提高过零点检测精度的方法

田萍果，毕雪芹

（1.西安工业大学 北方信息工程学院，陕西 西安710025；2.西安工业大学 陕西 西安71003）

过零点检测广泛应用于漏电检测、开关电路、电网工频频率和相位的测量以及谐波分析等各种应用，随着技术的发展，新的检测方法不断出现，但是由于种种原因引起的电网频率的漂移，使得N个采样点并非均匀地分布在一个整周波内，从而使测量出现误差，导致整个系统精度不够、可靠性不高。实验证明，采样点不均匀、不对应的问题可以直接随着信号过零检测精度的提高而解决。本文针对运放稳定度不高、具有温度漂移等问题，提出提高过零点检测精度的方法—采用两次放大，再送入专用过零比较器进行比较。分析证明，过零点的时间误差由 7.899 μs[1]减小到了 6.423 μs，大大提高了过零点检测的精度。

1 过零比较器的工作原理

过零比较器是一种用来检测输入信号过零时刻的电路，即将信号与某一设定阈值比较，判断信号距离零点的远近，从而扑捉信号过零点。具体检测过程是，首先传感器采集电压电流信号，然后将其送入过零比较器中进行比较判断，最后输出同周期的过零脉冲信号[2]。

常用的过零检测方法原理图如图1所示。当输入信号电压>0 V时，输出正脉冲；当输入电压<0 V时，输出负脉冲。通过检测输出脉冲的跳变，即可检测出输入信号的电压过零点，而输出脉冲的上升沿和下降沿则分别反映了信号电压的上升过零点和下降过零点[3]。

图1 常用过零检测原理图Fig.1 General zero-crossing detection schematic

2 传统电压过零点检测电路存在的问题

根据上述过零检测的原理，传统的过零检测电路如图2所示，由于电网电压波动、噪声等因素，导致多过零现象和实际基波零点和提取的零点误差较大[4-5]，电路中的运算放大器产生了主要影响因素。

图2 传统过零检测电路Fig.2 Traditional zero-crossing detection circuit

1)运放构成过零比较器存在相位误差

运放具有价格低廉的优势，但是由运放构成的过零比较器存在着相位误差。为减小相位误差，可以对输入信号进行放大，其中因放大造成的波峰、波谷失真对于过零检测不构成影响。

2)运放自身稳定性

温度漂移，输入失调等影响运放性能稳定的因素也会造成过零点检测精度下降。此外选择运放时还应考虑到高速转换速率[6]。

3 方案的提出

出于经济简单的角度考虑，采用了运放构成两次放大，再进行比较。图3所示为改进的过零检测电路。

图3 改进的过零检测电路Fig.3 Improved zero-crossing detection circuit

1）限幅电路

由电阻R2、二极管D1、D2组成，限幅电路所起的作用有两个方面：一是保护作用，防止因差模电压过大而损坏运放；二是减小输入电压使正负电源电压在有限的供电范围内输出电压均不会失真，这里，信号顶部和底部被截不影响过零点的检测。

2）两级运放放大电路

使用LF353运算放大器进行信号的两级放大，每级放大倍数约为100，即进行了10 000倍放大，LF353具有增益高，共模抑制比高，工作稳定，补偿简单等特点。如图4中t1为采用普通过零检测由放大器死区带来的误差，t2为信号进行10 000倍放大后，由放大器死区带来的误差，在运放死区电压幅值Δx相等且不改变原始信号频率的的情况下，加大信号上升沿的斜率，显然使放大10 000倍后的信号波形所对应的误差t2要远远小于未经过放大的信号对应的误差t1，将有利于电路对于过零点的判定精确度。

图4 改进的过零检测作用示意图Fig.4 Improved zero-crossing detection function diagram

3）专用过零比较电路

LM311组成的过零比较电路如图3所示，放大电路的输出送入过零比较器中。在过零检测中，判断过零的阈值取得越小，则过零信号产生的时刻与过零点越吻合。这就对响应速度、精度、功耗、输入失调电压等性能指标提出了很高的要求，为满足这些要求，本设计选用了LM311，该器件具有以下特点：开环增益低，失调电压小，功耗小，高性价比；可接受较大的差分输入信号；响应速度快，仅为200 ns，传输延迟时间短，因而可以有效地提高过零检测的精度。

4 仿真结果

通过Multisim仿真得到如图5所示的仿真结果。波形1为原始市电信号，波形2为过零比较后的输出，波形1由于加大了示波器分辨率后，正弦波近似显示为一条直线，经过两个时间滑头T2和T1测量波形2的沿跳变时间T2-T1，得到6.423 μs的时间误差，提供了更准确的过零检测精度。

图5 改进的过零检测电路仿真结果Fig.5 Improved zero-crossing detection circuit simulation result

5 结论

介绍了基本过零检测的原理，提出了针对过零检测运放所存在的问题，并提出了先两次放大再进行过零比较的新过零检测方法，其中过零比较采用特性良好的专用过零比较器，经仿真说明，其过零比较输出的脉冲沿跳变时间减小到6.423 μs，很大地提高了过零检测的时间跟踪精确度。

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