為了提高動態(tài)軸重式地磅稱重的精度，提出一種采用過采樣的方式提高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，增加被測數(shù)據(jù)的有效位數(shù)，提高A/D的分辨率。對實驗 結(jié)果的分析表明：通過過采樣方法處理后的采樣信號，可使動態(tài)軸重式地磅在保證其稱量達精度時，提高稱 重過車速度。

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

而信號處理主要影響動態(tài)軸重式汽車衡的稱量精度及 速度。目前，信號處理主要有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A/D轉(zhuǎn)換性能要求高，而采樣率不高。采用過采樣方法 可以克服上述缺點，且利用二者的優(yōu)點實現(xiàn)對信號的高精 度測量。

1.過采樣技術(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、由采樣時鐘抖動引起的相位噪 聲以及由量化誤差引起的量化噪聲等。在參考電壓及信號 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)換過程中，總是存在量化噪聲的，一個給定位數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換器的最大信噪比(Rsn)由量化噪聲定義。在一定條件下過采樣會減小量化噪聲和改善SN，有效提高測量分辨率。

過采樣是指對某個待測參數(shù)進行多次采樣，得到一組樣本，然后對這些樣本累計求和并對這些樣本進行均值濾波、 減小噪聲而得到一個采樣結(jié)果。圖1為過采樣測量系統(tǒng)原 理圖。

過采樣技術(shù)遠大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對輸入信號進行采樣。假設(shè)原來的采樣頻率為fs，若將采樣頻率提高 到Rfs，R為過采樣比率，并且R>1。n為量化比特數(shù)，E00為 帶內(nèi)的能量譜密度（ESD)，/m為信號的最高頻率，則￡f(/)與fs 的關(guān)系式：

在采樣的數(shù)字信號中，量化比特數(shù)沒有改變，總的量化 噪聲功率也不變，但這時量化噪聲的頻譜分布發(fā)生了變化。原來均勻分布在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就遠大于信號的最高頻率/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 量化噪聲就會相應(yīng)減少，通過低通濾波器濾掉/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

噪聲功率與過采樣率和分辨率的關(guān)系式:

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

給定一個固定的噪聲功率，可計算所需要的位數(shù)。由式

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

式（3)說明有效位數(shù)是參考電壓、帶內(nèi)噪聲功率和過采 樣率的函數(shù)。同時注意到采樣頻率每增加1倍帶內(nèi)噪聲將減 小3 dB，測量分辨率將增加1/2位。在實際應(yīng)用中將一個信 號的帶寬限制到小于fjl,然后以某個過采樣率OSR對該信 號采樣，再對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 采樣頻率進行過采樣。

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 是過采樣頻率。

將過采樣應(yīng)用于動態(tài)軸重式地磅中，實現(xiàn)等效于16 位A/D轉(zhuǎn)換器的精度測量。在程序中，將256個連續(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，在得到計算結(jié)果后，result被清零，準 備下一次計算。對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。用于累加過采樣數(shù)據(jù)和進行除法運算的存儲器單 元的字節(jié)數(shù)必須足夠多，以免發(fā)生溢出或截斷錯誤。

使用過采樣技術(shù)對重量的測量精度提高后，進一步比較 重量測量中的分辨率。在電路系統(tǒng)中，采用2.4 V的參考電壓 (Vr)信號過采樣增加稱量的有效位數(shù)。假定稱重過程中使用 12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過過采樣，對于12位和過采樣后達16位 有效數(shù)據(jù)測量后，分別計算代碼寬度和可測重量的最小變化。

在不采用過采樣技術(shù)的情況下，12位的重量測量結(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，電壓分辨率A為：

經(jīng)比較可以看出：在不采用過采樣的情況下，可以測量

的最小重量變化是0.104 6 kg，而在采用過采樣技術(shù)的情況

下，用同一個12位A/D轉(zhuǎn)換器可以測量的最小重量變化是

0.006 5 kg，可見，測量分辨率得到提高。

3.應(yīng)用結(jié)果及分析

上述方法經(jīng)實驗測試效果明顯，實驗用兩軸載重貨車， 貨車自重1 500 kg，加載砝碼14 368 kg，在額定軸載荷為30 t 的動態(tài)軸重式地磅上進行測試。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，測試車分別以快速、 慢速及變速等多種形式通過秤合，實驗測得部分數(shù)據(jù)及處理 運算結(jié)果如表1所示。

4.結(jié)論

采用過采樣提高分辨率的方法已在動態(tài)軸重式地磅中得到應(yīng)用。實測證明：用這種方法來提高測量分辨率可以 降低成本，簡化外圍電路硬件，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)測量，具有實用和推 廣價值。