JP2009186345A - 位相検出方法、位相検出装置および波形測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高調波が重畳した測定信号の所定時点での位相を正確に検出する。
【解決手段】測定信号Ｓ１の波形データＤ１から測定信号Ｓ１の自己相関関数Ｄｃを求める相関算出部４と、自己相関関数Ｄｃから測定信号Ｓ１の基本周波数を示す周波数データＤｆを求める周波数検出部５と、この基本周波数の正弦波についての波形データＤｓｉを発生させる正弦波発生部６と、この基本周波数の余弦波についての波形データＤｃｏを発生させる余弦波発生部７と、波形データＤ１のうちの所定時点でのデータを起点とした乗算用データＤ４を各波形データＤｓｉ，Ｄｃｏと乗算する乗算部８，９と、乗算部８，９での乗算で得られた乗算データＤｍｓ，Ｄｍｃをそれぞれ積分して直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃを算出すると共に直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃの比に基づいて測定信号Ｓ１の所定時点での位相αを検出する処理部２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力した測定信号についての所定時点での位相を検出する位相検出方法および位相検出装置、並びにこの位相検出装置を備えた波形測定装置に関するものである。

信号間の位相差を検出する位相検出方法としては、例えば、下記特許文献１に開示されているように、各信号について零クロス点（値が零となる点）を検出し、各信号の零クロス点間の差から位相を求める方法が一般的である。したがって、測定信号についての所定時点での位相の検出においても、測定信号の零クロス点を検出し、この零クロス点と所定時点との時間差および測定信号の１周期から位相を求める方法が通常行われている。
特開平６−３５１２６１号公報（第３頁、第２図）

ところが、上記の零クロス点に基づく位相の検出方法には、以下の問題点がある。すなわち、この検出方法には、複数の高調波が重畳した測定信号のように不要な零クロス点が発生する場合には、本来の零クロス点を特定できない結果、位相を正確に検出できないという問題点が存在している。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、複数の高調波が重畳した測定信号についての所定時点での位相を正確に検出し得る位相検出方法と、この位相検出方法を実施する位相検出装置と、この位相検出装置を備えた波形測定装置とを提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の位相検出方法は、測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータから当該測定信号の自己相関関数を求め、前記自己相関関数に基づいて前記測定信号の基本周波数を求め、前記基本周波数の正弦波および余弦波を発生させると共に、前記サンプリングデータのうちから所定時点でのデータを起点としたデータを抽出して、当該正弦波および当該余弦波のそれぞれと乗算し、前記正弦波との乗算によって得られたデータおよび前記余弦波との乗算によって得られたデータをそれぞれ積分し、前記積分によって得られた２つの積分値の比に基づいて、前記測定信号の前記所定時点での位相を検出する。

請求項２記載の位相検出装置は、測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータから当該測定信号の自己相関関数を求める相関算出部と、前記自己相関関数に基づいて前記測定信号の基本周波数を求める周波数検出部と、前記基本周波数の正弦波を発生させる正弦波発生部と、前記基本周波数の余弦波を発生させる余弦波発生部と、前記サンプリングデータのうちから抽出された所定時点でのデータを起点としたデータを前記正弦波および前記余弦波のそれぞれと乗算する２つの乗算部と、前記各乗算部での乗算によって得られたデータをそれぞれ積分すると共に、当該積分によって得られた各データの比に基づいて、前記測定信号の前記所定時点での位相を検出する処理部とを備えている。

請求項３記載の波形測定装置は、請求項２記載の位相検出装置を備え、前記測定信号をサンプリングして当該サンプリングデータを前記位相検出装置に出力する。

請求項１記載の位相検出方法および請求項２記載の位相検出装置によれば、測定信号のサンプリングデータから測定信号の自己相関関数を求め、この自己相関関数に基づいて測定信号の基本周波数を求め、基本周波数の正弦波および余弦波を発生させると共に、サンプリングデータのうちから所定時点でのデータを起点としたデータを抽出して、発生させた正弦波および余弦波のそれぞれと乗算し、正弦波との乗算によって得られたデータおよび余弦波との乗算によって得られたデータをそれぞれ積分し、積分によって得られた２つの積分値の比に基づいて、測定信号の所定時点での位相を検出することにより、複数の高調波が重畳した測定信号についてもその基本周波数成分の零クロス点を基準とした位相時点での位相を正確に検出することができる。

また、請求項３記載の波形測定装置によれば、上記の位相検出装置を備えたことにより、測定信号を測定しつつ、この測定信号についての位相を正確に検出して、表示画面などに表示させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る位相検出方法、位相検出装置および波形測定装置の最良の形態について説明する。

位相検出装置１は、図１に示すように、処理部２、記憶部３、相関算出部４、周波数検出部５、正弦波発生部６、余弦波発生部７および乗算部８，９を備え、波形測定装置２１でサンプリングされた測定信号Ｓ１についての波形データＤ１（本発明におけるサンプリングデータ）に基づいて、測定信号Ｓ１の基本周波数成分Ｓ１ｂ（図２参照）についての所定時点（一例として図２に示すカーソルＡの表示位置）での位相α（一例として図２に示す基本周波数成分Ｓ１ｂの零クロス点Ｂを基準（０°）とした位相）を検出する。

