提高電子衡器性能的幾點(diǎn)探討

中國衡器協(xié)會 曹立平

【摘 要】衡器的電子結(jié)構(gòu)勢必對稱重性能產(chǎn)生影響。本文就若干影響稱重質(zhì)量和性能的電子因素提出意見，對甄別信號特征調(diào)理、降噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)、軟件優(yōu)先和基于PC的稱重技術(shù)的概念、選擇通行的總線標(biāo)準(zhǔn)和在大規(guī)模DCS系統(tǒng)中構(gòu)建符合無線標(biāo)準(zhǔn)的衡器等方面做一些粗淺的探討。

【關(guān)鍵詞】 稱重信號測量；軟硬件無縫集成；軟件優(yōu)先；基于PC的稱重；總線選擇；構(gòu)建無線標(biāo)準(zhǔn)

我一直把衡器歸類于信息設(shè)備類別，隨著社會文明的發(fā)展，衡器對信息社會和知識型經(jīng)濟(jì)的越來越緊密，新需求促進(jìn)新發(fā)展。稱重的本質(zhì)是獲取重量信息的過程，衡器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)都是為這一目的服務(wù)的，且均對稱重的性能產(chǎn)生影響。本文僅對衡器電子線路的若干影響因素進(jìn)行一些粗略的探討。

一、稱重信號測量

就稱重技術(shù)來說，如果從數(shù)據(jù)采集（DAQ，Data Acquisition）的角度進(jìn)行分析，可能會收到較好的效果。限于篇幅，下面僅就稱重儀表有關(guān)的信號調(diào)理和采集處理做些討論。

1、甄別信號特征進(jìn)行信號調(diào)理

衡器的結(jié)構(gòu)確定以后，稱重儀表在體現(xiàn)衡器質(zhì)量與功能上發(fā)揮關(guān)鍵作用。在稱重儀表中需要處理模擬與數(shù)字兩種的信號，并運(yùn)用這兩種的信號完成預(yù)期的工作。模擬信號是對比于時(shí)間的值，而數(shù)字信號不能以時(shí)間為基準(zhǔn)賦與任何數(shù)值，這是兩種截然不同的信號，認(rèn)識兩種信號的特征并甄別調(diào)理是解決稱重技術(shù)的基礎(chǔ)。

模擬信號的主要特性是幅值（強(qiáng)度）、形狀及頻率。測量信號的強(qiáng)度時(shí)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度非常重要。和信號的形狀或強(qiáng)度不同的是，頻率信號不能直接進(jìn)行測量，必須使用傅利葉變形的軟件進(jìn)行分析。當(dāng)頻率是zui重要的信息時(shí)，就必須同時(shí)考慮準(zhǔn)確度和采集速度，確保獲此速度的條件稱為奈奎斯特取樣定理（Nyquist Sampling Theorem），得出了采樣頻率至少兩倍于輸入信號頻率。

數(shù)字信號的主要特性是狀態(tài)和速率。狀態(tài)只有高及低兩個(gè)可能值，通常要符合TTL（Transistor to Transistor Logic）規(guī)格，當(dāng)強(qiáng)度落在0至0.8伏特之間時(shí)，數(shù)字信號視為低；在2至5伏特之間則視為高。數(shù)字信號的速率是測量單位時(shí)間內(nèi)某種特征信號出現(xiàn)的次數(shù)。數(shù)字信號的處理不需要復(fù)雜的軟件算法來確定。

借助于數(shù)據(jù)分析儀器，針對信號特征，通過仿真測試正確選擇出電路的設(shè)計(jì)參數(shù)，是稱重儀表成功的*步。

2、zui大程度降低噪聲的影響

有時(shí)盡管噪聲信號并不大，但當(dāng)在稱重分度數(shù)小于200時(shí)傳感器的輸出電壓很低，這時(shí)除稱重儀表本身的噪聲、漂移會影響測量質(zhì)量外，小信號在傳輸?shù)倪^程中更容易被疊加的偏移電壓和噪聲歪曲，比如引起稱重儀表末位數(shù)字跳動，甚或稱重信號被噪聲湮滅，造成粗大測量誤差。這些誤差很大程度上是由白噪聲（覆蓋所有頻率的隨機(jī)噪聲）和1/f噪聲組成；熱電壓通常具有1/f特性，這意味著在信號上產(chǎn)生偏移量，而所做的測量越多，產(chǎn)生的漂移就會越大。降低噪聲干擾，是高靈敏度電子儀表所必須考慮的問題。

通過采取技術(shù)手段如適當(dāng)濾波可以減小白噪聲；但濾波對1/f噪聲沒有明顯著作用，而1/f噪聲恰恰確定了測量噪聲的基底，利用斬波技術(shù)對付超低頻噪聲會有效果。

模數(shù)轉(zhuǎn)換中使用CHOP模式去除ADC的偏移誤差；ADC的參考源可以由傳感器電橋的激勵(lì)源提供，采取比例測量方法抵消激勵(lì)源中的噪聲也是行之有效的措施。

搞技術(shù)的人更容易體會“細(xì)節(jié)決定成敗”的含義，制造與使用中，看似技術(shù)含量不高的諸如電路中的機(jī)械應(yīng)力、熱梯度、熱電偶結(jié)點(diǎn)效應(yīng)、熱隔離、溫度控制和觸點(diǎn)不潔等細(xì)微因素所產(chǎn)生的漂移切勿忽略。其它如信號遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源、縮短信號源與模擬放大器的間距、加強(qiáng)電磁屏蔽等抗干擾效果，有時(shí)還是靠實(shí)踐得出。

現(xiàn)在的數(shù)字傳感器將模擬、數(shù)字和控制運(yùn)算結(jié)合為一體，同時(shí)又高度集成了多種抗擾措施，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集功能，并且以盡可能短的模擬信號傳輸距離換來了超長的數(shù)字信號傳輸距離，堪稱是有效降低噪聲和漂移電壓干擾的*思想。

3、優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)

前面提及的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，高分辨率和高速度一直是矛與盾的問題。24位的ADC放在25年之前是不敢想象的，今天我們除崇拜這一成果外，還應(yīng)在實(shí)踐中繼續(xù)研究。

首先，如圖1所示的一個(gè)傳統(tǒng)ADC頻域傳輸特性中，輸入一個(gè)正弦信號，按照Nyquist定理，以兩倍于輸入信號的頻率Fs采樣。根據(jù)快速傅里葉變換（FFT）分析可得一個(gè)基頻和一系列頻率分布于DC到Fs/2之間的隨機(jī)噪聲，這就是所謂的量化噪聲，主要是由于ADC的有限分辨率而造成的。我們所必須的信號噪聲比（SNR），就是基頻信號的功率與所有頻率的噪聲的功率之和（RMS）的比值。對于一個(gè)N位ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。在傳統(tǒng)ADC中，改善SNR的辦法是增加位數(shù)。

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