JP2005516223A

JP2005516223A - 光センサのための信号処理回路

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Publication number: JP2005516223A
Application number: JP2003564598A
Authority: JP
Inventors: ブレーキー、ジェームズ・エヌ; ラブリウク、ジェームズ・ディー; ラーマシアン、ファーヌーシュ
Original assignee: ブレーキー、ジェームズ・エヌ; ラブリウク、ジェームズ・ディー; ラーマシアン、ファーヌーシュ
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2005-06-02
Also published as: EP1476762A1; WO2003065057A1; US7493052B2; US20070253719A1; US20030185576A1; US7233746B2

Abstract

センサはアナログ・センサ出力信号を与える。このセンサ出力信号は最初にＡ／Ｄコンバータによって変換され（１４０）、感知されるべく意図したパラメータ量を示すアナログ情報出力信号を与えるように、Ｄ／Ａコンバータによってアナログ信号に変換される、ディジタル信号出力を有するディジタル信号処理器によって処理される。感知されるべく意図したパラメータ量を表わすアナログ情報出力信号のダイナミック・レンジ精度を高めるためにＡ／Ｄコンバータ入力信号および／またはＤ／Ａコンバータ入力信号を個別に、独立にあるいは両者を組み合わせて変調するアナログ・ディザー信号および／またはディジタル・ディザー信号が与えられる。

Description

（関連出願）
本出願は２００２年１月３０日に出願された仮特許出願番号Ｎｏ．６０／３５２，８９０号について米国特許法３５の第１１９条に従う優先権の利益を請求する。

（発明の分野）
本発明は、一般に、アナログ・センサのためのセンサ信号処理回路に係り、特に広いダイナミック・レンジにわたって高精度を保持する電力系統の電流センサおよび電圧センサ用途で使用されるセンサおよび計量システム用センサ信号処理回路に関する。

（発明の背景）
一般に、光センサはとりわけ光センサが光センサ回転に応答する慣性航行センサ・システムと、光センサが電場および／または磁場に応答する光電流センサおよび光電圧センサとを含む、多様な用途で使用される。これらの各センサは特定の光路に沿って伝播する光ビームあるいは光を使用する。一般に、これらの各光センサは光路に沿って伝播する光ビームに作用するある特定のパラメータを感知する光検出回路と信号処理回路とを備える。とりわけ、たとえば、慣性センサの光路の回転、電圧センサの電場、電流センサの磁場または電場および同様な作用が基になって監視あるいは感知されるべく意図したパラメータを通じて伝播する光波が影響を受ける。たとえば、速度、位相および／または分極のような光波あるいは光ビームの特有の挙動がよく知られ、確立した物理的原理に従って感知されるべく意図したパラメータによって影響を受ける。

一般に、上記した種類の光センサ・システムは１ないしそれ以上の光ビームの瞬間強度についての指示値を得るために光検出器を使用する。ここで、光ビームは光検出器に個々にあるいは収束して衝突する。これに続き、光検出器検出信号はよく知られ、確立した物理的原理に従って感知されるべく意図したパラメータ、たとえば、速度、位相および／または分極変化の大きさのような光ビームに作用するパラメータの指示値を獲得する信号処理回路で処理される。さらに、信号処理回路はその光路に作用する駆動信号として用いられる、１ないしそれ以上の出力を有し、それにより、よく知られ、確立した物理的原理に従って同様に測定されるべく意図したパラメータの指示値を得る閉ループ・フィードバック信号処理センサ・スキームと統合される。

光センサの比較的新しい用途は高圧電力系統監視システムである。これらのシステムでは系統電圧が百キロボルト級、系統電流が１．０から５０００．０アンペアにわたる高圧電力系統の厳しい電気的環境の中に物理的に浸る高精度電流センサと電圧センサとが必要になる。この電力系統用途では電流センサで測定する必要がある、電流の広いダイナミック・レンジには厳しい問題がある。

広いダイナミック・レンジ要求については次のことを考慮すれば、十分に理解できる。すなわち、電力系統網と結ばれた電力プラントは、夏季の猛暑期間中、空調機器のためにピーク電流出力、すなわち、５０００アンペアを発生する、運用シナリオで運転する可能性があり、別の運用シナリオでは電力プラントはプラントが小電流を受け入れる低負荷、すなわち、約１．０アンペア程度の小電流を発生するように働く、待機（アイドリング）モードの状態が存在する。

一般に、広いダイナミック・レンジにわたって精度要求を保つには上記した運用シナリオで運転される間、電力系統電流を測定するために多数の計器のセットを使用しなければならない。たとえば、電流値を測定するために使用される変圧器は各タップを計量用機器あるいはメータと２個またはそれ以上と結ぶ多タップを備える必要がある。

