提高電子衡器性能的幾點(diǎn)探討

 提高電子衡器性能的幾點(diǎn)探討

中國(guó)衡器協(xié)會(huì) 曹立平

【摘 要】衡器的電子結(jié)構(gòu)勢(shì)必對(duì)稱(chēng)重性能產(chǎn)生影響。本文就若干影響稱(chēng)重質(zhì)量和性能的電子因素提出意見(jiàn)，對(duì)甄別信號(hào)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(chēng)重技術(shù)的概念、選擇通行的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和在大規(guī)模DCS系統(tǒng)中構(gòu)建符合無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的衡器等方面做一些粗淺的探討。

【關(guān)鍵詞】 稱(chēng)重信號(hào)測(cè)量；軟硬件無(wú)縫集成；軟件優(yōu)先；基于PC的稱(chēng)重；總線(xiàn)選擇；構(gòu)建無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)

我一直把衡器歸類(lèi)于信息設(shè)備類(lèi)別，隨著社會(huì)文明的發(fā)展，衡器對(duì)信息社會(huì)和知識(shí)型經(jīng)濟(jì)的越來(lái)越緊密，新需求促進(jìn)新發(fā)展。稱(chēng)重的本質(zhì)是獲取重量信息的過(guò)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(duì)稱(chēng)重的性能產(chǎn)生影響。本文僅對(duì)衡器電子線(xiàn)路的若干影響因素進(jìn)行一些粗略的探討。

一、稱(chēng)重信號(hào)測(cè)量

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

1、甄別信號(hào)特征進(jìn)行信號(hào)調(diào)理

衡器的結(jié)構(gòu)確定以后，稱(chēng)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(chēng)重儀表中需要處理模擬與數(shù)字兩種的信號(hào)，并運(yùn)用這兩種的信號(hào)完成預(yù)期的工作。模擬信號(hào)是對(duì)比于時(shí)間的值，而數(shù)字信號(hào)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(hào)，認(rèn)識(shí)兩種信號(hào)的特征并甄別調(diào)理是解決稱(chēng)重技術(shù)的基礎(chǔ)。

模擬信號(hào)的主要特性是幅值（強(qiáng)度）、形狀及頻率。測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度時(shí)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度非常重要。和信號(hào)的形狀或強(qiáng)度不同的是，頻率信號(hào)不能直接進(jìn)行測(cè)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(chēng)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(hào)頻率。

數(shù)字信號(hào)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(hào)視為低；在2至5伏特之間則視為高。數(shù)字信號(hào)的速率是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)某種特征信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)。數(shù)字信號(hào)的處理不需要復(fù)雜的軟件算法來(lái)確定。

借助于數(shù)據(jù)分析儀器，針對(duì)信號(hào)特征，通過(guò)仿真測(cè)試正確選擇出電路的設(shè)計(jì)參數(shù)，是稱(chēng)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(hào)并不大，但當(dāng)在稱(chēng)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(chēng)重儀表本身的噪聲、漂移會(huì)影響測(cè)量質(zhì)量外，小信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中更容易被疊加的偏移電壓和噪聲歪曲，比如引起稱(chēng)重儀表末位數(shù)字跳動(dòng)，甚或稱(chēng)重信號(hào)被噪聲湮滅，造成粗大測(cè)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(hào)上產(chǎn)生偏移量，而所做的測(cè)量越多，產(chǎn)生的漂移就會(huì)越大。降低噪聲干擾，是高靈敏度電子儀表所必須考慮的問(wèn)題。

通過(guò)采取技術(shù)手段如適當(dāng)濾波可以減小白噪聲；但濾波對(duì)1/f噪聲沒(méi)有明顯著作用，而1/f噪聲恰恰確定了測(cè)量噪聲的基底，利用斬波技術(shù)對(duì)付超低頻噪聲會(huì)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(cè)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(huì)“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(hào)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源、縮短信號(hào)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(hào)傳輸距離換來(lái)了超長(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)傳輸距離，堪稱(chēng)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(wèn)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(hào)，按照Nyquist定理，以?xún)杀队谳斎胄盘?hào)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(hào)噪聲比（SNR），就是基頻信號(hào)的功率與所有頻率的噪聲的功率之和（RMS）的比值。對(duì)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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