摘要：高量程加速度傳感器在小信號的激勵下輸出在10 mV以內(nèi)，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的噪聲可能覆蓋如此小的電壓信號，使高量程的加速度傳感器無法測試小的加速度信號。針對這一問題提出了基于自動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)加速度信號的輸出電壓自動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輸出，拓寬了加速度傳感器的動態(tài)測試范圍。
關(guān)鍵詞：高量程；加速度傳感器；小信號；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，FPGA內(nèi)部的增益自動切換控制單元將對A／D的每一個采樣點(diǎn)進(jìn)行比較運(yùn)算，高于門限電壓時就進(jìn)入高一級的門限電壓比較，低于門限電壓時則進(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。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
3．2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
    振動實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

    結(jié)果分析：
    (1)當(dāng)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(shí)際電壓信號。而自適應(yīng)數(shù)字傳感器能夠完整地測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
    (2)如圖4所示為1 kHz(2 g)驗(yàn)證系統(tǒng)采集的傳感器信號波形和自適應(yīng)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(yīng)數(shù)字傳感器能夠自動調(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切換的優(yōu)勢，提高了傳感器的動態(tài)測試范圍。

4 結(jié)論
    自適應(yīng)數(shù)字傳感器可以用于測試高量程的加速度傳感器，設(shè)計(jì)時可以適當(dāng)?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(yīng)數(shù)字傳感器很好地解決了這一問題。