JPH0630439B2 - Zero crossing point detector for sinusoidal signal - Google Patents

Zero crossing point detector for sinusoidal signal

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JPH0630439B2
JPH0630439B2 JP58074737A JP7473783A JPH0630439B2 JP H0630439 B2 JPH0630439 B2 JP H0630439B2 JP 58074737 A JP58074737 A JP 58074737A JP 7473783 A JP7473783 A JP 7473783A JP H0630439 B2 JPH0630439 B2 JP H0630439B2
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JP
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crossing point
zero
sampling
sine wave
equation
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JP58074737A
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JPS59200521A (en
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淳男 武田
耕二 中嶋
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Yaskawa Electric Corp
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Yaskawa Electric Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、サンプリングレートが長くてもそのサンプル
値から正弦波の零交差点を高精度に検出できる正弦波の
零交差点検出装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sine wave zero-crossing point detection device capable of detecting a zero-crossing point of a sine wave with high accuracy from a sample value even if the sampling rate is long.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

最近のエレクトロニクス技術は全デジタル化の方向に進
んでいる。
Recent electronics technology is moving toward digitalization.

周波数変調された連続マイクロ波の送信波と物体からの
反射波とのビート信号周期を測定することにより、物体
までの距離を求める装置が、たとえば特開昭52−27
395号公報などに開示されている。ここでは、ビート
信号は正弦波であり、この周期を求めるために正弦波の
零交差点の検出する必要が生じる。
An apparatus for determining the distance to an object by measuring the beat signal period of the frequency-modulated continuous microwave transmission wave and the reflected wave from the object is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 52-27.
It is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 395. Here, the beat signal is a sine wave, and it is necessary to detect the zero crossing point of the sine wave in order to obtain this cycle.

この種の技術においては、ビート信号の周期をデジタル
的に測定するときだけサンプリングレートを下げて、つ
まりサンプリング周期を長くして、高精度で周期あるい
は零交差点を測定できるかどうかが鍵になる。
In this type of technique, the key is whether or not the period or zero-crossing point can be measured with high accuracy by lowering the sampling rate, that is, lengthening the sampling period only when the period of the beat signal is digitally measured.

従来、零交差点前後のサンプル値から正弦波を直線近似
して零交差点を求めることは一般的に行われている。
Conventionally, it is generally performed to obtain a zero-crossing point by linearly approximating a sine wave from sample values before and after the zero-crossing point.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

しかし、この方法では直線近似できる範囲が狭く、高精
度な検出を行なうためには、正弦波周期に対してサンプ
リング周期を短くとらねばならない。
However, in this method, the range that can be approximated to a straight line is narrow, and in order to perform highly accurate detection, the sampling period must be shorter than the sine wave period.

正弦波のサンプルデータをとった場合、データは離散的
であるから、零交差点はサンプリング点の相互間に存在
することが多い。
When the sine wave sample data is taken, the data are discrete, and thus the zero-crossing points often exist between the sampling points.

従来の正弦波近似は、第1図に示すように、時間軸を
x、サンプル値軸をyとして、周期Tでサンプリングし
た零交差点の前後の2つのサンプルデータ(x
),(x,y)から、その間を直線近似し、零
交差点がx軸に関し点xからXTのところにあるとし
て、 XT/(−y)=(T−XT)/y…(1) X=(−y)/(y−y)…(2) としてXを求める。
In the conventional sine wave approximation, as shown in FIG. 1, two sample data (x 0 , before and after the zero crossing point sampled at the period T, where x is the time axis and y is the sample value axis).
From y 0 ), (x 1 , y 1 ), a linear approximation is performed between them, and it is assumed that the zero-crossing point is located from the point x 0 to XT on the x-axis. XT / (− y 0 ) = (T−XT) / y 1 (1) X = (− y 0 ) / (y 1 −y 0 ) ... (2) is calculated as X.

この方法は計算が簡単であり、また、sin x=xの近
似が成立する範囲では高精度の計算結果を得ることがで
きるが、その範囲は狭い(2%精度の近似で0.35ra
d)。したがって、高精度で零交差点を求めようとすれ
ば、サンプリングレートを高くしなければならない。す
なわち、従来の1次近似で計算する方法で高精度な零交
差点を検出する場合、サンプリングレートを高くしなけ
ればならず、A/D変換器でサンプリングするときは変
換処理時間の高速なものを使用しなければならず、装置
価格が非常に高価にならざるを得なかった。
This method is easy to calculate, and high-accuracy calculation results can be obtained in the range where the approximation of sin x = x holds, but the range is narrow (0.35ra in the approximation of 2% accuracy).
d). Therefore, in order to obtain the zero crossing point with high accuracy, the sampling rate must be increased. That is, when detecting a high-precision zero-crossing point by the conventional first-order approximation method, the sampling rate must be increased, and when sampling with the A / D converter, a fast conversion processing time is required. It had to be used, and the device price had to be very expensive.

