稱 重 指 示 器 的 噪 聲

一、概述

“噪聲”一詞，按《現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)辭典》中給出的定義為“對(duì)電路及系統(tǒng)中有用信號(hào)造成干擾的無規(guī)則電性擾動(dòng)?！痹肼曉诜亲詣?dòng)地磅中的表現(xiàn)，就是稱重示值的跳動(dòng)，使操作人員無法判斷準(zhǔn)確地測(cè)量結(jié)果；在地磅中的表現(xiàn)，就是定量秤中定量值的誤差、分選秤中測(cè)量值的誤差等等?？傊?，在稱重系統(tǒng)中噪聲是一種有害的現(xiàn)象，應(yīng)盡量消除或減小其影響。稱重系統(tǒng)噪聲的來源有稱重指示器內(nèi)部產(chǎn)生的，也有指示器外部，如機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)氣流擾動(dòng)、工業(yè)干擾和天電干擾引起的電磁干擾、稱重傳感器和信號(hào)傳輸線的噪聲等產(chǎn)生的。

本文重點(diǎn)是如何正確定義和評(píng)價(jià)模擬信號(hào)輸入稱重指示器的噪聲，對(duì)如何減少稱重指示器的噪聲也作了粗淺的探討。對(duì)于數(shù)字信號(hào)輸入的稱重指示器，理論上其本身不會(huì)產(chǎn)生噪聲，實(shí)際上數(shù)字運(yùn)算的過程中也會(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(jì)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(duì)稱重系統(tǒng)計(jì)量性能的影響

稱重系統(tǒng)的噪聲使稱重信號(hào)輸出值在一定的范圍內(nèi)無規(guī)律地波動(dòng)，在置零操作時(shí)，把當(dāng)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。這里的輸出值指稱重指示器內(nèi)稱重信號(hào)數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)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(yīng)小于 0.25e。按稱重指示器零點(diǎn)偏差的誤差分配系數(shù) Pi=0.5 計(jì)算，則稱重指示器輸出值噪聲的峰峰值應(yīng)小于 0.25e。進(jìn)行衡器的鑒別力試驗(yàn)時(shí)，在規(guī)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(dāng)于 1.4d 的載荷放到承載器上，稱重指示器應(yīng)明確地指示出在原示值上增加一個(gè)實(shí)際分度值的結(jié)果，即 I+d。很明顯，在鑒別力試驗(yàn)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(shù) Pi=0.5 計(jì)算，則稱重指示器輸出值的噪聲峰峰值應(yīng)小于 0.2e。 可以看出，如果稱重指示器的噪聲太大，將會(huì)使衡器檢定時(shí)超差，因此必須控制稱重指示器的噪聲。

三、噪聲來源和它們的頻譜特性

大家知道，應(yīng)變傳感器的輸出信號(hào)都是毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，特別是一些使用多個(gè)傳感器的大型地磅，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(hào)電壓在幾個(gè)微伏以下，甚至低于 1 微伏，因此稱重指示器對(duì)電路中的噪聲非常敏感。稱重指示器的噪聲主要由前級(jí)，特別是第一級(jí)運(yùn)算放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路產(chǎn)生，因此，要降低稱重指示器的噪聲，關(guān)鍵是選擇低噪聲的運(yùn)算放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器件。 稱重指示器中的噪聲主要來源于電阻內(nèi)電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲和晶體管中帶電粒子的不規(guī)則運(yùn)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； 在器件數(shù)據(jù)手冊(cè)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。可用噪聲電壓峰峰值≈6.6×噪聲電壓均方根值換算。使用這些數(shù)據(jù)時(shí)必須注意它們與通頻帶之間的關(guān)系，實(shí)際噪聲應(yīng)是噪聲譜密度在通頻帶上的積分。