光電流センサ、特にファイバ光電流センサは電力系統用途では電力系統を流れる広いダイナミック・レンジの電流を測定するために使用される、この種の光センサの原理は“ファイバ光干渉回路および磁場センサ”の名称でジェームズ・Ｎ・ブレイクに付与された米国特許第５，６４４，３９７号明細書に教示される。この明細書は光電流センサを構成するサグナック（Ｓａｇｎａｃ）法の実施例およびインライン干渉法の実施例の双方を開示する。上記ファイバ光干渉回路および磁場センサについての改良技術はその全てがジェームズ・Ｎ・ブレイクに付与された、とりわけ、米国特許第５，６９６，８５８号明細書、米国特許第５，９８７，１９５号明細書、米国特許第６，０２３，３３１号明細書および米国特許第６，１２２，４１５号明細書に開示される。

手短にいえば、上述した特許明細書に開示されるようなファイバ光電流センサは感知されるべき電流で生じる磁場がファラデー効果によってその磁場の近くに置かれたファイバの分極特性に影響を及ぼすという、原理のもとで働く。ファイバ分極特性の変化はそれぞれ異なる数種類のやり方で検証することができる。普及している方法は直線的に分極した光を放射し、後に感知領域を去った後で分極状態の回転を分析し、あるいはサグナック法またはインライン干渉技術を用いて感知領域を通過して移動する、左右に円をなすように分極した光波の相対速度を測定する過程を含む。このセンサ配置は光回路を去り、光回路の終点に配置された光検出器に衝突する、“影響を受けた”光ビームを通す光出口ポートを備える。全ての場合において、感知される電流は出射する光ビームに光強度の変動を引き起こし、その光強度変動と関係した変化を示す光検出器出力信号を生じ、この結果、感知されるべく意図した電流を表わす信号を与える信号処理回路によって処理された信号を与えることができる。

光検出器に衝突している光強度の変動は感知中の電流を表わすアナログ出力を発生するアナログ回路によって処理される。しかし、こうした光強度の変動をディジタルで処理することはさらに望ましい。ディジタル処理は（ｉ）ディジタル出力が後に続く下位システムのためにより望ましい。（ii）ディジタル領域で利用可能なより高い処理能力が複雑な特性を考慮に入れるので、ディジタル信号処理によってさらに精度を上げることができる。（iii）ディジタル領域での複雑な信号処理を実行することはアナログ領域で同じ処理を行うよりも一段と安価である。（iv）広いダイナミック・レンジの信号をディジタル領域において正確に扱うことができる、という、理由からさらに望ましい。

一般に、ディジタル領域にある光検出器信号を処理するために必要とされる最初の過程はＡ／Ｄコンバータを用いてその信号をアナログ領域に変換することである。信号が処理された後、光検出器信号はＤ／Ａコンバータを用いてアナログ領域に逆に変換される。このアナログ領域に戻す変換はしばしば電流センサおよび電圧センサを必要とする。すなわち、電力分野ではこれらのセンサがアナログ・システムの前処理を受け持つ（メータ、リレーおよびレコーダのような）２次装置ないし受信装置と接続されるためである。

注目すべきことは、これらの２次装置も広いダイナミック・レンジ要求を有することである。たとえば、電流が上述したような１．０から５０００．０アンペアにわたる場合に感知される電流と電圧との積を測定する電力計を考える。一般に、この電力計はＡ／Ｄコンバータと、たとえば、ワット時のような所望の情報を提供するディジタル信号処理手段とを備える。先に述べたように、電流によって変わる正確な情報を得るために多くの計器のセット、すなわち、集合形メータが使用されることになる。

この種の光センサの絶対精度は２次装置、すなわち、メータも同様にＡ／Ｄコンバータと、それと共に使用されるＤ／Ａコンバータとによって犠牲を強いられる。これはＡ／ＤコンバータとＤ／Ａコンバータとに存在する量子化誤差および非直線性のために生じる。一例として、±１アンペアの小電流と±５０００アンペアの大電流とを測定するように作製した光電流センサで起こる現象を考える。１２ビットＡ／Ｄコンバータが光検出器出力信号をディジタル信号に変換するために使用されると仮定する。この１２ビット（識別レベル４０９６）は１０，０００アンペア・レンジを記述しなければならない。それゆえ、１アンペアの信号は１最下位ビット（ＬＳＢ）に収まる。通常、検出された光検出器信号は数ＬＳＢのどこかに検出信号を“変調する”のに役立つ、幾分かのノイズを伴う。このノイズは１ＬＳＢと同等か、それよりも小さい信号と関係した量子化誤差を克服するために使用される。しかしながら、システム全体の精度はノイズを伴った信号が数ＬＳＢに及ぶときでも、良好でないことが多い。これは数ＬＳＢのビット指定区域がＡ／Ｄコンバータの全ビット指定区域を記述しないので、そのような結果になる。もしも、これらのビットが全平均ビット指定区域に一貫して近いならば、そのときは最終出力信号は多くのビットを使用する、大きい信号よりも相対的に高い値を示し、これらのビットが平均ビット指定区域からさらに離れていれば、そのときは最終出力信号は多くのビットを使用する、大きい信号よりも相対的に低い値を示す。

