基于FPGA的自適應(yīng)數(shù)字傳感器設(shè)計(jì)

摘要：高量程加速度傳感器在小信號(hào)的激勵(lì)下輸出在10 mV以內(nèi)，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的噪聲可能覆蓋如此小的電壓信號(hào)，使高量程的加速度傳感器無(wú)法測(cè)試小的加速度信號(hào)。針對(duì)這一問題提出了基于自動(dòng)增益切換控制理論的自適應(yīng)數(shù)字傳感器，該傳感器能夠根據(jù)加速度信號(hào)的輸出電壓自動(dòng)選擇最佳的電壓增益，使高量程加速度傳感器始終保持從低量程到高量程的完整加速度信號(hào)輸出，拓寬了加速度傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍。
關(guān)鍵詞：高量程；加速度傳感器；小信號(hào)；自適應(yīng)；數(shù)字傳感器

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(wú)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。