JP2002164597A - Specific frequency component extracting system - Google Patents

Specific frequency component extracting system

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JP2002164597A JP2000359395A JP2000359395A JP2002164597A JP 2002164597 A JP2002164597 A JP 2002164597A JP 2000359395 A JP2000359395 A JP 2000359395A JP 2000359395 A JP2000359395 A JP 2000359395A JP 2002164597 A JP2002164597 A JP 2002164597A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a specific frequency component extracting system which surely removes a noise frequency component for stable frequency control. SOLUTION: An actuator 4 frequency-modulates the state quantity of an object 5 so that it is actuated around the prescribed frequency necessary to be kept. An amplitude value F of a specific frequency component is extracted from the detected state quantity detected from the state quantity output of the object 5. Thus, based on the error signal between the amplitude value F and a command value R from outside, the state quantity of the object 5 is kept at a prescribed frequency. To extract the specific frequency component from the detected state quantity, a synthetic filter 7 removing the noise frequency component except for the specific frequency is used which comprises an all-pass filter that allows an input signal to pass across the entire frequency range with a constant transmission gain.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ干渉計の
標準光源等の周波数制御に適用して有用な特定周波数成
分抽出システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a specific frequency component extraction system useful for frequency control of a standard light source or the like of a laser interferometer.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザ干渉計の標準光源として、ヨウ素
安定化He−Neレーザが知られている。ヨウ素安定化
レーザでは、共振器内にヨウ素分子の吸収セルを挿入し
たときに出力光に得られる反転ラムくぼみを基準要素と
して、波長安定化制御が行われる。反転ラムくぼみと
は、レーザ共振器内の定在波周波数とヨウ素分子の吸収
線周波数が一致したときに、吸収損失が減少する結果と
してレーザ出力にピークが発生する現象をいう。
2. Description of the Related Art An iodine-stabilized He-Ne laser is known as a standard light source of a laser interferometer. In an iodine-stabilized laser, wavelength stabilization control is performed using an inverted ram depression obtained in output light when an iodine molecule absorption cell is inserted into a resonator as a reference element. The inverted Lamb depression is a phenomenon in which when the standing wave frequency in the laser resonator matches the absorption line frequency of the iodine molecule, a peak occurs in the laser output as a result of a decrease in absorption loss.

【0003】反転ラムくぼみを基準要素として波長安定
化制御を行うためには、反転ラムくぼみを検出すること
が必要である。そのためには、レーザの共振器長制御を
行うPZT素子に補正信号を加えてレーザ出力光を周波
数変調する。そして、レーザ出力光から同期検出法によ
って反転ラムくぼみを検出して、その吸収中心(ピーク
位置周波数)にロックするように、フィードバック制御
を行う。
In order to perform wavelength stabilization control using the inverted ram depression as a reference element, it is necessary to detect the inverted ram depression. For this purpose, a laser output light is frequency-modulated by adding a correction signal to a PZT element for controlling the laser cavity length. Then, the inverted ram depression is detected from the laser output light by the synchronous detection method, and feedback control is performed so that the inverted ram depression is locked at the absorption center (peak position frequency).

【0004】具体的に反転ラム特性は、光量と周波数の
関係が4次式で近似される。即ち、PZT素子に基本周
波数1fの補正信号を加えることにより、レーザ出力の
光周波数が反転くぼみの吸収中心の近傍にある場合、光
周波数には基本波と第2〜第4高調波1f,2f,3
f,4fの周波数成分が生じる。このようなレーザ出力
光から、例えば周波数3fを特定周波数として抽出す
る。ここで、反転ラムくぼみ近傍においては、周波数
と、その周波数成分の振幅とは相関がある。従ってこの
振幅情報を指令値と比較して誤差信号を発生するという
フィードバック制御を行うことにより、レーザ出力を反
転ラムくぼみの吸収中心にロックすることができる。こ
こで、特定周波数として3fを用いるのは、4次式で近
似される光量−周波数特性を3次微分したときに3f成
分が光量−周波数特性の座標上でリニアになり、フィー
ドバック制御に好都合となるためである。
[0004] Specifically, in the inverted ram characteristic, the relationship between the light quantity and the frequency is approximated by a quartic equation. That is, by adding the correction signal of the fundamental frequency 1f to the PZT element, when the optical frequency of the laser output is near the absorption center of the inverted dent, the optical frequency includes the fundamental wave and the second to fourth harmonics 1f and 2f. , 3
The frequency components f and 4f are generated. From such laser output light, for example, frequency 3f is extracted as a specific frequency. Here, in the vicinity of the inverted ram depression, there is a correlation between the frequency and the amplitude of the frequency component. Therefore, by performing feedback control of generating an error signal by comparing the amplitude information with the command value, the laser output can be locked at the absorption center of the inverted ram depression. Here, the reason why 3f is used as the specific frequency is that the 3f component becomes linear on the coordinates of the light quantity-frequency characteristic when the light quantity-frequency characteristic approximated by the quartic equation is third-order differentiated, which is convenient for feedback control. It is because it becomes.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した波長
安定化レーザのフィードバック制御系において、特定周
波数として3fを選択したとき、レーザ光の周波数変調
により得られる他の周波数成分1f,2f,4fは、ノ
イズ成分となる。これらのノイズ成分が特定周波数成分
と確実に分離されないと、例えば10-11といった極め
て高精度の安定度が要求される標準光源を構成する場合
のフィードバック制御系において、制御性能を劣化させ
る原因となる。
However, when 3f is selected as the specific frequency in the above-described feedback control system of the wavelength-stabilized laser, the other frequency components 1f, 2f, and 4f obtained by frequency modulation of the laser light are not changed. And noise components. If these noise components are not reliably separated from the specific frequency components, they may cause deterioration in control performance in a feedback control system in the case of configuring a standard light source that requires extremely high stability, for example, 10 −11. .

