一种简易的交流电压检测电路*

张卫丰，张艳辉，罗 欢

(1.深圳信息职业技术学院，广东 深圳 518172；2. 中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057)

一种简易的交流电压检测电路*

张卫丰1，张艳辉2，罗 欢1

(1.深圳信息职业技术学院，广东 深圳 518172；2. 中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057)

提出了一种基于集成运放的交流检测电路，该电路由电压衰减电路、差分运算放大及合成电路、电压过零检测及频率检测电路等组成。通过理论推导，给出了电路关键点参数的计算公式，并用Multisim软件对电路进行了仿真，仿真结果与理论计算值一致。根据仿真设计参数，搭建了实验电路。实验结果表明，实际检测电压为3.4 V，电压过零检测信号为5 V方波，频率为100 Hz，与理论计算及仿真结果一致，验证了所设计电路的可行性。电路简单可靠，易于实现，为各种电源及仪表系统交流电检测提供了一种新尝试。

交流电检测；过零检测；集成运算放大器；差分运算放大电路

0 引言

目前不间断电源、应急电源、高频整流器、逆变器、变频器、太阳能发电、风能发电等领域都要对交流电信号进行检测，以获取电压大小、频率和过零检测等参数，从而对电源进行精确控制[1-4]。现有方法中[5]，通常先通过变压器降压，再经过整流后分压，最后由单片机对电压信号进行采集，得到电压检测数据，另外再通过过零检测电路得到过零检测数据。然而由于该方法需要实现电压检测和过零检测两个电路，且需要变压器等器件，设计复杂，成本较高。

基于此，文中提出一种基于集成运放的交流电压检测电路，通过简单的分立器件和常用的集成运放器件，实现同时检测交流信号的电压、电压频率及过零点参数，价格低廉、简单可靠、且易于实现。

1 电路组成及原理

交流电压检测包括电压大小、频率及过零点检测等，检测到的信号要通过处理器计算处理，对电源系统进行精确控制。以市电为例，其有效值为220 V，峰值为310 V左右，如图1所示。但实际单片机控制芯片均为低压器件，所以检测电路应包括电压衰减电路、运算放大及合成电路、过零及频率检测电路等，具体电路如图2所示。

1.1 电路原理分析

交流电检测是通过弱电控制芯片来实现的，220 V交流电必须经过电压衰减，降为弱小的电压信号，然后经过集成运放电路进行信号放大合成，才能被单片机等控制芯片可靠接收，并对整个系统进行可靠控制。

如图2所示，电压衰减电路由R1、R3、R5、R6及直流偏置电压源组成，市电V1经过4个电阻的分压，在节点A、B处获得毫伏级的弱电电压信号。此弱电信号作为集成运算放大器的输入信号，再进行比例放大。为减少实际应用中供电电源的数量，集成运放采用单电源供电，则一个运算放大电路只能输出交流电的正向电压，为能全部还原输出交流电信号，须用另一个集成运放，且运放输入端口信号反接，则能将交流电的负半周电压转化为正电压输出。两个运算放大电路输出的电压信号VAO、VBO经过两个电阻连接在一起，进行交流电压信号合成，输出信号为VO，此信号可以直接接入单片机或DSP等控制器进行后续运算和控制处理。两路运放输出的任一路信号，均可作为过零及频率检测电路的输入，文中以负电压输出作为过零及频率检测电路的输入，则在交流电的正半周，此运放输出为零电压，开关三极管Q1不导通，Vzero输出为高电平，当交流电正向电压降到零，负电压开始增大时，运放输出电压开始增大，触发开关三极管Q1导通，Vzero输出为低电平，当交流电不断变换时，Vzero即为高低电平的脉冲信号，高低电平的脉冲沿即为过零点，而脉冲信号的周期即为交流电信号的周期，从而可以通过单片机或DSP捕捉Vzero信号，通过计算处理后，可得到交流信号的过零点和频率参数。

1.2 电路参数计算

实际应用中，节点A、B处的电压VAB、运放输出电压VAO、VBO、合成电压VO、过零检测信号Vzero等是关键参数，因此，必须对电路进行等效分析，计算出合理的参数值，才能保证检测电路可靠运行。

电压衰减电路，相当于两个电压源单独作用时，在节点A、B处电压的叠加，利用叠加定理，可得：

(1)

式中，V1为检测的交流电压，实际应用中，一般取R5=R6，R1=R3，则有：

③在a的盖玻片一侧滴加1滴pH为4.4的酸雨模拟液，用吸水纸在对侧吸引，3 min后拍照记录。然后用红墨水染色，观察细胞核着色情况，3min后再拍照记录。

(2)

图2中两个集成运放电路均是差分运算放大电路，根据差分运算放大电路特性，则有：

(3)

(4)

合成电压VO可看成VAO、VBO单独作用于R15、R16串联电路中点的电压叠加，由叠加定理可得:

(5)

