CN104991111B

CN104991111B - 一种大量程交流信号过零检测方法及装置

Info

Publication number: CN104991111B
Application number: CN201510375119.1A
Authority: CN
Inventors: 程森林; 何强志; 王川; 靳双; 杨发如
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing Hengrui Jinding Induction Technology Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: CN104991111A

Abstract

本发明涉及一种大量程交流信号过零检测方法及装置，属于电子技术领域。大量程交流信号过零检测装置具体包括整流单元，变换单元，放大单元，比较单元和输出单元；并针对电流型检测和电压型检测设计了不同的变换单元和放大单元；本发明所设计的变换单元可以用于实现大量程范围的电压过零检测。本发明提供的一种大量程交流信号过零检测方法及装置，没有采用降压电路或稳压限幅电路，而是直接对高压信号进行处理，减小本底噪声或电压门限对检测精度的影响，并且能够同时实现大信号和小信号的过零检测，精度较高，具有广泛的实用价值。

Description

一种大量程交流信号过零检测方法及装置

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种大量程交流信号过零检测方法及装置。

背景技术

过零检测指的是交流信号正负半周转换时刻的检测。在实际的应用中，检测电路中处理的输入信号幅值范围是在一个比较小的范围内的，如1～5V，而实际输入信号的幅值变化范围大。对幅值小的信号，需要先进行放大处理，对幅值大的信号则要先进行降压转换。

在实际的应用中，如在系统启动的时候，信号的幅值比较小(常在微伏级)，而正常工作时，信号的幅值比较大(可达数百伏)。如无刷直流电机的启动，中频感应加热电源的启动等，要同时解决大信号和小信号的过零检测精度，需要特殊的处理电路才能实现。

由于电路的本底噪声，当输入信号小到一个门限V_Z后，输出的就是随机干扰信号，这时过零检测的输出是没有意义的。另外若输入信号带有高频干扰信号，在过零检测时应把这些干扰去掉以后输出。

现有的过零检测方法采用以下几种技术方案：

(1)降压电路

把高电压信号降压处理是一种典型的处理方式，设输入为Asin(wt)，降压比例为k。电路的本底噪声N(t)，则处理电路的输出Y(t)为：

本底噪声的幅值为V_Z，过零检测的输出为：

Y(t)的值从0到V_Z间这段时间就是过零检测的误差。对应的时间差为

从这个表达式可以看出，由于降压了k倍，误差角度从arcsin(V_Z/A)变化到arcsin(kV_Z/A)，增加了近k倍，影响了检测精度。

(2)光隔限流电路

通过限流电路，限制流过光电隔离器件电流，保证在高电压的时候流过光电隔离器件的电流仍在允许范围，从而实现高电压信号的检测。因为电路结果简单、成本低，这类电路也是目前过零检测电路中用得较为普遍的一种电路。

设输入限流电阻为R，光电隔离器件的最小导通电流为I_ON，则过零检测的输出为：

若光电隔离器件的最大允许导通电流为I_MAX，则R＝A/I_MAX。光隔电流从0到I_ON间这段时间就是过零检测的误差。对应的时间差为

一般I_ON为I_MAX的1/10～1/100，因此这个检测误差是比较大的。使这类电路往往只能用在精度要求不高的应用场合。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大量程交流信号过零检测方法及装置，能够同时实现大信号和小信号的过零检测，且检测误差较小，具有较好实用价值。

本发明的目的之一是提供一种大量程交流信号过零检测方法，本发明的目的之二是提供一种大量程交流信号过零检测装置。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

一种大量程交流信号过零检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1)对输入的交流检测信号进行整流，将交流信号变为直流信号；

步骤2)整流单元输出信号经变换单元处理，当变换单元的输入信号小于设定值时，则变换单元的输出信号跟随输入信号，当变换单元输入信号大于设定值时，变换单元输出信号等于设定值；电流型检测时，所述变换单元用于保证实际输出电流值I≤I_out，电压型检测时，所述变换单元用于保证实际输出电压值V<V_in；I_out和V_in为设定值；

步骤3)对变换单元的输出信号进行放大；

步骤4)设置比较器门限对信号进行滤波，滤除高频干扰，进而输出检测信号脉冲。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

