JP2009094819A

JP2009094819A - ノイズ除去装置

Info

Publication number: JP2009094819A
Application number: JP2007263709A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yamaguchi; 正弘山口
Original assignee: DAI ICHI TSUSHIN KOGYO CO Ltd; DAI-ICHI TSUSHIN KOGYO CO Ltd
Current assignee: DAI ICHI TSUSHIN KOGYO CO Ltd; DAI-ICHI TSUSHIN KOGYO CO Ltd
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】交流ノイズの増幅を回避して入力信号のみを増幅し、騒音や振動の激しい箇所に設置されても高品位な増幅を維持できるノイズ除去装置を提供する。
【解決手段】ノイズ除去装置１Ａは平衡入力回路１を備える。平衡入力回路１の入力系統のうちの一方の系統を信号増幅系統１５に、他方の系統をノイズ検出系統１６に、信号増幅系統１５及びノイズ検出系統１６からの入力を比較し増幅させる系統として演算増幅器２を「ノイズ除去系統」にそれぞれ形成する。ノイズ検出系統１６のノイズ検出系統１６は信号線６が第1の接続部１１においてグラウンド１２に接続し、信号増幅系統１５からグラウンド１２に混入したグラウンドノイズをノイズ分として検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号増幅に用いる電子回路に関する。

従来、オーディオ機器、通信機器、娯楽用機器等において、音声信号等を増幅するための各種電子回路を用いたノイズ除去装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１においては、一対のトランジスタを含んで構成された差動増幅器を備え、不平衡状態で入力された信号を、前記一対のトランジスタのそれぞれのベース端子に平衡状態の信号に位相変換して出力する機能を有するノイズ除去装置が記載されている。
特開２００２−２４６８５５号公報

ここで、上述したような各種機器の内部においては、その機器内で発生する電気的ノイズ（電流、電圧）、機械的ノイズ（内部、外部からの振動に起因する）、対筐体間の静電的ノイズ等が発生する。そして、ノイズ除去装置に対し外部から大きな騒音や振動が加わる環境においては、この騒音や振動によって各デバイス間の容量結合変化や電磁結合変化が生じることで上述のノイズ（交流ノイズ）が発生し、電流として増幅器の動作基準となるグラウンドへ流れ込む。しかし、上記特許文献１に記載の発明においては、入力された信号と共にこれらのノイズも増幅してしまうため、信号品質が低下するという問題がある。

本発明はこのような問題に基づいてなされたものであり、交流ノイズの増幅を回避して入力信号のみを増幅し、騒音や振動の激しい箇所に設置されても高品位な増幅を維持できるノイズ除去装置を提供することを課題としている。

かかる課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、平衡入力回路を備えたノイズ除去装置であって、入力信号を所定の増幅度で増幅する信号増幅系統と、ノイズを検出するノイズ検出系統と、前記信号増幅系統によって供給された前記入力信号及び前記ノイズ検出系統によって検出された前記ノイズに基づいて、前記入力信号に混入した前記ノイズを除去するノイズ除去系統とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記ノイズ検出系統は、前記平衡入力回路のグラウンドの一部に接続されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の構成に加え、前記グラウンドの一部は、前記平衡入力回路の回路構成部分が外部からの物理的影響を受けて電位が上昇している箇所であることを特徴とする

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の構成に加え、前記ノイズ除去系統として差動増幅器又は演算増幅器のうち少なくとも何れか一方を備えたことを特徴とする。

