JP2007116274A - フィルタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ／Ｄ変換結果を安定させるとともに、入力信号の変化への追従を遅らせないフィルタ装置を実現する。
【解決手段】入力信号に重畳されたノイズを除去するフィルタ装置に関するものである。アナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換して扱う機器のフィルタ装置であって、アナログ信号が非変化状態か変化状態かを判定する信号変化判定手段と、アナログ信号及びデジタル信号の少なくとも一方に重畳されたノイズを除去するフィルタ手段と、フィルタ手段によるフィルタ処理を実行するかしないかを切り換える処理切替手段と、を有し、処理切替手段は、信号変化判定手段の判定結果が、非変化状態のときはフィルタ手段を動作させ、変化状態のときはフィルタ手段を動作させないように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力信号に重畳されたノイズを除去するフィルタ装置に関するものである。

アナログ信号をデジタル値に変換（Ａ／Ｄ変換）して扱うアナログ入力モジュールでは、Ａ／Ｄ変換結果を安定させるため、フィルタ処理を行い入力信号に重畳されたノイズを除去している。

図１６は、従来のアナログ入力モジュールのフィルタ処理の説明図である。
プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）のアナログ入力モジュールにおけるアナログ入力信号の処理について説明する。
センサ等からのアナログ入力信号１は、アナログフィルタ回路１１で、信号に重畳されたノイズを取り除かれ、アナログ回路１２で、信号の大きさがＡ／Ｄ変換回路１３の入力範囲に調整される。Ａ／Ｄ変換回路１３で、アナログ信号１はデジタル値に変換され、マイクロプロセッサ等のデジタル処理部２０でデジタル値が処理される。

Ａ／Ｄ変換の結果であるデジタル値は、理想的には一定のアナログ入力に対して一定の値を出力するが、実際には、回路内に内在するノイズの影響やＡ／Ｄ変換器の性能により変動する。この変動は、Ａ／Ｄ変換の高分解能化に伴って微小な変化も検出され、無視できないものとなっている。

この変動を抑えるため、デジタルフィルタ部２１では、複数回のＡ／Ｄ変換結果の平均をとることや、デジタル値に対してフィルタ演算を施すことが行われる。
平均化処理では、より多くのデータの平均をとることで、Ａ／Ｄ変換結果をより安定させることができ、フィルタ演算としてのロー・パス・フィルタ（ＬＰＦ）処理では、カットオフ周波数をより低い周波数に設定することで、Ａ／Ｄ変換結果をより安定させることができる。
デジタルフィルタ部２１でフィルタ処理をされたデータは、データ処理部２２でフィルタ処理以外の処理がされる。

Ａ／Ｄ変換器により得るデジタル信号をそのまま出力するかあるいはＬＰＦを通過させて出力するか否かを選択するデジタルフィルタ部を示したものとして、例えば特許文献１に記載されたものがあった。

特開平６−３０３１３６号公報

図１６の従来例では次の問題点があった。
Ａ／Ｄ変換結果を安定させるため、より多くのＡ／Ｄ変換結果の平均をとることで、または、ＬＰＦのカットオフ周波数をより低い周波数に設定することで、入力信号変化への追従が遅くなるという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、Ａ／Ｄ変換結果を安定させるとともに、入力信号の変化への追従を遅らせないフィルタ装置を実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明は次のとおりの構成になっている。
（１）アナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換して扱う機器のフィルタ装置であって、
前記アナログ信号が非変化状態か変化状態かを判定する信号変化判定手段と、
前記アナログ信号及びデジタル信号の少なくとも一方に重畳されたノイズを除去するフィルタ手段と、
該フィルタ手段によるフィルタ処理を実行するかしないかを切り換える処理切替手段と、を有し、
該処理切替手段は、前記信号変化判定手段の判定結果が、非変化状態のときは前記フィルタ手段を動作させ、変化状態のときは前記フィルタ手段を動作させないようにしたことを特徴とするフィルタ装置。