四、評(píng)價(jià)方法

在 GB《稱重顯示器》中規(guī)定了對(duì)稱重指示器噪聲指標(biāo)的要求。筆者認(rèn)為，因?yàn)?OIML R76 中零點(diǎn)誤差、鑒別力試驗(yàn)等要求已隱含了對(duì)噪聲的限制，沒有必要再另外增加對(duì)噪聲的要求和試驗(yàn)。 從噪聲的頻譜分布可以看出，總的噪聲與稱重指示器的通頻帶或稱重?cái)?shù)據(jù)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(tái)稱重指示器用于靜態(tài)稱重，可以將其截止頻率設(shè)置在零點(diǎn)幾赫茲以下，用于動(dòng)態(tài)稱重，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(shù)十甚至數(shù)百赫茲以上。同一臺(tái)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(duì)于自動(dòng)衡器用稱重指示器，不考慮通頻帶寬度的噪聲指標(biāo)值是沒有實(shí)際意義的。 OIMLR76 沒有明確規(guī)定稱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(dāng)承載器上的載荷改變時(shí)，原示值的保持時(shí)間不應(yīng)大于 1 秒。注意，這里僅規(guī)定了原示值保持的時(shí)間限制，而未規(guī)定準(zhǔn)確示值的出現(xiàn)時(shí)間，這就為稱重指示器的通頻帶寬度留下了更大的選擇空間，稱重指示器的設(shè)計(jì)者可以減低通頻帶的截止頻率來壓低系統(tǒng)的噪聲。軟件的設(shè)計(jì)可以使指示器在滿足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(zhuǎn)換器件AD7730 就給出了這樣的例子。AD7730 中有兩級(jí)數(shù)字濾波器：第一級(jí)為sinc3

低通濾波器，第二級(jí)為FIR濾波器（有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器）。第一級(jí)濾波器是一直接入的，第二級(jí)濾波器則可選擇三種不同的工作模式。第一種為普通FIR濾波器模式，濾波效果好但對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)較慢；第二種為快速模式，在這種模式下，當(dāng)FIR濾波器的輸出與第一級(jí)濾波器的輸出相差超過 1%FS時(shí)，F(xiàn)IR濾波器自動(dòng)轉(zhuǎn)入移動(dòng)平均值濾波狀態(tài)，平均值計(jì)算的數(shù)據(jù)數(shù)自動(dòng)從 2 或 1 逐步增加到 4、8、16，到達(dá) 16 后濾波器又自動(dòng)轉(zhuǎn)回FIR濾波器狀態(tài)，這種功能加快了A/D器件的響應(yīng)速度而不增加輸入信號(hào)穩(wěn)定時(shí)的輸出噪聲，第三種為跳躍（SKIP）模式，在這種模式下，第二級(jí)濾波器被旁路掉，雖然輸出響應(yīng)快了，但輸出的噪聲大了 3 倍左右。國內(nèi)一些衡器制造公司的稱重指示器軟件也采用了類似第二種模式的算法，有效的降低了平衡穩(wěn)定時(shí)的噪聲，又能使指示器滿足R76 對(duì)響應(yīng)速度的要求。

對(duì)于自動(dòng)衡器，它們大多數(shù)是在動(dòng)態(tài)下稱重，稱重指示器的噪聲與響應(yīng)速度（或輸出數(shù)據(jù)的截止頻率）的矛盾比較突出，而且僅從儀表的指示對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系不好定量的測(cè)定，而稱重指示器的這兩個(gè)參數(shù)對(duì)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(xiàn)有的稱重指示器的標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程對(duì)此也是一個(gè)空白。為使自動(dòng)衡器的生產(chǎn)廠家對(duì)稱重指示器頻率和噪聲性能有一個(gè)定量的評(píng)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)問題，以期起到拋磚引玉的作用。

該方法要求稱重指示器具有可連續(xù)輸出稱重?cái)?shù)據(jù)的一個(gè)接口，這對(duì)現(xiàn)有的稱重指示器，特別是自動(dòng)衡器用稱重指示器應(yīng)不是一個(gè)大的問題，但可能要修改指示器的軟件，使該接口輸出的數(shù)據(jù)率與儀表內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的速度相匹配，并具有足夠高的數(shù)據(jù)精度即分辨率。另外需要一臺(tái) PC 和一臺(tái)可由 PC 控制的稱重信號(hào)發(fā)生器，如上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的 XY1 型傳感器模擬器，計(jì)算機(jī)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 接口采集稱重指示器輸出的稱重?cái)?shù)據(jù)，傳感器模擬器的模擬信號(hào)輸出與稱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(zhí)行的小程序，當(dāng)接收到計(jì)算機(jī)的發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)傳感器模擬器產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，計(jì)算機(jī)同時(shí)采集稱重指示器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可測(cè)出稱重指示器的響應(yīng)速度和噪聲水平。如果稱重指示器的濾波參數(shù)可調(diào)，則可在不同的參數(shù)下進(jìn)行測(cè)試，得出兩者的關(guān)系。還可在計(jì)算機(jī)上用傅立葉變換來分析自動(dòng)衡器整機(jī)噪聲的頻譜，分析噪聲來源，以改進(jìn)整機(jī)結(jié)構(gòu)。