CN106405205B - 一种过零检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种过零检测电路，本发明具有耦合单元，耦合单元具有第一输入端与第二输入端，用以将第一输入端与第二输入端之间的输入信号耦合输出；滤波单元与耦合单元相连，用以接收耦合单元输出的输入信号，对输入信号做滤波处理以形成滤波信号输出；检测单元与滤波单元相连，用以接收滤波信号，并根据预定的计算方法对滤波信号计算，形成检测相位信息。藉由检测相位信息V3撷取滤波单元输入端信号的相位信息V2，并由滤波单元输入端信号的相位信息V2计算出第一、第二输入端的输入信号V1的相位信息，判断第一、第二输入端的输入信号V1的相位信息判断是否过零。本发明使得过零信号精度高，功耗小，收敛速度快。

Description

一种过零检测电路

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种过零检测电路。

背景技术

过零信息在电力载波领域非常重要，能够通过过零信息确认相位，理清整个台区拓扑关系。

目前电力公司都需要提供过零信息，而电力线载波过零检测目前都是通过光耦电路实现的，但是光耦电路使得过零信号精度比较差，过零信号的抖动比较厉害，同时外围电路中的负载亦会增加功耗。若减小过零信号的抖动与负载的功耗，则需要过多电子器件，从而增加检测的成本。同时AC信号通过载波光耦电路后，信号受到严重的衰减和失真，在检测时对AC频率和相位的恢复和跟踪具有一定的难度。

下面两种过零检测电路均为现有技术中通过光耦实现过零检测，下面结合具体两个附图：图1，图2分析现有技术中存在的缺陷：

如图1所示，图1中的过零检测电路，虽然图1中使用了较少的电子器件，但是外围电路的负载1会增加较多功耗，浪费电能。同时光耦2的缺点是信号会严重的衰减与失真，对于检测的精确性有较大的难度。

如图2所示，虽然图2减少了负载的功耗，但是图2过零检测电路中却增加了较多的电子器件，这会增加检测的成本，结构复杂也不便于维修和保护。同时光耦2的缺陷也未能避免，通过现有技术，以及现有技术的两者结合均不能实现较好的检测效果。