上記、請求項１に記載の発明によれば、平衡入力回路において、入力信号を所定の増幅度で増幅する信号増幅系統と、ノイズを検出するノイズ検出系統と、信号増幅系統によって供給された入力信号及びノイズ検出系統によって検出されたノイズに基づいて、入力信号に混入したノイズを除去するノイズ除去系統とを備えたことにより、平衡入力回路の入力系統のうちの一方の系統を信号増幅系統に、他方の系統をノイズ検出系統に、各系統からの入力を比較し増幅させる系統をノイズ除去系統にそれぞれ形成することが可能になり、平衡入力回路内で発生したノイズの除去を実現できる。これにより、交流ノイズの増幅を回避して入力信号のみを増幅し、騒音や振動の激しい箇所に設置されても高品位な増幅を維持することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ノイズ検出系統は、平衡入力回路のグラウンドの一部に接続されたことにより、信号の品質に大きな影響を及ぼすグラウンドに混入したノイズを検出して、これを除去することが可能になる。これにより、交流ノイズが増幅される事態を一層確実に回避して、騒音や振動の激しい箇所に設置されても一層高品位な増幅を維持することができる。

請求項３に記載の発明によれば、平衡入力回路の回路構成部分が外部からの物理的影響を受けて電位が上昇している箇所にノイズ検出系統が接続されていることにより、平衡入力回路の系統内で発生した最も大きなノイズを検出し、検出されたノイズを除去することができる。これにより、交流ノイズが増幅される事態を一層確実に回避して、騒音や振動の激しい箇所に設置されても一層高品位な増幅を維持することができる。

請求項４に記載の発明によれば、ノイズ除去系統として差動増幅器又は演算増幅器のうち少なくとも何れか一方を備えたことにより、二つの入力系統の電位差をとることで、平衡入力回路の系統内で発生したノイズを除去できる装置を具体的な電子回路として形成できる。

〔発明の実施の形態１〕

図１乃至図３に、この発明の実施の形態を示す。

図１は、この実施の形態のノイズ除去装置の全体構成を示す回路図である。
この実施の形態におけるノイズ除去装置１Ａは、平衡入力回路１を備え、信号増幅とノイズ除去とを行う。この実施の形態において平衡入力回路１に入力されて増幅されるのは音声信号であるが、増幅の必要な信号であればどのような信号が入力されてもよい。

具体的には、この平衡入力回路１は「ノイズ除去系統」を形成する演算増幅器２を備え、この演算増幅器２は負帰還に形成されている。演算増幅器２の反転入力端子３と非反転入力端子４とは交流電源５に接続されている。交流電源５は平衡入力回路１に信号を供給する信号源であり、例えばマイクロフォン等の音声入力機器、ＣＤやＤＡＴやＭＰ３等の音声再生機器がこれに該当する。

交流電源５には信号線６と信号線７とが接続され、信号線６は反転入力端子３に、信号線７は非反転入力端子４にそれぞれ接続されている。信号線６の途中と出力端子８から信号を出力させる信号線９の途中とからは信号線１０が分岐して、この信号線１０が負帰還を形成している。負帰還が形成されることで、信号線９に出力される出力信号において安定した増幅度を得ることができる。

信号線６の途中には第1の接続部１１が形成され、この第1の接続部１１は平衡入力回路１のグラウンド１２の一部に接続されている。信号線７からは信号線１３が分岐し、この信号線１３の端部はグラウンド１２の一部に接続された第２の接続部１４として形成されている。第1の接続部１１は、平衡入力回路１の回路構成部分が外部からの物理的影響を受けている電位が上昇している箇所をグラウンド１２として当該箇所に設けられている。この、電位が上昇している位置とは、平衡入力回路１内で発生したノイズの大きさが最も大きくノイズ電流が流れ込んだグラウンド位置にあたる。具体的には、例えば、平衡入力回路１を収容するシャーシのうち外部から加わる振動や騒音等の物理的影響が最も大きく、前述の外部から加わる振動によってノイズ電流が流れ込みグラウンド１２の電圧が上昇する部分が考えられる。より具体的には、例えば、平行入力回路１のうち、ノイズ除去装置１Ａの配設されたオーディオ機器や娯楽用機器等に設置されたスピーカ（図示せず）に近接した位置、同オーディオ機器や娯楽用機器等に設置されたモータや各種ギア機構等の機械的動作を行う構成に近接した位置、同娯楽用機器において物理的衝突等による衝撃や衝撃音が発生する箇所（例えばパチンコ台における玉の自動射出機構、レーン、釘等）に近接した位置が考えられる。

