基于FPGA和單片機的位移測量裝置的設(shè)計

　　位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過程檢測、物理測量和自動控制等。由于其測量精度不高，往往滿足不了社會需求，也**了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計了一套基于單片機和FPGA的位移測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測量，同時也能夠達(dá)到較高的線性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實現(xiàn)較高精度的測量，并具有一定的實用價值。

　　1 整體設(shè)計方案及實現(xiàn)框圖

　　系統(tǒng)整體實現(xiàn)框圖如圖1所示，由信號產(chǎn)生部分、差分放大部分、變壓器耦合部分、信號處理部分、數(shù)據(jù)采樣部分和處理及顯示部分組成。利用DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號經(jīng)THS4503的差分放大之后送入差動變壓器，差動變壓器輸出的信號經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入MAXl97采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測得的位移量。

　　2 理論分析與計算
　　2．1 DDS信號產(chǎn)生理論分析

　　在系統(tǒng)時鐘頻率和相位累加器位數(shù)一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字決定。設(shè)M為所設(shè)計的相位累加器的位數(shù)，N為頻率控制字，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為

　　實驗中，激勵信號的頻率是100 kHz，采用的時鐘頻率是40 MHz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數(shù)是29位。然后經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器，輸出的信號經(jīng)一個截止頻率是150 kHz的有源低通濾波器輸出，得到穩(wěn)定、連續(xù)平滑的波形。

　　2．2 數(shù)據(jù)處理方法分析

　　差動變壓器是開磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動而做相應(yīng)的變化，使輸出的兩次級線圈的電壓隨之發(fā)生變化，將位移的變化轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變化，整流后采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動變壓器數(shù)據(jù)處理采用查表法：首先采用游標(biāo)卡尺測量若干組位移值，測量的組數(shù)根據(jù)測量范圍以及測量結(jié)果來確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實際測量時，根據(jù)測得的d值通過查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采用分段折線法處理得到精確的位移值。采用查表法可精確定位移范圍，得到的數(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。

　　3 單元模塊電路設(shè)計
　　3．1 線性可變差動變壓器的設(shè)計

　　設(shè)計時應(yīng)該考慮以下兩方面因素：1)能保證銜鐵工作時不會超出線圈之外；2)差動變壓器靈敏度。當(dāng)按匝數(shù)增加時，可使靈敏度S增加，但按匝數(shù)的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線發(fā)熱的散熱情況及磁飽和等因素的約束。

　　綜合以上分析，線圈分為上、中、下3段式，長度各為2 cm，中間部分線圈為初級線圈，上下兩部分為次級線圈。初、次級線圈的匝數(shù)比均為1：1，與之配套的磁棒長度也為2 cm。此線圈在線性移動范圍內(nèi)效果較好，但是當(dāng)移動到邊緣部分時由于磁力線分散，測得非線性的數(shù)據(jù)，但通過校準(zhǔn)后仍能達(dá)到很高的精度。

　　3．2 差分放大電路

選用THS4503來做差分放大電路。由于激勵信號的頻率固定為100 kHz，故在差分放大器的反饋電阻上加上電容，達(dá)到濾波與避免自激的效果。從低通濾波器輸出的信號需經(jīng)過差分放大器放大后輸出一對差分信號為變壓器的初級線圈提供電壓。電源采用±5 V雙電源供電，THS4 503的2個輸出端經(jīng)2個阻值為12 Ω的隔離電阻與變壓器的初級線圈的兩端相連接。具體電路圖如圖3所示。

3．3 檢波電路

圖4為檢波電路。差動變壓器將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號，測量信號幅值或有效值再進行數(shù)據(jù)處理，便可得到相應(yīng)的位移值。對于有效值的檢測，選用真有效值測量芯片AD637實現(xiàn)。平均電容C1設(shè)定平均時間常數(shù)，并決定低頻準(zhǔn)確度，輸出紋波大小和穩(wěn)定時間。信號經(jīng)放大后輸入到AD637進行有效值檢波，兩電位器分別進行調(diào)零和調(diào)幅，以使AD637的輸出更準(zhǔn)確。