Ａ／Ｄコンバータについて説明されるのと同じ問題がＤ／Ａコンバータにも正確に当てはまる。この問題の重大さを軽減するために１６ビットまたはより高速のＡ／ＤコンバータまたはＤ／Ａコンバータが使用されることがあるが、今日（典型的には１６ビットかそれよりも低ビット）のＡ／ＤコンバータおよびＤ／Ａコンバータを使用しては広いダイナミック・レンジの光センサの要求仕様を満たすことはできない。

広いダイナミック・レンジ要求の電圧および電流センサを含む、この種の光センサにおいてビット非直線性の影響を減少する信号処理回路が必要とされている。

（発明の要約）
本発明の目的は光センサのための広いダイナミック・レンジ精度を有する信号処理回路を提供することにある。

本発明の目的は電力系統電流計器に応答する電力系統用途２次装置のための広いダイナミック・レンジ精度を有する信号処理回路を提供することにある。

本発明の目的は光センサの光検出器出力信号のための信号処理回路を提供することにある。

本発明の目的はアナログ・センサのための広いダイナミック・レンジ精度を有する信号処理回路を提供することにある。

本発明の目的は光検出器出力信号がディジタル信号に変換され、処理され、光センサによって感知されるべく意図したパラメータを表わすアナログ信号に戻される光センサの光検出器出力信号のための信号処理回路を提供することにある。

本発明に従って信号処理回路は光検出器出力信号を有する光センサを備える。この信号処理回路はその光検出器出力信号が、たとえば、電力系統電流を光で感知する光センサによって感知されるべく意図したパラメータ量についての情報を含む、光検出器出力信号に応答するように構成される。この光センサはＡ／Ｄコンバータによって最初に変換されるアナログ・センサ出力信号を与える。このアナログ・センサ出力信号は感知されるべく意図したパラメータ量を示すアナログ情報出力信号を与えるように、Ｄ／Ａコンバータによってアナログ信号に変換される、ディジタル信号出力を有するディジタル信号処理器によって処理される。感知されるべく意図したパラメータ量を表わすアナログ情報出力信号のダイナミック・レンジ精度を高めるためにＡ／Ｄコンバータ入力信号および／またはＤ／Ａコンバータ入力信号を個別に、独立に、あるいは両者を組み合わせて変調するアナログ・ディザー信号および／またはディジタル・ディザー信号が与えられる。

本発明は感知されるべく意図したパラメータ量を表わす出力信号を与えるように、ディジタル的に信号処理するために意図した光検出器出力信号を有するいずれかの光センサと共に、特に光電流センサおよび光電圧センサに向けて構成される。

本発明はまた選択された情報あるいは感知されるべく意図したパラメータ量を表わす出力信号を与えるアナログ信号への逆の変換を獲得するように、後の信号処理のためにディジタル的に変換されるアナログ・センサ入力信号に応答するいずれかの測定システムに向けて構成される。

（発明の詳細な説明）
図１に本発明に従う信号処理回路の１００の図式的ブロック図が示される。例として、図１は光波１１６が伝播する光伝送路１１４を提供する電流センサ・ヘッド１１２を備えた光電流センサ１１０のような光センサを図示する。このセンサ・ヘッド１１２は電流Ｉ_X（ｔ）がそこを通って流れる電気的導体１１５の近くに置くことを意図し、さらに全ての記載が参照によってここに取り入れられる、上記の特許明細書に説明されるように、よく知られ、確立した原理に従って測定することを意図する。

光波１１６と関係した１ないしそれ以上の光波に応答する光検出器１２０が光センサ１１０と結ばれる。この光波は、たとえば、導体１１５を流れる電流指示値を与えるために速度、位相および／または分極のような情報を含む。光検出器１２０は光が光検出器１２０に衝突するように光波１１６と関係した光波１２２を方向付ける、たとえば、光ファイバのような光伝送路１１８と結ばれている。この光検出器１２０はそこに衝突する光波１１２の強度を表わすアナログ出力信号Ｐ（ｔ）を与える。図示は省略されるが、一般に、光検出器１２０は後に説明する方法でＡ／Ｄコンバータ１５０で認識できる十分な信号を発生するように低ノイズ増幅回路あるいは前置増幅回路を備える。

本発明に従って信号処理回路１００はアナログ・ディザー信号発生器１３０、アナログ加算回路１４０、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１５０、ディジタル信号処理器１６０、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１７０および出力フィルタ回路１８０を備える。

本発明に従って“アナログ信号ディザー”がディジタル情報信号に変換されるべく意図したアナログ情報信号を本来的に損なう、Ａ／Ｄコンバータからのディジタル出力情報をリニアにするために使用される。同様に、“ディジタル信号ディザー”がアナログ情報信号に変換されるべく意図したディジタル情報信号を本来的に損なう、Ｄ／Ａコンバータからのアナログ出力情報をリニアにするために使用される。

