電子秤的電子結構勢必對稱(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)，對甄別信號特征調理、降噪、數據轉換參數、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)標準和在大規模 DCS 系統中構建符合無(wú)線(xiàn)標準的電子秤等方面做一些粗淺的探討。

我一直把電子秤歸類(lèi)于信息設備類(lèi)別，隨著(zhù)社會(huì )文明的發(fā)展，電子秤對信息社會(huì )和知識型經(jīng)濟的聯(lián)系越來(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，電子秤的機械結構和電子結構都是為這一目的服務(wù)的，且均對稱(chēng)重的性能產(chǎn)生影響。本文僅對電子秤電子線(xiàn)路的若干影響因素進(jìn)行一些粗略的探討。

一、稱(chēng)重信號測量

就稱(chēng)重技術(shù)來(lái)說(shuō)，如果從數據采集（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)的信號調理和采集處理做些討論。

1、甄別信號特征進(jìn)行信號調理

電子秤的結構確定以后，稱(chēng)重儀表在體現電子秤質(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字兩種的信號，并運用這兩種的信號完成預期的工作。模擬信號是對比于時(shí)間的值，而數字信號不能以時(shí)間為基準賦與任何數值，這是兩種截然不同的信號，認識兩種信號的特征并甄別調理是解決稱(chēng)重技術(shù)的基礎。

模擬信號的主要特性是幅值（強度）、形狀及頻率。測量信號的強度時(shí)，系統的準確度非常重要。和信號的形狀或強度不同的是，頻率信號不能直接進(jìn)行測量，必須使用傅利葉變形的軟件進(jìn)行分析。當頻率是最重要的信息時(shí)，就必須同時(shí)考慮準確度和采集速度，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頻率。

數字信號的主要特性是狀態(tài)和速率。狀態(tài)只有高及低兩個(gè)可能值，通常要符合 TTL（Transistorto Transistor Logic）規格，當強度落在 0 至 0.8 伏特之間時(shí)，數字信號視為低；在 2 至 5 伏特之間則視為高。數字信號的速率是測量單位時(shí)間內某種特征信號出現的次數。數字信號的處理不需要復雜的軟件算法來(lái)確定。

借助于數據分析儀器，針對信號特征，通過(guò)仿真測試正確選擇出電路的設計參數，是稱(chēng)重儀表成功的第一步。

2、最大程度降低噪聲的影響

有時(shí)盡管噪聲信號并不大，但當在稱(chēng)重分度數小于 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 )影響測量質(zhì)量外，小信號在傳輸的過(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)重儀表末位數字跳動(dòng)，甚或稱(chēng)重信號被噪聲湮滅，造成粗大測量誤差。這些誤差很大程度上是由白噪聲（覆蓋所有頻率的隨機噪聲）和 1/f 噪聲組成；熱電壓通常具有 1/f 特性，這意味著(zhù)在信號上產(chǎn)生偏移量，而所做的測量越多，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)手段如適當濾波可以減小白噪聲；但濾波對 1/f 噪聲沒(méi)有明顯著(zhù)作用，而 1/f 噪聲恰恰確定了測量噪聲的基底，利用斬波技術(shù)對付超低頻噪聲會(huì )有效果。

模數轉換中使用 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源提供，采取比例測量方法抵消激勵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 )“細節決定成敗”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械應力、熱梯度、熱電偶結點(diǎn)效應、熱隔離、溫度控制和觸點(diǎn)不潔等細微因素所產(chǎn)生的漂移切勿忽略。其它如信號遠離強干擾源、縮短信號源與模擬放大器的間距、加強電磁屏蔽等抗干擾效果，有時(shí)還是靠實(shí)踐得出。

現在的數字傳感器將模擬、數字和控制運算結合為一體，同時(shí)又高度集成了多種抗擾措施，實(shí)現了穩定的數據采集功能，并且以盡可能短的模擬信號傳輸距離換來(lái)了超長(cháng)的數字信號傳輸距離，堪稱(chēng)是有效降低噪聲和漂移電壓干擾的典范思想。

3、優(yōu)化數據轉換參數

前面提及的模數轉換器，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，還應在實(shí)踐中繼續研究。

