為了提高動(dòng)態(tài)軸重式地磅稱重的精度，提出一種采用過(guò)采樣的方式提高A/D轉(zhuǎn)換有效位數(shù)方法。A/D轉(zhuǎn) 換的位數(shù)決定了信噪比，提高信噪比可以提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。在利用相同的A/D采樣速率的條件下，采用過(guò)采 樣技術(shù)可減小量化誤差，并獲得與高分辨率相應(yīng)的信噪比，增加被測(cè)數(shù)據(jù)的有效位數(shù)，提高A/D的分辨率。對(duì)實(shí)驗(yàn) 結(jié)果的分析表明：通過(guò)過(guò)采樣方法處理后的采樣信號(hào)，可使動(dòng)態(tài)軸重式地磅在保證其稱量達(dá)精度時(shí)，提高稱 重過(guò)車速度。

目前動(dòng)態(tài)地磅從計(jì)量形式上可分為：軸計(jì)量、軸組計(jì) 量和整車計(jì)量3種。動(dòng)態(tài)軸重式地磅屬于軸計(jì)量形式，是 對(duì)行駛中的車輛稱重的一種衡器。

而信號(hào)處理主要影響動(dòng)態(tài)軸重式汽車衡的稱量精度及 速度。目前，信號(hào)處理主要有2種：一是使用內(nèi)部集成有低 或中分辨率A/D轉(zhuǎn)換的器件，節(jié)省成本，但增加了繁瑣的模 擬電路；二是使用高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，可省去模擬電路， 但對(duì)A/D轉(zhuǎn)換性能要求高，而采樣率不高。采用過(guò)采樣方法 可以克服上述缺點(diǎn)，且利用二者的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高精 度測(cè)量。

1.過(guò)采樣技術(shù)及原理

A/D轉(zhuǎn)換能引入很多種噪聲，例如熱噪聲、雜色噪聲、電 源電壓變化、參考電壓變化、由采樣時(shí)鐘抖動(dòng)引起的相位噪 聲以及由量化誤差引起的量化噪聲等。在參考電壓及信號(hào) 線輸入端上加旁路電容等技術(shù)可以減小噪聲。但是，在A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中，總是存在量化噪聲的，一個(gè)給定位數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換器的最大信噪比(Rsn)由量化噪聲定義。在一定條件下過(guò)采樣會(huì)減小量化噪聲和改善SN，有效提高測(cè)量分辨率。

過(guò)采樣是指對(duì)某個(gè)待測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次采樣，得到一組樣本，然后對(duì)這些樣本累計(jì)求和并對(duì)這些樣本進(jìn)行均值濾波、 減小噪聲而得到一個(gè)采樣結(jié)果。圖1為過(guò)采樣測(cè)量系統(tǒng)原 理圖。

過(guò)采樣技術(shù)遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。假設(shè)原來(lái)的采樣頻率為fs，若將采樣頻率提高 到Rfs，R為過(guò)采樣比率，并且R>1。n為量化比特?cái)?shù)，E00為 帶內(nèi)的能量譜密度（ESD)，/m為信號(hào)的最高頻率，則￡f(/)與fs 的關(guān)系式：

在采樣的數(shù)字信號(hào)中，量化比特?cái)?shù)沒(méi)有改變，總的量化 噪聲功率也不變，但這時(shí)量化噪聲的頻譜分布發(fā)生了變化。原來(lái)均勻分布在0~//2頻帶內(nèi)的量化噪聲分散到了 0~R//2 的頻帶上。若R?l，R//2就遠(yuǎn)大于信號(hào)的最高頻率/m，量化 噪聲大部分分布在頻帶之外的高頻區(qū)域，分布在頻帶之內(nèi)的 量化噪聲就會(huì)相應(yīng)減少，通過(guò)低通濾波器濾掉/m以上的噪聲 分量，就可以提高系統(tǒng)的信噪比'

2.應(yīng)用原理

噪聲功率與過(guò)采樣率和分辨率的關(guān)系式:

式中，n0為噪聲功率，OSR為過(guò)采樣率，N為A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)， Vre/為參考電壓。