【0006】特に、上述したヨウ素安定化レーザの例で
は、ノイズ成分周波数1f,2f,4fは、特定周波数
成分3fと近接している。従って、通常のフィードバッ
ク制御系で用いられる特性補償要素では、ノイズ成分を
除去することはできない。また高次の通過周波数の帯域
除去フィルタ(例えば、伝達特性の次数が10次程度の
バターワース型フィルタ)は、入出力間の位相変動量が
大きすぎるために、フィードバック制御系に適用して制
御の安定条件(位相余裕)を満たすことが難しい。以上
の問題は、波長安定化標準光源に限らず、高精度の周波
数安定度が要求される光学的或いは電気的な基準信号
源、校正信号源のフィードバック周波数制御系において
同様に存在する。
In particular, in the above-described example of the iodine stabilized laser, the noise component frequencies 1f, 2f, and 4f are close to the specific frequency component 3f. Therefore, a noise compensation component cannot be removed by a characteristic compensation element used in a normal feedback control system. Further, a band-elimination filter having a higher-order pass frequency (for example, a Butterworth-type filter having an order of transfer characteristics of about 10) is applied to a feedback control system because the amount of phase fluctuation between input and output is too large. It is difficult to satisfy the stability condition (phase margin). The above problem is not limited to the wavelength-stabilized standard light source, but also exists in a feedback frequency control system of an optical or electrical reference signal source and a calibration signal source that require high-precision frequency stability.

【0007】この発明は、ノイズ周波数成分を確実に除
去して高安定度の周波数制御を可能とした特定周波数成
分抽出システムを提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a specific frequency component extraction system capable of performing high-stability frequency control by reliably removing noise frequency components.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明は、制御対象の
状態量を、維持すべき所定の周波数の周囲で変動させる
ように周波数変調し、前記制御対象の状態量出力から検
出される検出状態量の中から選択周波数成分の振幅値を
抽出し、この振幅値と外部からの指令値との誤差信号に
基づいて前記制御対象の状態量を前記所定の周波数に維
持するフィードバック制御を行う特定周波数成分抽出シ
ステムにおいて、前記検出状態量から特定周波数成分を
抽出するために、全周波数範囲にわたって一定の伝達利
得で入力信号を通過させるオールパスフィルタを組み合
わせて構成された、前記特定周波数以外の周波数成分を
除去する合成フィルタを用いたことを特徴としている。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a detected state detected from an output of a state quantity of the controlled object is frequency-modulated so that the state quantity of the controlled object fluctuates around a predetermined frequency to be maintained. A specific frequency for extracting the amplitude value of the selected frequency component from the amount and performing feedback control for maintaining the state quantity of the controlled object at the predetermined frequency based on an error signal between the amplitude value and an external command value In the component extraction system, in order to extract a specific frequency component from the detection state quantity, a frequency component other than the specific frequency is configured by combining an all-pass filter that passes an input signal with a constant transmission gain over the entire frequency range. It is characterized by using a synthesis filter for removal.

【0009】この発明によると、オールパスフィルタを
組み合わせた合成フィルタを用いることにより、特定周
波数成分と他の周波数成分が近接していても、特定周波
数成分を抑圧することなく確実に他の周波数成分を除去
することができ、これにより、例えば波長安定化すべき
レーザ等の制御対象について、高安定度のフィードバッ
ク周波数制御が可能になる。
According to the present invention, by using a synthesis filter combining an all-pass filter, even if a specific frequency component and another frequency component are close to each other, the other frequency component can be surely suppressed without suppressing the specific frequency component. This makes it possible to perform highly stable feedback frequency control on a control target such as a laser to be wavelength-stabilized.

【0010】この発明において、具体的に合成フィルタ
は、全周波数範囲にわたって移相量が0〜180°の範
囲で変化し且つ、除去すべき他の周波数成分を90°移
相するように設定された、縦続接続された第1及び第2
のオールパスフィルタと、第1のオールパスフィルタの
入力と第2のオールパスフィルタの出力を加算する加算
器とを備えて構成される。
In the present invention, specifically, the synthesizing filter is set so that the phase shift amount changes in the range of 0 to 180 ° over the entire frequency range, and the other frequency components to be removed are shifted by 90 °. First and second cascaded
And an adder for adding the input of the first all-pass filter and the output of the second all-pass filter.

【0011】また除去すべき他の周波数成分が複数個あ
る場合には、合成フィルタは、全周波数範囲にわたって
移相量が0〜180°の範囲で変化し且つ、除去すべき
他の周波数成分を90°移相するように設定された、縦
続接続された第1及び第2のオールパスフィルタと、第
1のオールパスフィルタの入力と第2のオールパスフィ
ルタの出力を加算する加算器とを備えて合成フィルタユ
ニットとして、除去すべき他の周波数成分に対応して複
数の合成フィルタユニットを縦続接続して構成すればよ
い。
When there are a plurality of other frequency components to be removed, the synthesizing filter changes the phase shift in the range of 0 to 180 ° over the entire frequency range, and removes the other frequency components to be removed. A cascade-connected first and second all-pass filter set to shift by 90 °, and an adder that adds an input of the first all-pass filter and an output of the second all-pass filter. As the filter unit, a plurality of synthesis filter units may be connected in cascade corresponding to other frequency components to be removed.

