路

使用LF353運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)的兩級(jí)放大，每級(jí)放大倍數(shù)約為100，即進(jìn)行了10 000倍放大，LF353具有增益高，共模抑制比高，工作穩(wěn)定，補(bǔ)償簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。如圖4中t1為采用普通過(guò)零檢測(cè)由放大器死區(qū)帶來(lái)的誤差，t2為信號(hào)進(jìn)行10 000倍放大后，由放大器死區(qū)帶來(lái)的誤差，在運(yùn)放死區(qū)電壓幅值Δx相等且不改變?cè)夹盘?hào)頻率的的情況下，加大信號(hào)上升沿的斜率，顯然使放大10 000倍后的信號(hào)波形所對(duì)應(yīng)的誤差t2要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)對(duì)應(yīng)的誤差t1，將有利于電路對(duì)于過(guò)零點(diǎn)的判定精確度。

圖4 改進(jìn)的過(guò)零檢測(cè)作用示意圖Fig.4 Improved zero-crossing detection function diagram

3）專用過(guò)零比較電路

LM311組成的過(guò)零比較電路如圖3所示，放大電路的輸出送入過(guò)零比較器中。在過(guò)零檢測(cè)中，判斷過(guò)零的閾值取得越小，則過(guò)零信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻與過(guò)零點(diǎn)越吻合。這就對(duì)響應(yīng)速度、精度、功耗、輸入失調(diào)電壓等性能指標(biāo)提出了很高的要求，為滿足這些要求，本設(shè)計(jì)選用了LM311，該器件具有以下特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)增益低，失調(diào)電壓小，功耗小，高性價(jià)比；可接受較大的差分輸入信號(hào)；響應(yīng)速度快，僅為200 ns，傳輸延遲時(shí)間短，因而可以有效地提高過(guò)零檢測(cè)的精度。

4 仿真結(jié)果

通過(guò)Multisim仿真得到如圖5所示的仿真結(jié)果。波形1為原始市電信號(hào)，波形2為過(guò)零比較后的輸出，波形1由于加大了示波器分辨率后，正弦波近似顯示為一條直線，經(jīng)過(guò)兩個(gè)時(shí)間滑頭T2和T1測(cè)量波形2的沿跳變時(shí)間T2-T1，得到6.423 μs的時(shí)間誤差，提供了更準(zhǔn)確的過(guò)零檢測(cè)精度。

圖5 改進(jìn)的過(guò)零檢測(cè)電路仿真結(jié)果Fig.5 Improved zero-crossing detection circuit simulation result

5 結(jié)論

介紹了基本過(guò)零檢測(cè)的原理，提出了針對(duì)過(guò)零檢測(cè)運(yùn)放所存在的問(wèn)題，并提出了先兩次放大再進(jìn)行過(guò)零比較的新過(guò)零檢測(cè)方法，其中過(guò)零比較采用特性良好的專用過(guò)零比較器，經(jīng)仿真說(shuō)明，其過(guò)零比較輸出的脈沖沿跳變時(shí)間減小到6.423 μs，很大地提高了過(guò)零檢測(cè)的時(shí)間跟蹤精確度。

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