一種自適應(yīng)數(shù)字傳感器的設(shè)計(jì)

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1g～10g的范圍內(nèi)，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(jié)果的分析造成偏差。自適應(yīng)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(diào)整測試增益，保持加速度信號的完整輸出，拓寬了動態(tài)測試范圍，實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器測量的數(shù)字化、智能化的目標(biāo)。

1、設(shè)計(jì)方案

1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自適應(yīng)數(shù)字傳感器主要由自適應(yīng)采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)兩部分組成，自適應(yīng)采集系統(tǒng)為數(shù)字傳感器的核心模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

自適應(yīng)采集系統(tǒng)可根據(jù)輸入信號的幅值動態(tài)調(diào)整增益，并對調(diào)理后的信號進(jìn)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(shí)時(shí)性和靈活性的要求。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)可對被測信號進(jìn)行同步采集，對自適應(yīng)動態(tài)信號采集器的采集結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)能夠把自適應(yīng)數(shù)字傳感器采集的數(shù)據(jù)還原為原始信號。驗(yàn)證系統(tǒng)以工業(yè)級計(jì)算機(jī)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(yàn)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。

1．2 程控放大器設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)小信號的采集就要對不同幅值的電壓信號進(jìn)行分檔放大，這就是程控放大器的作用。自適應(yīng)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。

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(gè)控制端來調(diào)整，根據(jù)輸入信號的范圍，設(shè)置程控放大器的增益，如表1所示。

2、增益自動切換設(shè)計(jì)

增益自動切換控制是自適應(yīng)數(shù)字傳感器中最核心的模塊，增益的選擇由FPGA內(nèi)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(zhǔn)確度。在系統(tǒng)上電工作的過程中，F(xiàn)PGA內(nèi)部的增益自動切換控制單元將對A／D的每一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行比較運(yùn)算，高于門限電壓時(shí)就進(jìn)入高一級的門限電壓比較，低于門限電壓時(shí)則進(jìn)入低一級的門限電壓比較，最后按照增益檔位進(jìn)行相應(yīng)的放大。

程控放大模塊的工作流程如圖3所示。

在每次采樣之前設(shè)定PGA的增益為1，并對被測信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果重新設(shè)定PGA的增益。對調(diào)整后的被測信號再次進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并存儲AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

3、自適應(yīng)數(shù)字傳感器動態(tài)測試

3．1 試驗(yàn)原理、方法及步驟

試驗(yàn)原理為自適應(yīng)數(shù)字傳感器根據(jù)加速度傳感器的輸出電壓自動調(diào)節(jié)程控放大器的增益，對自適應(yīng)后的傳感器信號進(jìn)行采集存儲，并將數(shù)據(jù)上傳到驗(yàn)證系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)把同步采集的數(shù)據(jù)和自適應(yīng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，同時(shí)還原自適應(yīng)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(shí)驗(yàn)平臺上，用萬用表、自適應(yīng)數(shù)字傳感器和驗(yàn)證系統(tǒng)同時(shí)記錄加速度傳感器的輸出信號，并把自適應(yīng)數(shù)字傳感器采集的數(shù)據(jù)還原成實(shí)際信號。根據(jù)測量結(jié)果分析自適應(yīng)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(jī)預(yù)熱半小時(shí)。試驗(yàn)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(shè)定為1 kHz，按照設(shè)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速給試驗(yàn)臺加載加速度信號，通過萬用表記錄傳感器的輸出，同時(shí)利用自適應(yīng)數(shù)字傳感器和驗(yàn)證系統(tǒng)自帶的高分辨率的采集卡采集數(shù)據(jù)；

(3)驗(yàn)證系統(tǒng)根據(jù)自適應(yīng)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(biāo)如下：

量程：±5 000 g

靈敏度：1．098 mV／g