发明内容

为了解决上述问题，本申请记载了一种过零检测电路，该电路使得过零信号精度高，功耗小，节约成本。

为了实现上述目的，本申请记载了一种过零检测电路，具有：

耦合单元，具有第一输入端与第二输入端，用以将所述第一输入端与所述第二输入端之间的输入信号耦合输出；

滤波单元，与所述耦合单元相连，用以接收所述耦合单元输出的所述输入信号，对所述输入信号做滤波处理以形成滤波信号输出；

检测单元，与所述滤波单元相连，用以接收所述滤波信号，并根据预定的计算方法对所述滤波信号计算，形成检测相位信息。

进一步改进技术方案，所述耦合单元由电容器和变压器串联形成；

所述电容器的输入端连接所述第一输入端，所述电容器的输出端连接所述变压器初级绕组的一端，所述变压器初级绕组的相对另一端与所述第二输入端相连。

进一步改进技术方案，所述滤波单元与所述变压器的次级绕组相连。

进一步改进技术方案，所述滤波单元为高通滤波器。

进一步改进技术方案，所述预定的计算方法为：

所述检测相位信息

其中，A1为所述检测相位信息的幅度，

为相位角度。

进一步改进技术方案，所述滤波单元输入端信号V2的函数关系式是：

其中，A1×A2为所述滤波单元输入端信号的幅度，A2为信号经过滤波器的幅度变化值，β为所述滤波单元输入端信号至所述检测单元检测信号相位角的变化量。

所述滤波单元输入端信号V2的函数关系式是：

其中，C1为所述电容器的容量，L1为所述变压器等效电感的电感量，V1为所述第一输入端与所述第二输入端之间的输入信号。

进一步改进技术方案，L1为50uH-1mH，C1为0.1-0.47uF，1-ω²L₁C₁≈1，所述滤波单元输入端信号V2＝-ω²L₁C₁×V1。

进一步改进技术方案，所述第一输入端与所述第二输入端之间的输入信号与所述滤波单元输入端信号的相位相差180°。

进一步改进技术方案，所述滤波单元与所述检测单元之间连接模数转换单元，用以将模拟信号转换成数字信号，形成所述数字信号输出。

进一步改进技术方案，所述模数转换单元为模数转换器。

进一步改进技术方案，所述滤波单元的输出端与所述模数转换单元的输入端之间连接VGA模块，所述VGA模块用以将所述滤波信号放大，保证后续模数转换单元的位数。

进一步改进技术方案，所述模数转换单元的输出端与检测单元的输入端依次连接BPF模块、AGC模块、PLL模块，所述BPF模块用于滤除除了所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号频率的其他信号，以形成清晰的所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号；所述AGC模块用于根据所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号幅度自动调整所述VGA模块的放大倍数；所述PLL模块用于锁定所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号，以保证信号过零点稳定，并能够保证在发送信号时过零稳定。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、本发明记载的过零检测电路无需增加外围电路，并充分利用电容器和变压器以形成高通滤波器，大幅减少器件。

2、对耦合后的交流电信号经过模数转换，通过数字锁相环技术进行恢复和锁相，由于工频交流电相位检测和跟踪电路是通过数字信号处理方法实现的，它不但能提供交流电过零信息，而且能为电力载波工频同步传输提供准确的交流电相位信息，因而具有收敛速度快，交流电相位精度高的优点。

3、交流电数字锁相环技术可以集成或整合到数字通信芯片中，与图1、2中的分离元件方案相比，具有明显的成本少、抗干扰能力强等优势。

4、通过本发明可以合用电力载波耦合电路非常方便地检测出过零信息，耦合线圈电感和电容器都是储能器件，不会消耗有功功率，同时本发明记载的技术方案使用了较少的器件，故该电路可以实现低功耗。

附图说明

图1为现有技术中光耦带负载过零检测电路图；

图2为现有技术中光耦无负载过零检测电路图；

图3为实施例一的连接电路图；

图4为实施例二的连接电路图；

图5为实施例三的连接电路图。

1-负载；2-光耦电路；101-第一输入端；102-第二输入端；C1-电容器；L1-等效电感；V1-第一、第二输入端的输入信号；V2-滤波单元输入端信号；V3-检测相位信息；103-滤波单元；R1-等效电阻；T1-变压器；104-BPF模块；105-AGC模块；106-PLL模块；107-VGA模块；108-模数转换单元；109-LPF模块；110-检测单元。

具体实施方式

实施例一：

如附图3所示，本实施例记载的一种过零检测电路，包括：耦合单元，耦合单元具有第一输入端101与第二输入端102，耦合单元用以将第一、第二输入端的输入信号V1耦合后输出。

滤波单元103与耦合单元相连，用以接收耦合单元输出的输入信号，对输入信号做滤波处理以形成滤波信号输出，第一输入端101通过一个电容器C1连接到一个变压器T1初级绕组的一端，也即该电容器C1连接在变压器T1初级绕组的该一端和第一输入端101之间，而第二输入端102则连接到变压器T1初级绕组的相对另一端。变压器T1次级绕组的一端连接到滤波单元103的输入端而变压器T1次级绕组的相对另一端则接地GND，当受到的干扰环境不强时，采用单端输入信号的方法，将变压器T1的次级绕组的相对另一端接地GND将信号输入至滤波单元103。

本发明一个较佳的实施例，变压器T1的次级绕组的两端均可作为输入端与滤波单元103的输入端相连，采用差分输入的方式将差分信号输入至滤波单元，当输入信号的处于较强的干扰环境中时，采用差分输入的方法有利于降低干扰误差，提高检测的精度。