そこで本発明は、従来技術の難点を克服し、近似範囲が
広い、サンプリング周期を長くしても高精度の零交差点
検出の可能な正弦波信号の零交差点検出装置を提供する
ことを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art and to provide a zero-crossing point detection device for a sine wave signal which has a wide approximation range and is capable of highly accurate zero-crossing point detection even if the sampling period is lengthened. .

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

上記目的を達成するために、本発明は、 Aを振幅、ωを角周波数とし、y=Asin ωxで表さ
れるxy直交座標上の正弦波信号から、サンプリング周
期Tで零交差点の前後にまたがる連続する3つのサンプ
ル値y,y,yをサンプリングするサンプリング
手段と、 前記3つのサンプル値y,y,yに係る3つの座
標(x,y),(x,y),(x,y)を
求める第1の演算手段と、 x点から前記正弦波信号の零交差点までのx座標軸上
の増分をXTとし、x=(1−X)T,x=(2−
X)T,y−y=ΔY,(y−y)−(y
)=ΔYとして、 X′=−y/{ΔY+ΔY)/6} を演算する第2の演算手段と、 Xの値を、 X=X′[1+X′(2ΔY/6)/{ΔT+Δ
Y)/6}] として求める第3の演算手段と を備えた正弦波信号の零交差点検出装置を提案するもの
である。
In order to achieve the above object, the present invention spans before and after a zero crossing with a sampling period T from a sine wave signal on xy rectangular coordinates represented by y = Asin ωx, where A is an amplitude and ω is an angular frequency. three successive sample values y 0, y 1, and sampling means for sampling the y 2, the three sample values y 0, y 1, three coordinates of the y 2 (x 0, y 0 ), (x 1 , Y 1 ), (x 2 , y 2 ), and an increment on the x coordinate axis from the x 0 point to the zero crossing point of the sine wave signal as XT, and x 1 = (1-X ) T, x 2 = (2-
X) T, y 1 −y 0 = ΔY, (y 1 −y 0 ) − (y 2
y 1 ) = Δ 2 Y, X ′ = − y 0 / {ΔY + Δ 2 Y) / 6}, and a second calculation means for calculating X = X ′ [1 + X ′ (2Δ 2 Y / 6) / {ΔT + Δ
2 Y) / 6}] and a third arithmetic means for obtaining the zero crossing point detecting device for a sine wave signal.

〔作用〕[Action]

本発明においては、正弦波を3次式で近似し、3つのサ
ンプル値から振幅周期および零交差点を未知数とする連
立方程式を解くことにより正弦波信号の零交差点を検出
するものであって、近似精度範囲が広く、したがって、
サンプリングレートを低く、つまりサンプリング周期を
長くしても検出精度を保証することができ、そのため安
価な低速のA/D変換器を用いて処理することが可能に
なる。
In the present invention, a sine wave is approximated by a cubic expression, and a zero-crossing point of a sine-wave signal is detected by solving a simultaneous equation with an amplitude period and a zero-crossing point as unknowns from three sample values. Wide range of accuracy, therefore
Even if the sampling rate is low, that is, the sampling period is long, the detection accuracy can be guaranteed, and therefore, it becomes possible to perform processing using an inexpensive low-speed A / D converter.

〔実施例〕〔Example〕

まず、本発明の原理について説明する。 First, the principle of the present invention will be described.

一般に、sin xをテーラー展開すると、 sin x=x−x/3!+x/5!−x/7!+
…… …(3) で表される。
In general, when the Taylor expansion of sin x, sin x = x- x 3/3! + X 5/5! -X 7/7! +
………… It is expressed by (3).

いま、正弦波信号y=Asin ωxを(3)式に従って
テーラー展開したものを3次の項までとって、 y=A(ωx−ω/6)……(4) とおく。
Now, the sine wave signal y = Asin .omega.x (3) taking those Taylor expansion up to the third order terms according to equation, y = A (ωx-ω 3 x 3/6) is denoted by ... (4).

精度的には次数が高いほど良くなる。しかし、実用的に
は次数が高くなると解を求める計算が複雑になるので、
サンプリングレートを早くしたときとの兼ね合いで、現
状では3次が限度であり、それが適切であろうと考えら
れる。
In terms of accuracy, the higher the order, the better. However, in practice, the calculation of the solution becomes complicated when the order becomes high, so
In consideration of the fact that the sampling rate is increased, the 3rd order is the limit at present, and it is considered appropriate.

(4)式に3つのサンプル値(x,y),(x
),(x,y)を代入して、 y=A(ωx−ω /6)……(5) y=A(ωx−ω /6)……(6) y=A(ωx−ω /6)……(7) これら(5)〜(7)式を連立方程式として解いて振幅
Aおよび角周波数ωを消去すると、 y(x −x )+y(x
−x )+y(x −x )=0…
(7′) 第1図に示すように、零交差点をxからXTの所にと
ってそこを原点とし、x,x,x,y,y
を次の数値で置き換える。
In the equation (4), three sample values (x 0 , y 0 ), (x 1 ,
y 1), (x 2, y 2) by substituting, y 0 = A (ωx 0 -ω 3 x 0 3/6) ...... (5) y 1 = A (ωx 1 -ω 3 x 1 3 / 6) ...... (6) y 2 = a (ωx 2 -ω 3 x 2 3/6) ...... (7) thereof (5) to (7) the amplitude a and angular frequency ω by solving equation as simultaneous equations Is deleted, y 2 x 0 x 1 (x 0 2 −x 1 2 ) + y 0 x 1 x 2 (x 1
2 -x 2 2) + y 1 x 2 x 0 (x 2 2 -x 0 2) = 0 ...
(7 ') As shown in FIG. 1, the zero-crossing point is taken as the origin from x 0 to XT, and x 0 , x 1 , x 2 , y 0 , y 1 ,
Replace y 2 with the following numbers:

