基于HCNR201的電壓采集隔離電路設計
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
根據相對誤差的定義，即測量的絕對誤差與被測量真值之比乘以100％所得的數值，其定義式為δ=△／L×100％。其中δ為相對誤差(一般用百分數給出)；△為絕對誤差；L為被測量真值。所以得到這組數據的相對誤差的平均值為0．5％。
按照定義，擬合直線(xiàn)的線(xiàn)性度(即非線(xiàn)性誤差)為測量曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)的最大偏差和滿(mǎn)量程輸出的百分比，由Matlab可以得到該電路的非線(xiàn)性誤差為0．02％。
線(xiàn)性光耦HCNR201的理想非線(xiàn)性誤差為0．01％，而實(shí)際隔離電路的非線(xiàn)性誤差為0．02％，原因主要有以下幾點(diǎn)：
①電源誤差。實(shí)驗過(guò)程中隔離前后的供電電源是由兩臺微機電源提供，微機電源本身提供的電壓±15 V是存在偏差的。
②其他器件誤差。組成該隔離電路的器件的非線(xiàn)性度、穩定性以及精確度也影響了電路的線(xiàn)性度。
③環(huán)境影響。實(shí)驗過(guò)程中環(huán)境因素對電路中其他器件的影響，如溫濕度對器件溫漂的影響等。
根據上述原因，改善的措施有：
①供電電源由DC-DC電源模塊來(lái)提供，DC-DC具有電源效率高、發(fā)熱量小、輸出電壓穩定和紋波小等特點(diǎn)。
②更改組成隔離電路的器件。例如，可以采用精密的OP-97類(lèi)型的運算放大器，能夠提供pA級的偏置電流和mV級的偏移電壓；另外，根據HCNR201的數據手冊，可以在運算放大器和光電二極管的輸入端用開(kāi)爾文連接法來(lái)連接，以確保電路的精確度。
3 方案改進(jìn)
3．1 改變供電電源
下面改變電路的供電電源對電路進(jìn)行驗證，用2個(gè)由24 V轉換為±15 V的DC-DC來(lái)為該隔離電路進(jìn)行供電，改變供電電源時(shí)隔離前后輸入／輸出電壓的比較如表2所列。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/177865.htm
從表2中可以看出，通過(guò)使用DC-DC為電路供電后，輸入電壓和輸出電壓之間的誤差已經(jīng)大大減小。經(jīng)改進(jìn)后的數據的相對誤差的平均值為0．3％，其非線(xiàn)性誤差改變不明顯，說(shuō)明改變供電電源對電路的線(xiàn)性度影響不大，所以采取另外一種方法——替換電路中的運算放大器，來(lái)驗證電路的線(xiàn)性度能不能大幅提升。
3．2 更換器件
考慮到改變DC-DC仍然不能大大縮短隔離電路的非線(xiàn)性誤差和器件線(xiàn)性度的距離，采用OP27的運放來(lái)代替TL082，OP27是具有低噪聲、低漂移、高速、高開(kāi)環(huán)增益和高性能等特點(diǎn)的超低噪聲精密單運放，用其替代運算放大器TL082后得到的數據如表3所列。
經(jīng)實(shí)驗證明，用運算放大器OP27替換電路中的TL082使得輸入電壓和輸出電壓之間的誤差大大減小，利用這組數據經(jīng)Matlab可以進(jìn)行直線(xiàn)擬合，并能夠得到擬合直線(xiàn)的斜率、截距以及線(xiàn)性度(即非線(xiàn)性誤差)等。其中，該擬合直線(xiàn)的斜率為0.9997，截距為0.00041，其非線(xiàn)性誤差為0.015％。由表3可知電路的誤差已經(jīng)非常小，并且考慮到若干元件構成電路時(shí)非線(xiàn)性誤差會(huì )增大，所以該電路的線(xiàn)性度已經(jīng)比較理想了。
結語(yǔ)
由上述實(shí)驗中的數據及圖形可以得出，由HCNR201及其外圍器件組成的隔離電路由于受到供電電源誤差、其他器件誤差以及環(huán)境岡素的影響而導致電路線(xiàn)性度不理想的情況可以改善。通過(guò)將供電電源由微機電源更換為DC-DC電源，以及將其他器件更換為精密器件來(lái)提高隔離電路的線(xiàn)性度和精度。同時(shí)，經(jīng)現場(chǎng)使用證明，本文給出的電壓測量電路能夠對電動(dòng)汽車(chē)中的鋰電池進(jìn)行安全、準確的電壓采集，也充分利用了光耦繼電器AQW214的各個(gè)特點(diǎn)；基于線(xiàn)性光耦HCNR201的電壓隔離電路實(shí)現了高穩定性和線(xiàn)性度的信號隔離，因此，該電路也可廣泛地應用在各數據采集的輸入／輸出電路中。
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