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。

1．2 程控放大器設計

要實現小信號的采集就要對不同幅值的電壓信號進行分檔放大，這就是程控放大器的作用。自適應數字傳感器的程控放大器采用AD8251和AD8253級聯的方式，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的可選放大倍數為1、2、4、8，AD8253的可選放大倍數為1、10、100、1000；二者組合使用，可選放大倍數為1、2、4、8、10、20等；二者的放大倍數由1A0、1A1、1A2、1A3四個控制端來調整，根據輸入信號的范圍，設置程控放大器的增益，如表1所示。

2、增益自動切換設計

增益自動切換控制是自適應數字傳感器中最核心的模塊，增益的選擇由FPGA內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確度。在系統上電工作的過程中，FPGA內部的增益自動切換控制單元將對A／D的每一個采樣點進行比較運算，高于門限電壓時就進入高一級的門限電壓比較，低于門限電壓時則進入低一級的門限電壓比較，最后按照增益檔位進行相應的放大。

程控放大模塊的工作流程如圖3所示。

在每次采樣之前設定PGA的增益為1，并對被測信號進行AD轉換，根據AD轉換的結果重新設定PGA的增益。對調整后的被測信號再次進行AD轉換，并存儲AD轉換得到的數據。

3、自適應數字傳感器動態測試

3．1 試驗原理、方法及步驟

試驗原理為自適應數字傳感器根據加速度傳感器的輸出電壓自動調節程控放大器的增益，對自適應后的傳感器信號進行采集存儲，并將數據上傳到驗證系統，驗證系統把同步采集的數據和自適應采集的數據進行對比驗證，同時還原自適應采集的數據。

測試方法是將加速度傳感器置于振動臺實驗平臺上，用萬用表、自適應數字傳感器和驗證系統同時記錄加速度傳感器的輸出信號，并把自適應數字傳感器采集的數據還原成實際信號。根據測量結果分析自適應數字傳感器的性能。測量環境溫度20℃～25℃，每次測量開始之前開機預熱半小時。試驗步驟如下：

(1)將加速度傳感器置于振動臺中，將振動臺的頻率設定為1 kHz，按照設定參數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)根據離子風機的轉速給試驗臺加載加速度信號，通過萬用表記錄傳感器的輸出，同時利用自適應數字傳感器和驗證系統自帶的高分辨率的采集卡采集數據；

(3)驗證系統根據自適應數字傳感器采集的數據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如下：

量程：±5 000 g

靈敏度：1．098 mV／g