检测单元110与滤波单元103相连，用以接收滤波信号，并根据预定的计算方法对滤波信号计算，形成检测相位信息。

本发明一个较佳的实施例，滤波单元103的输出端传输的信号传送到模数转换单元108，模数转换单元用以将模拟信号转换成数字信号，形成数字信号输出。

本发明一个较佳的实施例，滤波单元103为高通滤波器。

本发明一个较佳的实施例，模数转换单元为模数转换器。

对耦合后的交流电信号经过模数转换单元108，将模拟信号转换成数字信号，通过数字锁相环技术进行恢复和锁相，数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点。交流电数字锁相环技术集成或整合到数字通信芯片中，与现有技术中的分离元件方案相比，具有明显的成本少、抗干扰能力强等优势。

例如在第一输入端101与第二输入端102之间施加市电交流电，例如常规的交流市电AC110V/220V，其市电频率为50Hz/60Hz,由于工频交流电相位检测和跟踪电路是通过数字信号处理方法实现的，它不但能提供交流电过零信息，而且能为电力载波工频同步传输提供准确的交流电相位信息，因而滤波单元103与滤波单元所连接的模数转换单元108具有收敛速度快，交流电相位精度高的优点。

本实施例中预定的计算方法为：

检测相位信息

其中，A1为检测相位信息的幅度，

为相位角度。

滤波单元输入端信号V2的函数关系式是：

其中，A1×A2为滤波单元输入端信号的幅度，A2为信号经过滤波器的幅度变化值，β为滤波单元输入端信号至检测单元检测信号相位角的变化量。

滤波单元输入端信号V2的函数关系式是：

其中C1为电容器的容量，L1为变压器等效电感的电感量，V1为第一输入端与第二输入端之间的输入信号。

由于L1为50uH-1mH,C1为0.1-0.47uF，故1-ω²L₁C₁≈1，滤波单元输入端信号V2的关系式是：V2＝-ω²L₁C₁×V1。

得知：第一输入端与第二输入端之间的输入信号与滤波单元输入端信号的相位相差180°，由此计算出第一输入端与第二输入端之间的输入信号V1的相位信息。

实施例二：

本实施例是基于实施例一电路的模型电路电路，如附图4所示，本发明的耦合单元具有第一输入端101和第二输入端102；第一输入端101与电容器C1相连，并且在第二输入端102和电容器C1的输出端之间耦合有一个等效电感L1，等效电感L1为实施例一中变压器T1的等效电感，以及在等效电感L1对应第一输入端101的一端连接滤波单元103的输入端，滤波单元103的输出端连接等效电阻R1，等效电阻R1为图1模数转换单元108的等效电阻。

本实施例的一个较佳的实施例，第二输入端102与等效电阻R1的相对另一端接地GND。

本实施例中，等效电感L1是对实际的耦合电感线圈进行了等效，从而更容易且更加直观推算滤波单元输入端信号V2的相位信息。藉由检测相位信息V3撷取滤波单元输入端信号的相位信息V2，并由滤波单元输入端信号的相位信息V2计算出第一、第二输入端的输入信号V1。

本实施例中，第一输入端101与第二输入端102之间的输入信号V1的得出方法与实施例一中的预定的计算方法相同。

实施例三：

本实施例是基于实施例一、二的实际电路，如附图5所示，本实施例中耦合单元具有第一输入端101和第二输入端102；第一输入端101通过一个电容器C1连接到一个变压器T1初级绕组的一端，也即该电容器C1连接在变压器T1初级绕组的该一端和第一输入端101之间，而第二输入端102则连接到变压器T1初级绕组的相对另一端；变压器T1次级绕组的两端均与LPF模块109，用于增强检测精度，排出干扰误差。LPF模块109与图1和图2中的滤波单元103起相同作用，此处LPF模块109将电力线高频噪声滤掉。

本发明一个较佳的实施例：例如在第一输入端101与第二输入端102之间施加市电交流电，例如常规的交流市电AC110V/220V，其市电频率为50Hz/60Hz，LPF模块109的输出端与VGA模块107的输入端连接，VGA模块107用于将信号放大，由于电容器C1和变压器T1构成高通滤波单元，50Hz/60Hz信号经过该高通滤波单元后会衰减几十dB，故增加VGA模块107将信号放大，保证后续模数转换单元108的位数。