信号線６の交流電源５と信号線１０の分岐点との間には抵抗Ｒ_１が設けられ、信号線１０の途中には抵抗Ｒ_２が設けられている。信号線７の交流電源５と信号線１３の分岐点との間には抵抗Ｒ_３が設けられ、信号線１３の途中には抵抗Ｒ_４が設けられている。各抵抗の抵抗値は、
Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝Ｒ_４・・・（１）
となるように形成されている。ただし、全抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４の抵抗値は全て等しい大きさである必要はなく、それぞれの抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４の抵抗値は一方の系統と他方の系統とが同じゲインとなるように（即ち、反転入力端子３に入力される信号の大きさと非反転入力端子４に入力される信号のゲインが同じになるように）形成されていれば、どのような大きさであっても構わない。

なお、交流電源５から非反転入力端子４に信号を入力させる系統、即ち信号線７、信号線１３、第２の接続部１４、抵抗Ｒ_３，Ｒ_４は信号増幅系統１５を形成し、交流信号５から供給された入力信号を所定の増幅度で増幅する。また、交流電源５から反転入力端子３に信号を入力させる系統、即ち信号線６、第1の接続部１１、抵抗Ｒ_１，Ｒ_２はノイズ検出系統１６を形成し、平衡入力回路１にて発生したノイズを検出する。

次に、この実施の形態の動作について説明する。

交流電源５において発生した信号（音声信号）は、信号線６，信号線７から演算増幅器２の反転入力端子３，非反転入力端子４に入力される。
上記（１）により、Ｒ_１＝Ｒ_３となり、また、Ｒ_２＝Ｒ_４となる。・・・（２）
また上記（１）により、Ｒ_１＝Ｒ_３とＲ_２＝Ｒ_４との比は１となる。つまり反転入力端子３に入力される信号と非反転入力端子４に入力される信号との比（即ちゲイン）は１となる。・・・（３）
これらにより、この平衡入力回路１の演算増幅器２における入力信号と出力信号との関係（即ち、演算増幅器２における入力信号の増幅）は、以下（４）式に示す通りのものとなる。
Ｖ_ｏｕｔ＝Ｒ_１／Ｒ_３｛（Ｖ_ｉｎ１×Ｇ＋Ｎ_ｖ）−（Ｖ_ｉｎ２×Ｇ＋Ｎ_ｖ）｝・・・（４）
ただし、Ｖ_ｏｕｔ：出力端子８から出力される出力信号の電圧（Ｖ）、Ｖ_ｉｎ１：反転入力端子３に入力される入力信号の電圧（Ｖ）、Ｖ_ｉｎ２：非反転入力端子４に入力される入力信号の電圧（Ｖ）、Ｇ：ゲイン、Ｎ_ｖ：平衡入力回路１の内部で発生するノイズの電圧（Ｖ）である。

上記式（４）の右辺｛｝内に示す通り、Ｎ_ｖの値は相殺されて０になる。また、上記（２）に示す通りＲ_１＝Ｒ_３であるから式（４）においてＲ_１／Ｒ_３＝１であり、また上記（３）に示す通りゲインは１であるから式（４）においてＧ＝１である。

以上により、演算増幅器２においては、反転入力端子３に入力された信号と非反転入力端子４に入力された信号との大きさとの差（Ｖ_ｉｎ１−Ｖ_ｉｎ２）を出力端子８から出力させることになる。

