稱重指示器的噪聲

【摘要】本文論述了稱重指示器噪聲的定義、來源、影響和評價方法。
【關(guān)鍵詞】稱重指示器噪聲
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“對電路及系統(tǒng)中有用信號造成干擾的無規(guī)則電性擾動。”噪聲在非自動衡器中的表現(xiàn)，就是稱重示值的跳動，使操作人員無法判斷準(zhǔn)確地測量結(jié)果；在自動衡器中的表現(xiàn)，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诜Q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、氣流擾動、工業(yè)干擾和天電干擾引起的電磁干擾、稱重傳感器和信號傳輸線的噪聲等產(chǎn)生的。
本文重點是如何正確定義和評價模擬信號輸入稱重指示器的噪聲，對如何減少稱重指示器的噪聲也作了粗淺的探討。對于數(shù)字信號輸入的稱重指示器，理論上其本身不會產(chǎn)生噪聲，實際上數(shù)字運(yùn)算的過程中也會產(chǎn)生一定的誤差，在動態(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、噪聲對稱重系統(tǒng)計量性能的影響
稱重系統(tǒng)的噪聲使稱重信號輸出值在一定的范圍內(nèi)無規(guī)律地波動，在置零操作時，把當(dāng)前的輸出值作為零點，會使衡器的零點產(chǎn)生一定的偏差。這里的輸出值指稱重指示器內(nèi)稱重信號數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)流。按照OIML R76《非自動衡器》的要求，衡器置零后，零點偏差應(yīng)小于0.25e。按稱重指示器零點偏差的誤差分配系數(shù)Pi=0.5計算，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時，在規(guī)定的載荷下，先在承載器上加10個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明確地減少了一個實際分度值而變成為I-d，將一個小砝碼重新放上，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實際分度值的結(jié)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(shù)Pi=0.5計算，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，將會使衡器檢定時超差，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都是毫伏級的微弱信號，特別是一些使用多個傳感器的大型衡器，zui大秤量時傳感器的輸出僅零點幾mV/V，每檢定分度值e的信號電壓在幾個微伏以下，甚至低于1微伏，因此稱重指示器對電路中的噪聲非常敏感。稱重指示器的噪聲主要由前級，特別是*級運(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)動產(chǎn)生的熱噪聲和晶體管中帶電粒子的不規(guī)則運(yùn)動產(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；稱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(shù)據(jù)手冊中，噪聲電壓有時以均方根值形式給出，有時以峰峰值的形式給出，有時以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(shù)據(jù)時必須注意它們與通頻帶之間的關(guān)系，實際噪聲應(yīng)是噪聲譜密度在通頻帶上的積分。
四、評價方法
在GB《稱重顯示器》中規(guī)定了對稱重指示器噪聲指標(biāo)的要求。筆者認(rèn)為，因為OIML R76中零點誤差、鑒別力試驗等要求已隱含了對噪聲的限制，沒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，總的噪聲與稱重指示器的通頻帶或稱重數(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)置在零點幾赫茲以下，用于動態(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。同一臺儀表，用于不同的場合，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，原示值的保持時間不應(yīng)大于1秒。注意，這里僅規(guī)定了原示值保持的zui大時間限制，而未規(guī)定準(zhǔn)確示值的出現(xiàn)時間，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)計可以使指示器在滿足R76的上述要求的同時，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中有兩級數(shù)字濾波器：*級為sinc3低通濾波器，第二級為FIR濾波器（有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器）。*級濾波器是一直接入的，第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(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*級濾波器的輸出相差超過1%FS時，F(xiàn)IR濾波器自動轉(zhuǎn)入移動平均值濾波狀態(tài)，平均值計算的數(shù)據(jù)數(shù)自動從2或1逐步增加到4、8、16，到達(dá)16后濾波器又自動轉(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穩(wěn)定時的輸出噪聲，圖2為普通模式和快速模式響應(yīng)速度的對比；第三種為跳躍（SKIP）模式，在這種模式下，第二級濾波器被旁路掉，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)定時的噪聲，又能使指示器滿足R76對響應(yīng)速度的要求。
圖2 普通模式和快速模式響應(yīng)速度的對比
對于自動衡器，它們大多數(shù)是在動態(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這兩個參數(shù)的關(guān)系不好定量的測定，而稱重指示器的這兩個參數(shù)對定量秤、分選秤等自動衡器的動態(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)程對此也是一個空白。為使自動衡器的生產(chǎn)廠家對稱重指示器的頻率和噪聲性能有一個定量的評價方法，為改進(jìn)自動衡器的性能增加一個途徑，筆者嘗試提出下面一種方法解決這個問題，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)輸出稱重數(shù)據(jù)的一個接口，這對現(xiàn)有的稱重指示器，特別是自動衡器用稱重指示器應(yīng)不是一個大的問題，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PC和一臺可由PC控制的稱重信號發(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，測試系統(tǒng)按圖3的方法連接。
圖3 噪聲與響應(yīng)速度的測試方案
計算機(jī)的一個RS-232C串行接口與XY1型傳感器模擬器相連接，另一個RS-232C接口采集稱重指示器輸出的稱重數(shù)據(jù)，傳感器模擬器的模擬信號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循環(huán)執(zhí)行的小程序，當(dāng)接收到計算機(jī)的發(fā)出的啟動信號時傳感器模擬器產(chǎn)生一個方波信號，計算機(jī)同時采集稱重指示器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可測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)行測試，得出兩者的關(guān)系。還可在計算機(jī)上用傅立葉變換來分析自動衡器整機(jī)噪聲的頻譜，分析噪聲來源，以改進(jìn)整機(jī)結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)
〔1〕《現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)辭典》，電子工業(yè)出版社，1992年6月第1版。
〔2〕《AD7730 DATASHEET》，ADI公司，1998年。

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