VGA模块107的输出端与模数转换单元108的输入端相连，此处模数转换单元108与实施例一中的模数转换单元108起到相同作用，将模拟信号转换成数字信号，模数转换单元108后依次连接BPF模块104、AGC模块105、PLL模块106。

BPF模块104用于滤除除了50Hz/60Hz信号，用于增强50Hz/60Hz信号的清晰度。同时AGC模块105与VGA模块107通讯连接，AGC模块105根据50Hz/60Hz的信号幅度自动进行调整VGA模块107的放大倍数，以适应即使的信号变化；PLL模块106锁定50Hz/60Hz的信号，保证过零点稳定，并能够保证在发送信号时过零稳定。

本实施例中，过零检测电路无需增加外围电路，充分利用电容器C1和变压器T1大幅减少器件，非常方便地检测出过零信息，变压器T1耦合线圈电感和电容器C1都是储能器件，不会消耗有功功率，故该电路可以实现低功耗。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种过零检测电路，其特征在于，具有：

耦合单元，具有第一输入端与第二输入端，用以将所述第一输入端与所述第二输入端之间的输入信号耦合输出；

滤波单元，与所述耦合单元相连，用以接收所述耦合单元输出的所述输入信号，对所述输入信号做滤波处理以形成滤波信号输出，所述第一输入端与所述第二输入端之间的输入信号与所述滤波单元输入端信号的相位相差180°；

检测单元，与所述滤波单元相连，用以接收所述滤波信号，并根据预定的计算方法对所述滤波信号计算，形成检测相位信息，所述滤波单元与所述检测单元之间连接模数转换单元，用以将模拟信号转换成数字信号，形成数字信号输出，所述滤波单元的输出端与所述模数转换单元的输入端之间连接VGA模块，所述VGA模块用以将所述滤波信号放大，保证后续模数转换单元的位数，所述模数转换单元的输出端与检测单元的输入端之间依次连接BPF模块、AGC模块、PLL模块，所述BPF模块用于滤除除了所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号频率的其他信号，以形成清晰的所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号；所述AGC模块用于根据所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号幅度自动调整所述VGA模块的放大倍数，所述PLL模块用于锁定所述第一输入端与所述第二输入端之间的信号，以保证信号过零点稳定，并能够保证在发送信号时过零稳定；

所述耦合单元由电容器和变压器串联形成；

所述电容器的输入端连接所述第一输入端，所述电容器的输出端连接所述变压器的初级绕组的一端，所述变压器的初级绕组的相对另一端与所述第二输入端相连；

所述滤波单元与所述变压器的次级绕组相连；

所述变压器的次级绕组的两端均作为输入端与所述滤波单元的输入端相连，采用差分输入的方式将差分信号输入至所述滤波单元。

2.根据权利要求1所述的一种过零检测电路，其特征在于，所述滤波单元为高通滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种过零检测电路，其特征在于，所述预定的计算方法为：

所述检测相位信息

其中，A1为所述检测相位信息的幅度，

为相位角度。

4.根据权利要求3所述的一种过零检测电路，其特征在于，所述滤波单元输入端信号V2的函数关系式是：

其中A1×A2为所述滤波单元输入端信号的幅度，A2为信号经过所述滤波单元的幅度变化值，β为所述滤波单元输入端信号至所述检测单元检测信号相位角的变化量；

所述滤波单元输入端信号V2的函数关系式是：

其中C1为所述电容器的容量，L1为所述变压器等效电感的电感量，V1为所述第一输入端与所述第二输入端之间的输入信号。

5.根据权利要求4所述的一种过零检测电路，其特征在于，L1为50uH-1mH，C1为0.1-0.47uF，1-ω²L₁C₁≈1，所述滤波单元输入端信号V2＝-ω²L₁C₁×V1。

6.根据权利要求1所述的一种过零检测电路，其特征在于，所述模数转换单元为模数转换器。

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