过釆样方法在动态轴重式地磅中的应用
为了提高动态轴重式地磅称重的精度，提出一种采用过采样的方式提高A/D转换有效位数方法。A/D转 换的位数决定了信噪比，提高信噪比可以提高A/D转换的精度。在利用相同的A/D采样速率的条件下，采用过采 样技术可减小量化误差，并获得与高分辨率相应的信噪比，增加被测数据的有效位数，提高A/D的分辨率。对实验 结果的分析表明：通过过采样方法处理后的采样信号，可使动态轴重式地磅在保证其称量达精度时，提高称 重过车速度。
目前动态地磅从计量形式上可分为：轴计量、轴组计 量和整车计量3种。动态轴重式地磅属于轴计量形式，是 对行驶中的车辆称重的一种衡器。
而信号处理主要影响动态轴重式汽车衡的称量精度及 速度。目前，信号处理主要有2种：一是使用内部集成有低 或中分辨率A/D转换的器件，节省成本，但增加了繁琐的模 拟电路；二是使用高分辨率A/D转换器，可省去模拟电路， 但对A/D转换性能要求高，而采样率不高。采用过采样方法 可以克服上述缺点，且利用二者的优点实现对信号的高精 度测量。
1.过采样技术及原理
A/D转换能引入很多种噪声，例如热噪声、杂色噪声、电 源电压变化、参考电压变化、由采样时钟抖动引起的相位噪 声以及由量化误差引起的量化噪声等。在参考电压及信号 线输入端上加旁路电容等技术可以减小噪声。但是，在A/D 转换过程中，总是存在量化噪声的，一个给定位数的数据转 换器的最大信噪比(Rsn)由量化噪声定义。在一定条件下过采样会减小量化噪声和改善SN，有效提高测量分辨率。
过采样是指对某个待测参数进行多次采样，得到一组样本，然后对这些样本累计求和并对这些样本进行均值滤波、 减小噪声而得到一个采样结果。图1为过采样测量系统原 理图。
过采样技术远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。假设原来的采样频率为fs，若将采样频率提高 到Rfs，R为过采样比率，并且R>1。n为量化比特数，E00为 带内的能量谱密度（ESD)，/m为信号的最高频率，则￡f(/)与fs 的关系式：
在采样的数字信号中，量化比特数没有改变，总的量化 噪声功率也不变，但这时量化噪声的频谱分布发生了变化。原来均匀分布在0~//2频带内的量化噪声分散到了 0~R//2 的频带上。若R?l，R//2就远大于信号的最高频率/m，量化 噪声大部分分布在频带之外的高频区域，分布在频带之内的 量化噪声就会相应减少，通过低通滤波器滤掉/m以上的噪声 分量，就可以提高系统的信噪比'
2.应用原理
噪声功率与过采样率和分辨率的关系式:
式中，n0为噪声功率，OSR为过采样率，N为A/D转换的位数， Vre/为参考电压。
给定一个固定的噪声功率，可计算所需要的位数。由式
(2)求得W，用给定的参考电压、带内噪声功率及过采样率计 算有效位数：
式（3)说明有效位数是参考电压、带内噪声功率和过采 样率的函数。同时注意到采样频率每增加1倍带内噪声将减 小3 dB，测量分辨率将增加1/2位。在实际应用中将一个信 号的带宽限制到小于fjl,然后以某个过采样率OSR对该信 号采样，再对采样值求平均值得到结果输出。可以看出，数 据每增加一位分辨率或每减小6 dB的噪声，需要以4倍的 采样频率进行过采样。
式中w是希望增加的分辨率位数，/s是初始采样频率要求，/。8 是过采样频率。
将过采样应用于动态轴重式地磅中，实现等效于16 位A/D转换器的精度测量。在程序中，将256个连续的A/D 转换器累加到变量X上，在完成累加后又将X右移4位并将 结果存入变量result中，在得到计算结果后，result被清零，准 备下一次计算。对A/D转换器的累加在A/D转换中断服务程 序中完成。用于累加过采样数据和进行除法运算的存储器单 元的字节数必须足够多，以免发生溢出或截断错误。
使用过采样技术对重量的测量精度提高后，进一步比较 重量测量中的分辨率。在电路系统中，采用2.4 V的参考电压 (Vr)信号过采样增加称量的有效位数。假定称重过程中使用 12位A/D转换器，通过过采样，对于12位和过采样后达16位 有效数据测量后，分别计算代码宽度和可测重量的最小变化。
在不采用过采样技术的情况下，12位的重量测量结果 为：重量每变化1 kg，称重传感器的电压输出将变化2.8 mV, 在增益为2时，电压分辨率A为：
经比较可以看出：在不采用过采样的情况下，可以测量
的最小重量变化是0.104 6 kg，而在采用过采样技术的情况
下，用同一个12位A/D转换器可以测量的最小重量变化是
0.006 5 kg，可见，测量分辨率得到提高。
3.应用结果及分析
上述方法经实验测试效果明显，实验用两轴载重货车， 货车自重1 500 kg，加载砝码14 368 kg，在额定轴载荷为30 t 的动态轴重式地磅上进行测试。静态情况下称得汽车前轴 重量是5 193 kg，后轴重量是14 175 kg，测试车分别以快速、 慢速及变速等多种形式通过秤合，实验测得部分数据及处理 运算结果如表1所示。
4.结论
采用过采样提高分辨率的方法已在动态轴重式地磅中得到应用。实测证明：用这种方法来提高测量分辨率可以 降低成本，简化外围电路硬件，提高系统的可靠性和精度， 使该装置具有高的性价比，可以使称重精度提高1倍。另 外，该方法还可以用于其他领域的参数测量，具有实用和推 广价值。
