从理论到实践：基于LM339的过零检测电路设计、仿真与实验研究

随着电子设备在高电压和大电流等场合的应用日益广泛，如何有效降低元器件的开关损耗并确保其安全运行成为了关键问题。特别是在工业生产中，变换器及无速度传感器磁感应电动机的技术应用，使得交流电路过零检测技术的准确性和可靠性变得尤为重要。传统上，交流调速系统依赖于硬件过零比较器来进行过零检测，但这类比较器容易受到失调电压、噪声和谐波等因素的影响，导致较大误差。此外，电网电压波动与背景噪声也会使输入信号在接近零点时产生抖动，从而增加了错误检测基波零点的可能性。近年来，科学家们提出了一些新的过零检测方法来简化硬件配置，但这通常需要主控芯片执行额外的检查与计算任务，不仅加重了软件编程和运算负担，还可能影响到过零检测的时间精度。

针对目前过零检测电路存在的缺点和不足，经过分析研究，设计了一种新型过零检测电路，该电路结构简单，安全可靠，经济实用。

1.LM339优势

LM339是一种比较常见的四路差分比较器，其内部集成了四个比较器，每个比较器包含两个输入端和一个输出端。两个输入端中的一个称为同相输入端（即“+”），另一个称为反相输入端（即“-”）。比较两个电压时，在任意输入端加要比较的信号电压，在另一端加一个固定的电压作为阈值电压。如果“+”端高于“-”端，则输出截止，输出端开路；如果“-”端高于“+”端，则输出饱和，即输出端接低电压。当两个输入端之间的电压差超过10mV时，就能保证输出状态发生变化。因此，在微弱信号检测等场合使用LM339是比较理想的。

图1：LM339引脚图

该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；

2）电源电压范围宽；

3）比较信号源内阻比较宽；

4）共模范围大，范围从0～（Ucc-1.4V）Vo；

5）宽差分输入电压范围；

6）输出端电位选择灵活、方便。

2.过零检测电路设计

由比较器组成的过零检测电路

过零检测技术是指利用电路精确地监视并指示出信号的过零点的位置。通常取正弦信号与横轴的交点作为信号的过零点。正弦波信号周期内有两个过零点，信号由负值经零点再转为正值称为正过零点，对应的过零时刻称为正过零点；信号由正值转为负值的过零点称为负过零点，对应的过零时刻称为负过零点。因此过零检测技术又可分为单向过零检测和双向过零检测。

图2：基本过零比较器电路图

图2所示为由比较器构成的基本的过零比较电路，其Vi为输入信号，当Vi从正电压到达零点时，输出信号Vo由5V变为0V，从而实现信号的过零检测。但在生产实践中，输入信号往往不是标准的正弦信号，大多带有谐波等干扰，这很容易导致过零比较电路发出错误信号，造成系统误动作。

双限比较电路设计

考虑到基本LM339N过零比较器电路的不足，结合其电压比较器的特点，设计了一种双限过零比较器。图3为双限过零比较电路原理图。图中U2A、U2B为LM339的两个比较器。为了使它们能够检测和比较交流信号，比较器采用双电源，Vi为输入信号，Vo为输出信号，V2、V3分别为双限比较器的基准电压的上限和下限；7408N为集成双输入四与门电路。

图3：双限过零比较电路原理图

电路图的工作原理为：在一个周期内，当输入信号Vi大于基准电压V2时，比较器1脚和2脚输出分别为高电平和低电平，两个信号经过7408N与门后输出低电平；当输入信号Vi小于基准V2且大于基准电压V3时，比较器1脚输出保持高电平，2脚输出也变为高电平，两个信号经过7408N后输出变为高电平；当输入信号Vi小于基准电压V3时，比较器1脚输出变为低电平，而2脚输出保持不变，仍为高电平，两个信号经过7408N与门后输出变为低电平；当输入信号Vi大于基准电压V3但小于基准V2时，比较器的1脚输出为高电平，而2脚输出保持不变，所以这两个信号经过7408N后，输出都变为高电平。

过零检测电路可以根据设计要求的不同精度，调整参考电压V2、V3的值，以满足设计要求。

3. 过零电路仿真

根据过零检测原理，利用仿真软件Mulisim操作方便、仿真速度快的优点，搭建过零检测电路的仿真模型。如图4所示，交流信号输入部分采用幅值为8V、频率为50Hz的交流电。LM339采用正或负12V电源供电，7408N采用5V直流电源供电。输出采用12V电源上拉。为了方便观察和对比输出结果与输入的关系，采用四道示波器分别观察输入信号、1、2脚以及7408N的输出。

图4： 过零电路仿真示意图

4.实验分析

根据过零检测电路原理图及仿真原理图，搭建过零检测电路实验平台，结合实验室现有设备，输入信号经稳压器调节为8V信号，由多输出稳压器分别 为LM339和7408N提供正、负12V、5V电压。为保证7408N不被LM339的输出烧坏，在7408N的输入端做了5V及地限幅电路，使其输入变为0V和5V。过零检测电路实验波形图如图5、图6所示。

图5：过零检测实验的波形

图6：过零点局部放大图

从上面两图可以看出，该过零检测电路在实验过程中可以准确的检测出交流信号的过零点，可以进行实验避免信号的假过零引起误动作；并且，从图中可以看出，过零检测点的过零信号持续时间约为100μs，精度很高。

采用比较器LM339设计过零检测电路方案，由仿真电路原理图和搭建的测试电路原理图可以看出，该电路原理简单、实用。同时该过零检测电路能够很好的实现交流电路的过零检测，稳定性强，可靠性高，有非常好的抗干扰性能，可以直接作为交流电路中CPU的过零信号。该电路不仅实现了交流信号的过零检测，而且为AC-AC逆变器自然换流工作方式的实现奠定了硬件基础。