CN204595077U - 一种带相位补偿的过零检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带相位补偿的过零检测电路，包括依次连接的信号限幅电路、一阶低通滤波电路、反向比例运算电路、相位补偿电路与滞回比较电路，本实用新型解决了实际应用中，由于传感器的性能、空间电磁波、工作器件的振动等影响，传感器检测的电压信号中会存在大量的谐波成分造成误触发的现象；解决了现有技术中存在的过零检测电路不能对频率可变的电流信号进行相位补偿的问题。

Description

一种带相位补偿的过零检测电路

技术领域

本实用新型属于电流检测技术领域，具体涉及一种带相位补偿的过零检测电路。

背景技术

在许多应用中，比如无线充电中为了实现频率跟踪，需要用到实时性高、精确度高的电流过零检测电路，但目前的电流过零检测电路有以下几个问题：1.误判过零点：由于信号不稳定、噪声和谐波等因素，在零点附近输入值常发生抖动，这样容易把这些抖动误判为多次过零，对后级信号处理造成极大的影响。2.相位延迟：针对提出的第一种问题，常规的解决方法是利用滤波器消除谐波干扰后，再进行过零检测。但这种方法会产生相位延迟，难以保证过零信号的实时性。3.频率可变的输入信号相位延迟也可变：对于固定频率的输入信号，在电路中引入相位补偿后，可以实现相位无延迟，但一旦输入频率改变，这种电路就失去了相位补偿的作用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带相位补偿的过零检测电路，解决了现有技术中存在的过零检测电路不能对频率可变的输入信号进行相位补偿的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种带相位补偿的过零检测电路，包括依次连接的信号限幅电路、一阶低通滤波电路、反向比例运算电路、相位补偿电路与滞回比较电路。

本实用新型的特点还在于，

信号限幅电路结构具体为：包括3组并联连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3，电阻R1、电阻R2、电阻R3并联后又与电阻R4一端串联，电阻R4的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，二极管D1的阴极接正15V电源，D2的阳极接负15V，电阻R4另一端还与输出端OUT1连接。

一阶低通滤波电路输入端IN1与信号限幅电路输出端OUT1连接，一阶低通滤波电路的输入端IN1通过电阻R6连接至运算放大器LM318的反相输入端，同时，运算放大器LM318的反相输入端与运算放大器LM318的输出端之间还分别并联有电阻R5和电容C3，运算放大器LM318的反相输入端与运算放大器LM318的频率补偿端之间还并联有电容C1，运算放大器LM318的同相输入端直接接地，运算放大器LM318采用正负15V双电源供电。

反向比例运算电路的输入端IN2与一阶低通滤波电路的输出端OUT2连接，反向比例运算电路的输入端IN2通过电阻R7与运算放大器OPA656反相输入端连接，运算放大器OPA656的反相输入端与输出端之间还并联有电阻R8，运算放大器OPA656的同相输入端通过电阻R16接地，运算放大器OPA656采用正负5V双电源供电。

相位补偿电路的输入端IN3与反向比例运算电路的输出端OUT3连接，相位补偿电路的输入端IN3通过电阻R9与运算放大器OPA656的反相输入端连接，运算放大器OPA656反相输入端与输出端之间还串联有电阻R11，所述相位补偿电路的输入端IN3还通过滑动变阻器R10与运算放大器OPA656的同相输入端连接，滑动变阻器R10与运算放大器OPA656的同相输入端的连接结点通过电容C2与地连接，运算放大器OPA656采用正负5V双电源供电。

滞回比较电路的输入端IN4与相位补偿电路的输出端OUT4连接，滞回比较电路的输入端IN4通过电阻R15与比较器LMV7219的同相输入端连接，比较器LMV7219的同相输入端还通过电阻R14与比较器LMV7219的输出端连接，比较器LMV7219的反相输入端分别连接电阻R12和电阻R13的一端，电阻R12的另一端连接至电源正5V，电阻R13的另一端接地，比较器LMV7219采用单电源5V供电。

本实用新型的有益效果是，一种带相位补偿的过零检测电路，信号通过输入过零检测电路后，能准确、实时的输出比较方波，解决了实际应用中，由于传感器的性能、空间电磁波、工作器件的振动等影响，传感器检测的电压信号中会存在大量的谐波成分造成误触发的现象；解决了目前对于频率可变的电压信号过零检测所带来的相位补偿问题。

