電子秤一直歸類于信息設備類別，隨著社會文 明的發(fā)展，電子秤對信息社會和知識型經濟的聯(lián)系越來越緊密，新需求促進新發(fā)展。稱重的本質是獲取重量信息的過程，電子秤的機械結構和電子結構都是為 一目的服務的，且均對稱重的性能產生影響。本文僅對電子秤電子線路的若干影響因素進行 一些粗略的探討。
電子秤的電子結構勢必對稱重性能產生影響。本文就若干影響稱重質量和性能的電子因素提出意見，對甄別信號特征調理、降噪、數(shù)據(jù)轉換參數(shù)、軟件優(yōu)先和基于PC 的稱重技術的概念、選擇通行的總線標準和在大規(guī)模 DCS 系統(tǒng)中構建符合無線標準的電子秤等方面做一些粗淺的探討。
一、稱重信號測量
就稱重技術來說，如果從數(shù)據(jù)采集（DAQ，Data Acquisition）的角度進行分析，可能會收到較好的效果。限于篇幅，下面僅就稱重儀表有關的信號調理和采集處理做些討論。
1、甄別信號特征進行信號調理
電子秤的結構確定以后，稱重儀表在體現(xiàn)電子秤質量與功能上發(fā)揮關鍵作用。在稱重儀表中需要處理模擬與數(shù)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間的值，而數(shù)字信號不能以時間為基準賦與任何數(shù)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重技術的基礎。
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，系統(tǒng)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行測量，必須使用傅利葉變形的軟件進行分析。當頻率是最重要的信息時，就必須同時考慮準確度和采集速度，確保獲此速度的條件稱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(shù)字信號的主要特性是狀態(tài)和速率。狀態(tài)只有高及低兩個可能值，通常要符合TTL（Transistorto Transistor Logic）規(guī)格，當強度落在 0至 0.8伏特之間時，數(shù)字信號視為低；在 2至 5伏特之間則視為高。數(shù)字信號的速率是測量單位時間內某種特征信號出現(xiàn)的次數(shù)。數(shù)字信號的處理不需要復雜的軟件算法來確定。
借助于數(shù)據(jù)分析儀器，針對信號特征，通過仿真測試正確選擇出電路的設計參數(shù)，是稱重儀表成功的第一步。
2、最大程度降低噪聲的影響
有時盡管噪聲信號并不大，但當在稱重分度數(shù)小于200 時傳感器的輸出電壓很低，這時除稱重儀表本身的噪聲、漂移會影響測量質量外，小信號在傳輸?shù)倪^程中更容易被疊加的偏移電壓和噪聲歪曲，比如引起稱重儀表末位數(shù)字跳動，甚或稱重信號被噪聲湮滅，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，這意味著在信號上產生偏移量，而所做的測量越多，產生的漂移就會越大。降低噪聲干擾，是高靈敏度電子儀表所必須考慮的問題。
通過采取技術手段如適當濾波可以減小白噪聲；但濾波對1/f 噪聲沒有明顯著作用，而1/f 噪聲恰恰確定了測量噪聲的基底，利用斬波技術對付超低頻噪聲會有效果。
模數(shù)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。
搞技術的人更容易體會“細節(jié)決定成敗”的含義，制造與使用中，看似技術含量不高的諸如電路中的機械應力、熱梯度、熱電偶結點效應、熱隔離、溫度控制和觸點不潔等細微因素所產生的漂移切勿忽略。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，有時還是靠實踐得出。
現(xiàn)在的數(shù)字傳感器將模擬、數(shù)字和控制運算結合為一體，同時又高度集成了多種抗擾措施，實現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集功能，并且以盡可能短的模擬信號傳輸距離換來了超長的數(shù)字信號傳輸距離，堪稱是有效降低噪聲和漂移電壓干擾的典范思想。
3、優(yōu)化數(shù)據(jù)轉換參數(shù)
前面提及的模數(shù)轉換器，高分辨率和高速度一直是矛與盾的問題。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，還應在實踐中繼續(xù)研究。
首先，如圖1 所示的一個傳統(tǒng)ADC 頻域傳輸特性中，輸入一個正弦信號，按照Nyquist 定理，以兩倍于輸入信號的頻率Fs 采樣。根據(jù)快速傅里葉變換（FFT）分析可得一個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N 位ADC，SNR 可由公式：SNR=6.02N+1.76dB 得到。在傳統(tǒng)ADC 中，改善SNR的辦法是增加位數(shù)。
Σ-Δ型ADC 把大部分轉換過程轉移到了數(shù)字域因而顯現(xiàn)其優(yōu)勢，它更接近于數(shù)字器件，成本低廉且把高性能模擬與數(shù)字處理融合在一起，在整個電壓范圍內實現(xiàn)高水平的線性化，噪聲整形功能使低通數(shù)字濾波器能夠消除大部分噪聲并產生高精度的電壓測量，因而被稱重儀表廣泛采用。
如果將采樣頻率提高到kFs，利用過采樣系數(shù)k，F(xiàn)FT 分析顯示噪聲基線降低了，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，采用過采樣在多個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轉換器能夠從一個低分辨率ADC 獲得寬動態(tài)范圍，圖2 即是以k倍采樣頻率經過 Σ- Δ 轉換器的濾波效果。
