稱(chēng)重指示器的噪聲

【摘 要】本文論述了稱(chēng)重指示器噪聲的定義、來(lái)源、影響和評價(jià)方法。

【關(guān)鍵詞】稱(chēng)重指示器 噪聲

一、概述

  “噪聲”一詞，按《現代電子科學(xué)技術(shù)辭典》中給出的定義為“對電路及系統中有用信號造成津的無(wú)規則電性擾動(dòng)。”噪聲在非自動(dòng)衡器中的表現，就是稱(chēng)重示值的跳動(dòng)，使操作人員無(wú)法判斷度地測量結果；在自動(dòng)衡器中的表現，就是定量秤中定量值的誤差、分選秤中測量值的誤差等等?？傊?，在稱(chēng)重系統中噪聲是一種有害的現象，應盡量消除或減小其影響。稱(chēng)重系統噪聲的來(lái)源有稱(chēng)重指示器內部產(chǎn)生的，也有指示器外部，如機械系統的振動(dòng)、氣流擾動(dòng)、工業(yè)津和天電津引起的電磁津、稱(chēng)重傳感器和信號傳輸線(xiàn)的噪聲等產(chǎn)生的。

本文重點(diǎn)是如何正確定義和評價(jià)模擬信號輸入稱(chēng)重指示器的噪聲，對如何減少稱(chēng)重指示器的噪聲也作了粗淺的探討。對于數字信號輸入的稱(chēng)重指示器，理論上其本身不會(huì )產(chǎn)生噪聲，實(shí)際上數字運算的過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生一定的誤差，在動(dòng)態(tài)條件下，也可以看作一種噪聲，但如果算法合適，計算精度足夠高，其影響可以忽略，因此本文未作分析探討。

二、噪聲對稱(chēng)重系統計量性能的影響

稱(chēng)重系統的噪聲使稱(chēng)重信號輸出值在一定的范圍內無(wú)規律地波動(dòng)，在置零操作時(shí)，把當前的輸出值作為零點(diǎn)，會(huì )使衡器的零點(diǎn)產(chǎn)生一定的偏差。這里的輸出值指稱(chēng)重指示器內稱(chēng)重信號數據處理后的數據流。按照OIML R76《非自動(dòng)衡器》的要求，衡器置零后，零點(diǎn)偏差應小于0.25e。按稱(chēng)重指示器零點(diǎn)偏差的誤差分配系數Pi=0.5計算，則稱(chēng)重指示器輸出值噪聲的峰峰值應小于0.25e。進(jìn)行衡器的鑒別力試驗時(shí)，在規定的載荷下，先在承載器上加10個(gè)0.1e的小砝碼，衡器示值為I，然后逐一取下小砝碼，直到示值I明確地減少了一個(gè)實(shí)際分度值而變成為I-d，將一個(gè)小砝碼重新放上，再輕緩地將相當于1.4d的載荷放到承載器上，稱(chēng)重指示器應明確地指示出在原示值上增加一個(gè)實(shí)際分度值的結果，即I+d。很明顯，在鑒別力試驗中衡器示值的噪聲峰峰值不能大于0.4d（這里d=e），按誤差分配系數Pi=0.5計算，則稱(chēng)重指示器輸出值的噪聲峰峰值應小于0.2e。

可以看出，如果太大，將會(huì )使衡器檢定時(shí)超差，因此必須控制。

三、噪聲來(lái)源和它們的頻譜特性

大家知道，應變傳感器的輸出信號都是毫伏級的微弱信號，特別是一些使用多個(gè)傳感器的大型衡器，*大秤量時(shí)傳感器的輸出僅零點(diǎn)幾mV/V，每檢定分度值e的信號電壓在幾個(gè)微伏以下，甚至低于1微伏，因此稱(chēng)重指示器對電路中的噪聲津敏感。主要由前級，特別是*級運算放大器、A/D轉換器等電路產(chǎn)生，因此，要降低，關(guān)鍵是選擇低噪聲的運算放大器和A/D轉換器件。

稱(chēng)重指示器中的噪聲主要來(lái)源于電阻內電子的熱運動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲和晶體管中帶電粒子的不規則運動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲、散粒噪聲、分配噪聲和1/f噪聲等。這些噪聲源有的為白噪聲，如熱噪聲、散粒噪聲，它們的譜密度與頻率無(wú)關(guān)；有的為有色噪聲，如1/f噪聲為粉紅噪聲，在低頻段它的頻譜密度較大；稱(chēng)重指示器電路中噪聲總的頻譜密度如下圖所示：

圖1 電路中噪聲電壓的頻譜密度

在器件數據手冊中，噪聲電壓有時(shí)以均方根值形式給出，有時(shí)以峰峰值的形式給出，有時(shí)以nV/√Hz的形式給出?？捎迷肼曤妷悍宸逯?asymp;6.6×噪聲電壓均方根值換算。使用這些數據時(shí)必須注意它們與通頻帶之間的關(guān)系，實(shí)際噪聲應是噪聲譜密度在通頻帶上的積分。

四、評價(jià)方法

在GB《稱(chēng)重顯示器》中規定了對稱(chēng)重指示器噪聲指標的要求。筆者認為，因為OIML R76中零點(diǎn)誤差、鑒別力試驗等要求已隱含了對噪聲的限制，沒(méi)有必要再另外增加對噪聲的要求和試驗。