【0012】この発明において好ましくは、合成フィル
タに更に、特定周波数の成分を通過させるバンドパスフ
ィルタが設けられるものとする。これにより、必要な特
定周波数成分以外の周波数成分について、合成フィルタ
を用いたことによるゲインの増大を抑圧することがで
き、制御の安定性をより向上させることができる。
Preferably, in the present invention, the synthesis filter is further provided with a band-pass filter for passing a component of a specific frequency. Thus, for a frequency component other than the required specific frequency component, an increase in gain due to the use of the synthesis filter can be suppressed, and control stability can be further improved.

【0013】またこの発明において、特定周波数成分の
振幅値を抽出する振幅抽出回路は例えば、合成フィルタ
の出力信号から位相差が90°である2相の正弦波状信
号を生成する一対のオールパスフィルタ回路と、この一
対のオールパスフィルタ回路から得られる2相の正弦波
状信号をそれぞれ2乗する2乗回路と、この2乗回路の
出力を加算する加算器とを備えて構成することができ
る。
In the present invention, an amplitude extraction circuit for extracting an amplitude value of a specific frequency component is, for example, a pair of all-pass filter circuits for generating a two-phase sine wave signal having a phase difference of 90 ° from an output signal of a synthesis filter. And a squaring circuit for squaring the two-phase sinusoidal signals obtained from the pair of all-pass filter circuits, and an adder for adding the outputs of the squaring circuits.

【0014】或いはまた、特定周波数成分の振幅値を抽
出する振幅抽出回路は、合成フィルタの出力信号から少
しずつ位相がずれた多相交流信号を生成し、これらの多
相交流信号の振幅のピーク値に同期してサンプリングを
行うものであってもよい。
Alternatively, an amplitude extracting circuit for extracting an amplitude value of a specific frequency component generates a polyphase AC signal whose phase is slightly shifted from the output signal of the synthesis filter, and generates a peak of the amplitude of the polyphase AC signal. The sampling may be performed in synchronization with the value.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図1はこの発明の実施例によるフ
ィードバック周波数制御システムを示している。制御対
象5は、外部からの指令値Rにより、所定の周波数の状
態量Yを出力するものとする。この制御対象5の周波数
制御を行うのが、アクチュエータ4である。アクチュエ
ータ4により制御対象に与えられる操作量Uは、誤差補
正手段2により得られる誤差補正信号Cに基づいて、制
御される。この際、アクチュエータ4には、誤差補正信
号Cとは別に、加算器3により補正信号Pが与えられ
る。補正信号Pは例えば、P=msin(2πft)な
る交流信号である。この補正信号Pを加えることによっ
て、制御対象5の状態量Yは周波数変調される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a feedback frequency control system according to an embodiment of the present invention. The control target 5 outputs a state quantity Y at a predetermined frequency in response to an external command value R. The actuator 4 controls the frequency of the control target 5. The operation amount U given to the control target by the actuator 4 is controlled based on an error correction signal C obtained by the error correction means 2. At this time, a correction signal P is given to the actuator 4 by the adder 3 separately from the error correction signal C. The correction signal P is, for example, an AC signal that satisfies P = msin (2πft). By adding the correction signal P, the state quantity Y of the control target 5 is frequency-modulated.

【0016】制御対象5の状態量Yは、アクチュエータ
4の操作量Uに基づいて周波数変調されると同時に、温
度、機械的応力、その他の環境要因から来る外乱Dが与
えられる。この結果、状態量Yには、帰還制御に必要と
される周波数成分(特定周波数)の他にノイズ周波数成
分を含む。
The state quantity Y of the control target 5 is frequency-modulated based on the operation amount U of the actuator 4, and at the same time, a disturbance D coming from temperature, mechanical stress, and other environmental factors is given. As a result, the state quantity Y includes a noise frequency component in addition to a frequency component (specific frequency) required for feedback control.

【0017】状態量Yは、検出器6により検出信号Sと
して検出される。この検出信号Sの中から選択し特定周
波数成分のみを抽出するために合成フィルタ7が用いら
れる。合成フィルタ7によりノイズが除去されて得られ
た特定周波数成分の信号Tは、AC−DCコンバータ8
により直流信号Fに変換され、これが帰還信号として、
指令値Rと共に加算器1に入る。具体的に、AC−DC
コンバータ8は、特定周波数成分の信号の振幅値を抽出
する振幅抽出回路である。そして、指令値Rと帰還値F
の差分Eが誤差補正手段2に供給されて、所定の誤差補
正信号Cが発生され、指令値R=帰還値Fとなるような
制御が行われる。
The state quantity Y is detected by the detector 6 as a detection signal S. A synthesis filter 7 is used to select from the detection signal S and extract only a specific frequency component. A signal T of a specific frequency component obtained by removing noise by the synthesis filter 7 is converted into an AC-DC converter 8
Is converted into a DC signal F, which is a feedback signal,
It enters the adder 1 together with the command value R. Specifically, AC-DC
The converter 8 is an amplitude extraction circuit that extracts an amplitude value of a signal of a specific frequency component. Then, the command value R and the feedback value F
Is supplied to the error correction means 2, a predetermined error correction signal C is generated, and control is performed such that the command value R = the feedback value F.

