I denne artikel diskuterer vi nulkrydsningsdetektoren i detaljer med to forskellige kredsløb. I de indledende afsnit af tutorialen vil du lære nulkrydsningsdetektor ved hjælp af op forstærker designet ved hjælp af den populære 741 IC. Vi har et pænt kredsløbsdiagram af nulkrydsningsdetektoren, og vi har forklaret dens funktionsprincip og teori bag scenen i letforståelige ord. Mod midten af denne vejledning vil du lære om 2 anvendelser af nulpunktsdetektor – som er tidsmarkørgenerator og fasemåler. Mod slutningen af artiklen har vi tegnet et andet kredsløbsdiagram af nulpunktsdetektor designet ved hjælp af IC 311 og transistor.
Nulpunktsdetektor ved hjælp af 741 IC
Nulpunktsdetektorkredsløbet er en vigtig anvendelse af op-amp komparatorkredsløbet. Det kan også kaldes som sinus til firkantede bølger konverter. Enhver af de inverterende eller ikke-inverterende komparatorer kan anvendes som en nulkrydsningsdetektor. Den eneste ændring, der skal foretages, er, at den referencespænding, som indgangsspændingen skal sammenlignes med, skal gøres til nul (Vref = 0V). En indgangssinusbølge er givet som Vin. Disse er vist i kredsløbsdiagrammet og ind- og udgangsbølgeformerne for en inverterende komparator med en 0V referencespænding.
Som vist i kurveformen, for en referencespænding 0V, når indgangssinusbølgen passerer nul og går i positiv retning, drives udgangsspændingen Vout ind i negativ mætning. Tilsvarende, når indgangsspændingen passerer gennem nul og går i den negative retning, drives udgangsspændingen til positiv mætning. Dioderne D1 og D2 kaldes også klemmedioder. De bruges til at beskytte op-amp’en mod skader på grund af en stigning i indgangsspændingen. De klemmer de differentielle indgangsspændinger til enten +0,7 V eller -0,7 V.
I visse anvendelser kan indgangsspændingen være en lavfrekvent bølgeform. Det betyder, at bølgeformen kun ændrer sig langsomt. Dette medfører en forsinkelse i tiden for indgangsspændingen til at krydse nul-niveauet. Dette medfører yderligere forsinkelse for udgangsspændingen til at skifte mellem det øvre og nedre mætningsniveau. Samtidig kan inputstøjen i op-forstærkeren medføre, at udgangsspændingen skifter mellem mætningsniveauerne. Der registreres således nulpunktsoverskridelser for støjspændinger ud over indgangsspændingen. Disse vanskeligheder kan fjernes ved at anvende et regenerativt tilbagekoblingskredsløb med en positiv tilbagekobling, der får udgangsspændingen til at ændre sig hurtigere og dermed eliminerer muligheden for falske nulkrydsninger på grund af støjspændinger ved op-ampens indgang.
Nul-krydsningsdetektor som tidsmarkørgenerator
For en sinusbølge på indgangen ledes nul-krydsningsdetektorens udgang, der er en firkantet bølge, videre gennem et RC-seriekredsløb. Dette er vist i nedenstående figur.
Hvis tidskonstanten RC er meget lille i forhold til perioden T for indgangssinusbølgen, så vil spændingen over R i RC-kredsløbsnetværket kaldet Vr være en serie af positive og negative impulser. Hvis spændingen Vr tilføres et clipper-kredsløb ved hjælp af en diode D, vil belastningsspændingen Vload kun have positive impulser og vil klippe de negative impulser væk. Således er en nul-krydsningsdetektor, hvis input er en tegnbølge, blevet omdannet til en serie positive impulser med intervallet T ved at tilføje et RC-netværk og et clipping-kredsløb.
Nul-krydsningsdetektor som fasemåler
En nul-krydsningsdetektor kan anvendes til måling af fasevinklen mellem to spændinger. Virkningen vil være den samme som forklaret i ovenstående kredsløb. Der opnås en række impulser i den positive og negative cyklus, og tidsintervallet mellem pulsen for sinusspændingen og pulsen for den anden sinusspænding måles. Dette tidsinterval er proportionalt med faseforskellen mellem de to indgående sinusspændinger. Anvendelsesområdet for fasemeteret til måling er 0° til 360°.
Nul-krydsningsdetektor ved hjælp af IC 311 og transistor
En nul-krydsningsdetektor ved hjælp af en 8-pin DIP-enhed 311 IC er vist i figuren nedenfor. Udgangen fra op-amp IC 311 er forbundet til en åben samler NPN-transistor. En belastningsmodstand på 20 kiloohm er tilsluttet transistorens udgang.
For et positivt indgangssignal, dvs. for en indgangssinusbølge over 0 volt, sætter op-ampens udgang transistoren på OFF, og transistorens udgang går HIGH. Den lave tilstand ligner en -10 volt i kredsløbet og en HIGH-tilstand ligner -10 volt i kredsløbet.
Transistorens udgang angiver, om indgangssignalet er mere eller mindre end 0 volt. Kort sagt, hvis indgangssignalet er en positiv spænding, vil transistorens udgang være LOW. Hvis indgangssignalet er en negativ spænding, vil transistorens udgang være HØJ.