從噪聲的頻譜分布可以看出，總的噪聲與稱(chēng)重指示器的通頻帶或稱(chēng)重數據輸出的截止頻率是密切相關(guān)的，通頻帶寬則噪聲增大，通頻帶窄則噪聲可以壓低。如一臺稱(chēng)重指示器用于靜態(tài)稱(chēng)重，可以將其截止頻率設置在零點(diǎn)幾赫茲以下，用于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，如每分鐘分選200件物體的高速分選秤，則要求截止頻率在數十甚至數百赫茲以上。同一臺儀表，用于不同的場(chǎng)合，由于通頻帶寬度相差上

百倍，輸出的噪聲幅度相差可在10倍以上。因此，對于自動(dòng)衡器用稱(chēng)重指示器，不考慮通頻帶寬度的噪聲指標值是沒(méi)有實(shí)際意義的。

OIMLR76沒(méi)有明確規定稱(chēng)重指示器的通頻帶寬度，僅有一條要求與截止頻率相關(guān)。R76要求，當承載器上的載荷改變時(shí)，原示值的保持時(shí)間不應大于1秒。注意，這里僅規定了原示值保持的*大時(shí)間限制，

而未規定度示值的出現時(shí)間，這就為稱(chēng)重指示器的通頻帶寬度留下了更大的選擇空間，稱(chēng)重指示器的設計者可以減低通頻帶的截止頻率來(lái)壓低系統的噪聲。軟件的設計可以使指示器在滿(mǎn)足R76的上述要求的同時(shí)，使用盡量低的通頻帶上限。ADI公司的A/D轉換器件AD7730就給出了這樣的例子。AD7730中有兩級數字濾波器：*級為sinc3低通濾波器，度二級為FIR濾波器（有限沖激響應數字濾波器）。

*級濾波器是一直接入的，度二級濾波器則可選擇三種不同的工作模式。*種為普通FIR濾波器模式，濾波效果好但對階躍信號的響應較慢；度二種為快速模式，在這種模式下，當FIR濾波器的輸出與*級濾波器的輸出相差超過(guò)1%FS時(shí)，FIR濾波器自動(dòng)轉入移動(dòng)平均值濾波狀態(tài)，平均值計算的數據數自動(dòng)從2或1逐步增加到4、8、16，到達16后濾波器又自動(dòng)轉回FIR濾波器狀態(tài)，這種功能加快了A/D器件的響應速度而不增加輸入信號穩定時(shí)的輸出噪聲，圖2為普通模式和快速模式響應速度的對比；度三種為跳躍（SKIP）模式，在這種模式下，度二級濾波器被旁路掉，雖然輸出響應快了，但輸出的噪聲大了3倍左右。國內一些衡器制造公司的稱(chēng)重指示器軟件也采用了類(lèi)似度二種模式的算法，有效的降低了平衡穩定時(shí)的噪聲，又能使指示器滿(mǎn)足R76對響應速度的要求。

圖2 普通模式和快速模式響應速度的對比

對于自動(dòng)衡器，它們大多數是在動(dòng)態(tài)下稱(chēng)重，與響應速度（或輸出數據的截止頻率）的矛盾比較突出，而且僅從儀表的指示對這兩個(gè)參數的關(guān)系不好定量的測定，而稱(chēng)重指示器的這兩個(gè)參數對定量秤、分選秤等自動(dòng)衡器的動(dòng)態(tài)性能又有重要影響?，F有的稱(chēng)重指示器的標準

和檢定規程對此也是一個(gè)空白。為使自動(dòng)衡器的度度對稱(chēng)重指示器的頻率和噪聲性能有一個(gè)定量的評價(jià)方法，為改進(jìn)自動(dòng)衡器的性能增加一個(gè)途徑，筆者嘗試提出下面一種方法解決這個(gè)問(wèn)題，以期起到拋磚引玉的作用。

該方法要求稱(chēng)重指示器具有可連續輸出稱(chēng)重數據的一個(gè)接口，這對現有的稱(chēng)重指示器，特別是自動(dòng)衡器用稱(chēng)重指示器應不是一個(gè)大的問(wèn)題，但可能要修改指示器的軟件，使該接口輸出的數據率與儀表內部數據處理的速度相匹配，并具有足夠高的數據精度即分辨率。另外需要一臺PC和一臺可由PC控制的稱(chēng)重信號發(fā)生器，如上海耀華稱(chēng)重系統有限公司度的XY1型傳感器模擬器，測試系統按圖3的方法連接。

圖3 噪聲與響應速度的測試方案

計算機的一個(gè)RS-232C串行接口與XY1型傳感器模擬器相連接，另一個(gè)RS-232C接口采集稱(chēng)重指示器輸出的稱(chēng)重數據，傳感器模擬器的模擬信號輸出與稱(chēng)重指示器的傳感器接口相連。用XY1型傳感器模擬器的可編程功能編制一個(gè)循環(huán)執行的小程序，當接收到計算機的發(fā)出的啟動(dòng)信號時(shí)傳感器模擬器產(chǎn)生一個(gè)方波信號，計算機同時(shí)采集稱(chēng)重指示器的輸出數據進(jìn)行分析，即可測出稱(chēng)重指示器的響應速度和噪聲水平。如果稱(chēng)重指示器的濾波參數可調，則可在不同的參數下進(jìn)行測試，得出兩者的關(guān)系。還可在計算機上用傅立葉變換來(lái)分析自動(dòng)衡器整機噪聲的頻譜，分析噪聲來(lái)源，以改進(jìn)整機結構。

參考文獻

〔1〕《現代電子科學(xué)技術(shù)辭典》，電子工業(yè)出版社，1992年6月度1版。

〔2〕《AD7730 DATASHEET》，ADI公司，1998年。