【0018】具体的に、このシステムが波長安定化標準
光源であるとすると、制御対象5は安定化すべきガスレ
ーザである。アクチュエータ4は例えば、このガスレー
ザの共振器長制御を行うPZT素子である。外部補正信
号Pと誤差補正信号CをPZT素子に加えてレーザの共
振器長制御を行うことにより、状態量Y即ちレーザ出力
光は、周波数変調される。このとき、検出器6により得
られる検出信号Sは、周波数変調や外乱により、帰還制
御に用いるべき特定周波数成分の他、ノイズ周波数成分
を含む。このノイズ周波数成分を除去するのが、合成フ
ィルタ7である。
Specifically, assuming that this system is a wavelength stabilizing standard light source, the controlled object 5 is a gas laser to be stabilized. The actuator 4 is, for example, a PZT element that controls the resonator length of the gas laser. By applying the external correction signal P and the error correction signal C to the PZT element to control the laser cavity length, the state quantity Y, that is, the laser output light is frequency-modulated. At this time, the detection signal S obtained by the detector 6 includes a noise frequency component in addition to a specific frequency component to be used for feedback control due to frequency modulation and disturbance. The synthesis filter 7 removes this noise frequency component.

【0019】合成フィルタ7は、オールパスフィルタを
複数個用いて構成される。図2(a),(b)は、用い
られる公知の一次のオールパスフィルタ10の等価回路
と機能ブロックを示している。図3は、このオールパス
フィルタ10の伝達特性であり、全周波数範囲にわたっ
てゲインがゼロである。また図4はその移相特性を示し
ている。即ちこのオールパスフィルタ10は、注目する
ノイズ周波数成分1fにより正規化した場合、この周波
数1fにおいて移相量(位相遅れ量)が90°となり、
全周波数範囲にわたって移相量が0〜180°の範囲で
変化するような90°移相器を構成している。この移相
特性は、図2(a)の抵抗R1とキャパシタC1の時定
数を選択することにより、得られる。
The synthesis filter 7 is constituted by using a plurality of all-pass filters. 2A and 2B show an equivalent circuit and a functional block of a known primary all-pass filter 10 used. FIG. 3 shows the transfer characteristics of the all-pass filter 10, where the gain is zero over the entire frequency range. FIG. 4 shows the phase shift characteristics. That is, when the all-pass filter 10 is normalized by the noise frequency component 1f of interest, the phase shift amount (phase delay amount) becomes 90 ° at this frequency 1f,
A 90 ° phase shifter is configured such that the phase shift amount changes in the range of 0 to 180 ° over the entire frequency range. This phase shift characteristic is obtained by selecting the time constant of the resistor R1 and the capacitor C1 in FIG.

【0020】合成フィルタ7は、この様なオールパスフ
ィルタ10を2個組み合わせて構成される。即ち図5に
示すように、オールパスフィルタ10a,10bを縦続
接続し、その初段フィルタ10aの入力と2段目フィル
タ10bの出力を加算する加算器11を設けて、合成フ
ィルタ7が構成される。
The synthesis filter 7 is configured by combining two such all-pass filters 10. That is, as shown in FIG. 5, the all-pass filters 10a and 10b are connected in cascade, and an adder 11 for adding the input of the first-stage filter 10a and the output of the second-stage filter 10b is provided, thereby forming the synthesis filter 7.

【0021】この様な構成にすると、合成移相特性は図
7のようになる。即ち2段のオールパスフィルタ10
a,10bにより、周波数成分1fについては、180
°移相される。従って、初段の入力と2段目出力は、周
波数成分1fについて互いに逆相となり、加算によって
キャンセルされる。また1fより低い周波数範囲では移
相量0°であり、高い周波数範囲では、移相量360°
となる。従って、この合成フィルタ7の伝達特性は図6
のようになり、周波数成分1fのゲインは原理的にはゼ
ロとなり、ノイズ周波数成分が除去される。周波数1f
の周辺を除き、広い周波数範囲で一定のゲインを持ち且
つ、移相量ゼロが得られる。
With such a configuration, the combined phase shift characteristics are as shown in FIG. That is, the two-stage all-pass filter 10
a, 10b, the frequency component 1f is 180
° phase shifted. Therefore, the input of the first stage and the output of the second stage are out of phase with each other for the frequency component 1f, and are canceled by the addition. In the frequency range lower than 1f, the phase shift amount is 0 °, and in the high frequency range, the phase shift amount is 360 °.
Becomes Accordingly, the transfer characteristic of the synthesis filter 7 is shown in FIG.
The gain of the frequency component 1f becomes zero in principle, and the noise frequency component is removed. Frequency 1f
Except for the vicinity, the gain is constant over a wide frequency range and the phase shift amount is zero.