（２）前記信号変化判定手段は、判定値として設定される変化許容範囲に対して、前記アナログ信号の変化量が変化許容範囲内であれば非変化状態と判定し、前記アナログ信号の変化量が変化許容範囲外であれば変化状態と判定することを特徴とする（１）記載のフィルタ装置。

（３）前記変化許容範囲は、あらかじめ一定のアナログ信号を入力した際のＡ／Ｄ変換結果であるデジタル値のばらつきから求めた変化幅より広い範囲に設定されていることを特徴とする（２）記載のフィルタ装置。

（４）前記変化許容範囲は、測定対象である前記アナログ信号とは別に、一定のアナログ信号を与える基準入力をＡ／Ｄ変換した結果であるデジタル値のばらつきから随時求まる変化幅に応じて変更されることを特徴とする（２）記載のフィルタ装置。

（５）前記フィルタ手段は、複数回のＡ／Ｄ変換結果のデジタル値に対して平均をとることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のフィルタ装置。

（６）前記フィルタ手段は、Ａ／Ｄ変換結果のデジタル値に対してロー・パス・フィルタ処理をすることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のフィルタ装置。

（７）前記フィルタ手段は、前記アナログ信号の変化量に応じてフィルタ強度を変更することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載のフィルタ装置。

（８）前記フィルタ強度は、前記変化許容範囲内において、前記アナログ信号の変化がないときに最も強く、前記アナログ信号の変化が大きくなるにつれて連続的に少しずつ弱くなることを特徴とする（７）記載のフィルタ装置。

（９）アナログ信号に重畳されたノイズを除去するフィルタ回路と、
該フィルタ回路によるフィルタ処理後のアナログ信号と、フィルタ処理前のアナログ信号を比較し、アナログ信号の変化量を抽出する変化量抽出回路と、を有し、
該変化量抽出回路は、アナログ信号の変化量に応じて、前記フィルタ回路のフィルタ強度を変化させることを特徴とするフィルタ装置。

（１０）前記フィルタ回路は、抵抗及びコンデンサで構成されたロー・パス・フィルタであり、前記変化量抽出回路は、アナログ信号の変化量に応じて、前記抵抗及びコンデンサの少なくとも一方の特性値を変化させることを特徴とする（９）記載のフィルタ装置。

本発明によれば次のような効果がある。
入力信号の変化量に応じてフィルタの強度を変化させることにより、入力信号の変化への追従を遅らせずに、Ａ／Ｄ変換結果を安定させることができる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
センサ等からのアナログ入力信号１は、アナログ回路１２で、信号の大きさがＡ／Ｄ変換回路１３の入力範囲に調整される。Ａ／Ｄ変換回路１３で、アナログ信号１はデジタル値に変換される。
フィルタ手段３１では、複数回のＡ／Ｄ変換結果の平均をとることや、デジタル値に対してフィルタ演算を施すことが行われる。
平均化処理では、より多くのデータの平均をとることで、Ａ／Ｄ変換結果をより安定させることができ、フィルタ演算としてのＬＰＦ処理では、カットオフ周波数をより低い周波数に設定することで、Ａ／Ｄ変換結果をより安定させることができる。

信号変化判定手段３２は、本フィルタ装置により得られた前回のデジタル値の結果（前回値ｙ(n-1)）と、今回Ａ／Ｄ変換回路１３から得られたデジタル値（今回変換値ｘ(n)）との差が変化許容範囲内に収まっている場合には、処理切替手段３３ａ，３３ｂをフィルタ手段３１側へ切り替える。フィルタ手段３１は、前回値ｙ(n-1)と今回変換値ｘ(n)を用いてフィルタ処理を施し、この処理の結果を今回のデジタル値の結果（今回値ｙ(n)）とする。
一方、信号変化判定手段３２は、前回値ｙ(n-1)と今回変換値ｘ(n)の差が変化許容範囲内に収まっていない場合には、処理切替手段３３ａ，３３ｂをフィルタ手段３１とは反対側へ切り替える。その結果、今回変換値ｘ(n)をそのまま今回値ｙ(n)とする。