上述の通り、平衡入力回路１の内部で発生するノイズＮ_ｖは演算増幅器２の反転入力端子３と非反転入力端子４とにそれぞれ入力され、演算増幅器２における増幅の過程で相殺されて消去される。そして、この実施の形態においては、ノイズ検出系統１６は、第1の接続部１１がグラウンド１２の一部に接続されていることにより、図５に示す従来のノイズ除去装置１Ｃ（第１の接続部がグラウンドに接続されていない。）において正しく検出することができなかったノイズである、信号増幅系統１５において発生して第２の接続部１４からグラウンド１２に混入したグラウンドノイズをノイズＮ_ｖとして検出し、このグラウンドノイズを除去することが可能になる。

また、ノイズ検出系統１６の第1の接続部１１は、グラウンド１２のうち電位が上昇している箇所に接続されていることにより、平衡入力回路１の系統内で発生した最も大きなノイズをグラウンドノイズとしてのノイズＮ_ｖとして検出し、検出されたグラウンドノイズを除去することが可能になる。

そして、「ノイズ除去系統」として演算増幅器２を備えたことにより、二つの入力系統の電位差をとることで、平衡入力回路１の系統内で発生したノイズを除去できる装置を具体的な電子回路として形成できる。

図２及び図３に、上記実施の形態の具体的な実施例を示す。

この実施例においては、〔発明の実施の形態１〕にて示した平衡入力回路１を回路基板上に形成する。演算増幅器２はＴＩ（Texas Instruments）社製のＮＥ５５３２を用いる。抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４は進工業製の誤差精度５％以下の抵抗を用いる。それぞれの抵抗値は４．７ｋΩである。また、グラウンド１２はスリットパターンを用いる。第1の接続部１１は信号グラウンドの一部であるグラウンドに、第２の接続部１４は信号グラウンドの一部であるグラウンドにそれぞれ設けられている。

交流電源５にはシバソク社製のＣＲ−１１６を用い、交流信号として１ｋＨｚ，０ｄＢＲＭＳの交流信号（正弦波）を出力させる。

この状態で、平衡入力回路１を交流電源５に接続させ、更に平衡入力回路１を形成した基板を加振台の上に乗せて基板を加振台上に固定する。この状態で加振台を一定の周期（２．８ｋＨｚ）で振動させながら、下記（状態１）（状態２）のそれぞれの条件で交流電源５から平衡入力回路１に信号を入力する。
（状態１）：第２の接続部１４をグラウンド１２に接続させた状態（本実施の形態）
（状態２）：第２の接続部１４をグラウンド１２に接続させない状態（比較例、図５参照）
そして、平衡入力回路１の出力端子８から出力された信号をオシロスコープ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社ＴＤＳ１０１２）でＦＦＴ（高速フーリエ変換）をかけてグラフィック表示させる。

図２はこのようににして得られた（状態１）のグラフィック画像であり、図３は（状態２）のグラフィック画像である。同図に示す通り、図２においては、１ｋＨｚにおける入力信号Ｓ_１１のみが突出して現われ、２．８ｋＨｚにおける加振周波数ノイズＮ_１１は殆ど現れていない。また、入力信号Ｓ_１１と加振周波数ノイズＮ_１１との差（ＳＮ比）は約５１ｄＢと、高いＳＮ比が得られている。これより、〔発明の実施の形態１〕において示すノイズ除去装置１Ａにおいては、平衡入力回路１にて発生した交流ノイズが除去され、入力信号のみが増幅され、高いＳＮ比が得られていることが確認できる。

一方、図３においては、１ｋＨｚにおける入力信号Ｓ_２１の他に２．８ｋＨｚにおける加振周波数ノイズＮ_２１と５．６ｋＨｚにおける１次ひずみノイズＮ_２２が明瞭に現れている。また、入力信号Ｓ_２１と加振周波数ノイズＮ_２１との差（ＳＮ比）は約４０ｄＢであり、ＳＮ比は低くなっている。これより、比較例においては、入力信号Ｓ_２１と共に加振周波数ノイズＮ_２１、１次ひずみノイズＮ_２２のような交流ノイズが除去されないまま増幅され、ＳＮ比が低くなってしまうことが確認できる。

