提高電子衡器性能的幾點探討

 提高電子衡器性能的幾點探討

中國衡器協會 曹立平

【摘 要】衡器的電子結構勢必對稱重性能產生影響。本文就若干影響稱重質量和性能的電子因素提出意見，對甄別信號特征調理、降噪、數據轉換參數、軟件優先和基于PC的稱重技術的概念、選擇通行的總線標準和在大規模DCS系統中構建符合無線標準的衡器等方面做一些粗淺的探討。

【關鍵詞】 稱重信號測量；軟硬件無縫集成；軟件優先；基于PC的稱重；總線選擇；構建無線標準

我一直把衡器歸類于信息設備類別，隨著社會文明的發展，衡器對信息社會和知識型經濟的越來越緊密，新需求促進新發展。稱重的本質是獲取重量信息的過程，衡器的機械結構和電子結構都是為這一目的服務的，且均對稱重的性能產生影響。本文僅對衡器電子線路的若干影響因素進行一些粗略的探討。

一、稱重信號測量

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

1、甄別信號特征進行信號調理

衡器的結構確定以后，稱重儀表在體現衡器質量與功能上發揮關鍵作用。在稱重儀表中需要處理模擬與數字兩種的信號，并運用這兩種的信號完成預期的工作。模擬信號是對比于時間的值，而數字信號不能以時間為基準賦與任何數值，這是兩種截然不同的信號，認識兩種信號的特征并甄別調理是解決稱重技術的基礎。

模擬信號的主要特性是幅值（強度）、形狀及頻率。測量信號的強度時，系統的準確度非常重要。和信號的形狀或強度不同的是，頻率信號不能直接進行測量，必須使用傅利葉變形的軟件進行分析。當頻率是zui重要的信息時，就必須同時考慮準確度和采集速度，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。

數字信號的主要特性是狀態和速率。狀態只有高及低兩個可能值，通常要符合TTL（Transistor to Transistor Logic）規格，當強度落在0至0.8伏特之間時，數字信號視為低；在2至5伏特之間則視為高。數字信號的速率是測量單位時間內某種特征信號出現的次數。數字信號的處理不需要復雜的軟件算法來確定。

借助于數據分析儀器，針對信號特征，通過仿真測試正確選擇出電路的設計參數，是稱重儀表成功的*步。

2、zui大程度降低噪聲的影響

有時盡管噪聲信號并不大，但當在稱重分度數小于200時傳感器的輸出電壓很低，這時除稱重儀表本身的噪聲、漂移會影響測量質量外，小信號在傳輸的過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生偏移量，而所做的測量越多，產生的漂移就會越大。降低噪聲干擾，是高靈敏度電子儀表所必須考慮的問題。

通過采取技術手段如適當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，利用斬波技術對付超低頻噪聲會有效果。

模數轉換中使用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源提供，采取比例測量方法抵消激勵源中的噪聲也是行之有效的措施。

搞技術的人更容易體會“細節決定成敗”的含義，制造與使用中，看似技術含量不高的諸如電路中的機械應力、熱梯度、熱電偶結點效應、熱隔離、溫度控制和觸點不潔等細微因素所產生的漂移切勿忽略。其它如信號遠離強干擾源、縮短信號源與模擬放大器的間距、加強電磁屏蔽等抗干擾效果，有時還是靠實踐得出。

現在的數字傳感器將模擬、數字和控制運算結合為一體，同時又高度集成了多種抗擾措施，實現了穩定的數據采集功能，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、優化數據轉換參數

前面提及的模數轉換器，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，還應在實踐中繼續研究。

首先，如圖1所示的一個傳統ADC頻域傳輸特性中，輸入一個正弦信號，按照Nyquist定理，以兩倍于輸入信號的頻率Fs采樣。根據快速傅里葉變換（FFT）分析可得一個基頻和一系列頻率分布于DC到Fs/2之間的隨機噪聲，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N位ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。在傳統ADC中，改善SNR的辦法是增加位數。

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