図２は変化許容範囲の設定の考え方を示す図である。
あらかじめ、一定のアナログ信号を入力した場合、理想値に対し、Ａ／Ｄ変換結果であるデジタル値はある変動幅を持ってばらつく。このデジタル値の最大値及び最小値から変動幅を求めておき、この変動幅より広い範囲にアナログ信号が非変化状態か変化状態かを判定するための変化許容範囲を設定する。
または、アナログ入力モジュールの動作中に、アナログ入力モジュールの外部又は内部から一定の基準入力であるアナログ信号（図１の基準入力２）に対してＡ／Ｄ変換を施した結果の変動幅を監視しておき、この変動幅の変化に応じて変化許容範囲を変更していくようにしてもよい。このようにすれば、アナログ入力モジュールの持つ動作特性の差異、設置環境による動作特性変化、経年変化に伴う動作特性の変化といった状況にも容易に対応することができる。

図３は本発明の動作手順を示したフローチャートである。
アナログ信号のＡ／Ｄ変換値（今回変換値ｘ(n)）を取り込み（Ｓ１０）、本フィルタ装置により得られた前回のデジタル値の結果（前回値ｙ(n-1)）との比較を行う（Ｓ２０）。
前回値ｙ(n-1)と今回変換値ｘ(n)の差が変化許容範囲内に収まっている場合には、今回変換値ｘ(n)に対するフィルタ処理を行い（Ｓ３０）、フィルタ処理結果が今回値ｙ(n)とする（Ｓ４０）。
一方、前回値ｙ(n-1)と今回変換値ｘ(n)の差が変化許容範囲内に収まっていない場合には、今回変換値ｘ(n)でフィルタ処理等の演算を初期化し（Ｓ５０）、今回変換値ｘ(n)をそのまま今回値ｙ(n)とする（Ｓ６０）。

図４はフィルタ強度を一定とした際の変化許容範囲との関係図である。
前回値ｙ(n-1)と今回変換値ｘ(n)の差が変化許容範囲内にあるときはフィルタ処理を行い、変化許容範囲内にないときはフィルタ処理を行わないようにしたもので、フィルタ処理を行う場合、フィルタ処理の強さ（フィルタ強度）は一定である。

図５はフィルタ強度を一定とした際の信号変化の様子を示した図である。
図中のＡはＡ／Ｄ変換回路に入るアナログ信号波形、ＢはＡ／Ｄ変換結果（今回変換値）、Ｃは本発明のフィルタ強度を一定とした場合のフィルタ処理による出力値（今回値又は前回値）、Ｄは信号の変化状態を判定するための変化許容範囲を示す。
例えば、今回変換値Ｂ２は、前回値Ｃ１との差が変化許容範囲Ｄに収まっているので、今回変換値Ｂ２に対してフィルタ演算処理を施して今回値Ｃ２とする。これにより、デジタル信号の変動が、フィルタ処理を施さない場合の変化量｜Ｂ２−Ｃ１｜に比べ、｜Ｃ２−Ｃ１｜と抑えられている。
このように、今回変換値の前回値からの変化量｜ｘ(n)−ｙ(n-1)｜が変化許容範囲内に収まっている場合は、フィルタ処理を施すのでデジタル信号の変動を抑えることができる。

一方、例えば、今回変換値Ｂ５は、前回値Ｃ４との差が変化許容範囲Ｄに収まっていないので、今回変換値Ｂ５に対してフィルタ演算処理を施さずに今回変換値Ｂ５をそのまま今回値Ｃ５とする。これにより、アナログ信号の変化への追従の速さを確保することができる。
このように、今回変換値の前回値からの変化量｜ｘ(n)−ｙ(n-1)｜が変化許容範囲に収まっていない場合は、フィルタ処理を施さないのでデジタル信号の変動を抑えることはできないが、この状態はアナログ信号が実際に変化している状態であり、アナログ信号の変化に起因してデジタル信号の変動より大きな変化が生じている状態であるので、デジタル信号の変動を抑えきれなくても問題とはならない。

