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)。”噪聲在非自動(dòng)衡器中的表現(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；在自動(dòng)衡器中的表現(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。總之，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 衡器，最大秤量時(shí)傳感器的輸出僅零點(diǎn)幾 mV/V，每檢定分度值 e 的信號(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；稱重指示器電路中噪聲總的頻譜密度如下圖所示：
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)?/span> 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(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)定了原示值保持的最 大時(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)，FIR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，圖 2 為普通模式和快速模式響應(yīng)速度的對(duì)比；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(guó)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。現(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)稱重指示器的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，測(cè)試
系統(tǒng)按圖 3 的方法連接。
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)。