〔発明の実施の形態２〕
図４に、この発明の実施の形態を示す。

図４は、この発明の第２の実施の形態に係るノイズ除去装置の全体構成を示す回路図である。同図に示す通り、この実施の形態のノイズ除去装置１Ｂは、実施の形態１と同様に平衡入力回路２１を備えており、信号増幅を行うが、平衡入力回路２１は実施の形態１の演算増幅器２に代えて差動増幅器２２を備え、この差動増幅器２２が「ノイズ除去系統」を形成している。

この差動増幅器２２は、二つのトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２が対称になるように回路構成されている。そして、双方のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２のベース端子がそれぞれ交流電源５から供給された信号が入力される入力端子２３，２４を形成し、一方のトランジスタＴｒ_１のコレクタ端子が一の出力端子２５を形成している。トランジスタＴｒ_１に形成された入力端子２３と交流電源５とは信号線７にて接続されている。

トランジスタＴｒ_１のコレクタ端子は信号線２６ａによってトランジスタＴｒ_３のベース端子と接続されて、トランジスタＴｒ_１とトランジスタＴｒ_３とは２段増幅回路を形成している。トランジスタＴｒ_３のエミッタ端子は信号線３４によってトランジスタＴｒ_４と接続され、トランジスタＴｒ_４は出力インピーダンス変換部２７を形成している。トランジスタＴｒ_４のエミッタ端子は出力端子２９として形成され、この出力端子２９には外部に信号を出力させる信号線２６ｂが接続されている。信号線３０とトランジスタＴｒ_２のベース端子とに接続された信号線１０は負帰還を形成している。

平衡入力回路２１が設けられた基板上又はこの基板が収容されたシャーシの一部には、「グラウンド」としての共通インピーダンスライン３１が設けられている。共通インピーダンスライン３１は導電性の部材で形成されて平衡入力回路２１のグラウンドを形成する。

入力端子２４と共通インピーダンスライン３１の一部とは信号線６ａで接続され、信号線６ａと共通インピーダンスライン３１との接続部分は第１の接続部３２が形成されている。第１の接続部３２は、実施の形態１の第1の接続部１１と同様、平衡入力回路１の回路構成部分が外部からの物理的影響を受けている電位が上昇している箇所を共通インピーダンスライン３１として当該箇所に設けられている。交流電源５と共通インピーダンスライン３１の他の一部とは信号線６ｂで接続される。これにより、交流電源５から入力端子２４へは共通インピーダンスライン３１を経て信号が入力される。

信号線７からは信号線１３が分岐し、この信号線１３の端部は共通インピーダンスライン３１の別の一部に接続された第２の接続部３３として形成されている。

信号線６ａの途中には抵抗Ｒ_１が設けられ、信号線１０の途中には抵抗Ｒ_２が設けられている。信号線７の交流電源５と信号線１３の分岐点との間には抵抗Ｒ_３が設けられ、信号線１３の途中には抵抗Ｒ_４が設けられている。各抵抗の抵抗値は〔発明の実施の形態１〕と同じである。

なお、交流電源５から入力端子２３に信号を入力させる系統、即ち信号線７、信号線１３、第２の接続部３３、抵抗Ｒ_３，Ｒ_４は信号増幅系統３４を形成する。また、交流電源５から入力端子２４に信号を入力させる系統、即ち信号線６ａ，６ｂ、第1の接続部１１、抵抗Ｒ_１，Ｒ_２はノイズ検出系統３５を形成する。

次に、この実施の形態の動作について説明する。

交流電源５において発生した信号は、信号線７を通じてトランジスタＴｒ_１に入力される。一方、信号線６ａ，６ｂは共通インピーダンスライン３１に接続されているため、トランジスタＴｒ_２には交流電源５から出力された信号は入力されない。そして、双方のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２にはそれぞれ平衡入力回路２１の内部で発生するノイズが同相の信号として入力される。