附图说明

图1是本实用新型带相位补偿的过零检测电路的结构示意图；

图2是本实用新型带相位补偿的过零检测电路信号限幅电路图；

图3是本实用新型带相位补偿的过零检测电路中一阶低通滤波电路图；

图4是本实用新型带相位补偿的过零检测电路中反相比例运算电路电路图；

图5是本实用新型带相位补偿的过零检测电路中相位补偿电路电路图；

图6是本实用新型带相位补偿的过零检测电路中滞回比较电路电路图；

图7是本实用新型带相位补偿的过零检测电路仿真结果图。

图中，1.信号限幅电路，2.一阶低通滤波电路，3.反向比例运算电路，4.相位补偿电路，5.滞回比较电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型带相位补偿的过零检测电路，如图1所示，包括依次连接的信号限幅电路1、一阶低通滤波电路2、反向比例运算电路3、相位补偿电路4与滞回比较电路5，如图2所示，信号限幅电路1结构具体为：包括3组并联连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3并联后又与电阻R4一端串联，电阻R4的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，二极管D1的阴极接正15V电源，D2的阳极接负15V，电阻R4另一端还与输出端OUT1连接；

信号限幅电路1的输出端OUT1连接一阶低通滤波电路2输入端IN1，如图3所示，一阶低通滤波电路2的输入端IN1通过电阻R6连接至运算放大器LM318的反相输入端(管脚2)，同时，运算放大器LM318的反相输入端(管脚2)与运算放大器LM318的输出端(管脚6)之间还分别并联有电阻R5和电容C3，运算放大器LM318的反相输入端(管脚2)与运算放大器LM318的频率补偿端(管脚8)之间还并联有电容C1，运算放大器LM318的同相输入端(管脚3)直接接地，运算放大器LM318管脚1、5悬空，运算放大器LM318采用正负15V双电源供电，管脚7接电源正15V，管脚4接电源负15V；

一阶低通滤波电路2的输出端OUT2连接反向比例运算电路3的输入端IN2，如图4所示，反向比例运算电路3的输入端IN2通过电阻R7与运算放大器OPA656反相输入端(管脚2)连接，运算放大器OPA656的反相输入端(管脚2)与输出端(管脚6)之间还并联有电阻R8，运算放大器OPA656的同相输入端(管脚3)通过电阻R16接地，运算放大器OPA656采用正负5V双电源供电，管脚7接电源正5V，管脚4接电源负5V，管脚1、5、8悬空；

反向比例运算电路3的输出端OUT3连接相位补偿电路4的输入端IN3，如图5所示，相位补偿电路4的输入端IN3通过电阻R9与运算放大器OPA656的反相输入端(管脚2)连接，运算放大器OPA656反相输入端(管脚2)与输出端(管脚6)之间还串联有电阻R11，相位补偿电路4的输入端IN3还通过滑动变阻器R10与运算放大器OPA656的同相输入端(管脚3)连接，滑动变阻器R10与运算放大器OPA656的同相输入端(管脚3)的连接结点通过电容C2与地连接，运算放大器OPA656采用正负5V双电源供电，管脚7接电源正5V，管脚4接电源负5V，管脚1、5、8悬空；

相位补偿电路4的输出端OUT4连接滞回比较电路5的输入端IN4，如图6所示，滞回比较电路5的输入端IN4通过电阻R15与比较器LMV7219的同相输入端(管脚3)连接，比较器LMV7219的同相输入端(管脚3)还通过电阻R14与比较器LMV7219的输出端(管脚1)连接，比较器LMV7219的反相输入端(管脚4)分别连接电阻R12和电阻R13的一端，电阻R12的另一端连接至电源正5V，电阻R13的另一端接地，比较器LMV7219采用单电源5V供电，管脚5接电源正5V，管脚2接地。

本实用新型带相位补偿的过零检测电路，电流信号进入信号限幅电路1，将送入一阶低通滤波电路2的信号幅值限制在正负15V之间，经过一阶低通滤波电路2滤除电压信号中的高频噪声，经过反相比例运算电路3将电压信号反相，再送入相位补偿电路4，最后将电压信号送入滞回比较电路5，最终输出为5V方波信号，方波的每一个上升沿和下降沿对应于电流信号的每一个过零点。

下面从原理方面解释本实用新型：

(1)信号限幅电路：

该信号限幅电路1通过电阻R1、R2、R3、R4，先将电流信号转换为电压信号，考虑到输入电流的大小不明确，为了避免损坏后级处理电路，通过钳位二极管将电压信号限制在正负15V之间，以保护后级电路，如图2所示，当输入电流信号小于负15毫安时，二极管D1截止，二极管D2导通，二极管D2导通将其电位拉下来，信号限幅电路输出电压V1被限制在负15V。当输入电流信号大于15毫安时，D2截止，D1导通，信号限幅电路输出电压V1被限制在正15V，当输入信号在正负15毫安之间，二极管D1、D2均不导通。