本発明に従って、特に図８に示される電力系統測定および監視計器は、一般に、選ばれた情報を得るための、好ましくは、ディジタル技術分野によって処理される信号を必要とするアナログ電流センサおよび電圧センサからのアナログ出力信号を用いる。この電力系統測定および監視計器は、一般に、アナログ入力信号情報を損なう、Ａ／ＤコンバータとＤ／Ａコンバータとを備える。先に述べたように、広いダイナミック・レンジ要求は精度低下をもたらす上述した信号劣化を悪化させる。さらに、このようなコンバータは、一般に、図１に示されるような電力系統用途では別の種類のセンサも同様に光センサを利用する電流センサの特殊な用途で使用される。このコンバータはまた他の電力系統用途では２次装置および／または機器として使用される。

再び図１を参照すると、知られた特性を有するアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）を与えるためにディザー信号発生器１３０を設けることを意図する。たとえば、ディザー信号発生器１３０は、後に図２および図３を参照して説明されるように、知られた信号波形、振幅および周波数を有する、時間比例のアナログ信号を発生する。アナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）は周期性である必要はないが、好ましくは、知られた特性を有する。他方、ディザー信号発生器１３０は知られたあるいは検知可能な特性を有するアナログ信号によるノイズ源の形態を取るようにしてもよい。

アナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）はアナログ加算回路１４０を用いて光検出器信号Ｐ（ｔ）と加算され、Ａ／Ｄコンバータ１５０に入力される加算出力信号Ｓ（ｔ）が得られる。Ａ／Ｄコンバータ１５０の出力、すなわち、ＤＳ（ｔ）は、望まれるとき、１次入力信号としてＤＳ（ｔ）のディジタル信号処理を実行するディジタル信号処理器１６０に与えられる。ディジタル信号処理器１６０はディザー信号成分を含む、光センサ１１０で感知されるべく意図したパラメータを表わすディザー信号出力ＤＱ（ｔ）を与える。ディジタル信号出力ＤＱ（ｔ）は信号をアナログ出力信号ＡＸ（ｔ）に変換するＤ／Ａコンバータ１７０と結ばれる。アナログ出力信号ＡＸ（ｔ）はフィルタにかけたＩ_X（ｔ）を表わすアナログ出力信号ＦＡＸ（ｔ）を与えるフィルタ回路１８０にかける。ここで、“ＦＡＸ”の用語はフィルタにかけたＩ_X（ｔ）を表わすアナログ信号ＡＸ（ｔ）を表わす。

注目すべきことはディジタル信号処理器１６０が感知されるべく意図したパラメータの指示値を獲得するのに多くの形態を用いることができ、光検出器１２０で検出された光波の強度変動の中に含まれる情報によって決まることである。この処理の例はアナログ形態であるが、上記の特許明細書に記述される。さらに、ディジタル信号処理器１６０は意図した情報について得るハードウエア、ソフトウエアおよび／またはファームウエアを用いて構成することができる。ディジタル信号処理器１６０の一例はこの分野でよく知られ、後に説明される、特に図６に図示される“ＦＰＧＡ”−フィールド・プログラマブル・ゲート・アレー−である。

本発明に従って信号処理回路１００の操作方法が説明される。後にＡ／Ｄコンバータ１５０への入力として与えられるアナログ信号Ｓ（ｔ）を生成するためにアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）が光検出器出力信号と加算される。アナログ信号Ｓ（ｔ）は実質的にはアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）によって変調される信号Ｐ（ｔ）である。この方法では、Ａ／Ｄコンバータ１５０の特定部分のビット指定区域誤差は信号ＡＤ（ｔ）のディザー信号周期によって平均化される。図２に示されるような模範的なアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）の波形はノイズを含む、多くの波形を用いることができ、Ａ／Ｄコンバータ１５０のディジタル出力信号ＤＳ（ｔ）を変調する意図した目的のために有効である。

本発明の模範的な実施例では、アナログ・ディザー信号発生器１３０は、特に図２に示されるような三角波信号ＡＤ（ｔ）を与えるように構成される。Ａ／Ｄコンバータ１５０の出力は、図３に示すように、ディジタル信号処理器１６０による後の信号処理のために離散的なディジタル値を有する。三角波の選択はアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）によってカバーされる全ビットに同じ影響力を生じる傾向があることが見出された。さらに、三角波の選択はアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）が各周期の間、Ａ／Ｄコンバータ１５０の全ビット・レンジに２、３パーセントの変化を生じる振幅に対して有効であることが見出された。本発明の模範的な実施例において、アナログ・ディザー信号発生器１３０はＡＤ（ｔ）のピークからピークまでの信号が２ｋＨｚに設定したＡ／Ｄコンバータ１５０のディジタル・レンジの１／１６より大きくＡ／Ｄコンバータ１５０を変調するのに十分であるように構成される。

上記したように、図１に示される実施例はアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）が感知された電流Ｉ_X（ｔ）成分としてディジタル信号処理器１６０によってディジタル形態で解釈され、その後、アナログ出力ＡＸ（ｔ）の中に再び現われ、このアナログ・ディザー成分が感知されるべく意図したパラメータを示す信号ＦＡＸ（ｔ）を与えるようにフィルタ１８０にかけて分離されるという、特徴を有する。