そして、この実施の形態においても〔発明の実施の形態１〕の（３），（４）の関係が成立するので、〔発明の実施の形態１〕と同様に、信号の品質に大きな影響を及ぼすグラウンドに混入したノイズを検出してこれを除去すること（つまり、双方のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２には同位相で同一の大きさノイズ信号がそれぞれ入力され、これらのノイズ信号が作動増幅器２２の作動増幅によって相殺されて消去される。）、及び、平衡入力回路２１の系統内で発生した最も大きなノイズを検出し、検出されたノイズを除去することが可能になる。そして、「ノイズ除去系統」として差動増幅器２２を備えたことにより、二つの入力系統の電位差をとることで、平衡入力回路２１の系統内で発生したノイズを除去できる装置を具体的な電子回路として形成できる。

上記各実施の形態においては、平衡入力回路１，２１の入力系統のうちの一方の系統を信号増幅系統１５，３４に、他方の系統をノイズ検出系統１６，３５に、信号増幅系統１５，３４及びノイズ検出系統１６，３５からの入力を比較し増幅させる系統として演算増幅器２又は差動増幅器２２を「ノイズ除去系統」にそれぞれ形成することが可能になり、平衡入力回路１，２１内で発生したノイズの除去を実現できる。

なお、上記各実施の形態においては、平衡入力回路１，２１は演算増幅器２又は差動増幅器２２を備える構成としたが、これに限定することなく、変圧器等、複数の信号を入力し、該入力された複数の信号の差に基づいて増幅を行う方式を用いられるものであればどのようなものでもよい。

上記実施の形態は本発明の例示であり、本発明が上記実施の形態に限定されることを意味するものではないことは、いうまでもない。

以上の通り、本発明のノイズ除去装置は、交流ノイズの増幅を回避して入力信号のみを増幅し、騒音や振動の激しい箇所に設置されても高品位な増幅を維持することができるので、パチンコ台、スロット台等の娯楽用機器、ＦＡ用センサ、増幅器等に適用できる。また、グラウンドノイズを検出して除去できるので、音響計測システム等の計測機器等としても応用できる。

この発明の第１の実施の形態に係るノイズ除去装置の全体構成を示す回路図である。同上ノイズ除去装置の実施例としての、第２の接続部をグラウンドに接続させた状態で出力させた出力信号のグラフィック画像である。同上ノイズ除去装置の実施例としての、第２の接続部をグラウンドに接続させない状態で出力させた出力信号のグラフィック画像である。この発明の第２の実施の形態に係るノイズ除去装置の全体構成を示す回路図である。従来のノイズ除去装置の全体構成を示す回路図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ・・・ノイズ除去装置
１，２１・・・平衡入力回路
２・・・演算増幅器（ノイズ除去系統）
１５，３４・・・信号増幅系統
１６，３５・・・ノイズ検出系統
２２・・・差動増幅器（ノイズ除去系統）

Claims

平衡入力回路を備えたノイズ除去装置であって、入力信号を所定の増幅度で増幅する信号増幅系統と、ノイズを検出するノイズ検出系統と、前記信号増幅系統によって供給された前記入力信号及び前記ノイズ検出系統によって検出された前記ノイズに基づいて、前記入力信号に混入した前記ノイズを除去するノイズ除去系統とを備えたことを特徴とするノイズ除去装置。
前記ノイズ検出系統は、前記平衡入力回路のグラウンドの一部に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のノイズ除去装置。
前記グラウンドの一部は、前記平衡入力回路の回路構成部分が外部からの物理的影響を受けて電位が上昇している箇所であることを特徴とする請求項２に記載のノイズ除去装置。
前記ノイズ除去系統として差動増幅器又は演算増幅器のうち少なくとも何れか一方を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載のノイズ除去装置。