基于FPGA的自適應數(shù)字傳感器設計*

唐 貴，郭 濤

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原030051)

高量程加速度傳感器的一般靈敏度在1 mV左右，如果加速度信號在1 g～10 g的范圍內，則傳感器的輸出在1 mV～10 mV，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的噪聲就可能覆蓋如此小的電壓信號，那么將會無法測到完整的加速度信號，這樣會使測試結果的分析造成偏差。自適應數(shù)字傳感器在選擇高量程加速度傳感器的條件下，能夠根據(jù)加速度信號的幅值自動調整測試增益［2］，保持加速度信號的完整輸出，拓寬了動態(tài)測試范圍，實現(xiàn)了加速度傳感器測量的數(shù)字化、智能化的目標［1］。

1 設計方案

1.1 系統(tǒng)總體設計

自適應數(shù)字傳感器主要由自適應采集系統(tǒng)和實驗驗證系統(tǒng)兩部分組成，自適應采集系統(tǒng)為數(shù)字傳感器的核心模塊，系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

圖1 自適應數(shù)字傳感器系統(tǒng)框圖

自適應采集系統(tǒng)可根據(jù)輸入信號的幅值動態(tài)調整增益，并對調理后的信號進行采集、存儲和傳輸。采集器的核心采用FPGA作為主控制器，以保證采集器所需的快速性、實時性和靈活性的要求［5］。

實驗驗證系統(tǒng)可對被測信號進行同步采集，對自適應動態(tài)信號采集器的采集結果進行驗證，同時能夠把自適應數(shù)字傳感器采集的數(shù)據(jù)還原為原始信號。驗證系統(tǒng)以工業(yè)級計算機為核心，配接高速同步RS422通訊卡和模擬量數(shù)據(jù)采集卡，這樣可以滿足驗證系統(tǒng)所需的快速性、同步通訊和大容量存儲、模擬量直接采集等要求［3］。

1.2 程控放大器設計

要實現(xiàn)小信號的采集就要對不同幅值的電壓信號進行分檔放大，這就是程控放大器的作用［4］。自適應數(shù)字傳感器的程控放大器采用AD8251和AD8253級聯(lián)的方式，如圖2所示。其中，輸入信號通過程控放大器的同向輸入端“IN+”輸入，通過“OUT”輸出。

圖2 程控放大器原理圖

AD8251 的可選放大倍數(shù)為 1、2、4、8，AD8253 的可選放大倍數(shù)為1、10、100、1000;二者組合使用，可選放大倍數(shù)為1、2、4、8、10、20 等;二者的放大倍數(shù)由1A0、1A1、1A2、1A3 四個控制端來調整，根據(jù)輸入信號的范圍，設置程控放大器的增益，如表1所示。

表1 增益設置表

2 增益自動切換設計

增益自動切換控制是自適應數(shù)字傳感器中最核心的模塊，增益的選擇由FPGA內部的增益自動切換控制模塊自動完成，增益自動切換是根據(jù)外部輸入模擬信號的幅值自動選擇合適的增益，以保證測量值有足夠的分辨力和準確度。在系統(tǒng)上電工作的過程中，F(xiàn)PGA內部的增益自動切換控制單元將對A/D的每一個采樣點進行比較運算，高于門限電壓時就進入高一級的門限電壓比較，低于門限電壓時則進入低一級的門限電壓比較，最后按照增益檔位進行相應的放大。

程控放大模塊的工作流程如圖3所示。

圖3 程控放大模塊工作流程圖

在每次采樣之前設定PGA的增益為1，并對被測信號進行AD轉換，根據(jù)AD轉換的結果重新設定PGA的增益。對調整后的被測信號再次進行AD轉換，并存儲AD轉換得到的數(shù)據(jù)。

3 自適應數(shù)字傳感器動態(tài)測試

3.1 試驗原理、方法及步驟

試驗原理為自適應數(shù)字傳感器根據(jù)加速度傳感器的輸出電壓自動調節(jié)程控放大器的增益，對自適應后的傳感器信號進行采集存儲，并將數(shù)據(jù)上傳到驗證系統(tǒng)，驗證系統(tǒng)把同步采集的數(shù)據(jù)和自適應采集的數(shù)據(jù)進行對比驗證，同時還原自適應采集的數(shù)據(jù)。

測試方法是將加速度傳感器置于振動臺實驗平臺上，用萬用表、自適應數(shù)字傳感器和驗證系統(tǒng)同時記錄加速度傳感器的輸出信號，并把自適應數(shù)字傳感器采集的數(shù)據(jù)還原成實際信號。根據(jù)測量結果分析自適應數(shù)字傳感器的性能。測量環(huán)境溫度20℃ ～25℃，每次測量開始之前開機預熱半小時［6］。試驗步驟如下:

(1)將加速度傳感器置于振動臺中，將振動臺的頻率設定為1 kHz，按照設定參數(shù)改變加速度信號幅值，從而改變加速度傳感器的輸出信號;

(2)根據(jù)離子風機的轉速給試驗臺加載加速度信號，通過萬用表記錄傳感器的輸出，同時利用自適應數(shù)字傳感器和驗證系統(tǒng)自帶的高分辨率的采集卡采集數(shù)據(jù);

(3)驗證系統(tǒng)根據(jù)自適應數(shù)字傳感器采集的數(shù)據(jù)還原加速度傳感器輸出電壓信號。

采用的加速度傳感器指標如下:

量程:±5 000 g

靈敏度:1.098 mV/g

3.2 試驗結果及結論

振動實驗測試數(shù)據(jù)結果如表2所示。

表2 振動實驗測試數(shù)據(jù) 單位:mV

結果分析:

(1)當被測加速度傳感器輸出電壓信號在10 mV以下時，萬用表無法顯示實際電壓信號。而自適應數(shù)字傳感器能夠完整地測得試驗數(shù)據(jù)。

(2)如圖4所示為1 kHz(2 g)驗證系統(tǒng)采集的傳感器信號波形和自適應數(shù)字傳感器采集的傳感器波形對比圖，從圖中可以看出自適應數(shù)字傳感器能夠自動調整程控放大器的增益來控制傳感器的輸出，突出了自適應數(shù)字傳感器的增益自動切換的優(yōu)勢，提高了傳感器的動態(tài)測試范圍。

圖4 1 kHz(2 g)自適應數(shù)字傳感器采集的波形

4 結論

自適應數(shù)字傳感器可以用于測試高量程的加速度傳感器，設計時可以適當?shù)卦龃鬁y試范圍，并且能夠保證較高的靈敏度輸出。如果使用傳統(tǒng)測試方法測試高量程加速度傳感器時，一旦有小信號的加速度時，將無法完整地獲取加速度信號。而自適應數(shù)字傳感器很好地解決了這一問題。

［1］周浩敏，錢政.智能傳感技術與系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［2］杜偉略，郭再泉.基于量程自動轉換技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.自動化儀表，2007(4):47－49.

［3］申偉.USB數(shù)據(jù)傳輸技術研究及應用［D］.中北大學碩士學位論文，2009.

［4］張劍平.程控放大器及其精度研究［J］.儀器儀表學報，2006，27(6 增刊):1289 －1290，1293.

［5］徐志軍，徐光輝.CPLD/FPGA的開發(fā)與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［6］蔣宇.動態(tài)測試中加速度傳感器安裝使用方法摸索及應用［C］.四川省電子學會傳感技術第十屆學術年會會議論文，2007:14－20.