提高电子衡器性能的几点探讨

 提高电子衡器性能的几点探讨

中国衡器协会 曹立平

【摘 要】衡器的电子结构势必对称重性能产生影响。本文就若干影响称重质量和性能的电子因素提出意见，对甄别信号特征调理、降噪、数据转换参数、软件优先和基于PC的称重技术的概念、选择通行的总线标准和在大规模DCS系统中构建符合无线标准的衡器等方面做一些粗浅的探讨。

【关键词】 称重信号测量；软硬件无缝集成；软件优先；基于PC的称重；总线选择；构建无线标准

我一直把衡器归类于信息设备类别，随着社会文明的发展，衡器对信息社会和知识型经济的越来越紧密，新需求促进新发展。称重的本质是获取重量信息的过程，衡器的机械结构和电子结构都是为这一目的服务的，且均对称重的性能产生影响。本文仅对衡器电子线路的若干影响因素进行一些粗略的探讨。

一、称重信号测量

就称重技术来说，如果从数据采集（DAQ，Data Acquisition）的角度进行分析，可能会收到较好的效果。限于篇幅，下面仅就称重仪表有关的信号调理和采集处理做些讨论。

1、甄别信号特征进行信号调理

衡器的结构确定以后，称重仪表在体现衡器质量与功能上发挥关键作用。在称重仪表中需要处理模拟与数字两种的信号，并运用这两种的信号完成预期的工作。模拟信号是对比于时间的值，而数字信号不能以时间为基准赋与任何数值，这是两种截然不同的信号，认识两种信号的特征并甄别调理是解决称重技术的基础。

模拟信号的主要特性是幅值（强度）、形状及频率。测量信号的强度时，系统的准确度非常重要。和信号的形状或强度不同的是，频率信号不能直接进行测量，必须使用傅利叶变形的软件进行分析。当频率是zui重要的信息时，就必须同时考虑准确度和采集速度，确保获此速度的条件称为奈奎斯特取样定理（Nyquist Sampling Theorem），得出了采样频率至少两倍于输入信号频率。

数字信号的主要特性是状态和速率。状态只有高及低两个可能值，通常要符合TTL（Transistor to Transistor Logic）规格，当强度落在0至0.8伏特之间时，数字信号视为低；在2至5伏特之间则视为高。数字信号的速率是测量单位时间内某种特征信号出现的次数。数字信号的处理不需要复杂的软件算法来确定。

借助于数据分析仪器，针对信号特征，通过仿真测试正确选择出电路的设计参数，是称重仪表成功的*步。

2、zui大程度降低噪声的影响

有时尽管噪声信号并不大，但当在称重分度数小于200时传感器的输出电压很低，这时除称重仪表本身的噪声、漂移会影响测量质量外，小信号在传输的过程中更容易被叠加的偏移电压和噪声歪曲，比如引起称重仪表末位数字跳动，甚或称重信号被噪声湮灭，造成粗大测量误差。这些误差很大程度上是由白噪声（覆盖所有频率的随机噪声）和1/f噪声组成；热电压通常具有1/f特性，这意味着在信号上产生偏移量，而所做的测量越多，产生的漂移就会越大。降低噪声干扰，是高灵敏度电子仪表所必须考虑的问题。

通过采取技术手段如适当滤波可以减小白噪声；但滤波对1/f噪声没有明显著作用，而1/f噪声恰恰确定了测量噪声的基底，利用斩波技术对付超低频噪声会有效果。

模数转换中使用CHOP模式去除ADC的偏移误差；ADC的参考源可以由传感器电桥的激励源提供，采取比例测量方法抵消激励源中的噪声也是行之有效的措施。

搞技术的人更容易体会“细节决定成败”的含义，制造与使用中，看似技术含量不高的诸如电路中的机械应力、热梯度、热电偶结点效应、热隔离、温度控制和触点不洁等细微因素所产生的漂移切勿忽略。其它如信号远离强干扰源、缩短信号源与模拟放大器的间距、加强电磁屏蔽等抗干扰效果，有时还是靠实践得出。

现在的数字传感器将模拟、数字和控制运算结合为一体，同时又高度集成了多种抗扰措施，实现了稳定的数据采集功能，并且以尽可能短的模拟信号传输距离换来了超长的数字信号传输距离，堪称是有效降低噪声和漂移电压干扰的*思想。

3、优化数据转换参数

前面提及的模数转换器，高分辨率和高速度一直是矛与盾的问题。24位的ADC放在25年之前是不敢想象的，今天我们除崇拜这一成果外，还应在实践中继续研究。

首先，如图1所示的一个传统ADC频域传输特性中，输入一个正弦信号，按照Nyquist定理，以两倍于输入信号的频率Fs采样。根据快速傅里叶变换（FFT）分析可得一个基频和一系列频率分布于DC到Fs/2之间的随机噪声，这就是所谓的量化噪声，主要是由于ADC的有限分辨率而造成的。我们所必须的信号噪声比（SNR），就是基频信号的功率与所有频率的噪声的功率之和（RMS）的比值。对于一个N位ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。在传统ADC中，改善SNR的办法是增加位数。

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