一种大量程交流信号过零检测装置，所述装置包括整流单元，变换单元，放大单元，比较单元和输出单元；交流检测信号依次经整流单元，变换单元，放大单元，比较单元和输出单元后，输出检测信号脉冲；所述整流单元用于对交流检测信号进行整流，将交流信号变为直流信号；所述变换单元为电流型变换单元或电压型变换单元，用于保证变换输出信号值小于设定值；所述放大单元为电流型放大单元或电压型放大单元，用于对变换单元的输出信号进行放大；所述比较单元为电流型比较单元或电压型比较单元，用于滤除高频干扰；所述输出单元的作用是当比较单元响应时，输出检测信号脉冲。

进一步，所述整流单元包括两个整流二极管D₁、D₂；两个二极管D₁、D₂构成半桥整流电路，第一整流二极管D₁正极接检测信号的输入端A，第一整流二极管D₁负极与第二整流二极管D₂的负极相连；第二整流二极管D₂正极接检测信号的另一输入端B。

进一步，所述电流型变换单元包括恒流二极管D₃和取样电阻R₆；恒流二极管D₃正极分别与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，恒流二极管D₃负极分别于与电流型放大单元中运算放大器U₁正相输入端及取样电阻R₆相连，取样电阻R₆的另一端分别与第二整流二极管D₂的正极及检测信号的输入端B相连。

进一步，所述电流型放大单元包括运算放大器U₁、电阻R₁、电阻R₂，运算放大器U₁正相输入端与变换单元恒流二极管D₃负极相连，运算放大器U₁反相输入端分别与电阻R₁和电阻R₂相连，运算放大器U₁输出端分别与比较器U₂反相输入端及电阻R₁的另一端相连；电阻R₂的另一端与检测信号的输入端B相连并接地。

进一步，所述电流型比较单元包括比较器U₂、电阻R₃、电阻R₄、电源VCC；比较器U₂反相输入端与运算放大器U₁输出端相连，比较器U₂同相输入端分别于电阻R₃及电阻R₄相连；电阻R₃的另一端连接电源VCC；电阻R₄的另一端与检测信号的输入端B相连并接地；所述电阻R₃和电阻R₄用于设置门限电压V_L。

进一步，所述电压型变换单元包括限流电阻R₁₁和稳压管Z₁；限流电阻R₁₁分别与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，限流电阻R₁₁的另一端分别与稳压管Z₁正极及电压型放大单元中三极管T₁基级相连，稳压管Z₁负极分别与第二整流二极管D₂正极及检测信号的输入端B相连。

进一步，所述电压型放大单元包括三极管T₁，电阻R₁₂、电阻R₁₃；三级管T₁集电极与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，三极管T₁基级分别与限流电阻R₁₁及稳压管Z₁正极相连，三极管T₁射级与电阻R₁₂相连；电阻R₁₂的另一端分别与比较器U₃反相输入端相连和电阻R₁₃相连；电阻R₁₃的另一端与检测信号的另一输入端B相连。

进一步，所述电压型比较单元包括比较器U₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅、电源VCC；电源VCC连接到电阻R₁₄的一端，电阻R₁₄的另一端分别连接到比较器U₃正相输入端和电阻R₁₅的一端；电阻R₁₅的另一端接地；所述电阻R₁₄和电阻R₁₅用于设置门限电压V_L。

进一步，所述输出单元包括比较器U₂输出端或比较器U₃输出端、电阻R₅或电阻R₁₆、电源VCC和输出端口OUT；电源VCC连接到电阻R₅或电阻R₁₆的一端，电阻R₅或电阻R₁₆的另一端与比较器U₂输出端或比较器U₃输出端相连，比较器U₂输出端或比较器U₃输出端与输出端口OUT连接。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种大量程交流信号过零检测方法及装置，能够实现大信号和小信号的过零检测，精度较高，具有广泛的实用价值。本发明没有采用降压电路，直接对高压信号进行处理，减小本底噪声或电压门限对检测精度的影响；针对电流型检测电路，采用恒流输出的预处理电路，只要有正向电压，就会有电流输出，电流的大小不受正向电压大小的影响；针对电压型检测电路，采用限幅放大电路，信号输入幅值小时，输出跟随输入，信号输入幅值变大后，输出限制在一个设定值，使过零检测电路即使在大信号输入的时候，也具有小信号输入时高分辨率的检测效果；并设计了带过零门限的比较电路，滤除高频干扰，以干扰的幅值为门限，输入信号超过这个门限值时才输出有效信号，该电路没有时延，不受输入信号频率大小的影响。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述装置的框图；

