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）

　　摘要：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。

　关键词：交流电检测；过零检测；集成运算放大器；差分运算放大电路

中图分类号：TM911.23文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.011

引用格式：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.

0引言

　　*基金项目：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）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：

　　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：

　　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：

　　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:

　　实际应用中，取R15=R16，则有:

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。

参考文献

　　［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.