一階的 Σ-Δ 調制器在每兩倍的過采樣率下可提供9dB 的SNR 改善。采用更多的積分與求和環(huán)節(jié)，可以提供更高階數(shù)的量化噪聲成形。例如，一個二階 Σ- Δ調制器在每兩倍的過采樣率下可改善
SNR 15dB，三階 Σ- Δ調制器在每兩倍的過采樣率下可改善 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(shù)據(jù)和最佳轉換結果，并非易事。隨著抽樣、調制時鐘和PGA 的調整，相同數(shù)據(jù)速率在性能方面的表現(xiàn)會有所不同。另外一些問題還包括輸入阻抗、濾波器響應、抗混疊以及面對長期漂移等問題，需要耐心地選擇正確的參數(shù)。
二、符合無線標準的電子秤將有更廣闊的使用空間
大規(guī)模DCS 系統(tǒng)中需布置很長的電纜或光纜，不僅成本高昂，而且長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(tǒng)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線線連接，改用無線技術結合主干線以太網，可以更方便、靈活地進行分布式測量并將數(shù)據(jù)回傳至上位中央監(jiān)控平臺。
實現(xiàn)這一構想的關鍵，是為遠端的稱重傳感器及其他參數(shù)采集裝置集成無線通訊功能，借鑒WSN（wireless sensor network）技術，構建無線稱重傳感器網絡。
我們可以設想，如果在惡劣的、或危險的、或移動的的復雜環(huán)境中，不便在傳感器和稱重儀表間連接纜線，這時只要給數(shù)字稱重傳感器配置了無線輸出的能力，將不僅在傳輸距離、傳輸質量、傳輸場地等方面，而且在稱重系統(tǒng)的巡檢、診斷與定位等方面，都將帶來頗具競爭力的飛躍。
三、硬件、軟件的無縫集成已成稱重儀表發(fā)展趨勢
1、樹立軟件優(yōu)先的概念
隨著電子系統(tǒng)功能的日益強大和微型化，硬件和軟件不再是截然分開的兩個概念，而是親密結合、相輔相成。以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)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。比如在設計時以軟件實現(xiàn)全量程范圍內的多點校驗修正，除變動誤差外，其余誤差依照標準修正為零，測量達到理想的準確度；加入信號自動識別技術，能清除變動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效應，提高動態(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期穩(wěn)定性。
現(xiàn)在出現(xiàn)了軟硬件協(xié)同（codesign）設計方法——使用統(tǒng)一的方法和工具對軟件和硬件進行描述、綜合和驗證，可以避免軟件、硬件體系獨立設計帶來的各自為政的弊病。設計中，軟件是滿足系統(tǒng)需求的首要選擇，系統(tǒng)設計者采用了軟件優(yōu)先的設計理念，也是一場設計理念的革命。
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，尤其對于新儀表開發(fā)甚有裨益。
電子秤界的問題是軟件在稱重技術中的認識尚待提高，應用軟件、組態(tài)軟件的開發(fā)尚待加強。現(xiàn)在我們要做的工作是在系統(tǒng)中盡可能多的嵌合的軟件能模塊，盡可能多的實現(xiàn)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、數(shù)據(jù)采集硬件與 PC總線的選擇：
（1）基于PC 的稱重技術
信息社會對電子秤的性能要求越來越高、功能要求越來越多，這樣任務幸虧有了計算機才得以完成。現(xiàn)在的稱重數(shù)據(jù)無不是包括收集傳感器的模擬信號以及放大、數(shù)字化，連接到PC 以便分析、管理、儲存及通訊，形成了基于PC 的稱重技術，更容易定制個性化的稱重系統(tǒng)。
特別是PC 進入多核處理器時代，為電子秤應用帶來的巨大的性能和吞吐量的提升，我們進入了基于PC 的稱重技術的時代，把計算機變成了靈活、高性能的稱重和控制系統(tǒng)。
（2）為用戶利益，選擇通行的總線標準
由于目前基于不同PC 技術構建的硬件平臺有很大靈活性，同時林林總總的總線也有如雨后春筍源源不斷涌現(xiàn)，于是各廠家的制式差異懸殊。但用戶不可能只買一家的產品，其總線標準的五花八門，令用戶很是煩惱。事實上用戶的最大利益是不管哪家產品，使用方便才好。由此出發(fā)，生產廠家還是盡可能集中選用主流總線，以提高設備的通用性為高。
當然選擇總線，首先考慮的是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、是否有單點I/O 需求、多臺設備是否要求同步、有無便攜要求和測量結果與計算機的距離等基本要素。
當滿足上述基本要素后，就應考慮選擇常用總線，范圍縮小，以便于各廠家設備的駁接，減少用戶的茫然。外設部件互連總線PCI、可擴展至x16 數(shù)據(jù)通路的PCI Express、面向儀器系統(tǒng)的PXI、
擴展的PXI Express、局域主干的以太網、具有IEEE 802.11x（x 為版本號，如g、i 等）標準的無線技術和成本低廉而方便的通用串行總線USB 等都是通行的總線，能從不同的角度滿足廠家的選擇。
