基于HCNR201的電壓采集隔離電路設(shè)計
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根據(jù)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(shù)值，其定義式為δ=△／L×100％。其中δ為相對誤差(一般用百分?jǐn)?shù)給出)；△為絕對誤差；L為被測量真值。所以得到這組數(shù)據(jù)的相對誤差的平均值為0．5％。
按照定義，擬合直線的線性度(即非線性誤差)為測量曲線與擬合直線的最大偏差和滿量程輸出的百分比，由Matlab可以得到該電路的非線性誤差為0．02％。
線性光耦HCNR201的理想非線性誤差為0．01％，而實際隔離電路的非線性誤差為0．02％，原因主要有以下幾點：
①電源誤差。實驗過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性度、穩(wěn)定性以及精確度也影響了電路的線性度。
③環(huán)境影響。實驗過程中環(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(jù)上述原因，改善的措施有：
①供電電源由DC-DC電源模塊來提供，DC-DC具有電源效率高、發(fā)熱量小、輸出電壓穩(wěn)定和紋波小等特點。
②更改組成隔離電路的器件。例如，可以采用精密的OP-97類型的運算放大器，能夠提供pA級的偏置電流和mV級的偏移電壓；另外，根據(jù)HCNR201的數(shù)據(jù)手冊，可以在運算放大器和光電二極管的輸入端用開爾文連接法來連接，以確保電路的精確度。
3 方案改進
3．1 改變供電電源
下面改變電路的供電電源對電路進行驗證，用2個由24 V轉(zhuǎn)換為±15 V的DC-DC來為該隔離電路進行供電，改變供電電源時隔離前后輸入／輸出電壓的比較如表2所列。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/177865.htm
從表2中可以看出，通過使用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)改進后的數(shù)據(jù)的相對誤差的平均值為0．3％，其非線性誤差改變不明顯，說明改變供電電源對電路的線性度影響不大，所以采取另外一種方法——替換電路中的運算放大器，來驗證電路的線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性誤差和器件線性度的距離，采用OP27的運放來代替TL082，OP27是具有低噪聲、低漂移、高速、高開環(huán)增益和高性能等特點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(shù)據(jù)如表3所列。
經(jīng)實驗證明，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(shù)據(jù)經(jīng)Matlab可以進行直線擬合，并能夠得到擬合直線的斜率、截距以及線性度(即非線性誤差)等。其中，該擬合直線的斜率為0.9997，截距為0.00041，其非線性誤差為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(gòu)成電路時非線性誤差會增大，所以該電路的線性度已經(jīng)比較理想了。
結(jié)語
由上述實驗中的數(shù)據(jù)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(dǎo)致電路線性度不理想的情況可以改善。通過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提高隔離電路的線性度和精度。同時，經(jīng)現(xiàn)場使用證明，本文給出的電壓測量電路能夠?qū)﹄妱悠囍械匿囯姵剡M行安全、準(zhǔn)確的電壓采集，也充分利用了光耦繼電器AQW214的各個特點；基于線性光耦HCNR201的電壓隔離電路實現(xiàn)了高穩(wěn)定性和線性度的信號隔離，因此，該電路也可廣泛地應(yīng)用在各數(shù)據(jù)采集的輸入／輸出電路中。
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