給定一個(gè)固定的噪聲功率，可計(jì)算所需要的位數(shù)。由式

(2)求得W，用給定的參考電壓、帶內(nèi)噪聲功率及過(guò)采樣率計(jì) 算有效位數(shù)：

式（3)說(shuō)明有效位數(shù)是參考電壓、帶內(nèi)噪聲功率和過(guò)采 樣率的函數(shù)。同時(shí)注意到采樣頻率每增加1倍帶內(nèi)噪聲將減 小3 dB，測(cè)量分辨率將增加1/2位。在實(shí)際應(yīng)用中將一個(gè)信 號(hào)的帶寬限制到小于fjl,然后以某個(gè)過(guò)采樣率OSR對(duì)該信 號(hào)采樣，再對(duì)采樣值求平均值得到結(jié)果輸出?？?/span>以看出，數(shù) 據(jù)每增加一位分辨率或每減小6 dB的噪聲，需要以4倍的 采樣頻率進(jìn)行過(guò)采樣。

式中w是希望增加的分辨率位數(shù)，/s是初始采樣頻率要求，/。8 是過(guò)采樣頻率。

將過(guò)采樣應(yīng)用于動(dòng)態(tài)軸重式地磅中，實(shí)現(xiàn)等效于16 位A/D轉(zhuǎn)換器的精度測(cè)量。在程序中，將256個(gè)連續(xù)的A/D 轉(zhuǎn)換器累加到變量X上，在完成累加后又將X右移4位并將 結(jié)果存入變量result中，在得到計(jì)算結(jié)果后，result被清零，準(zhǔn) 備下一次計(jì)算。對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的累加在A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程 序中完成。用于累加過(guò)采樣數(shù)據(jù)和進(jìn)行除法運(yùn)算的存儲(chǔ)器單 元的字節(jié)數(shù)必須足夠多，以免發(fā)生溢出或截?cái)噱e(cuò)誤。

使用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)重量的測(cè)量精度提高后，進(jìn)一步比較 重量測(cè)量中的分辨率。在電路系統(tǒng)中，采用2.4 V的參考電壓 (Vr)信號(hào)過(guò)采樣增加稱量的有效位數(shù)。假定稱重過(guò)程中使用 12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)過(guò)采樣，對(duì)于12位和過(guò)采樣后達(dá)16位 有效數(shù)據(jù)測(cè)量后，分別計(jì)算代碼寬度和可測(cè)重量的最小變化。

在不采用過(guò)采樣技術(shù)的情況下，12位的重量測(cè)量結(jié)果 為：重量每變化1 kg，稱重傳感器的電壓輸出將變化2.8 mV, 在增益為2時(shí)，電壓分辨率A為：

經(jīng)比較可以看出：在不采用過(guò)采樣的情況下，可以測(cè)量

的最小重量變化是0.104 6 kg，而在采用過(guò)采樣技術(shù)的情況

下，用同一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器可以測(cè)量的最小重量變化是

0.006 5 kg，可見(jiàn)，測(cè)量分辨率得到提高。

3.應(yīng)用結(jié)果及分析

上述方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果明顯，實(shí)驗(yàn)用兩軸載重貨車， 貨車自重1 500 kg，加載砝碼14 368 kg，在額定軸載荷為30 t 的動(dòng)態(tài)軸重式地磅上進(jìn)行測(cè)試。靜態(tài)情況下稱得汽車前軸 重量是5 193 kg，后軸重量是14 175 kg，測(cè)試車分別以快速、 慢速及變速等多種形式通過(guò)秤合，實(shí)驗(yàn)測(cè)得部分?jǐn)?shù)據(jù)及處理 運(yùn)算結(jié)果如表1所示。

4.結(jié)論

采用過(guò)采樣提高分辨率的方法已在動(dòng)態(tài)軸重式地磅中得到應(yīng)用。實(shí)測(cè)證明：用這種方法來(lái)提高測(cè)量分辨率可以 降低成本，簡(jiǎn)化外圍電路硬件，提高系統(tǒng)的可靠性和精度， 使該裝置具有高的性價(jià)比，可以使稱重精度提高1倍。另 外，該方法還可以用于其他領(lǐng)域的參數(shù)測(cè)量，具有實(shí)用和推 廣價(jià)值。