【0022】従って、検出器6による検出信号Sが、ノ
イズ周波数成分1fと特定周波数nf(n≠1)を含む
ものとして、合成フィルタ7により特定周波数成分nf
のみを抽出することができる。そしてこの特定周波数成
分出力を帰還することにより、高性能の周波数制御が可
能になる。
Therefore, assuming that the signal S detected by the detector 6 includes the noise frequency component 1f and the specific frequency nf (n ≠ 1), the specific frequency component nf
Only can be extracted. By feeding back the output of the specific frequency component, high-performance frequency control can be performed.

【0023】図8は、除去すべきノイズ周波数成分が例
えば、1f,2fの二つあり、これらを共に除去するた
めに2段の合成フィルタユニット7a,7bを用いた例
である。初段の合成フィルタユニット7aは、図5のも
のと同じである。2段目の合成フィルタユニット7b
は、周波数2fで移相量が90°となる90°移相器で
ある2段のオールパスフィルタ10c,10dと加算器
12とから構成される。
FIG. 8 shows an example in which there are two noise frequency components to be removed, for example, 1f and 2f, and two-stage synthesis filter units 7a and 7b are used to remove both of them. The first stage synthesis filter unit 7a is the same as that in FIG. Second stage synthesis filter unit 7b
Is composed of two-stage all-pass filters 10c and 10d, which are 90 ° phase shifters having a phase shift amount of 90 ° at a frequency 2f, and an adder 12.

【0024】この場合、合成の移相特性は図10のよう
になり、また合成の伝達特性は図9のようになる。これ
により、周波数成分1f,2fを選択的に除去すること
ができる。周波数成分4fを除去したい場合には、同様
に周波数4fに対応する合成フィルタユニットを設けれ
ばよい。即ち一般的には、除去すべきノイズ周波数成分
が複数個ある場合に、それぞれのノイズ周波数に対応し
て複数の合成フィルタユニットを縦続接続すればよい。
In this case, the combined phase shift characteristics are as shown in FIG. 10, and the combined transfer characteristics are as shown in FIG. Thus, the frequency components 1f and 2f can be selectively removed. When it is desired to remove the frequency component 4f, a synthesis filter unit corresponding to the frequency 4f may be provided. That is, in general, when there are a plurality of noise frequency components to be removed, a plurality of synthesis filter units may be connected in cascade corresponding to each noise frequency.

【0025】図11は、図8の合成フィルタユニット7
a,7bの具体回路構成例である。各合成フィルタユニ
ット7a,7bの出力部にはバッファ13,14が設け
られている。具体的に例えば、除去すべきノイズ周波数
成分を1f=1.3kHz,2f=2.6kHzとす
る。このとき、合成フィルタユニット7aのオールパス
フィルタ10a,10bの抵抗R1とキャパシタC1
は、T1=C1R1=1/2π(1.3×103)と
し、合成フィルタユニット7bのオールパスフィルタ1
0c,10dの抵抗R2とキャパシタC2は、T2=C
2R2=1/2π(2.6×103)とする。
FIG. 11 shows the synthesis filter unit 7 of FIG.
It is a specific circuit configuration example of a and 7b. Buffers 13 and 14 are provided at the output section of each of the synthesis filter units 7a and 7b. Specifically, for example, the noise frequency components to be removed are 1f = 1.3 kHz and 2f = 2.6 kHz. At this time, the resistor R1 and the capacitor C1 of the all-pass filters 10a and 10b of the synthesis filter unit 7a
Is T1 = C1R1 = 1 / 2π (1.3 × 10 3 ), and the all-pass filter 1 of the synthesis filter unit 7b
0c and 10d, the resistor R2 and the capacitor C2 are expressed by T2 = C
It is assumed that 2R2 = 1 / 2π (2.6 × 10 3 ).

【0026】図12は、ノイズ成分を含んだ検出信号S
の実測周波数スペクトル例であり、周波数変調された制
御対象5の状態量Yの周波数特性が4次曲線で近似され
る例である。ノイズ成分は、1f,2f,4fであり、
3fが特定周波数である。この例では4fの成分は、1
f,2fに比べると十分小さい。
FIG. 12 shows a detection signal S including a noise component.
This is an example in which the frequency characteristic of the state variable Y of the frequency-modulated control target 5 is approximated by a quartic curve. The noise components are 1f, 2f, 4f,
3f is a specific frequency. In this example, the component of 4f is 1
f and 2f are sufficiently small.

【0027】図13は、図12のスペクトルで示される
検出信号を、図8に示した合成フィルタを通して得られ
る信号Tの周波数スペクトルである。特定周波数成分3
fを抑圧することなく、ノイズ周波数成分1f,2fが
きれいに除去されていることがわかる。この結果、特定
周波数成分の抽出がS/Nよく行われ、高性能のフィー
ドバック周波数制御が可能になる。
FIG. 13 is a frequency spectrum of a signal T obtained from the detection signal shown in the spectrum of FIG. 12 through the synthesis filter shown in FIG. Specific frequency component 3
It can be seen that the noise frequency components 1f and 2f are clearly removed without suppressing f. As a result, the extraction of the specific frequency component is performed with good S / N, and high-performance feedback frequency control becomes possible.

【0028】ここまでは、合成フィルタとして、注目す
るノイズ周波数成分で位相遅れ量が90°である移相回
路となるオールパスフィルタを用いたが、位相進み量が
90°であるような移相回路となるオールパスフィルタ
を用いてもよいことは勿論である。
Up to this point, as the synthesis filter, an all-pass filter which is a phase shift circuit having a phase delay of 90 ° with a noise frequency component of interest has been used, but a phase shift circuit having a phase lead of 90 ° is used. It goes without saying that an all-pass filter may be used.