図１の信号処理回路よりも高度なものとして、ディジタル信号処理器１６０はその処理器によるディジタル信号処理の前あるいはその後のいずれかにＡ／Ｄコンバータ１５０のディジタル信号出力をディジタル的に取り除く任意のディジタル・ディザー・除去器１９０を備えてもよい。同期化信号線１９２はアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）とディジタル・ディザー除去器１９０との間の同期を表わす。この機能、すなわち、Ａ／Ｄコンバータ１５０の前で加えられたアナログ・ディザー信号をディジタル的に取り除くことは当業者によく知られた豊富な技術によってなし遂げることができる。幾つかの状況では後に説明されるように、特に信号ＦＡＸ（ｔ）に応答する後の２次装置のために信号ＤＱ（ｔ）に含まれるディザー信号を完全に取り除かないことが望ましい。

図4において、本発明に従って構成される類似する要素が同じ符号を保有する信号処理回路の代替的配置が示される。図４においては図1のアナログ・ディザー信号発生器１３０とアナログ加算回路１４０とが省略される。光検出器出力信号Ｐ（ｔ）はＡ／Ｄコンバータ１５０と直接結ばれる。ディジタル信号処理器１６０は、上述したように、感知されるべく意図したパラメータを示すディジタル・センサ信号ＤＱ（ｔ）を得るようにディジタル信号ＤＳ（ｔ）を処理する。ディジタル信号処理器１６０からのディジタル信号出力ＤＱ（ｔ）はディジタル・ディザー信号発生器４２０から与えられるディジタル・ディザー信号ＤＤ（ｔ）とディジタル加算ブロック４１０によってディジタル的に加算される。ディジタル加算ブロック４１０はディジタル加算信号ＤＸ（ｔ）を出力する。このディジタル加算信号ＤＸ（ｔ）はディジタル・ディザー信号発生器４２０によって与えられるディジタル・ディザー信号ＤＤ（ｔ）を取り除くためにアナログ・フィルタ１８０にかける、アナログ信号ＡＸ（ｔ）に変換され、この結果、感知されるべく意図したパラメータを表わすアナログ出力信号ＦＡＸ（ｔ）を与えることができる。

ディジタル・ディザー信号ＤＤ（ｔ）はアナログ信号ＡＸ（ｔ）を生成するＤ／Ａコンバータ１７０においてビット使用を平均化するのに役立つ。このディジタル的に生じさせるディザー信号ＤＤ（ｔ）はＤ／Ａコンバータ１７０の出力信号ＡＸ（ｔ）に現われるので、信号ＡＸ（ｔ）はこうしたディザー信号が存在することが受け入れ難いのであれば、、望ましくは、フィルタにかける。ディジタル・ディザー信号の周波数はディジタル・ディザー信号が単純なローパス・フィルタの形態を備えるフィルタ１８０にかけて効果的に分離されるように、好ましくは、入力電流Ｉ_X（ｔ）の信号周波数の帯域幅よりもさらに一段と高くする。

図５において、図１および図４を参照して既に説明されるような本発明の新規な形態を使用する信号処理回路５００の配置が示される。図５において、図１および図４を参照して説明されるものと類似する要素は同じ符号を保有する。（ｉ）光検出器出力Ｐ（ｔ）はＡ／Ｄコンバータ１５０によってディジタル化される前に、アナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）によって変調される（図１と同様）。（ii）ディジタル信号処理器１６０の出力信号ＤＱ（ｔ）はＤ／Ａコンバータ１７０によってアナログ信号ＡＸ（ｔ）に変換される前に、ディジタル・ディザー信号ＤＤ（ｔ）によってディジタル的に変調され（図４と同様）、これに続けて信号ＦＡＸ（ｔ）を生じるように、フィルタ１８０にかける。

図１を参照して先に述べたように、アナログ・ディザー信号はブロック１９０と信号１９２（図５には図示されない）を参照して説明したように、ディジタル信号処理の前あるいはその後に、取り除かれる。図５の信号処理回路５００はＡ／Ｄコンバータ１５０から出力される信号の精度を高めるためにアナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）の有利な働きを獲得し、Ｄ／Ａコンバータ１７０から出力される信号の精度を高めるためにディジタル・ディザー信号ＤＤ（ｔ）の有利な働きを獲得する。フィルタ１８０は、先に述べたように、アナログ・ディザー信号ＡＤ（ｔ）およびディジタル・ディザー信号ＤＤ（ｔ）のいずれかまたは双方を少なくとも部分的に分離するように構成される。

