基于FPGA的自适应数字传感器设计

摘要：高量程加速度传感器在小信号的激励下输出在10 mV以内，传统测试系统的噪声可能覆盖如此小的电压信号，使高量程的加速度传感器无法测试小的加速度信号。针对这一问题提出了基于自动增益切换控制理论的自适应数字传感器，该传感器能够根据加速度信号的输出电压自动选择最佳的电压增益，使高量程加速度传感器始终保持从低量程到高量程的完整加速度信号输出，拓宽了加速度传感器的动态测试范围。
关键词：高量程；加速度传感器；小信号；自适应；数字传感器

高量程加速度传感器的一般灵敏度在1 mV左右，如果加速度信号在1g～10g的范围内，则传感器的输出在1 mV～10 mV，传统测试系统的噪声就可能覆盖如此小的电压信号，那么将会无法测到完整的加速度信号，这样会使测试结果的分析造成偏差。自适应数字传感器在选择高量程加速度传感器的条件下，能够根据加速度信号的幅值自动调整测试增益，保持加速度信号的完整输出，拓宽了动态测试范围，实现了加速度传感器测量的数字化、智能化的目标。

1 设计方案
1．1 系统总体设计
自适应数字传感器主要由自适应采集系统和实验验证系统两部分组成，自适应采集系统为数字传感器的核心模块，系统总体结构框图如图1所示。

自适应采集系统可根据输入信号的幅值动态调整增益，并对调理后的信号进行采集、存储和传输。采集器的核心采用FPGA作为主控制器，以保证采集器所需的快速性、实时性和灵活性的要求。
实验验证系统可对被测信号进行同步采集，对自适应动态信号采集器的采集结果进行验证，同时能够把自适应数字传感器采集的数据还原为原始信号。验证系统以工业级计算机为核心，配接高速同步RS422通讯卡和模拟量数据采集卡，这样可以满足验证系统所需的快速性、同步通讯和大容量存储、模拟量直接采集等要求。