【0029】図1において、AC−DCコンバータ8の
性能も、フィードバック制御の性能にとって重要であ
る。従来はこの部分に、特定周波数nfと同じ基準信号
を用いて、入力される信号Tから特定周波数成分nfを
取り出す同期検波方式が用いられているが、この方式で
は、1f,2f,4f等のノイズ成分の除去が難しい。
この発明において好ましくは、このAC−DCコンバー
タの部分には、オールパスフィルタを用いて構成され
て、特定周波数成分の振幅抽出を行う振幅抽出回路を用
いる。
In FIG. 1, the performance of the AC-DC converter 8 is also important for the performance of the feedback control. Conventionally, a synchronous detection method for extracting a specific frequency component nf from the input signal T using the same reference signal as the specific frequency nf has been used for this part. In this method, however, a synchronous detection method such as 1f, 2f, 4f, or the like is used. It is difficult to remove noise components.
Preferably, in the present invention, an amplitude extraction circuit configured using an all-pass filter for extracting the amplitude of a specific frequency component is used for the AC-DC converter.

【0030】図14は、その様な振幅抽出回路の構成例
を示している(特開平10−9848号参照)。一対の
オールパスフィルタ81,82は、信号Tが入力され
て、特定周波数nfについて互いに90°位相がずれた
正弦波信号S1=Asin(2πnft),S2=Ac
os(2πnft)を生成する。具体的にオールパスフ
ィルタ81,82は、90°移相の中心周波数がnf−
Δf,nf+Δfとなる移相器である。これにより、特
定周波数nfの近傍で位相差90°の上述した二つの正
弦波信号S1,S2が得られる。これらの正弦波信号を
それぞれ2乗回路83,84により2乗して、加算器8
5により加算する。即ち、{Asin(2πnft)}
2+{Acos(2πnft)}2 =A2なる演算によ
り、振幅値Aを検出することができる
FIG. 14 shows a configuration example of such an amplitude extraction circuit (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-9848). The pair of all-pass filters 81 and 82 receive the signal T, and the sine wave signals S1 = Asin (2πnft) and S2 = Ac which are out of phase by 90 ° with respect to the specific frequency nf.
os (2πnft). Specifically, the all-pass filters 81 and 82 have a center frequency of 90 ° phase shift of nf−
Δf, nf + Δf. As a result, the above-described two sine wave signals S1 and S2 having a phase difference of 90 ° near the specific frequency nf are obtained. These sine wave signals are squared by squaring circuits 83 and 84, respectively,
Add by 5. That is, {Asin (2πnft)}
The amplitude value A can be detected by the calculation of 2+ {Acos (2πnft)} 2 = A 2

【0031】AC−DCコンバータ8にこの様な振幅抽
出回路を用いることにより、信号Tに合成フィルタ7に
より除去し切れない、特定周波数nfからずれた周波数
のノイズ成分があったとしても、これらのノイズ成分が
除去されて、特定周波数nfの振幅値を取り出すことが
できる。従って、フィードバック制御の高性能化が図ら
れる。
By using such an amplitude extracting circuit for the AC-DC converter 8, even if there is a noise component of a frequency deviated from the specific frequency nf which cannot be completely removed by the synthesizing filter 7 in the signal T, these components can be used. The noise component is removed, and the amplitude value of the specific frequency nf can be extracted. Therefore, the performance of the feedback control is improved.

【0032】また、AC−DCコンバータ8の他の方式
として、多相交流信号のサンプリング方式を適用するこ
とができる。これは、信号Tから少しずつ位相がずれた
多相交流信号を生成し、これらの多相交流信号の振幅の
ピーク値に同期してサンプリングを行う方式である。例
えば、多相交流信号として、信号Tに基づいて、順次9
0°ずつ位相がずれた4相の交流信号を生成して、これ
を単相の場合の1/4のサンプリング周期で振幅抽出す
る。この方式を用いると、サンプリング動作に起因する
零次ホールドの位相遅れの影響を低減して、高精度の振
幅抽出が可能になる。
As another method of the AC-DC converter 8, a sampling method of a polyphase AC signal can be applied. This is a method in which polyphase AC signals whose phases are slightly shifted from the signal T are generated, and sampling is performed in synchronization with the peak value of the amplitude of these polyphase AC signals. For example, as a polyphase AC signal, 9
A four-phase AC signal whose phase is shifted by 0 ° is generated, and the amplitude of the AC signal is extracted at a sampling cycle of 1/4 that of a single-phase AC signal. When this method is used, the influence of the phase delay of the zero-order hold caused by the sampling operation is reduced, and high-accuracy amplitude extraction becomes possible.

【0033】なお、合成フィルタ7においては、180
°位相差の周波数成分を相殺するために、上述のように
縦続接続された二つのオールパスフィルタ入出力が加算
される。従って、除去しようとするノイズ周波数成分以
外の周波数成分については、ゲインが2倍になる。そこ
で、特定周波数nf以外の周波数帯の成分を抑圧するた
めに、合成フィルタ7の、例えば出力部に更に、特定周
波数成分を通過させるバンドパスフィルタを配置するこ
とは有効である。
In the synthesis filter 7, 180
In order to cancel the frequency component of the phase difference, the two cascaded all-pass filter inputs and outputs are added as described above. Therefore, the gain is doubled for frequency components other than the noise frequency component to be removed. Therefore, in order to suppress a component in a frequency band other than the specific frequency nf, it is effective to further arrange a band-pass filter that allows the specific frequency component to pass through, for example, an output unit of the synthesis filter 7.