图2为变换单元中的输入输出关系图；

图3为带比较器的门限滤波原理；

图4为电流型过零检测电路；

图5为电流型过零检测时序图；

图6为电压型过零检测电路。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种矩形波信号过零点的识别方法，具体包括以下步骤：

步骤1)对输入的交流检测信号进行整流，将交流信号变为直流信号，方便检测。

步骤2)变换单元输出信号经变换单元处理，当变换单元的输入信号小于设定值时，则变换单元的输出信号跟随输入信号，当变换单元输入信号大于设定值时，变换单元输出信号等于设定值；电流型检测时，所述变换单元用于保证实际输出电流值I≤I_out，电压型检测时，所述变换单元用于保证实际输出电压值V<V_in；I_out和V_in为设定值。

当信号幅值较大时，信号不过零，可以对信号进行处理。当信号幅值较小时，信号在过零点附近，不对信号进行处理，所以采取上述方法并不会影响过零点的检测。

步骤3)对变换单元的输出信号进行放大。

本发明提供的一种矩形波信号过零点的识别装置，如图1所示，该装置包括整流单元，变换单元，放大单元，比较单元和输出单元；交流检测信号依次经整流单元，变换单元，放大单元，比较单元和输出单元后，输出检测信号脉冲。

整流单元用于对交流检测信号进行整流，将交流信号变为直流信号，方便检测。

变换单元为电流型变换单元或电压型变换单元，用于保证变换输出信号值小于设定值。

在针对电流型检测时，变换单元保证电流大小不受正向电压大小的影响，在大电压输入时能够有稳定的电流输出，在小电压输入时，输出不受影响；在针对电压型检测时，变换单元保证能够实现大量程范围的电压过零检测，在大电压输入时，能够起到限幅稳压的作用，在小电压输入时有可靠的输出。无论针对电流型还是电压型，保证输入输出关系如图2所示。在输入较小时，输出跟随输入，在输入较大时，有稳定输出。当实际输入电压V<V_in时，经变换单元后的电流输出值为I，当V≥V_in时，经变换单元后的电流输出值为I_out。

放大单元为电流型放大单元或电压型放大单元，用于对变换单元的输出信号进行放大。将变换单元的小信号输出进行放大，利于实现检测。当输入较小时，输出较小。为了兼顾在大小信号输出时均能实现检测并保证检测灵敏度，需要将输出小信号先放大再检测，在大信号输出时放大后保证能够安全工作。

比较单元为电流型比较单元或电压型比较单元，用于滤除高频干扰。通过设置比较门限滤除高频干扰。比较器门限滤波原理如图3所示。

输出单元的作用是当比较单元响应时，输出检测信号脉冲，供其他单元使用。

电流型过零检测电路

电流型过零检测实现电路，如图4所示，整流单元，电流型变换单元，电流型放大单元，电流型比较单元和输出单元。

整流单元包括两个整流二极管D₁、D₂；两个二极管D₁、D₂构成半桥整流电路，第一整流二极管D₁正极接检测信号的输入端A，第一整流二极管D₁负极与第二整流二极管D₂的负极相连；第二整流二极管D₂正极接检测信号的另一输入端B。

电流型变换单元包括恒流二极管D₃和取样电阻R₆；恒流二极管D₃正极分别与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，恒流二极管D₃负极分别于与电流型放大单元中运算放大器U₁正相输入端及取样电阻R₆相连，取样电阻R₆的另一端分别与第二整流二极管D₂的正极及检测信号的输入端B相连。

电流型放大单元包括运算放大器U₁、电阻R₁、电阻R₂，运算放大器U₁正相输入端与变换单元恒流二极管D₃负极相连，运算放大器U₁反相输入端分别与电阻R₁和电阻R₂相连，运算放大器U₁输出端分别与比较器U₂反相输入端及电阻R₁的另一端相连；电阻R₂的另一端与检测信号的输入端B相连并接地。

电流型比较单元包括比较器U₂、电阻R₃、电阻R₄、电源VCC；比较器U₂反相输入端与运算放大器U₁输出端相连，比较器U₂同相输入端分别于电阻R₃及电阻R₄相连；电阻R₃的另一端连接电源VCC；电阻R₄的另一端与检测信号的输入端B相连并接地；所述电阻R₃和电阻R₄用于设置门限电压V_L。

