過零檢測(cè)電路在電子領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，它主要由運(yùn)算放大器和電阻、電容等無源電子元件構(gòu)成。其核心功能是精確檢測(cè)交流信號(hào)的零電壓參考點(diǎn)，也就是正弦波的零交叉點(diǎn)。在這個(gè)電路中，運(yùn)算放大器（Op - amp）作為關(guān)鍵的有源元件，被用作比較器，將零電壓參考信號(hào)與交流信號(hào)進(jìn)行細(xì)致比較。

（運(yùn)算放大器用作過零電路的比較器）
為了深入理解過零檢測(cè)電路的工作原理，我們首先需要對(duì)運(yùn)算放大器有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。運(yùn)算放大器是模擬電子電路的核心組成部分，它本質(zhì)上是一種放大器，能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)進(jìn)行放大。不過，它的用途遠(yuǎn)不止于此，還可以作為比較器、電壓求和器、微分器、積分器、濾波器和儀器儀表等。運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入引腳，分別是反相輸入和同相輸入，以及一個(gè)輸出引腳。電源引腳則用于定義其工作電壓范圍，例如 Vss + 和 Vss -。通過反饋電阻網(wǎng)絡(luò)電路，我們可以獲得較高的增益。在過零檢測(cè)電路（ZCD）中，我們主要關(guān)注它作為比較器的工作原理。

（運(yùn)算放大器作為比較器）
比較器電路與傳統(tǒng)放大器有相似之處，但它的主要功能是比較反相和同相輸入信號(hào)，并輸出數(shù)字信號(hào)。當(dāng)我們將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，其輸出為數(shù)字高電平或數(shù)字低電平，具體取決于哪個(gè)輸入信號(hào)的電平更高。例如，當(dāng)同相輸入引腳的電壓大于反相輸入時(shí)，比較器的輸出將為數(shù)字高電平；反之，當(dāng)同相輸入引腳上的電壓幅度小于反相引腳上的電壓幅度時(shí)，輸出將為數(shù)字低電平。

（比較器輸出為數(shù)字高電平示例）

（比較器輸出為數(shù)字低電平示例）
基于運(yùn)算放大器作為比較器的工作原理，我們可以設(shè)計(jì)出使用運(yùn)算放大器的過零檢測(cè)器電路，也被稱為正弦波到方波轉(zhuǎn)換器電路。過零檢測(cè)器電路與比較器類似，只不過其中一個(gè)輸入引腳與接地端子相連，為輸入引腳之一提供零電壓參考，從而檢測(cè)正弦波的零交叉點(diǎn)。每當(dāng)正弦波從零參考電壓轉(zhuǎn)變時(shí)，我們就會(huì)得到數(shù)字高輸出。根據(jù)與零電壓基準(zhǔn)連接的輸入引腳不同，過零檢測(cè)電路可以分為兩種類型。

反相 ZCD 示例

在反相型 ZCD 過零檢測(cè)電路中，我們將零電壓參考與同相輸入引腳連接。以使用 LM741 運(yùn)算放大器的過零檢測(cè)器電路為例，在這種配置下，信號(hào)電壓被施加到反相端子，零電壓參考信號(hào)被施加到同相輸入。2N2222 NPN 晶體管用于將電壓電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

（反相 ZCD 過零檢測(cè)電路）
在正弦波的正半周期期間，Vin – > Vin +（即接地），輸出將等于 - 15 伏，但晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，我們?cè)诰w管集電極端子處獲得數(shù)字高信號(hào)。從正周期過渡到負(fù)周期后，零參考電壓 Vin + 將大于負(fù)電壓信號(hào)，比較器輸出變?yōu)?+ 15 伏，晶體管打開，我們?cè)谳敵鎏幍玫綌?shù)字低信號(hào)。

同相型 ZCD 示例

同相型 ZCD 過零檢測(cè)電路除了輸入引腳與 Vin + 和 Vin - 輸入信號(hào)的連接方式不同外，工作原理與反相型基本相同。在非反相過零檢測(cè)器中，輸入電壓施加到非反相端，反相端接地以提供零參考電壓。

（同相 ZCD 過零檢測(cè)電路）
當(dāng) Vin + 小于零參考電壓 Vin - 時(shí)，輸出電壓等于 + 15 伏，由于晶體管導(dǎo)通，集電極輸出端子上得到數(shù)字低電壓或零電壓信號(hào)。在 Vin + 的正半周期內(nèi)，輸出為數(shù)字高電平，因?yàn)?Vin + 大于零參考電壓 Vin -，我們?cè)谳敵鲆_處獲得 - 15 伏電壓，晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)。

帶脈沖輸出的過零檢測(cè)器

從前面的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)正弦波通過零參考電壓時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)在數(shù)字高電平和低電平之間轉(zhuǎn)換。但有時(shí)我們只希望在正弦波從正周期變?yōu)樨?fù)周期或負(fù)周期變?yōu)檎芷跁r(shí)獲得較短持續(xù)時(shí)間的脈沖。在這種帶脈沖輸出的過零檢測(cè)電路中，全橋電路將負(fù)半周轉(zhuǎn)換為正半周，晶體管和電阻網(wǎng)絡(luò)用作上升沿檢測(cè)器，將運(yùn)算放大器的輸出轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)輸出。

（帶脈沖輸出的過零檢測(cè)電路輸出圖）
與前面的示例不同，這種電路增加了邊緣檢測(cè)電路，使用 LM358 運(yùn)算放大器作為比較器。當(dāng)需要將過零檢測(cè)器與微控制器配合使用時(shí)，這種脈沖輸出能夠清晰顯示正弦波從正周期到負(fù)周期的變化，反之亦然。

使用光耦合器進(jìn)行過零檢測(cè)

使用光耦合器的過零檢測(cè)電路在正弦波的每個(gè)零電壓基準(zhǔn)上提供脈沖輸出。4N25 光耦合器在兩個(gè)正周期期間保持開啟狀態(tài)，因?yàn)槿珮螂娐穼⒇?fù)周期轉(zhuǎn)換為正周期。當(dāng)光耦合器打開時(shí)，輸出接地，為零；在正弦波過零時(shí)，光耦合器關(guān)閉，輸出端出現(xiàn) Vcc 幅度的脈沖。

（使用光耦合器進(jìn)行過零檢測(cè)電路）
綜上所述，過零檢測(cè)電路通過巧妙運(yùn)用運(yùn)算放大器作為比較器，結(jié)合不同的電路設(shè)計(jì)和元件組合，可以實(shí)現(xiàn)多種功能，滿足不同的應(yīng)用需求。無論是反相 ZCD、同相型 ZCD，還是帶脈沖輸出的過零檢測(cè)器以及使用光耦合器的過零檢測(cè)電路，都在電子系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。