交流電的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方案較多，目前較常見(jiàn)的也是我之前所使用的方案如圖1所示：
圖1 交流電光耦過(guò)零檢測(cè)電路
圖1的電路可以檢測(cè)到交流電經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，但是它存在諸多的弊端，現(xiàn)列舉如下：
電阻消耗功率太大，發(fā)熱較多。220v交流電，按照有效值進(jìn)行計(jì)算三個(gè)47k的電阻平均每個(gè)電阻的功率為220^2/(3*47k)/3=114.42mw。對(duì)于0805的貼片電阻按照1/8w的功率計(jì)算，當(dāng)前的消耗功率接近其額定功率，電阻 發(fā)熱大較大。同時(shí)需要注意市電的有效值為220v，其峰值電壓為311v，以此計(jì)算我們可以得到每個(gè)電阻的瞬時(shí)最大功率為228mw，嚴(yán)重超過(guò)了電阻的額定功率，因此使用是存在危險(xiǎn)的。
光耦的過(guò)零點(diǎn)反應(yīng)速度慢,tza上升沿時(shí)間長(zhǎng)。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)光耦過(guò)零點(diǎn)上升沿和下降沿的跳變時(shí)間為120us左右(高低電平壓差為3.3v)。對(duì)于一般的應(yīng)用可以接受，但是對(duì)于通信中的同步應(yīng)用該反應(yīng)時(shí)間將嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。diangon.com因?yàn)樵?20us內(nèi)都可以認(rèn)為是發(fā)生了過(guò)零事件，也就是說(shuō)我對(duì)過(guò)零的判斷可能存在最高達(dá)120us的偏差。
根據(jù)光耦的導(dǎo)通特性，該電路的零點(diǎn)指示滯后實(shí)際交流電發(fā)生的零點(diǎn)。滯后時(shí)間可以根據(jù)光耦的導(dǎo)通電流計(jì)算，nec2501的典型值是10ma，實(shí)際上，當(dāng)前向電流達(dá)到1ma的時(shí)候光耦一般就已經(jīng)導(dǎo)通了?，F(xiàn)以1ma電流計(jì)算，電阻3×47k=141k,則電壓為141v，相應(yīng)的滯后零點(diǎn)時(shí)間約為1.5ms。假設(shè)0.5ma導(dǎo)通則電壓為70v，則滯后時(shí)間為722us。
光耦導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，即光耦電流由0變?yōu)閷?dǎo)通電流這個(gè)漸變過(guò)程較長(zhǎng)，導(dǎo)致光耦特性邊緣時(shí)間差異明顯，產(chǎn)品一致性差。假設(shè)以1ma作為光耦的導(dǎo)通電流，那么在220v交流電由0v變化到141v的過(guò)程需要1.5ms。而因?yàn)槠陂g的一致性問(wèn)題，部分光耦可能會(huì)在0.5ma的時(shí)候就導(dǎo)通，部分可能在0.7ma的時(shí)候?qū)ā，F(xiàn)假設(shè)一致性帶來(lái)的最低導(dǎo)通電流為0.5ma，那么對(duì)應(yīng)導(dǎo)通電壓為71v，對(duì)應(yīng)滯后零點(diǎn)時(shí)間為736us，這表明，不同光耦之間零點(diǎn)差異可能達(dá)到764us！(實(shí)際測(cè)試中我檢測(cè)了10個(gè)樣品，其中兩個(gè)光耦導(dǎo)通性能差別最大的時(shí)間差達(dá)到50us，其他普遍在10us左右)。這為不同設(shè)備使用該電路進(jìn)行同步制造了很大的麻煩。
受光耦導(dǎo)通電流限制，該電路能夠檢測(cè)的交流信號(hào)幅度范圍較窄。以1ma計(jì)算，該光耦只能檢測(cè)交流信號(hào)幅度大于141v的信號(hào)。如果該信號(hào)用于同步，那么在設(shè)備進(jìn)行低壓測(cè)試時(shí)將不能獲取同步信號(hào)。
tza輸出波形和標(biāo)準(zhǔn)方波相差較大，占空比高于50%。實(shí)際測(cè)試中占空比的時(shí)間誤差達(dá)到1.2ms，在應(yīng)用中該時(shí)差不能被忽略。