输出单元包括比较器U₂输出端、电阻R₅、电源VCC和输出端口OUT；电源VCC连接到电阻R₅的一端，电阻R₅的另一端与比较器U₂输出端相连，比较器U₂输出端与输出端口OUT连接。

工作原理分析：首先输入交流电压U_AB经过经过半桥整流后保留正半部分后再加载到恒流二极管D₃上，由恒流二极管特性可知，其输入输出满足图2所示关系要求，在小电压输入时，输出电流跟随输入变化，输入电压增大，输出电流增大；当输入电压增加到一定值时，输出电流恒定，不再跟随输入变化。由此实现大量程范围内的过零检测，保证输出电流不受到输入的大电压的影响。

为了保证在D₃输出电流较小时的检测灵敏度，需要将小电流信号放大，通过取样电阻R₆得放大器U₁的正相输入端电压V_n＝IR₆，根据虚短虚断知V_n＝V_p。则有：

式(1)化简得：

放大倍数通过调整电阻R₁、电阻R₂的阻值可以设置不同放大倍数。

放大器U₁输出电压V_o输入到比较器U₂的反相输入端，与比较器U₂的正相输入端的门限电压V_L进行比较，其中通过设置不同R₃、R₄值能够设置不同的门限电压V_L。当V_o>V_L时，U₂输出端有信号输出，OUT端口为低电平；当V_o<V_L时，U₂输出端无信号输出，OUT端口为高电平。因此通过电平信号的变化可以实现过零检测。电流型过零检测时序图如图5所示。

电压型过零检测电路

电压过零检测实现电路，如图6所示，包括整流单元，电压型变换单元，电压型放大单元，电压型比较单元和输出单元。

电压型变换单元包括限流电阻R₁₁和稳压管Z₁；限流电阻R₁₁分别与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，限流电阻R₁₁的另一端分别与稳压管Z₁正极及电压型放大单元中三极管T₁基级相连，稳压管Z₁负极分别与第二整流二极管D₂正极及检测信号的输入端B相连。

电压型放大单元包括三极管T₁，电阻R₁₂、电阻R₁₃。三级管T₁集电极与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，三极管T₁基级分别与限流电阻R₁₁及稳压管Z₁正极相连，三极管T₁射级与电阻R₁₂相连；电阻R₁₂的另一端分别与比较器U₃反相输入端相连和电阻R₁₃相连；电阻R₁₃的另一端与检测信号的另一输入端B相连。

电压型比较单元包括比较器U₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅、电源VCC；电源VCC连接到电阻R₁₄的一端，电阻R₁₄的另一端分别连接到比较器U₃正相输入端和电阻R₁₅的一端；电阻R₁₅的另一端接地；所述电阻R₁₄和电阻R₁₅用于设置门限电压V_L。

输出单元包括比较器U₃输出端、电阻R₁₆、电源VCC和输出端口OUT；电源VCC连接到电阻R₁₆的一端，电阻R₁₆的另一端与比较器U₃输出端相连，比较器U₃输出端与输出端口OUT连接。

工作原理分析：当输入交流信号为小电压时，电路能安全工作，稳压管Z₁不进行稳压。此时有：U_AB＝V_R11+V_be+V_R12+V_R13，V_R13＝V_n。所以：

当输入电压信号增大，超过稳压管Z₁的稳压值V_Z后，稳压管Z₁进入进行稳压工作。稳压管Z₁的电压负极电压为V_Z，加载到限流电阻R₁₁上电压U_R1＝U_AB—V_Z。由于稳压管Z₁的稳压作用，有V_Z＝V_be+V_R12+V_R13，大电压都加在三极管T1集——射极上，集——射极电压U_cb＝U_AB—V_Z。并且有V_be＝0.7V恒定，则：

由以上分析可知，该电路可实现在小电压信号输入时，将检测信号放大，方便检测。在大电压信号输入时限幅稳压，保证输出稳定，不再跟随输入波动。满足图2所示的输入输出关系。

