提高過零點檢測精度的方法

田萍果，畢雪芹

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

過零點檢測廣泛應用于漏電檢測、開關(guān)電路、電網(wǎng)工頻頻率和相位的測量以及諧波分析等各種應用，隨著技術(shù)的發(fā)展，新的檢測方法不斷出現(xiàn)，但是由于種種原因引起的電網(wǎng)頻率的漂移，使得N個采樣點并非均勻地分布在一個整周波內(nèi)，從而使測量出現(xiàn)誤差，導致整個系統(tǒng)精度不夠、可靠性不高。實驗證明，采樣點不均勻、不對應的問題可以直接隨著信號過零檢測精度的提高而解決。本文針對運放穩(wěn)定度不高、具有溫度漂移等問題，提出提高過零點檢測精度的方法—采用兩次放大，再送入專用過零比較器進行比較。分析證明，過零點的時間誤差由 7.899 μs[1]減小到了 6.423 μs，大大提高了過零點檢測的精度。

1 過零比較器的工作原理

過零比較器是一種用來檢測輸入信號過零時刻的電路，即將信號與某一設定閾值比較，判斷信號距離零點的遠近，從而撲捉信號過零點。具體檢測過程是，首先傳感器采集電壓電流信號，然后將其送入過零比較器中進行比較判斷，最后輸出同周期的過零脈沖信號[2]。

常用的過零檢測方法原理圖如圖1所示。當輸入信號電壓>0 V時，輸出正脈沖；當輸入電壓<0 V時，輸出負脈沖。通過檢測輸出脈沖的跳變，即可檢測出輸入信號的電壓過零點，而輸出脈沖的上升沿和下降沿則分別反映了信號電壓的上升過零點和下降過零點[3]。

圖1 常用過零檢測原理圖Fig.1 General zero-crossing detection schematic

2 傳統(tǒng)電壓過零點檢測電路存在的問題

根據(jù)上述過零檢測的原理，傳統(tǒng)的過零檢測電路如圖2所示，由于電網(wǎng)電壓波動、噪聲等因素，導致多過零現(xiàn)象和實際基波零點和提取的零點誤差較大[4-5]，電路中的運算放大器產(chǎn)生了主要影響因素。

圖2 傳統(tǒng)過零檢測電路Fig.2 Traditional zero-crossing detection circuit

1)運放構(gòu)成過零比較器存在相位誤差

運放具有價格低廉的優(yōu)勢，但是由運放構(gòu)成的過零比較器存在著相位誤差。為減小相位誤差，可以對輸入信號進行放大，其中因放大造成的波峰、波谷失真對于過零檢測不構(gòu)成影響。

2)運放自身穩(wěn)定性

溫度漂移，輸入失調(diào)等影響運放性能穩(wěn)定的因素也會造成過零點檢測精度下降。此外選擇運放時還應考慮到高速轉(zhuǎn)換速率[6]。

3 方案的提出

出于經(jīng)濟簡單的角度考慮，采用了運放構(gòu)成兩次放大，再進行比較。圖3所示為改進的過零檢測電路。

圖3 改進的過零檢測電路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方面：一是保護作用，防止因差模電壓過大而損壞運放；二是減小輸入電壓使正負電源電壓在有限的供電范圍內(nèi)輸出電壓均不會失真，這里，信號頂部和底部被截不影響過零點的檢測。

2）兩級運放放大電路

使用LF353運算放大器進行信號的兩級放大，每級放大倍數(shù)約為100，即進行了10 000倍放大，LF353具有增益高，共模抑制比高，工作穩(wěn)定，補償簡單等特點。如圖4中t1為采用普通過零檢測由放大器死區(qū)帶來的誤差，t2為信號進行10 000倍放大后，由放大器死區(qū)帶來的誤差，在運放死區(qū)電壓幅值Δx相等且不改變原始信號頻率的的情況下，加大信號上升沿的斜率，顯然使放大10 000倍后的信號波形所對應的誤差t2要遠遠小于未經(jīng)過放大的信號對應的誤差t1，將有利于電路對于過零點的判定精確度。

圖4 改進的過零檢測作用示意圖Fig.4 Improved zero-crossing detection function diagram

3）專用過零比較電路

LM311組成的過零比較電路如圖3所示，放大電路的輸出送入過零比較器中。在過零檢測中，判斷過零的閾值取得越小，則過零信號產(chǎn)生的時刻與過零點越吻合。這就對響應速度、精度、功耗、輸入失調(diào)電壓等性能指標提出了很高的要求，為滿足這些要求，本設計選用了LM311，該器件具有以下特點：開環(huán)增益低，失調(diào)電壓小，功耗小，高性價比；可接受較大的差分輸入信號；響應速度快，僅為200 ns，傳輸延遲時間短，因而可以有效地提高過零檢測的精度。

4 仿真結(jié)果

通過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，波形2為過零比較后的輸出，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)過兩個時間滑頭T2和T1測量波形2的沿跳變時間T2-T1，得到6.423 μs的時間誤差，提供了更準確的過零檢測精度。

圖5 改進的過零檢測電路仿真結(jié)果Fig.5 Improved zero-crossing detection circuit simulation result

5 結(jié)論

介紹了基本過零檢測的原理，提出了針對過零檢測運放所存在的問題，并提出了先兩次放大再進行過零比較的新過零檢測方法，其中過零比較采用特性良好的專用過零比較器，經(jīng)仿真說明，其過零比較輸出的脈沖沿跳變時間減小到6.423 μs，很大地提高了過零檢測的時間跟蹤精確度。

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