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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(hào)在1g～10g的范圍內(nèi)，則傳感器的輸出在1 mV～10 mV，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的噪聲就可能覆蓋如此小的電壓信號(hào)，那么將會(huì)無法測(cè)到完整的加速度信號(hào)，這樣會(huì)使測(cè)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(hào)的幅值自動(dòng)調(diào)整測(cè)試增益，保持加速度信號(hào)的完整輸出，拓寬了動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍，實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器測(cè)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(hào)的幅值動(dòng)態(tài)調(diào)整增益，并對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)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(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行同步采集，對(duì)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)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(hào)。驗(yàn)證系統(tǒng)以工業(yè)級(jí)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(chǔ)、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(hào)的采集就要對(duì)不同幅值的電壓信號(hào)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(jí)聯(lián)的方式，如圖2所示。其中，輸入信號(hào)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(hào)的范圍，設(shè)置程控放大器的增益，如表1所示。
2 增益自動(dòng)切換設(shè)計(jì)
增益自動(dòng)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(dòng)切換控制模塊自動(dòng)完成，增益自動(dòng)切換是根據(jù)外部輸入模擬信號(hào)的幅值自動(dòng)選擇合適的增益，以保證測(cè)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(dòng)切換控制單元將對(duì)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(jí)的門限電壓比較，低于門限電壓時(shí)則進(jìn)入低一級(jí)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(duì)被測(cè)信號(hào)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(duì)調(diào)整后的被測(cè)信號(hào)再次進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。
3 自適應(yīng)數(shù)字傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)調(diào)節(jié)程控放大器的增益，對(duì)自適應(yīng)后的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，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(duì)比驗(yàn)證，同時(shí)還原自適應(yīng)采集的數(shù)據(jù)。
測(cè)試方法是將加速度傳感器置于振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(hào)，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(hào)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析自適應(yīng)數(shù)字傳感器的性能。測(cè)量環(huán)境溫度20℃～25℃，每次測(cè)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(dòng)臺(tái)中，將振動(dòng)臺(tái)的頻率設(shè)定為1 kHz，按照設(shè)定參數(shù)改變加速度信號(hào)幅值，從而改變加速度傳感器的輸出信號(hào)；
(2)根據(jù)離子風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速給試驗(yàn)臺(tái)加載加速度信號(hào)，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(hào)。
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
3．2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。
結(jié)果分析：
(1)當(dāng)被測(cè)加速度傳感器輸出電壓信號(hào)在10 mV以下時(shí)，萬用表無法顯示實(shí)際電壓信號(hào)。而自適應(yīng)數(shù)字傳感器能夠完整地測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(2)如圖4所示為1 kHz(2 g)驗(yàn)證系統(tǒng)采集的傳感器信號(hào)波形和自適應(yīng)數(shù)字傳感器采集的傳感器波形對(duì)比圖，從圖中可以看出自適應(yīng)數(shù)字傳感器能夠自動(dòng)調(diào)整程控放大器的增益來控制傳感器的輸出，突出了自適應(yīng)數(shù)字傳感器的增益自動(dòng)切換的優(yōu)勢(shì)，提高了傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍。
4 結(jié)論
自適應(yīng)數(shù)字傳感器可以用于測(cè)試高量程的加速度傳感器，設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)?shù)卦龃鬁y(cè)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(cè)試方法測(cè)試高量程加速度傳感器時(shí)，一旦有小信號(hào)的加速度時(shí)，將無法完整地獲取加速度信號(hào)。而自適應(yīng)數(shù)字傳感器很好地解決了這一問題。
作者：唐貴 郭濤 來源：電子設(shè)計(jì)工程
