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(wèn)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。
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(guò)程控放大器的同向輸入端“IN+”輸入，通過(guò)“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(lái)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(guò)程中，FPGA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(wàn)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(guò)萬(wàn)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(wàn)用表無(wú)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(lái)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(wú)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(wèn)題。