基于FPGA和單片機的位移測量裝置的設計

　　位移傳感器廣泛應用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過(guò)程檢測、物理測量和自動(dòng)控制等。由于其測量精度不高，往往滿(mǎn)足不了社會(huì )需求，也**了傳感器的應用。因此，這里設計了一套基于單片機和FPGA的位移測量裝置，能夠實(shí)現較高的精度測量，同時(shí)也能夠達到較高的線(xiàn)性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現較高精度的測量，并具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1 整體設計方案及實(shí)現框圖

　　系統整體實(shí)現框圖如圖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、數據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(dòng)變壓器，差動(dòng)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，采樣得到的數據經(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

　　在系統時(shí)鐘頻率和相位累加器位數一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字決定。設M為所設計的相位累加器的位數，N為頻率控制字，則DDS系統輸出信號的頻率為

　　實(shí)驗中，激勵信號的頻率是100 kHz，采用的時(shí)鐘頻率是40 MHz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數是29位。然后經(jīng)過(guò)D／A轉換器，輸出的信號經(jīng)一個(gè)截止頻率是150 kHz的有源低通濾波器輸出，得到穩定、連續平滑的波形。

　　2．2 數據處理方法分析

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

　　3 單元模塊電路設計
　　3．1 線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器的設計

　　設計時(shí)應該考慮以下兩方面因素：1)能保證銜鐵工作時(shí)不會(huì )超出線(xiàn)圈之外；2)差動(dòng)變壓器靈敏度。當按匝數增加時(shí)，可使靈敏度S增加，但按匝數的增加將受到線(xiàn)圈導線(xiàn)允許電流密度、導線(xiàn)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(xiàn)圈分為上、中、下3段式，長(cháng)度各為2 cm，中間部分線(xiàn)圈為初級線(xiàn)圈，上下兩部分為次級線(xiàn)圈。初、次級線(xiàn)圈的匝數比均為1：1，與之配套的磁棒長(cháng)度也為2 cm。此線(xiàn)圈在線(xiàn)性移動(dòng)范圍內效果較好，但是當移動(dòng)到邊緣部分時(shí)由于磁力線(xiàn)分散，測得非線(xiàn)性的數據，但通過(guò)校準后仍能達到很高的精度。

　　3．2 差分放大電路

選用THS4503來(lái)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(guò)差分放大器放大后輸出一對差分信號為變壓器的初級線(xiàn)圈提供電壓。電源采用±5 V雙電源供電，THS4 503的2個(gè)輸出端經(jīng)2個(gè)阻值為12 Ω的隔離電阻與變壓器的初級線(xiàn)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(dòng)變壓器將位移量轉換成電壓信號，測量信號幅值或有效值再進(jìn)行數據處理，便可得到相應的位移值。對于有效值的檢測，選用真有效值測量芯片AD637實(shí)現。平均電容C1設定平均時(shí)間常數，并決定低頻準確度，輸出紋波大小和穩定時(shí)間。信號經(jīng)放大后輸入到AD637進(jìn)行有效值檢波，兩電位器分別進(jìn)行調零和調幅，以使AD637的輸出更準確。