=−XT…(8) x=(1−X)T…(9) x=(2−X)T…(10) y−y=ΔY…(11) (y−y)−(y−y)=ΔY…(12) ここで(8)〜(12)式を(7′)式に代入して、x
,x,xを消去する。また一般に(a−b
=(a−b)(a+b)であるから、(7′)式は次の
ように変形することができる。
x 0 = -XT ... (8) x 1 = (1-X) T ... (9) x 2 = (2-X) T ... (10) y 1 -y 0 = ΔY ... (11) (y 1 - y 0 ) − (y 2 −y 1 ) = Δ 2 Y (12) Here, the expressions (8) to (12) are substituted into the expression (7 ′), and x
Erase 0 , x 1 , x 2 . Moreover, in general, (a 2 −b 2 )
Since = (a−b) (a + b), the formula (7 ′) can be modified as follows.

(−X)T(1−X)T(−T)(1−2X)T+
(1−X)T(2−X)T(−T)(3−2X)T
+y(−X)T(2−X)T(2T){2(1−X)
T}=0 ここで、(1−X)Tは各項に共通で、かつ≠0であ
るから、これを消去すると、 yX(1−2X)−y(2−X)(3−2X)−4
X(2−X)=0 これを整理すると、 y(4X−8X)−y(2X−7X+6)−y
(2X−X)=0 これを変形して、 2y(2X−X)−y(2X−X)−y(2
−X)6yX−6y(x+1)=0 ここで、(11)式および(12)式を用いてy,y
を消去すると、 ΔY(2X−X)−6ΔYX−6y=0 すなわち、 2ΔYX−(6ΔY+ΔY)X−6y=0…
(13) を得ることができる。
y 2 (-X) T (1 -X) T (-T) (1-2X) T +
y 0 (1-X) T (2-X) T (-T) (3-2X) T
+ Y 1 (-X) T ( 2-X) T (2T) {2 (1-X)
T} = 0 Here, (1-X) T 4 is common to each term, and ≠ 0. Therefore, if this is deleted, y 2 X (1-2X) -y 0 (2-X) ( 3-2X) -4
To summarize this y 1 X (2X) = 0 , y 1 (4X 2 -8X) -y 0 (2X 2 -7X + 6) -y
2 (2X 2 -X) = 0 by transforming it, 2y 1 (2X 2 -X) -y 0 (2X 2 -X) -y 2 (2
X 2 -X) 6y 1 X- 6y 0 (x + 1) = 0 , where, y 1 using (11) and (12) below, y
Clearing the 2, Δ 2 Y (2X 2 -X) -6ΔYX-6y 0 = 0 i.e., 2Δ 2 YX 2 - (6ΔY + Δ 2 Y) X-6y 0 = 0 ...
(13) can be obtained.

(13)式において、Xについて解くと、 X=[√{(6ΔY+ΔY)+48yΔY}+
(6ΔY+ΔY)]/4ΔY…(14) この(14)式から、零交差点が分かるのであるが、こ
の式には平方根があったりして計算が複雑な上に、分母
が(12)式から明らかなように、差分の差であり、実
用的に誤差が生じやすい。
Solving for X in equation (13), X = [√ {(6ΔY + Δ 2 Y) 2 + 48y 0 Δ 2 Y} +
(6ΔY + Δ 2 Y)] / 4Δ 2 Y (14) From this equation (14), the zero-crossing point can be known. However, this equation has a square root and the calculation is complicated, and the denominator is (12 As is clear from the equation), it is a difference in difference, and an error is likely to occur in practical use.

したがって、(13)式を次のように変形してみる。Therefore, the equation (13) is modified as follows.

X=−y/{ΔY+(ΔY)/6}+X{2(Δ
Y)/6}/{ΔY+(ΔY)/6}…(15) ここで、 X′=−y/{ΔY+(ΔY)/6}…(16) とおいて、(15)式右辺第2項が第1項に比べて十分
小さければ、第2項のXを、X≒X′としても大きな誤
差にはならない。
X = −y 0 / {ΔY + (Δ 2 Y) / 6} + X 2 {2 (Δ
2 Y) / 6} / {ΔY + (Δ 2 Y) / 6} ... (15) where X ′ = − y 0 / {ΔY + (Δ 2 Y) / 6} ... (16) If the second term on the right side of the equation) is sufficiently smaller than the first term, a large error does not occur even if X in the second term is set to X≈X '.

