实现单片机和FPGA的位移装置高精度测量实用方案

位移传感器广泛应用于工业和控制领域，如过程检测、物理测量和自动控制等。由于其测量精度不高，往往满足不了社会需求，也限制了传感器的应用。因此，这里设计了一套基于单片机和FPGA的位移测量装置，也能够达到较高的线性度，同时在各种恶劣环境下替代人工工作，实现较高精度的测量，并具有一定的实用价值。

1 整体设计方案及实现框图

系统整体实现框图如图1所示，由信号产生部分、差分放大部分、变压器耦合部分、信号处理部分、数据采样部分和处理及显示部分组成。利用DDS技术产生的信号经THS4503的差分放大之后送入差动变压器，差动变压器输出的信号经放大、整流以及滤波处理之后送入MAXl97采样，采样得到的数据经处理单元处理后在LCD上显示测得的位移量。

2 数据处理方法分析

差动变压器是开磁路，原、副边间的互感随磁芯移动而做相应的变化，使输出的两次级线圈的电压随之发生变化，将位移的变化转化为输出的电压的变化，整流后采集数据，并进行数据处理，得到d值，图2所示为差动变压器数据处理采用查表法：首先采用游标卡尺测量若干组位移值，测量的组数根据测量范围以及测量结果来确定，并记录下相应的d值，绘制成一张表格。在实际测量时，根据测得的d值通过查表确定位移范围，并在这一范围内采用分段折线法处理得到精确的位移值。采用查表法可精确定位移范围，得到的数据误差较小，精度较高。

3 差分放大电路

选用THS4503来做差分放大电路。由于激励信号的频率固定为100 kHz，故在差分放大器的反馈电阻上加上电容，达到滤波与避免自激的效果。从低通滤波器输出的信号需经过差分放大器放大后输出一对差分信号为变压器的初级线圈提供电压。电源采用±5V双电源供电，THS4 503的2个输出端经2个阻值为12Ω的隔离电阻与变压器的初级线圈的两端相连接。具体电路图如图3所示。

4 测试内容与结果

在电路调试的过程中，针对各个模块分别进行调试，调试结果效果不错，调试数据表格省略。进行整机调试时，测量了A、B、C 3点的信号波形。其中C处的信号波形良好，无失真。A、B 2点的输出的直流信号无纹波抖动，而且数值准确。对于位移测量，实验数据如表l和表2所示。对该位移测量结果进行分析，可以看出位移测量的精度较高，最大误差是0.5 mm，测量范围是-20～20 mm，总体来说，整个系统的完成情况较好。

5 结束语

该系统测量位移范围扩展到-20～20mm，实际测量到自制差动变压器的近似线性范围约为-24～24mm，能够实现较高的精度测量，同时也能够达到不错的动态范围，但线性度不是很好，这主要是受线圈绕制的非理想均匀、对称以及铁芯规格不理想等因素的限制，但通过软件校正可大大提高位移测量的精度，而且线性度的稳定性也会有提高。