W tym artykule, omawiamy Zero Crossing Detector w szczegółach z dwoma różnymi obwodami. W początkowych paragrafach tego poradnika, nauczysz się używać detektora zerowego przekroczenia przy użyciu wzmacniacza op amp zaprojektowanego przy użyciu popularnego układu scalonego 741. Mamy starannie narysowany schemat obwodu detektora przejścia przez zero i wyjaśniliśmy jego zasadę działania i teorię za sceną w łatwych do zrozumienia słowach. W środku tego poradnika dowiesz się o 2 zastosowaniach detektora przejścia przez zero – są to generator znaczników czasu i fazomierz. Pod koniec artykułu, narysowaliśmy kolejny schemat obwodu detektora przejścia przez zero zaprojektowanego przy użyciu układu scalonego 311 i tranzystora.
Detektor przejścia przez zero przy użyciu układu scalonego 741
Obwód detektora przejścia przez zero jest ważnym zastosowaniem obwodu komparatora op-amp. Może być również nazywany jako konwerter sinusoidy na falę kwadratową. Każdy z komparatorów odwracających lub nieodwracających może być użyty jako detektor przejścia przez zero. Jedyną zmianą, jaką należy wprowadzić jest to, że napięcie odniesienia, z którym porównywane jest napięcie wejściowe, musi być równe zeru (Vref = 0V). Wejściowa fala sinusoidalna jest podawana jako Vin. Pokazuje to schemat układu oraz przebiegi wejściowe i wyjściowe komparatora odwracającego z napięciem odniesienia 0V.
Jak pokazano na przebiegu, dla napięcia odniesienia 0V, gdy wejściowa fala sinusoidalna przechodzi przez zero i zmierza w kierunku dodatnim, napięcie wyjściowe Vout jest doprowadzane do ujemnego nasycenia. Analogicznie, gdy napięcie wejściowe przechodzi przez zero i zmierza w kierunku ujemnym, napięcie wyjściowe jest doprowadzane do dodatniego nasycenia. Diody D1 i D2 nazywane są również diodami cęgowymi. Służą one do ochrony op-ampa przed uszkodzeniem w wyniku wzrostu napięcia wejściowego. Zaciskają one różnicowe napięcia wejściowe do wartości +0,7V lub -0,7V.
W niektórych zastosowaniach napięcie wejściowe może być przebiegiem o niskiej częstotliwości. Oznacza to, że przebieg zmienia się tylko powoli. Powoduje to opóźnienie w czasie dla napięcia wejściowego do przekroczenia poziomu zerowego. To z kolei powoduje dalsze opóźnienie w przełączaniu napięcia wyjściowego pomiędzy górnym i dolnym poziomem nasycenia. Jednocześnie, szumy wejściowe w op-ampie mogą powodować przełączanie napięcia wyjściowego pomiędzy poziomami nasycenia. Tak więc przejścia przez zero są wykrywane dla napięć szumów oprócz napięcia wejściowego. Trudności te mogą być usunięte przez zastosowanie obwodu regeneracyjnego sprzężenia zwrotnego z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, które powoduje szybszą zmianę napięcia wyjściowego, eliminując w ten sposób możliwość fałszywego przejścia przez zero z powodu napięć szumów na wejściu op-ampa.
Detektor zerokrzyżowania jako generator znaczników czasu
Dla wejściowej fali sinusoidalnej, wyjście detektora zerokrzyżowania będące falą kwadratową, jest dalej przepuszczane przez obwód szeregowy RC. Jest to pokazane na poniższym rysunku.
Jeśli stała czasowa RC jest bardzo mała w porównaniu z okresem T wejściowej sinusoidy, to napięcie przez R sieci obwodu RC zwane Vr będzie serią dodatnich i ujemnych impulsów. Jeśli napięcie Vr zostanie przyłożone do obwodu obcinającego za pomocą diody D, to napięcie obciążenia Vload będzie miało tylko impulsy dodatnie i obetnie impulsy ujemne. Tak więc, detektor zerowy, którego wejściem jest fala znakowa, został przekształcony w ciąg dodatnich impulsów w odstępie T poprzez dodanie sieci RC i obwodu obcinającego.
Detektor zerowy jako fazomierz
Detektor zerowy może być użyty do pomiaru kąta fazowego pomiędzy dwoma napięciami. Zasada działania będzie taka sama jak w powyższym układzie. Uzyskuje się ciąg impulsów w cyklu dodatnim i ujemnym i mierzy się odstęp czasu pomiędzy impulsem napięcia sinusoidalnego a impulsem drugiego napięcia sinusoidalnego. Ten odstęp czasu jest proporcjonalny do różnicy faz pomiędzy dwoma wejściowymi napięciami sinusoidalnymi. Zakres stosowania fazomierza do pomiaru wynosi od 0° do 360°.
Detektor przejścia przez zero z wykorzystaniem układu scalonego 311 i tranzystora
Detektor przejścia przez zero z wykorzystaniem 8-pinowego układu scalonego 311 DIP jest pokazany na poniższym rysunku. Wyjście układu scalonego op-amp 311 jest podłączone do tranzystora NPN z otwartym kolektorem. Do wyjścia tranzystora podłączony jest rezystor obciążenia 20 kiloomów.
Dla dodatniego sygnału wejściowego, to znaczy dla sinusoidy wejściowej powyżej 0 V, wyjście op-ampa powoduje wyłączenie tranzystora, a wyjście tranzystora przechodzi w stan HIGH. Stan niski przypomina w układzie napięcie -10 V, a stan HIGH przypomina w układzie napięcie -10 V.
Wyjście tranzystora wskazuje, czy sygnał wejściowy jest większy czy mniejszy od 0 V. Krótko mówiąc, jeśli sygnał wejściowy jest napięciem dodatnim, wyjście tranzystora będzie NISKIE. Jeśli sygnał wejściowy jest napięciem ujemnym, wyjście tranzystora będzie WYSOKIE.
.