したがって、 X≒X′[1+X′{2(ΔY)/6}/{ΔY+
(ΔY)/6}]…(17) としてXを近似することができる。
Therefore, X≈X ′ [1 + X ′ {2 (Δ 2 Y) / 6} / {ΔY +
X can be approximated as (Δ 2 Y) / 6}] (17).

(17)式は直線近似に2つの補正項として、一つは
(15)式の(ΔY)/6を、もう一つは(17式)
右辺の括弧[]内の第2項 X′{2(ΔY)/6}/{ΔY+(ΔY)/6} を加えたものであるから、演算の過程で誤差が入りにく
く、また、計算が(14式)に比べて簡単化されている
特長がある。
Equation (17) has two correction terms for linear approximation, one is (Δ 2 Y) / 6 in equation (15), and the other is (17 equation).
Since the second term X '{2 (Δ 2 Y) / 6} / {ΔY + (Δ 2 Y) / 6} in parenthesis [] on the right side is added, an error is less likely to occur in the process of calculation, Further, there is a feature that the calculation is simplified as compared with the formula (14).

ここで、さらなる説明を加える。Here, further explanation is added.

本発明は零交差点検出対象となる正弦波信号y=Asin
ωxの零交差点の前後にまたがってサンプリングされ
た連続する3つのサンプル値y,y,y、すなわ
ちyまたはyが他の2つのサンプル値と異なる符号
を持つようなサンプリング点の座標(x,y),
(x,y),(x,y)をそれぞれ正弦波信号
の近似3次式:y=A(ωx−ω/6)(4式参
照)で近似している。
The present invention uses the sine wave signal y = Asin which is the target of zero crossing detection.
Three consecutive sample values y 0 , y 1 , y 2 sampled before and after the zero crossing point of ωx, that is, a sampling point such that y 0 or y 2 has a different sign from the other two sample values. Coordinates (x 0 , y 0 ),
Are approximated by y = A (ωx-ω 3 x 3/6) ( see Equation 4): (x 1, y 1 ), (x 2, y 2) a third order approximation equation of each sinusoidal signal.

このため、精度を確保するために、すでに述べたように
零交差点の前後にまたがってサンプリングされた連続す
る3つのサンプル値を用いるものとする。第1図におい
ては、2つのサンプリング点の座標(x,y)と
(x,y)との間に零交差点がある場合を示してい
るが、このような零交差点は座標(x,y)と(x
,y)との間にあってもよい。これは、正弦波信号
を3次式で近似する場合、できるだけ零交差点近傍の3
点のサンプル値を用いた方が高精度の計算結果を得やす
いことによる。
Therefore, in order to ensure accuracy, it is assumed that three consecutive sample values sampled before and after the zero crossing point are used as described above. Although FIG. 1 shows a case where there is a zero crossing point between the coordinates (x 0 , y 0 ) and (x 1 , y 1 ) of two sampling points, such a zero crossing point has coordinates ( x 1 , y 1 ) and (x
2 , y 2 ). This is because if a sine wave signal is approximated by a cubic equation, it should be as close to the zero crossing point as possible.
This is because it is easier to obtain a highly accurate calculation result by using sampled values of points.

また、零交差点をx軸上において、点xを基準として
XTで表現しているが、Xに特別の制約、例えば0≦X
≦1というような制約があるわけではなく、零交差点が
何処にあっても、以上詳述した各式は成立する。
Further, the zero-crossing point is expressed by XT on the x-axis on the basis of the point x 0 , but X has a special constraint, for example, 0 ≦ X.
There is no restriction such as ≤1, and the equations detailed above hold true no matter where the zero-crossing points are.

第2図はサンプリングレートを0.8ラジアンとしたと
きの(2)式による直線近似で計算した場合の零交差点
の直線近似誤差曲線201、および(17)式による3
次曲線近似で計算した場合の3次曲線近似誤差曲線20
2ほかに、サンプリングレートを0.8ラジアンから
0.52ラジアンに縮小したときの直線近似誤差曲線2
03を示すものである。
FIG. 2 shows a linear approximation error curve 201 at the zero crossing point when calculated by the linear approximation by the equation (2) when the sampling rate is 0.8 radian, and 3 by the equation (17).
Cubic curve approximation error curve 20 calculated by cubic curve approximation
2 and the linear approximation error curve 2 when the sampling rate is reduced from 0.8 radians to 0.52 radians
03 is shown.

第2図における誤差は例えば次のようにして求める。す
なわち、サンプリングレート0.8ラジアンを正規化し
て1.0とし、横軸目盛をとる。たとえば、横軸目盛
0.25は0.2ラジアンとなる。3つのサンプル値
(x,y),(x,y),(x,y)をそ
れぞれ、 (−0.2,−0.19867), (0.6,0.56464), (1.4,0.98545) とする。
The error in FIG. 2 is obtained as follows, for example. That is, the sampling rate of 0.8 radian is normalized to 1.0, and the horizontal axis scale is taken. For example, the horizontal scale 0.25 is 0.2 radian. Three sample values (x 0 , y 0 ), (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ) are respectively (−0.2, −0.19867), (0.6, 0.56464). ), (1.4, 0.98545).