基于以上列出的各個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致利用交流電過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行同步質(zhì)量較差，需要改進(jìn)。首先我想到的方案是利用比較器的比較功能來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波。在交流電的正半周比較器輸出高電平，在交流電的負(fù)半周比較器輸出低電平。該方案的時(shí)間誤差僅取決于比較器電平跳變的響應(yīng)速度和比較器的差分電平分辨率。以lm319為例，偏置電壓最大為10mv，比較靈敏度為5mv，5v輸出電平跳變響應(yīng)時(shí)間在300ns以?xún)?nèi)，加上asin(10e-3/311)/2//pi/50 = 100ns。二者總共相差約400ns，遠(yuǎn)低于圖1所示的方案。在實(shí)際應(yīng)用中我使用了lm358來(lái)代替比較器，其偏置電流為50na，串接1m的電阻，滿足偏置電流的電壓為50na×1m=50mv。按照st-lm358資料，其開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)1k一下可以達(dá)到100db，因此理論上輸入1mv的電平依然可以識(shí)別，和前邊假設(shè)相比取50mv，asin(50mv/311)/2/pi/50 = 500ns，放大器的sr為0.6v/us，假設(shè)轉(zhuǎn)換到4v，需要7us。因此使用lm358的絕對(duì)誤差為7.5us,而實(shí)際上由于每個(gè)器件的共性，因此在同步上偏差應(yīng)該小于1.5us。
方案定下來(lái)以后就應(yīng)該進(jìn)行電路設(shè)計(jì)了，在實(shí)際電路調(diào)試的時(shí)候遇到很多問(wèn)題，現(xiàn)記錄于此供以后參考。主要問(wèn)題包括有：
對(duì)于差分運(yùn)放電路缺乏基本的認(rèn)識(shí)，最初考慮用電阻分壓電路，按照最大電壓311v，電阻分壓1：100，選用2m電阻串接一個(gè)20k，取20k兩端的電壓，理論最大差為3.11v的樣子，電路如圖2-1所示。該電路最終以失敗告終。經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)和查找原因，是因?yàn)闆](méi)有可靠的工作點(diǎn)，或者說(shuō)沒(méi)有統(tǒng)一的參考地，浮地輸入無(wú)法實(shí)現(xiàn)放大。同樣因?yàn)檫@個(gè)原因，在網(wǎng)上尋找的如圖2-2所示的電路也以失敗告終。
為了能夠?qū)Σ罘址糯箅娐诽峁┙y(tǒng)一的參考基準(zhǔn)最終對(duì)圖2-2進(jìn)行修改，分別從差分輸入的+端和-端引一個(gè)大電阻到測(cè)試系統(tǒng)的“地”，因?yàn)槭菃坞娫捶糯罂紤]到lm358的共模輸入信號(hào)范圍0-vcc-1.5v，由于二極管限幅，二極管兩端電壓最多0.7v，又因?yàn)閷?duì)于去其中間電平連接到地，正負(fù)端對(duì)地輸入的電壓范圍為-0.35到+0.35。最終電路如圖3所示，該電路可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。
經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：
理解運(yùn)算放大器的共模輸入范圍，這對(duì)運(yùn)放電路設(shè)計(jì)很重要。如果輸入信號(hào)超過(guò)共模電壓范圍，放大器將不能正常工作。
任何信號(hào)耦合都是需要電流驅(qū)動(dòng)的，放大器限流以及不同設(shè)備間“地”的連接不是電阻越大越好。當(dāng)初設(shè)計(jì)圖3的電路，最初r2和r3取500k時(shí)，用示波器雙通道同時(shí)測(cè)試測(cè)試地到r2,r3兩端差分電壓，顯示其具有相同的波形，幅度8v左右。理論上其原r2,r3兩端波形幅度應(yīng)該為0.35v，相位相反。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其原因就在于經(jīng)過(guò)r2,r3電流太小已經(jīng)沒(méi)有達(dá)到共“地”的效果了，降低r2,r3阻值測(cè)試波形和理論一致。
當(dāng)初為了安全測(cè)試220v端電壓波形，查閱了浮地測(cè)試技術(shù)的相關(guān)資料。同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，浮地測(cè)試必須要將示波器和被測(cè)試系統(tǒng)的公共地?cái)嚅_(kāi)，具體來(lái)說(shuō)就是讓測(cè)試儀器和被測(cè)試平臺(tái)不具備相同的參考地電位，這樣短接示波器探頭的地到被測(cè)試平臺(tái)才不會(huì)發(fā)生事故。拿本實(shí)驗(yàn)舉例，假設(shè)我們需要測(cè)量市電實(shí)時(shí)波形，怎么測(cè)量呢。我們可以這樣測(cè)試，示波器供電時(shí)三芯插頭只連接l和n端，接地不連接，這樣就可以通過(guò)接地夾夾在市電的一端，用探頭去測(cè)量另一端的波形了。當(dāng)然最好還是在接地夾串接以大電阻去接市電一端，探頭也串接一大電阻去接市電另一端。如果不這樣測(cè)試會(huì)有什么后果？？？如果不這樣測(cè)試，因?yàn)槭静ㄆ魈筋^的接地夾是和三芯插頭地線導(dǎo)通的，在通過(guò)接地夾去夾火線或者零線是就相當(dāng)于把火線或零線直接與大地相連，如果是零線還沒(méi)事，如果是火線那必然短路！非常危險(xiǎn)?。。?br>