図６はフィルタ強度を一定とした際の他の信号変化の様子を示した図である。
図中のＥはＡ／Ｄ変換回路に入るアナログ信号波形、ＦはＡ／Ｄ変換結果（今回変換値）、Ｇは本発明のフィルタ強度を一定とした場合のフィルタ処理による出力値（今回値又は前回値）、Ｄは信号の変化状態を判定するための変化許容範囲を示す。
アナログ信号がゆっくり変化する場合、前回値Ｇと今回変換値Ｆとの差が徐々に開いていき、今回変換値Ｆ５では、前回値Ｇ４との差が変化許容範囲Ｄを越え、一気に今回値がＧ５へと変化してしまう。
このように、入力のアナログ信号は一定の変化速度で推移しているにも関わらず、フィルタ処理後のデジタル値は階段状に変化してしまい、ランプ入力に対しては問題が残る。これは、フィルタ処理の強度を弱くすること（例えば、平均化処理であれば平均化データの個数を少なくすることや、ＬＰＦであればカットオフ周波数を高い周波数に設定すること）で、階段状に現れるデジタル値の急変を小さいものに抑えることができるが、この場合にはもともと意図していたアナログ信号が変化しない場合のデジタル値の変動の抑制効果も犠牲にしてしまうこととなる。

図７はフィルタ強度を可変とした際の変化許容範囲との関係図である。
前回値ｙ(n-1)と今回変換値ｘ(n)の差（信号変化量）が変化許容範囲内にあるときはフィルタ処理を行い、変化許容範囲内にないときはフィルタ処理を行わないようにしたものであり、かつ、フィルタ処理を行う場合、信号変化量に応じてフィルタ強度を変更する。具体的には、変化許容範囲内において、信号変化がないときにフィルタ強度を最も強くし、信号変化量が大きくなるにつれてフィルタ強度を連続的に少しずつ弱くしている。

図８はフィルタ強度を可変とした場合の信号変化の様子を示した図である。
図中のＥはＡ／Ｄ変換回路に入るアナログ信号波形、ＦはＡ／Ｄ変換結果（今回変換値）、Ｈは本発明のフィルタ強度を可変とした場合のフィルタ処理による出力値（今回値又は前回値）、Ｄは信号の変化状態を判定するための変化許容範囲を示す。
アナログ信号がゆっくり変化する場合、フィルタ処理を施すことになるが、前回値Ｈと今回変換値Ｆの差が開くと図７のようにフィルタ強度が弱くなり、フィルタ処理による出力値Ｈのアナログ信号Ｅに対する追従性が高くなる。
また、フィルタ強度は信号変化量が大きくなるに連れて徐々に小さくなるので、信号変化量が変化許容範囲Ｄを越える前後においてフィルタ処理による出力値Ｈが急変することはなくなる。

このように、フィルタ強度を変化許容範囲内において、信号変化量がないときに最も強く、信号変化量が大きくなるにつれて連続的に少しずつ弱くなるようにすることで、アナログ信号が安定している場合は、フィルタ強度を強いものとしてデジタル値の安定性を高めることができるとともに、変化許容範囲を越えるアナログ信号の変化が生じた場合にも、フィルタ処理を施さないでアナログ信号の変化への追従速度を確保することができる。

図９は本発明をアナログ信号に対するフィルタ処理で実現する場合の構成図である。
アナログ入力信号１は、アナログ回路１２で、信号の大きさが調整される。アナログのフィルタ回路（ＬＰＦ）４１を通した後のＡ／Ｄ変換回路１３直前の値と、アナログ回路１２からの信号の差を変化量抽出回路４２にて求め、抽出した変化量に応じてＬＰＦ４１の抵抗Ｒ４１及びコンデンサＣ４１の特性値を変化させることで、ＬＰＦ４１の動作強度を変化させる。その後、この信号をＡ／Ｄ変換回路１３に与えることで、アナログ信号１はデジタル値に変換され、マイクロプロセッサ等のデジタル処理部２０のデータ処理部２２でデジタル値が処理される。
このようにすることで、アナログ信号に対するフィルタ処理においても、ノイズによる変動を抑えつつ信号の変化への追従速度を確保した変換結果を得ることができる。