(2)式から X=y/(y−y)=0.26027 であり、誤差E(%)は、 E=(0.26027−0.25)×100=0.33
(%) となる。
From the equation (2), X = y 0 / (y 1 −y 0 ) = 0.26027, and the error E (%) is E = (0.26027−0.25) × 100 = 0.33.
(%)

第2図は、3次曲線近似誤差曲線202とほぼ同じ直線
近似の誤差が0.52ラジアン(直線近似誤差曲線20
3)になることも併せて示している。
FIG. 2 shows that the error of the linear approximation which is almost the same as that of the cubic curve approximation error curve 202 is 0.52 radian (the linear approximation error curve 20
It also shows that it becomes 3).

第2図からも分かるように、直線近似の場合で3次曲線
近似と同じ精度で零交差点を求めようとすると、0.8
ラジアンに対し0.52ラジアンと、約1.5倍サンプ
リング周期を短くしなければならない。
As can be seen from FIG. 2, when the zero crossing point is obtained with the same accuracy as the cubic curve approximation in the case of the linear approximation, it is 0.8
The sampling period must be shortened by about 1.5 times, which is 0.52 radians with respect to radians.

以上述べた原理に従って構成された本発明による零交差
点検出装置の一実施例を第3図および第4図に示す。第
3図は本発明による零交差点検出装置における第2およ
び第3の演算手段の構成例を示し、第4図は同装置に用
いられるサンプリング手段および第1の演算手段の一構
成例を示すものである。
An embodiment of the zero crossing point detecting device according to the present invention constructed according to the above-described principle is shown in FIGS. 3 and 4. FIG. 3 shows a structural example of the second and third calculating means in the zero crossing detecting device according to the present invention, and FIG. 4 shows a structural example of the sampling means and the first calculating means used in the same device. Is.

第3図の装置は、加算器1,2,3,4,10、係数器
5,6、割算器7,8、および掛算器9,11が設けら
れている。加算器1〜4,10はそれぞれ入力端に付し
た符号を入力信号に掛けて加算し、さらに符号を反転し
て出力する。係数器5,6は入力信号にブロック内に表
示した係数を掛けて出力する。割算器7,8は左側から
の入力信号を側部からの入力信号で割算して出力する。
掛算器9,11は左側からの入力信号に側部からの入力
信号を掛算し出力する。
The apparatus of FIG. 3 is provided with adders 1, 2, 3, 4, and 10, coefficient units 5 and 6, dividers 7 and 8, and multipliers 9 and 11. Each of the adders 1 to 4 and 10 multiplies the input signal by the code attached to the input end, adds the input signal, inverts the code, and outputs the inverted signal. Coefficient multipliers 5 and 6 multiply the input signal by the coefficient displayed in the block and output it. The dividers 7 and 8 divide the input signal from the left side by the input signal from the side part and output it.
The multipliers 9 and 11 multiply the input signal from the left side by the input signal from the side part and output it.

さて第1図に示すように、サンプリング周期Tでサンプ
リングしたサンプル値yの零交差点近傍の値を順次y
,y,yとすると、加算器1によって(11)式
のΔYを、さらに加算器2,3によって(12)式のΔ
Yを得る。第3図ではそれらの値は負信号で表現され
ている。さらに、(16)式の分母を得るため、加算器
4でΔY+ΔY/6をつくる。これを分母とし割算器
7において係数器6を介して得られた−yを分子とし
て、(16)式のX′をつくる。かくして、演算要素1
〜4、6および7は本発明にいう第2の演算手段を構成
する。
Now, as shown in FIG. 1, the values in the vicinity of the zero crossings of the sample values y i sampled at the sampling period T are sequentially y
If 0 , y 1 and y 2 , then ΔY of the equation (11) is calculated by the adder 1 and Δ of the equation (12) is calculated by the adders 2 and 3.
2 Y is obtained. In FIG. 3, those values are represented by negative signals. Further, in order to obtain the denominator of the equation (16), the adder 4 produces ΔY + Δ 2 Y / 6. Using this as a denominator, -y 0 obtained through the coefficient unit 6 in the divider 7 is used as the numerator, and X'in the equation (16) is created. Thus, arithmetic element 1
˜4, 6 and 7 constitute the second arithmetic means referred to in the present invention.

また、係数器5と割算器8によって、(17)式右辺括
弧内第2項のX′の係数として、 2(ΔY/6)/(ΔY+ΔY/6) をつくり、それに掛算器9によりX′を掛けて(17)
式の括弧内右辺第2項を得る。これに加算器10で1を
加算し、(17)式右辺括弧内の演算を行う。この加算
結果に、割算器7によって得られたX′を掛算器11に
おいて掛け算して、(17)式のXを導出することがで
きる。かくして、演算要素5および8〜11は本発明に
いう第3の演算手段を構成する。
Further, the coefficient unit 5 and the divider 8 form 2 (Δ 2 Y / 6) / (ΔY + Δ 2 Y / 6) as a coefficient of X ′ of the second term in the right-hand bracket of the expression (17), and multiply it by Multiply X'with container 9 (17)
Get the second term on the right-hand side in parentheses in the expression. The adder 10 adds 1 to this, and the operation in the parentheses on the right side of the expression (17) is performed. This addition result can be multiplied by X ′ obtained by the divider 7 in the multiplier 11 to derive X in the equation (17). Thus, the arithmetic elements 5 and 8 to 11 constitute the third arithmetic means referred to in the present invention.