(2)一阶低通滤波电路：

信号限幅电路1输出端OUT1与一阶低通滤波电路2的输入端IN1相连。在一个实际的电子系统中它的输入信号往往因受干扰等而含有一些不必要的成分，所以我们应当设法将它衰减到足够小的程度，我们可采用滤波器电路解决上述问题，滤波器能使一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。在本实用新型中，为了滤除高频干扰引入低通滤波器，有源滤波器会使信号产生相位的偏移变化，给后续控制电路应用带来一定影响。

一阶低通滤波电路2由LM318构成，如图3所示，LM318是一款快速、精准、频带宽和高压摆率的通用运算放大器，并且它内部带有频率补偿。积分运算电路具有低通特性，但是当频率趋于零时电压放大倍数的数值趋于无求大，在积分运算电路中电容上并联一个电阻R₅，构成反相输入一阶低通滤波电路，通带放大倍数由电阻R5、R6组成的反馈网络决定。通带放大倍数其中通带截止频率f为输入信号频率。

为了克服高频性能的下降，LM318可以通过前馈补偿技术来提高电压转换速率，通过在管脚2和管脚8之间连接一个200pF的电容，提高电路交流性能的同时，也消除了高频自激振荡。

在本实用新型中，一阶低通滤波电路截止频率设计为100kHz，即能衰减频率高于100kHz的信号，但同时也引入了相位延迟的问题，即一阶低通滤波电路输出电压信号V2相比输入电压信号V1有相位上的延迟。

(3)反相比例运算电路：

反相比例运算电路3的输入端IN2与一阶低通滤波电路2输出端OUT2相连，由于前面电压信号经过反相一阶低通滤波器，信号相比之前反相了，所以现在引入反相比例运算电路。运算放大器OPA656是一个超宽频带、单位增益稳定、电压反馈运算放大器，输出电压V3为在本实用新型中，R8和R7均取1KΩ，即比例系数为1。同相输入端(管脚3)通过电阻R16接地，R16为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性，其值为R₁₆＝R₇//R₈，即R16＝500Ω。

(4)相位补偿电路：

相位补偿电路4的输入端IN3与反相比例运算电路3的输出端OUT3相连，由于一般的相位补偿电路为无源电路RC电路，这样的电路会产生信号的衰减。在本实用新型中，相位补偿采用移相的方式，移相电路采用全通滤波电路构成，全通滤波器(APF)虽然并不改变输入信号的频率特性，但它会改变输入信号的相位。利用这个特性，全通滤波器可以用做延时器、延迟均衡等。实际上，常规的滤波器(包括低通滤波器等)也能改变输入信号的相位，但幅频特性和相频特性很难兼顾，使两者同时满足要求。全通滤波器也被称为延迟均衡器或相位校正，能无衰减传递输入信号的所有频率成分，不同频率的输入信号发生可预测的相移。

在本实用新型中，全通滤波电路的移相范围是-180度到0度，相位补偿电路移相角将电阻R10设为可调电阻，以便在具体频率下手动调节相位延迟角，比如由于电路产生的相位延迟为5度，通过调节R10，使全通滤波电路产生一个-5度的相位前移，这样就进行了相位的补偿。

(5)滞回比较器电路：

在单限比较器中，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都会引起输出电压的跃变，不管这种电压是来自输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差，滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。在本实用新型中，比较器采用LMV7219，它的时间延迟仅为7ns，输出为轨到轨型，上升、下降时间仅为1.3ns。LMV7219带有滞回电路,滞回电压为7mV。内部滞回电路可以避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡,却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。这种情况下需要增加外部滞回,以提高系统的抗干扰性能。

比较器LMV7219具有内部上拉电阻，因此可以在输出端和同相输入端直接加入正反馈电阻。输入分压网络作用在比较器的同相输入端,反相输入电压为一固定的参考电平。具有内部滞回的比较器提供两个门限：一个用于输入上升电压门限(V_TH)，一个用于检测输入下降电压门限(V_TL)。两个门限的差值为滞回带(V_HB)。当比较器的输入电压相等时,滞回电路会使一个输入迅速跨越另一输入,从而使比较器避开产生振荡的区域。在本实用新型中，最终输出电压为0V和5V的方波信号，该方波信号送入DSP或ARM的捕获口，方波的每一个上升沿和下降沿对应于电流信号的过零点。

在本实用新型中LMV7219构成的滞回比较电路5的电压关系为式中V_out为LMV7219管脚1输出的电压值，V_in为滞回比较电路5输入端IN4的电压值，V_R为LMV7219反相输入端(管脚4)的电压值，在本实用新型中，LMV7219采用5V单电源供电。