図１０から図１５は、実際にＰＬＣのアナログ入力モジュールに本発明のフィルタ装置を搭載した場合の効果を示す動作結果である。
本アナログ入力モジュールは、１６ｂｉｔのＡ／Ｄ変換器を備え、変換周期５０ｕｓで動作する。変換データ（Ａ／Ｄ変換のデジタル値）の分解能は０．５ｍＶである。

図１０から図１２は、アナログ入力信号を＋７５ｍＶから−７５ｍＶにステップ状に変化させた場合のデジタル値の変化（＋１５０から−１５０に変化する）をプロットしたものであり、図中の丸印がデジタル値のプロット点を表す。
図１０はステップ入力に対してフィルタ処理を施さなかった場合の動作を示した図である。
アナログ信号が変化していない状態（時間２４８５ｍｓ〜２５００ｍｓ及び２５００ｍｓ〜２５６５ｍｓ）でデジタル値が変動している様子が分かる。ただし、アナログ信号がステップ状に変化した瞬間（２５００ｍｓ前後）の信号の変化への追従性は十分な速度である（デジタル値＋１５０から−１５０へ一気に変化している）。

図１１はステップ入力に対して従来のフィルタ処理を施した場合の動作を示した図である。
アナログ信号が変化していない状態（時間２４５０ｍｓ〜２４６５ｍｓ）でデジタル値の変動が抑えられ、値が安定している。しかし、アナログ信号がステップ状に変化した瞬間（２４６５ｍｓ）からの信号変化に対してもフィルタが動作してしまい、信号変化に追従できていない。

図１２はステップ入力に対して本発明のフィルタ処理を施した場合の動作を示した図である。
アナログ信号が変化していない状態（時間２４８５ｍｓ〜２５００ｍｓ及び２５００ｍｓ〜２５６５ｍｓ）でデジタル値の変動が抑えられて安定している様子が分かる。また、アナログ信号がステップ状に変化した瞬間（２５００ｍｓ前後）の信号の変化への追従性も十分な速度である（デジタル値＋１５０から−１５０へ一気に変化している）。
これにより、本発明のフィルタ装置によるフィルタ処理は、デジタル信号の変動抑制と信号変化への追従性の両立ができることが確認できる。

図１３から図１５は、アナログ入力信号を０Ｖから１Ｖ／ｓの速さでランプ状に変化させた場合のデジタル値の変化をプロットしたものであり、図中の丸印がデジタル値のプロット点を表す。
図１３はランプ入力に対してフィルタ処理を施さなかった場合の動作を示した図である。
時間１０ｍｓ当りデジタル値が２０程度ずつ増加している様子が分かる。ただし、デジタル値が変動し、幅のあるプロットとなっている。

図１４はランプ入力に対して本発明のフィルタ処理でフィルタ強度を一定とした場合の動作を示した図である。
デジタル値は階段状にところどころ急変している様子が分かる。フィルタ強度を一定とした場合、ランプ入力に対して適切なフィルタ処理が成されていない。