第3図の装置において入力信号として用いるサンプル値
,y,yは次のようにして決定される。
The sample values y 0 , y 1 , y 2 used as input signals in the apparatus of FIG. 3 are determined as follows.

前述の(4)式で表現されている3次式 y=A(ωx−ω/6) は近似式なので、サンプル値のとり方によって精度に影
響が及び。xの値が大きくなると、つまりサンプル点の
座標が求めようとしている原点(零交差点)から離れる
と、精度が悪くなる。したがって、区間[x,x
の中に原点を含むようなサンプリング点を選ぶ。すなわ
ち、正弦波が正から負に変わるときの零交差点を求める
ためには、連続する3つのサンプル値の符号がサンプリ
ング順に、正・正・負か正・負・負となるような3点の
サンプル値を選ぶ。同様に、正弦波が負から正に変わる
ときの零交差点を求める時は、サンプル値の符号がサン
プリング順に、負・負・正か負・正・正となるような3
点を選ぶ。
Since the above-mentioned (4) cubic equation are represented by the formula y = A (ωx-ω 3 x 3/6) is approximate expression, affects the accuracy by how to take the sample values Oyobi. When the value of x becomes large, that is, when the coordinates of the sample points are away from the origin (zero crossing point) from which the coordinates are to be obtained, the accuracy becomes poor. Therefore, the interval [x 0 , x 2 ]
Select a sampling point that includes the origin in. That is, in order to obtain the zero-crossing point when the sine wave changes from positive to negative, three consecutive sample values are positive / positive / negative or positive / negative / negative in order of sampling. Select a sample value. Similarly, when the zero crossing point when the sine wave changes from negative to positive is obtained, the sign of the sampled value should be negative / negative / positive or negative / positive / positive in the order of sampling.
Select a point.

上記を実現する具体的回路例を第4図に示す。A concrete circuit example for realizing the above is shown in FIG.

例えば抵抗12の両端から取出された正弦波電圧Vをサ
ンプリング回路13で、サンプリングレートジェネレー
タ14の発生したタイミングでサンプリングし、負を2
の補数で表現するデータを得る。このデータを同じタイ
ミングをクロックするDフリップフロップ16に送る。
Dフリップフロップ16はクロックCPの立上りでサン
プルデータを保持する。次のクロックCPで今までDフ
リップフロップ16が保持していたデータを、Dフリッ
プフロップ17に保持させ、Dフリップフロップ16に
はサンプリング回路13から新たなデータを保持させ
る。
For example, the sine wave voltage V extracted from both ends of the resistor 12 is sampled by the sampling circuit 13 at the timing when the sampling rate generator 14 generates, and a negative value of 2 is sampled.
Obtain the data represented by the complement of. This data is sent to the D flip-flop 16 which clocks the same timing.
The D flip-flop 16 holds the sample data at the rising edge of the clock CP. At the next clock CP, the data held by the D flip-flop 16 until now is held in the D flip-flop 17, and the D flip-flop 16 is made to hold new data from the sampling circuit 13.

Dフリップフロップ18においても同様に次のクロック
CPでDフリップフロップ17の値が保持され、Dフリ
ップフロップ17にDフリップフロップ16のデータ
が、Dフリップフロップ16にサンプリング回路13の
データがそれぞれ保持される。零交差点演算をする条件
が整うまで、以上の動作が続く。
Similarly, in the D flip-flop 18, the value of the D flip-flop 17 is held at the next clock CP, the data of the D flip-flop 16 is held in the D flip-flop 17, and the data of the sampling circuit 13 is held in the D flip-flop 16. It The above operation continues until the conditions for the zero crossing point calculation are satisfied.

零交差点演算をする条件はデータの最上位ビット(符号
ビット)を符号検証回路24に入れて判断する。零交差
点の演算は等間隔の任意の3点でよいが、3次近似で解
を求めているので、できるだけ零に近い3点のサンプル
値で計算すると精度が上がる。つまり、マイナス(負)
からプラス(正)に移行する過程でゼロクロスすると
き、Dフリップフロップ16,17,18を符号が
(0,1,1)か(0,0,1)になったとき、それら
Dフリップフロップ16〜18の転送を止めて、Dフリ
ップフロップ16,17,18のデータをそれぞれ
,y,yに対応させ計算する。このy
,yに対応するxの値がおのおのx,x,x
である。
The condition for the zero crossing point operation is determined by putting the most significant bit (sign bit) of the data in the code verification circuit 24. The calculation of the zero crossing points may be arbitrary three points at equal intervals, but since the solution is obtained by the cubic approximation, the accuracy is improved by calculating the sample values of the three points as close to zero as possible. That is, minus
When there is a zero-cross in the process of shifting from the positive to the positive (positive), the D flip-flops 16, 17, 18 when the sign becomes (0, 1, 1) or (0, 0, 1). The transfer of ~ 18 is stopped, and the data of the D flip-flops 16, 17, 18 are calculated in correspondence with y 2 , y 1 , y 0 , respectively. This y 2 ,
The values of x corresponding to y 1 and y 0 are x 2 , x 1 and x, respectively.
It is 0 .