【0034】更に、実施の形態においては、除去したい
周波数成分が複数ある場合に、図8のように複数段の合
成フィルタを用いたが、これを1段のみの合成フィルタ
と減算器を用いて実施することも可能である。この場合
は、選択する特定周波数3fにおいて、合成フィルタの
各々のオールパスフィルタ10の位相量(位相遅れ量)
が90°となるようにしておき、検出信号Sをこの合成
フィルタ7に入力し、合成フィルタ7から出力信号S’
を得る。この出力信号S’のゲインは、特定周波数3f
以外では検出信号の2倍になるため、これを1/2に減
衰させて補正信号S”とする。次に検出信号Sから減算
器によって修正信号S”を減算することにより、特定周
波数3fの成分のみを抽出することができる。ここで、
出力信号Sからの修正信号S”の減算にあっては、各々
の周波数対強度データを求めた後、この周波数対強度デ
ータ間で減算を行ってもよい。
Further, in the embodiment, when there are a plurality of frequency components to be removed, a multi-stage synthesis filter is used as shown in FIG. 8, but this is performed by using a single-stage synthesis filter and a subtractor. It is also possible to carry out. In this case, at the specific frequency 3f to be selected, the phase amount (phase delay amount) of each of the all-pass filters 10 of the synthesis filter.
Is set to 90 °, the detection signal S is input to the synthesis filter 7, and the output signal S ′ is output from the synthesis filter 7.
Get. The gain of this output signal S ′ is 3 f
In other cases, the detection signal is twice as large as the detection signal. Therefore, the detection signal is attenuated by 1/2 to obtain a correction signal S ″. Only the components can be extracted. here,
In the subtraction of the correction signal S ″ from the output signal S, after each frequency versus intensity data is obtained, a subtraction may be performed between the frequency versus intensity data.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、オ
ールパスフィルタを組み合わせた合成フィルタを用いる
ことにより、特定周波数成分と他の周波数成分が近接し
ていても、特定周波数成分を抑圧することなく確実に他
の周波数成分を除去することができ、これにより高安定
度のフィードバック周波数制御が可能になる。
As described above, according to the present invention, a specific frequency component can be suppressed by using a synthesis filter combining an all-pass filter, even if a specific frequency component and another frequency component are close to each other. It is possible to reliably remove other frequency components without using any of them, thereby enabling highly stable feedback frequency control.

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

【図1】 この発明によるフィードバック周波数制御シ
ステムの構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a feedback frequency control system according to the present invention.

【図2】 この発明に用いられるオールパスフィルタの
構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an all-pass filter used in the present invention.

【図3】 同オールパスフィルタのゲイン特性を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing gain characteristics of the all-pass filter.

【図4】 同オールパスフィルタの移相特性を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing a phase shift characteristic of the all-pass filter.

【図5】 この発明の実施の形態に用いられる合成フィ
ルタの構成を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a synthesis filter used in the embodiment of the present invention.

【図6】 同合成フィルタのゲイン特性を示す図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing gain characteristics of the synthesis filter.

【図7】 同合成フィルタの移相特性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing phase shift characteristics of the synthesis filter.

【図8】 他の実施の形態に用いれる合成フィルタの構
成を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a synthesis filter used in another embodiment.

【図9】 同合成フィルタのゲイン特性を示す図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing gain characteristics of the synthesis filter.

【図10】 同合成フィルタの移相特性を示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing phase shift characteristics of the synthesis filter.

【図11】 同合成フィルタの具体的構成例を示す図で
ある。
FIG. 11 is a diagram showing a specific configuration example of the synthesis filter.

【図12】 制御対象の出力周波数スペクトル例を示す
図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an output frequency spectrum of a control target.

【図13】 図12の出力から合成フィルタによりノイ
ズ周波数成分を除去した周波数スペクトルを示す図であ
る。
13 is a diagram showing a frequency spectrum obtained by removing a noise frequency component from the output of FIG. 12 by a synthesis filter.