図１５はランプ入力に対して本発明のフィルタ処理でフィルタ強度を可変とした場合の動作を示した図である。
時間１０ｍｓ当りデジタル値が２０程度ずつ増加している様子が分かる。さらに、デジタル値の変動が除去された直線的なプロットとなっている。
これにより、フィルタ強度を可変とすることで、ランプ入力に対しても適切なフィルタ処理が成されていることが確認できる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 変化許容範囲の設定の考え方を示す図である。 本発明の動作手順を示したフローチャートである。 フィルタ強度を一定とした際の変化許容範囲との関係図である。 フィルタ強度を一定とした際の信号変化の様子を示した図である。 フィルタ強度を一定とした際の他の信号変化の様子を示した図である。 フィルタ強度を可変とした際の変化許容範囲との関係図である。 フィルタ強度を可変とした場合の信号変化の様子を示した図である。 本発明をアナログ信号に対するフィルタ処理で実現する場合の構成図である。 ステップ入力に対してフィルタ処理を施さなかった場合の動作を示した図である。 ステップ入力に対して従来のフィルタ処理を施した場合の動作を示した図である。 ステップ入力に対して本発明のフィルタ処理を施した場合の動作を示した図である。 ランプ入力に対してフィルタ処理を施さなかった場合の動作を示した図である。 ランプ入力に対して本発明のフィルタ処理でフィルタ強度を一定とした場合の動作を示した図である。 ランプ入力に対して本発明のフィルタ処理でフィルタ強度を可変とした場合の動作を示した図である。 従来のフィルタ処理を示す構成図である。

符号の説明

１ アナログ信号
２ 基準入力
１３ Ａ／Ｄ変換回路
３１ フィルタ手段
３２ 信号変化判定手段
３３ａ，３３ｂ 処理切替手段
４１ フィルタ回路
４２ 変化量抽出回路
Ｃ４１ コンデンサ
Ｒ４１ 抵抗

Claims (10)

1. アナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換して扱う機器のフィルタ装置であって、
   前記アナログ信号が非変化状態か変化状態かを判定する信号変化判定手段と、
   前記アナログ信号及びデジタル信号の少なくとも一方に重畳されたノイズを除去するフィルタ手段と、
   該フィルタ手段によるフィルタ処理を実行するかしないかを切り換える処理切替手段と、を有し、
   該処理切替手段は、前記信号変化判定手段の判定結果が、非変化状態のときは前記フィルタ手段を動作させ、変化状態のときは前記フィルタ手段を動作させないようにしたことを特徴とするフィルタ装置。
2. 前記信号変化判定手段は、判定値として設定される変化許容範囲に対して、前記アナログ信号の変化量が変化許容範囲内であれば非変化状態と判定し、前記アナログ信号の変化量が変化許容範囲外であれば変化状態と判定することを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
3. 前記変化許容範囲は、あらかじめ一定のアナログ信号を入力した際のＡ／Ｄ変換結果であるデジタル値のばらつきから求めた変化幅より広い範囲に設定されていることを特徴とする請求項２記載のフィルタ装置。
4. 前記変化許容範囲は、測定対象である前記アナログ信号とは別に、一定のアナログ信号を与える基準入力をＡ／Ｄ変換した結果であるデジタル値のばらつきから随時求まる変化幅に応じて変更されることを特徴とする請求項２記載のフィルタ装置。
5. 前記フィルタ手段は、複数回のＡ／Ｄ変換結果のデジタル値に対して平均をとることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフィルタ装置。
6. 前記フィルタ手段は、Ａ／Ｄ変換結果のデジタル値に対してロー・パス・フィルタ処理をすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフィルタ装置。
7. 前記フィルタ手段は、前記アナログ信号の変化量に応じてフィルタ強度を変更することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のフィルタ装置。
8. 前記フィルタ強度は、前記変化許容範囲内において、前記アナログ信号の変化がないときに最も強く、前記アナログ信号の変化が大きくなるにつれて連続的に少しずつ弱くなることを特徴とする請求項７記載のフィルタ装置。
9. アナログ信号に重畳されたノイズを除去するフィルタ回路と、
   該フィルタ回路によるフィルタ処理後のアナログ信号と、フィルタ処理前のアナログ信号を比較し、アナログ信号の変化量を抽出する変化量抽出回路と、を有し、
   該変化量抽出回路は、アナログ信号の変化量に応じて、前記フィルタ回路のフィルタ強度を変化させることを特徴とするフィルタ装置。
10. 前記フィルタ回路は、抵抗及びコンデンサで構成されたロー・パス・フィルタであり、前記変化量抽出回路は、アナログ信号の変化量に応じて、前記抵抗及びコンデンサの少なくとも一方の特性値を変化させることを特徴とする請求項９記載のフィルタ装置。
    

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