なお、エクスクルーシブノア回路19〜21とナンド回
路23で構成する符号検証回路24で、第4図ではDフ
リップフロップ16,17,18の出力D1n
2n,D3nにそれぞれ0,1,1とエクスクルーシ
ブノアをとっているが、符号(0,0,1)のときクロ
ックCPをとめるには、それぞれ0,0,1とエクスク
ルーシブノアをとればよい。
It is to be noted that in the code verification circuit 24 constituted by the exclusive NOR circuits 19 to 21 and the NAND circuit 23, the outputs D 1n of the D flip-flops 16, 17 and 18 in FIG.
Although 0, 1, 1 and exclusive NOR are taken for D 2n and D 3n respectively, in order to stop the clock CP at the code (0, 0, 1), take 0, 0, 1 and exclusive NOR respectively. Good.

このように、Dフリップフロップ16,17,18の出
力D1n,D2n,D3nが(0,1,1)になると、
エクスクルーシブノア回路19,20,21の出力がす
べて1になるから、ナンド回路23の出力は0になる。
これでDフリップフロップ16〜18へのクロックCP
をアンド回路15でストップするので、以降サンプルし
てもDフリップフロップ(レジスタ)16〜18の値は
更新されない。Dフリップフロップ16の出力をy
Dフリップフロップ17の出力をy,Dフリップフロ
ップ18の出力をyとして計算する。
Thus, when the outputs D 1n , D 2n , D 3n of the D flip-flops 16, 17, 18 become (0, 1 , 1 ),
Since the outputs of the exclusive NOR circuits 19, 20, and 21 are all 1, the output of the NAND circuit 23 is 0.
The clock CP for the D flip-flops 16-18
Is stopped by the AND circuit 15, the values of the D flip-flops (registers) 16 to 18 are not updated even after the subsequent sampling. The output of the D flip-flop 16 is y 2 ,
The output of the D flip-flop 17 is calculated as y 1 and the output of the D flip-flop 18 is calculated as y 0 .

次に、本発明による位相差測定が行われる。Next, the phase difference measurement according to the present invention is performed.

第5図に示すように、2つの正弦波信号YとY間の
位相差は、Yのマイナスからプラスに変わる前のマイ
ナスのサンプリング点を0とし、順次サンプリング点を
カウントし、Yがプラスに変わる前のサンプリング点
まで計数する。その数をIとし、(17)式から計算さ
れるY,Yの零交差点をそれぞれXT,XTと
すると、位相差φは φ=(I−X+X)T…(18) である。
As shown in FIG. 5, the phase difference between the two sine wave signals Y 1 and Y 2 is 0 at the negative sampling point before Y 1 changes from negative to positive, and the sampling points are sequentially counted, and Y Count up to the sampling point before 2 turns positive. If the number is I and the zero-crossing points of Y 1 and Y 2 calculated from the equation (17) are X 1 T and X 2 T, respectively, the phase difference φ is φ = (I−X 1 + X 2 ) T ... (18)

さらに、本発明による周期測定は、下記のようになされ
る。
Further, the period measurement according to the present invention is performed as follows.

第6図の正弦波信号Yの周期を測定するのは位相差と
同じく、Yがプラスに変わる前のサンプリング点から
次のプラスに変わる前のサンプリング点までのサンプリ
ング点数をカウントし(Nとする)、それぞれの(1
7)式から得られた零交差点をXT,XTとすれ
ば、周期Pは、 P=(N−X+X)T…(19) となる。
Similar to the phase difference, the period of the sine wave signal Y 3 in FIG. 6 is measured by counting the number of sampling points from the sampling point before Y 3 changes to plus to the sampling point before the next change to plus (N , And each (1
If the zero crossing point obtained from 7) X S T, and X E T, the period P becomes P = (N-X S + X E) T ... (19).

以上詳述したところを総括的に述べれば次のようにな
る。
The above-mentioned details can be summarized as follows.

本発明は、ただ単に正弦波の3次近似から零交差点を求
めるという一般的に行われている手法ではなく、検出誤
差をできるだけ小さくするため、(14)式の父母から
(15)式の父母へと演算式の変形を考究し解析し工夫
した点を特徴とするものである。
The present invention is not a commonly used method of simply obtaining a zero-crossing point from a third-order approximation of a sine wave, but in order to minimize the detection error, the parents of formula (14) to the parents of formula (15) are used. It is characterized by the fact that the transformation of the arithmetic expression was studied, analyzed and devised.

