基于FPGA的自適應數字傳感器設計

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，傳統測試系統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數字傳感器，該傳感器能夠根據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測試范圍。
關鍵詞：高量程；加速度傳感器；小信號；自適應；數字傳感器

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，則傳感器的輸出在1 mV～10 mV，傳統測試系統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，這樣會使測試結果的分析造成偏差。自適應數字傳感器在選擇高量程加速度傳感器的條件下，能夠根據加速度信號的幅值自動調整測試增益，保持加速度信號的完整輸出，拓寬了動態測試范圍，實現了加速度傳感器測量的數字化、智能化的目標。

1 設計方案
1．1 系統總體設計
自適應數字傳感器主要由自適應采集系統和實驗驗證系統兩部分組成，自適應采集系統為數字傳感器的核心模塊，系統總體結構框圖如圖1所示。

自適應采集系統可根據輸入信號的幅值動態調整增益，并對調理后的信號進行采集、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、實時性和靈活性的要求。
實驗驗證系統可對被測信號進行同步采集，對自適應動態信號采集器的采集結果進行驗證，同時能夠把自適應數字傳感器采集的數據還原為原始信號。驗證系統以工業級計算機為核心，配接高速同步RS422通訊卡和模擬量數據采集卡，這樣可以滿足驗證系統所需的快速性、同步通訊和大容量存儲、模擬量直接采集等要求。