図６において、図１、図４および図５を参照して既に述べたように、本発明の新規な形態を使用する信号処理回路６００の配置が示される。図６において、図１、図４および図５を参照して説明されるものと類似する要素は同じ符号を保有する。図６に示される信号処理回路６００の配置では（ｉ）ディジタル信号処理器１６０は符号６６０によって示されるＦＰＧＡ−フィールド・プログラマブル・ゲート・アレー−として図示される。（ii）アナログ・ディザー信号発生器１３０は信号線６３２を通してＦＰＧＡ６６０からの出力として与えられる、ディジタル信号ＤＡＤ（ｔ）に応答するＤ／Ａコンバータ６３０と置換される。図６に示すような回路構成に従ってＦＰＧＡはどのような回路も追加することなく、ＦＰＧＡにディジタル・ディザー・除去信号ＤＳ（ｔ）を容易に与えることができる。図示は省略するが、ディジタル・ディザー信号ＤＤ（ｔ）が信号ＤＡＴ（ｔ）の特性と同じか、あるいはそれと異なる選ばれた特性を備えたＦＰＧＡの出力として同様に与えられる。

図７に電力系統または同様な装置用途のための先に述べたような２次装置を示す本発明の別の形態が示される。アナログ・ディザー信号発生器７９０、信号調節回路７１０、アナログ加算回路７９２、Ａ／Ｄコンバータ７９４および出力信号ＤＭＱ（ｔ）を与えるディジタル信号処理器７９５を含む、２次装置７００が示される。２次装置７００の構成と操作に関しては図１を参照して既に説明したものと類似する。信号調節回路７１０は望まれるときはフィルタ、変圧器および前置増幅器を備える。

電力系統測定および監視計器の分野では、よく知られるように、光センサ以外の電流センサ・システムで測定される、信号ＦＡＸ（ｔ）によって示される系統電流を表わす信号が２次装置７００に対する入力として図示される。２次装置とは計器あるいは記録装置のことで、望まれるときは、一般に、感知される電流信号を後の処理のためにディジタル形態に変換することを必要とする回路とシステムとを備える。したがって、後の信号処理、記録、監視および／または同様な手段のためにアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ７９４が使用される。上述したように、２次装置７００は広いダイナミック・レンジに対応でき、高い精度を備えることを必要とする。一般に、電力系統用途に用いられる２次装置に適するこのような広いダイナミック・レンジ精度は先に述べたように意図した精度を達成するために多数の計器のセットに頼る。

本発明に従って電力系統監視および測定用２次装置は既に述べた方法の中でＡ／Ｄコンバータ７９４と結ばれる前に、アナログ・ディザー信号発生器７９０と加算回路７９２とによってアナログ入力信号ＦＡＸ（ｔ）にディジタル・ディザー信号ＭＡＤ（ｔ）を加えることによってなし遂げられる。これに続けて、上述したように、Ａ／Ｄコンバータ７９４の出力ＤＭ（ｔ）は意図したディジタル信号出力ＤＭＱ（ｔ）を得るようにディジタル信号処理器７９５でディジタル的に処理される。図示は省略するが、図７の実施例は、また、望まれるとき、先に述べたフィルタ処理とディザー信号除去とを備えてもよい。

図８は電力系統用途に用いられる２次装置の一例としての電力計８００を示す。図７に示したものと同様な構成要素は図８において同一の符号を保有する。２次装置８００は、通例用いられるのと同じように、電流Ｉ_X（ｔ）を表わすアナログ信号と、電圧Ｖ_X（ｔ）を表わすアナログ信号とを使用する。図７と同様に、信号Ｉ_X（ｔ）と信号Ｖ_X（ｔ）とがそれぞれブロック８１０とブロック８２０とに示されるような任意的な信号調節回路で調節される。電圧信号Ｖ_X（ｔ）はＡ／Ｄコンバータ８９４によってディジタル電圧信号に変換され、電流信号Ｉ_X（ｔ）はディジタル・ディザー信号ＭＡＤ（ｔ）と共にＡ／Ｄコンバータ７９４でディジタル信号に変換される。Ａ／Ｄコンバータ７９４、８９４の出力に応答するディジタル信号処理器７９５はディジタル的に処理される多様なデータ、たとえば、電力、すなわち、電圧と電流の積に到達するように使用される。さらに、ディジタル信号処理器７９５はワット時および同様な情報のみならず、時間と関連したデータのような他の情報を提供する。

注目すべきことはディザー信号技術の適用が多くの計器のセットを必要とせずに望ましい広いダイナミック・レンジの達成を可能にすることである。図８に示されるような計器用途においては電圧センサ信号は狭いレンジを超えてもおそらく予測可能な値に収まり、このため、広いダイナミック・レンジへの対応を必要としない。対照的に、電流センサ信号は小電流―数アンペア―から大電流―数千アンペア―までの値を呈することが予想されるので、高精度で、広いダイナミック・レンジへの対応を必要とする。

本発明の付随する説明に記載のように、電流センサの広いダイナミック・レンジと電力系統用途のメータのような２次装置とを達成する方法が教示される。特に、アナログ・センサ信号は後のディジタル信号処理のためにアナログからディジタル信号への変換の前に、アナログ・ディザー信号と加算される。同様に、ディジタル信号出力は後の、たとえば、計器のアナログ２次信号処理で使用するディジタルからアナログ信号への変換前に、ディジタル・ディザー信号と加算される。