首先，如圖 1 所示的一個(gè)傳統 ADC 頻域傳輸特性中，輸入一個(gè)正弦信號，按照 Nyquist 定理，以?xún)杀队谳斎胄盘柕念l率 Fs 采樣。根據快速傅里葉變換（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。我們所必須的信號噪聲比（SNR），就是基頻信號的功率與所有頻率的噪聲的功率之和（RMS）的比值。對于一個(gè) N 位 ADC，SNR 可由公式：SNR=6.02N+1.76dB 得到。在傳統 ADC 中，改善SNR 的辦法是增加位數。

Σ-Δ型 ADC 把大部分轉換過(guò)程轉移到了數字域因而顯現其優(yōu)勢，它更接近于數字器件，成本低廉且把高性能模擬與數字處理融合在一起，在整個(gè)電壓范圍內實(shí)現高水平的線(xiàn)性化，噪聲整形功能使低通數字濾波器能夠消除大部分噪聲并產(chǎn)生高精度的電壓測量，因而被稱(chēng)重儀表廣泛采用。

如果將采樣頻率提高到 kFs，利用過(guò)采樣系數 k，FFT 分析顯示噪聲基線(xiàn)降低了，SNR 值雖未改變，但噪聲能量卻分散到更寬的頻率范圍。Σ- Δ轉換器正是利用了這一原理，采用過(guò)采樣在多個(gè)頻率段分散量化噪聲，它與 Δ-Σ 調制器一起整形噪聲，使大部分噪聲不被包含在信號測量頻帶中，這樣 RMS 就降低了，使得 Σ- Δ轉換器能夠從一個(gè)低分辨率 ADC 獲得寬動(dòng)態(tài)范圍，圖 2 即是以 k倍采樣頻率經(jīng)過(guò) Σ- Δ 轉換器的濾波效果。

一階的 Σ-Δ 調制器在每?jì)杀兜倪^(guò)采樣率下可提供 9dB 的 SNR 改善。采用更多的積分與求和環(huán)節，可以提供更高階數的量化噪聲成形。例如，一個(gè)二階 Σ- Δ調制器在每?jì)杀兜倪^(guò)采樣率下可改善

SNR 15dB，三階 Σ- Δ調制器在每?jì)杀兜倪^(guò)采樣率下可改善 SNR 21dB。

雖然 Δ-Σ 轉換器的最終絕對精度主要取決于基準電壓的精度，但為了追求優(yōu)化數據和最佳轉換結果，并非易事。隨著(zhù)抽樣、調制時(shí)鐘和 PGA 的調整，相同數據速率在性能方面的表現會(huì )有所不同。另外一些問(wèn)題還包括輸入阻抗、濾波器響應、抗混疊以及面對長(cháng)期漂移等問(wèn)題，需要耐心地選擇正確的參數。

二、硬件、軟件的無(wú)縫集成已成稱(chēng)重儀表發(fā)展趨勢

1、樹(shù)立軟件優(yōu)先的概念

隨著(zhù)電子系統功能的日益強大和微型化，硬件和軟件不再是截然分開(kāi)的兩個(gè)概念，而是親密結合、相輔相成。以軟件為核心的模塊化系統日臻完善，讓軟件發(fā)揮甚至替代硬件功能具有不可抵擋的優(yōu)勢。比如在設計時(shí)以軟件實(shí)現全量程范圍內的多點(diǎn)校驗修正，除變動(dòng)誤差外，其余誤差依照標準修正為零，測量達到理想的準確度；加入信號自動(dòng)識別技術(shù)，能清除變動(dòng)信號和粗大干擾信號等非正常信號的影響，又不存在硬件固有的延時(shí)效應，提高動(dòng)態(tài)測量性能；發(fā)揮軟件的校驗修正能力，既能能減少硬件成本，更可提高準確度的長(cháng)期穩定性。

現在出現了軟硬件協(xié)同（codesign）設計方法——使用統一的方法和工具對軟件和硬件進(jìn)行描述、綜合和驗證，可以避免軟件、硬件體系獨立設計帶來(lái)的各自為政的弊病。設計中，軟件是滿(mǎn)足系統需求的首要選擇，系統設計者采用了軟件優(yōu)先的設計理念，也是一場(chǎng)設計理念的革命。

國際流行的“軟件定義儀器”的思想，應當引起我們重視并值得借鑒，尤其對于新儀表開(kāi)發(fā)甚有裨益。

電子秤界的問(wèn)題是軟件在稱(chēng)重技術(shù)中的認識尚待提高，應用軟件、組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)尚待加強?，F在我們要做的工作是在系統中盡可能多的嵌合的軟件能模塊，盡可能多的實(shí)現以軟代硬，以取得電子秤功能更大的擴展性和智能化的升級。