すなわち、(13)式から単純に(14)式の解を求め
るのではなく、(15)式のような再帰多項式であるx
の解にxのn乗が加算の形で入っているような式を導入
し、さらに言えば、第1項が定数(0の近似解)で、第
2項以降は逐次前の項より小さくなっていくような多項
式へと巧妙な手法で変換し、求める解の(0次の)近似
解をそれに代入して、最終解を導出するという点が特徴
である。以上、本発明による零交差点検出装置を一実施
例に基づいて説明したが、本発明は実施例として示した
図示の回路構成のものに限定されることなく、本発明の
要旨を逸脱しない限り適宜変更実施することができる。
That is, instead of simply finding the solution of the equation (14) from the equation (13), x which is a recursive polynomial like the equation (15)
Introducing an equation in which the nth power of x is added to the solution of, the first term is a constant (approximate solution of 0), and the second and subsequent terms are smaller than the previous terms. The feature is that the final solution is derived by converting into a polynomial that becomes likewise by a subtle technique and substituting the (0th-order) approximate solution of the solution to be obtained. Although the zero-crossing point detection device according to the present invention has been described above based on an embodiment, the present invention is not limited to the illustrated circuit configuration shown as an embodiment, and may be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. Changes can be implemented.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

かくして本発明による正弦波信号の零交差点検出装置に
よれば、近似範囲が広く、サンプリング周期を長くして
も高精度な検出を行うことができる。したがって、低速
の安価なA/D変換器を用いて高精度の零交差点検出を
行うことができる。
Thus, according to the zero-crossing point detection device for a sine wave signal according to the present invention, the approximation range is wide, and highly accurate detection can be performed even with a long sampling period. Therefore, it is possible to perform highly accurate zero-crossing point detection using a low-speed and inexpensive A / D converter.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は正弦波をサンプリングする説明図、第2図は直
線近似と3次曲線近似の正規化サンプリングレートにお
ける誤差曲線図、第3図は本発明による零交差点検出装
置の一実施例を示すブロック図、第4図はその一部の詳
細を示すブロック図、第5図は本発明による位相差測定
の説明図、第6図は本発明による周期測定の説明図であ
る。 1,2,3,4,10…加算器、5,6……係数器 7,8…割算器、9,11……掛算器、12…抵抗 13…サンプリング回路、14……サンプリングレート
ジエネレータ、15……アンド回路 16,17,18……Dフリップフロップ 19,20,21……エクスクルーシブノア回路 22……リセット信号、23……ナンド回路 24……符号検証回路、25,26,27……オア回
路。
FIG. 1 is an explanatory diagram for sampling a sine wave, FIG. 2 is an error curve diagram at a normalized sampling rate of linear approximation and cubic curve approximation, and FIG. 3 shows an embodiment of a zero crossing point detection device according to the present invention. Block diagram, FIG. 4 is a block diagram showing details of a part thereof, FIG. 5 is an explanatory diagram of phase difference measurement according to the present invention, and FIG. 6 is an explanatory diagram of period measurement according to the present invention. 1, 2, 3, 4, 10 ... Adder, 5, 6 ... Coefficient multiplier 7, 8 ... Divider, 9, 11 ... Multiplier, 12 ... Resistor 13 ... Sampling circuit, 14 ... Sampling rate Nelerator, 15 ... AND circuit 16, 17, 18 ... D flip-flop 19, 20, 21 ... Exclusive NOR circuit 22 ... Reset signal, 23 ... NAND circuit 24 ... Code verification circuit, 25, 26, 27 ... OR circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Aを振幅、ωを角周波数とし、y=Asin
ωxで表されるxy直交座標上の正弦波信号から、サ
ンプリング周期Tで零交差点の前後にまたがる連続する
3つのサンプル値y,y,yをサンプリングする
サンプリング手段と、 前記3つのサンプル値y,y,yに係る3つの座
標(x,y),(x,y),(x,y)を
求める第1の演算手段と、 x点から前記正弦波信号の零交差点までのx座標軸上
の増分をXTとし、x=(1−X)T,x=(2−
X)T,y−y=ΔY,(y−y)−(y
)=ΔYとして、 X′=−y/{ΔY+ΔY)/6} を演算する第2の演算手段と、 Xの値を、 X=X′[1+X′(2ΔY/6)/{ΔY+(Δ
Y)/6}] として求める第3の演算手段と を備えた正弦波信号の零交差点検出装置。
1. A = amplitude, ω = angular frequency, y = Asin
Sampling means for sampling three consecutive sample values y 0 , y 1 , y 2 extending before and after the zero-crossing point at a sampling period T from a sine wave signal on the xy rectangular coordinates represented by ωx; From the x 0 point, a first calculation means for obtaining three coordinates (x 0 , y 0 ), (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ) related to the values y 0 , y 1 , y 2 Let XT be the increment on the x-coordinate axis to the zero crossing point of the sine wave signal, and x 1 = (1-X) T, x 2 = (2-
X) T, y 1 −y 0 = ΔY, (y 1 −y 0 ) − (y 2
y 1 ) = Δ 2 Y, X ′ = − y 0 / {ΔY + Δ 2 Y) / 6}, and a second calculation means for calculating X = X ′ [1 + X ′ (2Δ 2 Y / 6) / {ΔY + (Δ 2
Y) / 6}] and a third calculation means for calculating the zero crossing point of the sine wave signal.
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