本発明は、特に光センサの使用と共に説明したが、ディジタル的に変換されるように意図したいずれかのアナログ・センサも本発明の精神と範囲内にある。

さらに、理解すべきことは本発明の理解のために回路構成要素は独立に機能を果たす単独ブロックによって図面に示されているが、こうした機能は意図した機能に役立つ他の構成要素により多く、あるいはより少なく統合することができることである。たとえば、ディジタル信号発生器とディジタル加算要素とは添付した請求の範囲に記載されたような意図した機能を達成するために当業者によく知られたハードウエア、ファームウエア、ソフトウエアおよび同様な手段によって構成される多機能ディジタル信号処理器に統合してもよい。

本発明は、特に図示され、添付図面を参照して説明されたが、しかし、本発明の精神と範囲とに含まれるべく意図した他の変更はもちろん可能であると理解される。形態と細部についての多様な変更は添付の請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲とから離れることなく、なし遂げることができる。

図１は本発明に従う信号処理回路の図式的ブロック図である。図２は本発明に従うディジタル・ディザー信号を示す波形図である。図３は変調されたアナログ・センサ出力信号の離散的なディジタル値を示す図である。図４は本発明に従う信号処理回路の他の実施例を示す図式的ブロック図である。図５は本発明に従う信号処理回路の他の実施例を示す図式的ブロック図である。図６は本発明に従う、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレーを使用する信号処理回路の他の実施例を示す図式的ブロック図である。図７は本発明に従う信号処理回路の他の実施例を示す図式的ブロック図である。図８は本発明に従う、特に電力系統測定および監視用途で用いられる信号処理回路の他の実施例を示す図式的ブロック図である。