在输出单元中，电压V_o输入到比较器U₃的反相输入端，与比较器U₃的正相输入端的门限电压V_L进行比较，其中通过设置不同R₁₄、R₁₅的值能够设置不同的门限电压V_L。当V_o>V_L时，U₃输出端有信号输出，OUT端口为低电平；当V_o<V_L时，U₃输出端无信号输出，OUT端口为高电平。因此通过电平信号的变化可以实现过零检测。电压型过零检测时序图与电流型过零检测时序图相同，也如图5所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述装置包括整流单元，变换单元，放大单元，比较单元和输出单元；交流检测信号依次经整流单元，变换单元，放大单元，比较单元和输出单元后，输出检测信号脉冲；所述整流单元用于对交流检测信号进行整流，将交流信号变为直流信号；所述变换单元为电流型变换单元或电压型变换单元，用于保证变换输出信号值小于设定值；所述放大单元为电流型放大单元或电压型放大单元，用于对变换单元的输出信号进行放大；所述比较单元为电流型比较单元或电压型比较单元，用于滤除高频干扰；所述输出单元的作用是当比较单元响应时，输出检测信号脉冲；所述电流型变换单元包括恒流二极管D₃和取样电阻R₆；恒流二极管D₃正极分别与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，恒流二极管D₃负极分别于与电流型放大单元中运算放大器U₁正相输入端及取样电阻R₆相连，取样电阻R₆的另一端分别与第二整流二极管D₂的正极及检测信号的输入端B相连。

2.根据权利要求1所述的一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述整流单元包括两个整流二极管D₁、D₂；两个二极管D₁、D₂构成半桥整流电路，第一整流二极管D₁正极接检测信号的输入端A，第一整流二极管D₁负极与第二整流二极管D₂的负极相连；第二整流二极管D₂正极接检测信号的另一输入端B。

3.根据权利要求1所述的一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述电流型放大单元包括运算放大器U₁、电阻R₁、电阻R₂，运算放大器U₁正相输入端与变换单元恒流二极管D₃负极相连，运算放大器U₁反相输入端分别与电阻R₁和电阻R₂相连，运算放大器U₁输出端分别与比较器U₂反相输入端及电阻R₁的另一端相连；电阻R₂的另一端与检测信号的输入端B相连并接地。

4.根据权利要求1所述的一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述电流型比较单元包括比较器U₂、电阻R₃、电阻R₄、电源VCC；比较器U₂反相输入端与运算放大器U₁输出端相连，比较器U₂同相输入端分别于电阻R₃及电阻R₄相连；电阻R₃的另一端连接电源VCC；电阻R₄的另一端与检测信号的输入端B相连并接地；所述电阻R₃和电阻R₄用于设置门限电压V_L。

5.根据权利要求1所述的一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述电压型变换单元包括限流电阻R₁₁和稳压管Z₁；限流电阻R₁₁分别与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，限流电阻R₁₁的另一端分别与稳压管Z₁正极及电压型放大单元中三极管T₁基级相连，稳压管Z₁负极分别与第二整流二极管D₂正极及检测信号的输入端B相连。

6.根据权利要求1所述的一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述电压型放大单元包括三极管T₁，电阻R₁₂、电阻R₁₃；三级管T₁集电极与第一整流二极管D₁负极和第二整流二极管D₂负极相连，三极管T₁基级分别与限流电阻R₁₁及稳压管Z₁正极相连，三极管T₁射级与电阻R₁₂相连；电阻R₁₂的另一端分别与比较器U₃反相输入端相连和电阻R₁₃相连；电阻R₁₃的另一端与检测信号的另一输入端B相连。

7.根据权利要求5所述的一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述电压型比较单元包括比较器U₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅、电源VCC；电源VCC连接到电阻R₁₄的一端，电阻R₁₄的另一端分别连接到比较器U₃正相输入端和电阻R₁₅的一端；电阻R₁₅的另一端接地；所述电阻R₁₄和电阻R₁₅用于设置门限电压V_L。

8.根据权利要求4或7所述的一种大量程交流信号过零检测装置，其特征在于：所述输出单元包括比较器U₂输出端、电阻R₅、电源VCC和输出端口OUT；电源VCC连接到电阻R₅的一端，电阻R₅的另一端与比较器U₂输出端相连，比较器U₂输出端与输出端口OUT连接；或，所述输出单元包括比较器U₃输出端、电阻R₁₆、电源VCC和输出端口OUT；电源VCC连接到电阻R₁₆的一端，电阻R₁₆的另一端与比较器U₃输出端相连，比较器U₃输出端与输出端口OUT连接。