实际应用中，取R15=R16，则有:

(6)

2 仿真与实验

在Multisim软件中，基于图2市电检测电路建立了仿真模型。实际应用中，市电的检测以220 V为中心，存在正负20%的波动，要使检测到的参数值能很好地被单片机或DSP等控制芯片捕获，一般要求合成的检测电压范围在5 V以内。因此，根据上述原理分析及参数计算，电路模型关键参数选取如表1所示。

根据表1参数，在Multisim软件中对图2电路进行了仿真。

图3给出了市电电压波形和衰减后的信号波形。由图可知，220 V市电，峰值电压为310 V左右，衰减后的电压峰值为200 mV左右。将表1参数值代入式(2)，可得衰减后的信号峰值为200 mV，仿真结果与理论计算一致。

图4给出了差分运算电路输出波形、电压合成波形和过零电压侦测波形。由图可知，市电正半周，差分运放电路的输出VAO为正弦半波，峰值为6.7 V，VBO输出为零；市电负半周，差分运放电路的输出VBO为正弦半波，峰值为6.7 V，VAO输出为零；合成电压波形为正弦半波，正负半周均为正，峰值为3.35 V；过零检测信号Vzero在正弦交流电压的过零处触发，其频率为正弦交流电的2倍，幅值为5 V。将表1参数分别代入式(3)、式(4)和式(6)，可得VAO、VBO峰值均为6.76 V，VO峰值为3.38 V。由此可知，仿真与理论计算是一致的。

为了验证实际电路的工作效果，基于表1参数搭建了实验电路。实验波形如图5所示。图中，1通道为合成电压波形，2通道为过零检测信号。由图可知，合成信号为正弦半波波形，幅值为3.4 V左右；过零侦测信号为5 V左右的方波，且均在交流电压正负半周过零时触发电路电平转换，频率为100 Hz。实验结果与仿真及理论计算一致。

合成电压和过零检测信号最终将会连接到单片机或DSP控制芯片的A/D口，然后经过控制算法进行运算处理后，对电源系统进行精确控制，通过仿真及实验可知，合

成电压及过零检测信号均为正，且在5 V范围之内，适合控制芯片A/D采样，方便了控制系统的设计。

3 结论

文中提出了一种基于集成运放器件的交流电检测电路。电路由简单分立电阻、集成运放、三极管等器件组成，价格低廉，电路简单可靠，且易于实现。实验结果与理论分析及仿真结果一致，验证了所设计电路的可行性，为不间断电源、应急电源、高频整流器、逆变器、变频器、太阳能发电、风能发电、电测仪表等领域用交流电检测提供了一种简易可行的方案。

[1] 祝龙记,刘晖.三相UPS电源锁相与换相技术的研究[J]. 安徽理工大学学报，2007，27(4)：29-32.

[2] 薛家祥，沈栋，张思章，等.单相光伏并网逆变器电参数检测系统研究[J].可再生能源,2012,30(11)：24-29.

[3] 姚正武.晶闸管变流设备电源精确过零检测技术[J].电子器件，2014,37(6):1256-1260.

[4] 姚伟鹏.一种新型交流电检测电路的设计[J].数字技术与应用，2015(10):71.

[5] 任宏斌，冷建伟.基于STM32 的交流电压检测[J].电子设计工程，2016,24(13):133-135.

A simple AC voltage detection circuit

Zhang Weifeng1, Zhang Yanhui2, Luo Huan1

(1.Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518172, China；2. ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

A novel AC voltage detection circuit based on integrated operational amplifier is proposed. The circuit consists of a voltage decay circuit, a differential operation amplifier, a synthetic circuit, a voltage zero crossing detection circuit and a frequency detection circuit. The key parameters are derived through theoretical analysis. Then, the circuit is simulated with Multisim. The simulation results are in agreement with the theoretical calculation. According to the design parameter of the simulation, experimental circuit is built. The experimental results show that the detected voltage is 3.4 V, voltage zero crossing detection signal is 5 V square wave and the frequency is 100 Hz. These results are in agreement with the theoretical calculation and the simulation, which validate the proposed circuit. The new circuit is simple, reliable and easy to implement, which provides a new way for application of AC voltage detection in power and instrumentation systems.

AC voltage detection; voltage zero crossing detection; integrated operational amplifier; differential operational amplifier circuit

广东省自然科学基金博士启动项目(S2012040007242)；深圳市科技计划项目(JCYJ20160527101807403,JCYJ20140418100633638); 深圳信息职业技术学院教研课题(2016jgyb03)

TM911.23

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.011

张卫丰，张艳辉，罗欢.一种简易的交流电压检测电路[J].微型机与应用，2017,36(5)：32-34.

2016-11-01)

张卫丰(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向：新型电源技术，马达控制及其功率变换技术。

张艳辉(1979-)，女，硕士，工程师，主要研究方向：电路与系统。

罗欢(1980-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：计算机控制技术。