Claims

光センサによって感知されるべく意図したパラメータ量の情報を含む、光検出器出力信号を有する前記光センサのための信号処理回路であって、
選ばれた振幅、周波数および波形を有するアナログ・ディザー信号を与えるアナログ信号発生器と、
前記光検出器出力信号と前記アナログ・ディザー信号とを加算し、前記アナログ・ディザー信号と前記光検出器出力信号との加算値を表わすアナログ加算信号を与える信号加算手段と、
前記アナログ加算信号に応答し、前記アナログ加算信号を表わすディジタル加算信号を与える、前記ディジタル加算信号を形成している既知のビット数を有するアナログ／ディジタル・コンバータと、
前記ディジタル加算信号に応答し、前記パラメータ量を表わすディジタル・センサ信号を獲得するディジタル信号処理器と、
を備える信号処理回路。
前記ディジタル・センサ信号がいずれかのディザー信号成分を欠くように、前記ディジタル信号処理器が前記アナログ・ディザー信号をディジタル的に引く手段を備える、請求項１記載の信号処理回路。
前記ディジタル・センサ信号をアナログ・センサ出力信号に変換するディジタル／アナログ・コンバータを備える、請求項１記載の信号処理回路。
前記アナログ・センサ出力信号をフィルタにかけ、前記光センサによって感知されるべく意図したパラメータ量を示す第３のアナログ・センサ信号を与えるアナログ・フィルタ手段を備える、請求項３記載の信号処理回路。
感知されるべく意図したパラメータ量の情報を含む、アナログ・センサ出力信号のための信号処理回路であって、
アナログ・ディザー信号を与えるアナログ信号発生器と、
前記アナログ・センサ出力信号と前記アナログ・ディザー信号とを加算し、前記アナログ・ディザー信号と前記アナログ・センサ出力信号との加算値を表わすアナログ加算信号を与える信号加算手段と、
前記アナログ加算信号に応答し、前記アナログ加算信号を表わすディジタル加算信号を与える、前記ディジタル加算信号を形成している既知のビット数を有するアナログ／ディジタル・コンバータと、
前記ディジタル加算信号に応答し、前記パラメータ量と関係した情報を含む、ディジタル・センサ信号を獲得するディジタル信号処理器と、
を備える信号処理回路。
感知されるべく意図したパラメータ量の情報を含む、アナログ・センサ出力信号を生じるセンサのための信号処理回路であって、
前記アナログ・センサ出力信号から得られるアナログ入力信号に応答し、前記アナログ・センサ出力信号を表わすディジタル・センサ信号を与えるアナログ／ディジタル・コンバータと、
前記ディジタル・センサ信号に応答し、前記パラメータ量に関係した情報を含む、ディジタル情報信号を獲得するディジタル信号処理器と、
ディジタル・ディザー信号を与えるディジタル信号発生器と、
前記ディジタル・ディザー信号と前記ディジタル情報信号とを加算し、前記ディジタル・ディザー信号と前記ディジタル情報信号との加算値を表わすディジタル加算信号を与えるディジタル信号加算手段と、
前記ディジタル加算信号に応答し、前記ディジタル加算信号を表わすアナログ情報信号を与える、前記アナログ情報信号を形成している既知の入力ビット数を有するディジタル／アナログ・コンバータと、
を備える信号処理回路。
選ばれた振幅、周波数および波形を有するアナログ・ディザー信号を与えるアナログ信号発生器と、
前記センサ出力信号を前記アナログ・ディザー信号と加算し、前記アナログ・ディザー信号と前記センサ出力信号との加算値を表わす前記アナログ入力信号を与える信号加算手段と、
を備える、請求項６記載の信号処理回路。
前記信号処理器がフィールド・プログラマブル・アレーを備える、請求項７記載の信号処理回路。
前記信号処理器が第２のディジタル・ディザー信号を有するフィールド・プログラマブル・アレーを備え、
前記アナログ・ディザー信号発生器が前記第２のディジタル・ディザー信号を前記アナログ・ディザー信号に変換するディジタル／アナログ・コンバータである、請求項７記載の信号処理回路。
電力系統と関係する選ばれた電流および電圧センサ情報から選ばれた情報を獲得するためであると共に、感知されるべく意図したパラメータ量の情報を有するアナログ・センサ出力信号を生じる少なくとも１個のアナログ・センサを含むためである電力系統測定装置であって、
アナログ・ディザー信号を与えるアナログ信号発生器と、
前記アナログ・センサ出力信号と前記アナログ・ディザー信号とを加算し、前記アナログ・ディザー信号と前記アナログ・センサ出力信号との加算値を表わすアナログ加算信号を与える信号加算手段と、
前記アナログ加算信号に応答し、前記アナログ加算信号を表わすディジタル加算信号を与える、前記ディジタル加算信号を形成している既知のビット数を有するアナログ／ディジタル・コンバータと、
前記ディジタル加算信号に応答し、前記パラメータ量と関係する情報を含む、ディジタル・センサ信号を獲得するディジタル信号処理器と、
を備える電力系統測定装置。
電力系統と関係する選ばれた電流および電圧センサ情報から選ばれた情報を獲得するためであると共に、感知されるべく意図したパラメータ量の情報を有するアナログ・センサ出力信号を生じる少なくとも１個のアナログ・センサを含むためである電力系統測定装置であって、
前記アナログ・センサ出力信号の少なくとも１つの成分を含むアナログ入力信号に応答し、前記アナログ入力信号を表わすディジタル情報信号を与えるアナログ／ディジタル・コンバータと、
前記ディジタル情報信号に応答し、前記パラメータ量と関係する情報を含むディジタル・センサ信号を獲得するディジタル信号処理器と、
前記ディジタル・センサ信号に応答し、前記ディジタル・センサ信号を表わすアナログ情報信号を与えるディジタル／アナログ・コンバータと、
共に、
前記アナログ／ディジタル・コンバータへの前記入力として与えられる前記アナログ入力信号を変調するアナログ・ディザー信号を与えるアナログ信号発生器と、
前記ディジタル／アナログ・コンバータへの前記入力として与えられる前記ディジタル・センサ信号をディジタル的に変調するディジタル・ディザー信号発生器と、
から選ばれた少なくとも１つの手段と、
を備える電力系統測定装置。
感知されるべく意図したパラメータ量の情報を含む、アナログ・センサ出力信号のための信号処理回路であって、
前記アナログ・センサ出力信号の少なくとも１つの成分を含むアナログ入力信号に応答し、前記アナログ入力信号を表わすディジタル情報信号を与えるアナログ／ディジタル・コンバータと、
前記ディジタル情報信号に応答し、前記パラメータ量と関係する情報を含むディジタル・センサ信号を獲得するディジタル信号処理器と、
前記ディジタル・センサ信号に応答し、前記ディジタル・センサ信号を表わすアナログ情報信号を与えるディジタル／アナログ・コンバータと、
共に、
前記アナログ／ディジタル・コンバータへの前記入力として与えられる前記アナログ入力信号を変調するアナログ・ディザー信号を与えるアナログ信号発生器と、
前記ディジタル／アナログ・コンバータへの前記入力として与えられる前記ディジタルセンサ信号をディジタル的に変調するディジタル・ディザー信号発生器と、
から選ばれた少なくとも１つの手段と、
を備える信号処理回路。
感知されるべく意図したパラメータ量の情報を含む、アナログ・センサ出力信号を信号処理する方法であって、
前記方法が含む信号処理回路が
前記アナログ・センサ出力信号をアナログ・ディザー信号と選択的に加算し、前記アナログ・ディザー信号と前記アナログ・センサ出力信号との加算値を示すアナログ加算信号を与え、
前記アナログ加算信号をディジタル加算信号に変換し、
前記ディジタル加算値を信号処理し、前記パラメータ量と関係した情報を含むディジタル・センサ信号を獲得し、
前記ディジタル・センサ信号をディジタル・ディザー信号と選択的に加算し、
前記ディジタル・ディザー信号と前記ディジタル・センサ信号との加算値を示すディジタル加算信号を与え、
前記ディジタル加算信号を前記ディジタル加算信号を表わすアナログ情報信号に変換し、
広いダイナミック・レンジにわたって高精度のアナログ情報信号を与えるように、所望の場合、前記アナログ・ディザー信号と前記ディジタル・ディザー信号とを選択的に取り除くために前記アナログ情報信号を選択的にフィルタにかける、
過程を含む方法。