2、為數據采集硬件與 PC 總線(xiàn)的選擇說(shuō)幾句話(huà)

（1）基于 PC 的稱(chēng)重技術(shù)

信息社會(huì )對電子秤的性能要求越來(lái)越高、功能要求越來(lái)越多，這樣任務(wù)幸虧有了計算機才得以完成?，F在的稱(chēng)重數據無(wú)不是包括收集傳感器的模擬信號以及放大、數字化，連接到 PC 以便分析、管理、儲存及通訊，形成了基于 PC 的稱(chēng)重技術(shù)，更容易定制個(gè)性化的稱(chēng)重系統。

特別是 PC 進(jìn)入多核處理器時(shí)代，為電子秤應用帶來(lái)的巨大的性能和吞吐量的提升，我們進(jìn)入了基于 PC 的稱(chēng)重技術(shù)的時(shí)代，把計算機變成了靈活、高性能的稱(chēng)重和控制系統。

（2）為用戶(hù)利益，選擇通行的總線(xiàn)標準

由于目前基于不同 PC 技術(shù)構建的硬件平臺有很大靈活性，同時(shí)林林總總的總線(xiàn)也有如雨后春筍源源不斷涌現，于是各廠(chǎng)家的制式差異懸殊。但用戶(hù)不可能只買(mǎi)一家的產(chǎn)品，其總線(xiàn)標準的五花八門(mén)，令用戶(hù)很是煩惱。事實(shí)上用戶(hù)的最大利益是不管哪家產(chǎn)品，使用方便才好。由此出發(fā)，生產(chǎn)廠(chǎng)家還是盡可能集中選用主流總線(xiàn)，以提高設備的通用性為高。

當然選擇總線(xiàn)，首先考慮的是傳輸的數據量、是否有單點(diǎn) I/O 需求、多臺設備是否要求同步、有無(wú)便攜要求和測量結果與計算機的距離等基本要素。

當滿(mǎn)足上述基本要素后，就應考慮選擇常用總線(xiàn)，范圍縮小，以便于各廠(chǎng)家設備的駁接，減少用戶(hù)的茫然。外設部件互連總線(xiàn) PCI、可擴展至 x16 數據通路的 PCI Express、面向儀器系統的 PXI、

擴展的 PXI Express、局域主干的以太網(wǎng)、具有 IEEE 802.11x（x 為版本號，如 g、i 等）標準的無(wú)線(xiàn)技術(shù)和成本低廉而方便的通用串行總線(xiàn) USB 等都是通行的總線(xiàn)，能從不同的角度滿(mǎn)足廠(chǎng)家的選擇。

三、符合無(wú)線(xiàn)標準的電子秤將有更廣闊的使用空間

大規模 DCS 系統中需布置很長(cháng)的電纜或光纜，不僅成本高昂，而且長(cháng)距離的電纜還容易引入噪聲。如果使用便攜式計算平臺將采集系統移至更接近信號源的地方，去除計算機與測量硬件之間的長(cháng)線(xiàn)線(xiàn)連接，改用無(wú)線(xiàn)技術(shù)結合主干線(xiàn)以太網(wǎng)，可以更方便、靈活地進(jìn)行分布式測量并將數據回傳至上位中央監控平臺。

實(shí)現這一構想的關(guān)鍵，是為遠端的稱(chēng)重傳感器及其他參數采集裝置集成無(wú)線(xiàn)通訊功能，借鑒WSN（wireless sensor network）技術(shù)，構建無(wú)線(xiàn)稱(chēng)重傳感器網(wǎng)絡(luò )。

我們可以設想，如果在惡劣的、或危險的、或移動(dòng)的的復雜環(huán)境中，不便在傳感器和稱(chēng)重儀表間連接纜線(xiàn)，這時(shí)只要給數字稱(chēng)重傳感器配置了無(wú)線(xiàn)輸出的能力，將不僅在傳輸距離、傳輸質(zhì)量、傳輸場(chǎng)地等方面，而且在稱(chēng)重系統的巡檢、診斷與定位等方面，都將帶來(lái)頗具競爭力的飛躍。