【図14】 振幅抽出回路の構成例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of an amplitude extraction circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…加算器、2…誤差補正手段、3…加算器、4…アク
チュエータ、5…制御対象、6…検出器、7…合成フィ
ルタ、8…AC−DCコンバータ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Adder, 2 ... Error correction means, 3 ... Adder, 4 ... Actuator, 5 ... Control target, 6 ... Detector, 7 ... Synthesis filter, 8 ... AC-DC converter.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 制御対象の状態量を、維持すべき所定の
周波数の周囲で変動させるように周波数変調し、前記制
御対象の状態量出力から検出される検出状態量の中から
選択周波数成分の振幅値を抽出し、この振幅値と外部か
らの指令値との誤差信号に基づいて前記制御対象の状態
量を前記所定の周波数に維持する特定周波数成分抽出シ
ステムにおいて、 前記検出状態量から特定周波数成分を抽出するために、
全周波数範囲にわたって一定の伝達利得で入力信号を通
過させるオールパスフィルタを組み合わせて構成され
た、前記特定周波数以外の周波数成分を除去する合成フ
ィルタを用いたことを特徴とする特定周波数成分抽出シ
ステム。
1. A state quantity of a controlled object is frequency-modulated so as to fluctuate around a predetermined frequency to be maintained, and a selected frequency component of a selected frequency component is detected from a detected state quantity detected from a state quantity output of the controlled object. A specific frequency component extraction system that extracts an amplitude value and maintains the state quantity of the control target at the predetermined frequency based on an error signal between the amplitude value and an external command value. To extract the ingredients,
A specific frequency component extraction system using a synthesis filter configured to combine an all-pass filter that passes an input signal with a constant transmission gain over the entire frequency range and that removes frequency components other than the specific frequency.
【請求項2】 前記合成フィルタは、全周波数範囲にわ
たって移相量が0〜180°の範囲で変化し且つ、除去
すべき周波数成分を90°移相するように設定された、
縦続接続された第1及び第2のオールパスフィルタと、 前記第1のオールパスフィルタの入力と第2のオールパ
スフィルタの出力を加算する加算器とを有することを特
徴とする請求項1記載の特定周波数成分抽出システム。
2. The synthesis filter according to claim 1, wherein a phase shift amount is changed in a range of 0 to 180 ° over the entire frequency range, and a phase component to be removed is shifted by 90 °.
The specific frequency according to claim 1, further comprising: first and second all-pass filters connected in cascade; and an adder that adds an input of the first all-pass filter and an output of the second all-pass filter. Component extraction system.
【請求項3】 前記合成フィルタは、 全周波数範囲にわたって移相量が0〜180°の範囲で
変化し且つ、除去すべき周波数成分を90°移相するよ
うに設定された、縦続接続された第1及び第2のオール
パスフィルタと、 前記第1のオールパスフィルタの入力と第2のオールパ
スフィルタの出力を加算する加算器とを備えて合成フィ
ルタユニットとして、 除去すべき周波数成分に対応して複数の合成フィルタユ
ニットを縦続接続して構成されていることを特徴とする
請求項1記載の特定周波数成分抽出システム。
3. The cascade connection of the synthesis filter, wherein the phase shift amount is changed in a range of 0 to 180 ° over the entire frequency range, and the frequency component to be removed is set to be shifted by 90 °. A synthesis filter unit including first and second all-pass filters, and an adder for adding an input of the first all-pass filter and an output of the second all-pass filter, a plurality of filters corresponding to frequency components to be removed; 2. The specific frequency component extraction system according to claim 1, wherein the synthesis filter units are connected in cascade.
【請求項4】 前記合成フィルタに更に、前記特定周波
数の成分を通過させるバンドパスフィルタが設けられて
いることを特徴とする請求項1記載の特定周波数成分抽
出システム。
4. The specific frequency component extraction system according to claim 1, wherein the synthesis filter further includes a band-pass filter that passes the component of the specific frequency.
【請求項5】 前記特定周波数成分の振幅値を抽出する
振幅抽出回路は、 前記合成フィルタの出力信号から位相差が90°である
2相の正弦波状信号を生成する一対のオールパスフィル
タ回路と、 この一対のオールパスフィルタ回路から得られる2相の
正弦波状信号をそれぞれ2乗する2乗回路と、 この2乗回路の出力を加算する加算器とを備えたことを
特徴とする請求項1記載の特定周波数成分抽出システ
ム。
5. An amplitude extraction circuit for extracting an amplitude value of the specific frequency component, comprising: a pair of all-pass filter circuits for generating a two-phase sine wave signal having a phase difference of 90 ° from an output signal of the synthesis filter; 2. A squaring circuit for squaring two-phase sinusoidal signals obtained from the pair of all-pass filter circuits, and an adder for adding an output of the squaring circuit. Specific frequency component extraction system.
【請求項6】 前記特定周波数成分の振幅値を抽出する
振幅抽出回路は、前記合成フィルタの出力信号から少し
ずつ位相がずれた多相交流信号を生成し、これらの多相
交流信号の振幅のピーク値に同期してサンプリングを行
うものであることを特徴とする請求項1記載の特定周波
数成分抽出システム。
6. An amplitude extracting circuit for extracting an amplitude value of the specific frequency component, generates a polyphase AC signal whose phase is slightly shifted from an output signal of the synthesis filter, and calculates an amplitude of the polyphase AC signal. 2. The specific frequency component extraction system according to claim 1, wherein sampling is performed in synchronization with the peak value.
【請求項7】 前記制御対象は、波長安定化すべきレー
ザであることを特徴とする請求項1記載の特定周波数成
分抽出システム。
7. The specific frequency component extraction system according to claim 1, wherein the control target is a laser whose wavelength is to be stabilized.
【請求項8】 フィードバック制御によって前記制御対
象の状態量を前記所定の周波数に維持することを特徴と
する請求項1乃至7のいずれかに記載の特定周波数成分
抽出システム。
8. The specific frequency component extraction system according to claim 1, wherein the state quantity of the control target is maintained at the predetermined frequency by feedback control.
【請求項9】 前記特定周波数は、前記周波数変調を行
う基本波の第3次高調波であることを特徴とする請求項
1乃至8のいずれかに記載の特定周波数成分抽出システ
ム。
9. The specific frequency component extraction system according to claim 1, wherein the specific frequency is a third harmonic of a fundamental wave for performing the frequency modulation.
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