滞回比较器电路5的设计过程如下：

(1)、确定上升电压门限V_TH＝0.45V，下降电压门限V_TL＝-0.45V，滞回带V_HB＝0.9V，即电压震荡在正0.45V到负0.45V之间都被忽略。

(2)、确定R₁₅，R₁₄的大小：由方程和方程 $V_{\mathrm{TH}}=\frac{V_R(R_{14}+R_{15})}{R_{14}},$ 得到R₁₅和R₁₄的比值表达式 $\frac{R_{15}}{R_{14}}=\frac{V_{\mathrm{TH}}-V_{\mathrm{TL}}}{5},$ 得 $\frac{R_{15}}{R_{14}}=0.18,$ 取R₁₅＝1K，R₁₄＝5.6K。

(3)、确定LM7219反相输入端(管脚4)电压值，即参考电压V_R的大小得V_R＝0.314V。在本实用新型中，采用电阻分压的方式得到参考电压0.314V，即取R₁₃＝2.7K，R₁₂＝40.2K。

由于加入了滞回比较电路5，必然会带来相位上的延迟，所以相位补偿电路4补偿的相位包括：由于一阶低通滤波电路2和滞回比较电路5带来的相位延迟，如图7所示，输入过零检测电路的电流信号为IN，经过过零检测电路后，得到无相位延迟的方波输出。

本实用新型，带相位补偿的过零检测电路，信号通过过零检测电路后，能准确、实时的输出比较方波，解决了实际应用中，由于传感器的性能、空间电磁波、工作器件的振动等影响，传感器检测的电压信号中会存在大量的谐波成分造成误触发的现象；解决了现有技术中存在的过零检测电路不能对频率可变的电流信号进行相位补偿的问题。

Claims (6)

1.一种带相位补偿的过零检测电路，其特征在于，包括依次连接的信号限幅电路(1)、一阶低通滤波电路(2)、反向比例运算电路(3)、相位补偿电路(4)与滞回比较电路(5)。

2.根据权利要求1所述的一种带相位补偿的过零检测电路，其特征在于，所述信号限幅电路(1)结构具体为：包括3组并联连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3并联后又与电阻R4一端串联，电阻R4的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，二极管D1的阴极接正15V电源，D2的阳极接负15V，电阻R4另一端还与输出端OUT1连接。

3.根据权利要求1所述的一种带相位补偿的过零检测电路，其特征在于，所述一阶低通滤波电路(2)输入端IN1与信号限幅电路(1)输出端OUT1连接，一阶低通滤波电路(2)的输入端IN1通过电阻R6连接至运算放大器LM318的反相输入端，同时，运算放大器LM318的反相输入端与运算放大器LM318的输出端之间还分别并联有电阻R5和电容C3，运算放大器LM318的反相输入端与运算放大器LM318的频率补偿端之间还并联有电容C1，运算放大器LM318的同相输入端直接接地，运算放大器LM318采用正负15V双电源供电。

4.根据权利要求1所述的一种带相位补偿的过零检测电路，其特征在于，所述反向比例运算电路(3)的输入端IN2与一阶低通滤波电路(2)的输出端OUT2连接，反向比例运算电路(3)的输入端IN2通过电阻R7与运算放大器OPA656反相输入端连接，运算放大器OPA656的反相输入端与输出端之间还并联有电阻R8，运算放大器OPA656的同相输入端通过电阻R16接地，运算放大器OPA656采用正负5V双电源供电。

5.根据权利要求1所述的一种带相位补偿的过零检测电路，其特征在于，所述相位补偿电路(4)的输入端IN3与反向比例运算电路(3)的输出端OUT3连接，相位补偿电路(4)的输入端IN3通过电阻R9与运算放大器OPA656的反相输入端连接，运算放大器OPA656反相输入端与输出端之间还串联有电阻R11，所述相位补偿电路(4)的输入端IN3还通过滑动变阻器R10与运算放大器OPA656的同相输入端连接，滑动变阻器R10与运算放大器OPA656的同相输入端的连接结点通过电容C2与地连接，运算放大器OPA656采用正负5V双电源供电。

6.根据权利要求1所述的一种带相位补偿的过零检测电路，其特征在于，所述滞回比较电路(5)的输入端IN4与相位补偿电路(4)的输出端OUT4连接，滞回比较电路(5)的输入端IN4通过电阻R15与比较器LMV7219的同相输入端连接，所述比较器LMV7219的同相输入端还通过电阻R14与比较器LMV7219的输出端连接，比较器LMV7219的反相输入端分别连接电阻R12和电阻R13的一端，电阻R12的另一端连接至电源正5V，电阻R13的另一端接地，比较器LMV7219采用单电源5V供电。