処理部２は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で構成されて、波形測定装置２１から出力された波形データＤ１、およびカーソルＡの表示位置を示す位置データＤ２を入力して記憶部３に記憶させる記憶処理を実行する。本例では、波形データＤ１は、波形測定装置２１で取得（測定）された測定信号Ｓ１の波形データＤ１のうちの波形測定装置２１の表示画面２２に表示されている測定信号Ｓ１についての波形データＤ１であり、測定信号Ｓ１の基本周波数成分Ｓ１ｂが１周期以上含まれているものとする。この場合、波形データＤ１は、位相検出装置１が検出対象としている測定信号Ｓ１の基本周波数に対して２倍以上の周波数でオーバーサンプリングされて得られたデータであるものとする。また、処理部２は、波形データＤ１の全部または一部のデータ（少なくとも測定信号Ｓ１の１周期以上のデータ）を周波数検出用データＤ３として相関算出部４に出力する出力処理（第１出力処理）、正弦波発生部６および余弦波発生部７に対して正弦波および余弦波をそれぞれ発生させる正弦波・余弦波発生処理、各乗算部８，９への乗算用データＤ４の出力処理（第２出力処理）、各乗算部８，９から出力される後述の各乗算データＤｍｓ，Ｄｍｃをそれぞれ積分して後述する直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃを算出する積分処理、および各直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃに基づく位相算出処理を実行する。このように処理部２は、上記の積分処理を実行するため、本発明における積分部としても機能する。なお、一例として、上記の正弦波・余弦波発生処理では、処理部２は、正弦波発生部６および余弦波発生部７に対して制御信号Ｓｓを出力することにより、この制御信号Ｓｓの出力期間中だけ正弦波発生部６および余弦波発生部７を作動させて正弦波および余弦波を発生させる。

記憶部３は、一例としてＲＡＭ等の半導体メモリで構成されて、処理部２から入力した波形データＤ１、位置データＤ２、周波数データＤｆ、直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃ、および位相αを記憶する。相関算出部４は、入力した周波数検出用データＤ３の自己相関関数Ｄｃを算出して出力する。周波数検出部５は、自己相関関数Ｄｃの極大点（ピーク点）に基づいて測定信号Ｓ１の基本周波数ｆｂを算出すると共に、基本周波数ｆｂを示す周波数データＤｆを出力する。

正弦波発生部６は、処理部２から入力した周波数データＤｆで示される基本周波数ｆｂと同一周波数の正弦波信号についての波形データＤｓｉを、処理部２からの制御信号Ｓｓの出力タイミングに同期して出力する。余弦波発生部７は、処理部２から入力した周波数データＤｆで示される基本周波数ｆｂと同一周波数の余弦波信号についての波形データＤｃｏを、処理部２からの制御信号Ｓｓの出力タイミングに同期して出力する。以上の構成により、正弦波発生部６および余弦波発生部７は、処理部２からの制御信号Ｓｓの出力開始のタイミングに同期して、同一タイミングで正弦波信号についての波形データＤｓｉおよび余弦波信号についての波形データＤｃｏの生成を開始し、処理部２からの制御信号Ｓｓの出力停止のタイミングに同期して波形データＤｓｉ，Ｄｃｏの生成を停止する。

乗算部８は、波形データＤｓｉと処理部２から出力された乗算用データＤ４とを乗算して、その乗算結果を乗算データＤｍｓとして出力する。一方、乗算部９は、波形データＤｃｏと処理部２から出力された乗算用データＤ４とを乗算して、その乗算結果を乗算データＤｍｃとして出力する。

次に、位相検出装置１による位相検出処理について、図３を参照して説明する。なお、記憶部３には、波形測定装置２１から出力された波形データＤ１および位置データＤ２が処理部２によって予め記憶されているものとする。

この位相検出処理１００では、位相検出装置１は、まず、図３に示す相関関数算出処理（ステップ１０１）を実行する。具体的には、処理部２が、記憶部３から波形データＤ１の全部または一部のデータを読み出して周波数検出用データＤ３として相関算出部４に出力する出力処理（第１出力処理）を実行し、相関算出部４が、入力した周波数検出用データＤ３の自己相関関数を算出して自己相関関数Ｄｃとして出力することにより、相関関数算出処理が実行される。

続いて、位相検出装置１は、周波数検出処理を実行する（ステップ１０２）。この周波数検出処理では、周波数検出部５が、相関算出部４から出力される自己相関関数Ｄｃの極大点を検出し、自己相関関数Ｄｃの基準点から極大点が検出された点までの時間に基づいて測定信号Ｓ１の基本周波数ｆｂを算出して、基本周波数ｆｂを示す周波数データＤｆを出力する。これにより、周波数検出処理が完了する。

次いで、位相検出装置１は、正弦波・余弦波発生処理を実行する（ステップ１０３）。この正弦波・余弦波発生処理では、処理部２は、正弦波発生部６および余弦波発生部７に対して、まず周波数データＤｆを出力し、次いで制御信号Ｓｓを出力する。これにより、正弦波発生部６は、入力した周波数データＤｆで示される基本周波数ｆｂと同一周波数の正弦波信号についての波形データＤｓｉの生成を制御信号Ｓｓの入力タイミングに同期して開始すると共に、生成した波形データＤｓｉの乗算部８への出力を開始する。同様にして、余弦波発生部７も、入力した周波数データＤｆで示される基本周波数ｆｂと同一周波数の余弦波信号についての波形データＤｃｏの生成を制御信号Ｓｓの入力タイミングに同期して開始すると共に、生成した波形データＤｃｏの乗算部９への出力を開始する。この正弦波発生部６および余弦波発生部７による波形データＤｓｉ，Ｄｃｏの生成は、処理部２による制御信号Ｓｓの停止まで続行される。

また、位相検出装置１は、正弦波・余弦波発生処理の実行と併せて、乗算処理（第２出力処理）を実行する。この乗算処理では、処理部２は、位置データＤ２に基づき、記憶部３に記憶されている波形データＤ１のうちからのカーソルＡの表示位置に対応するデータを起点とする所定長（測定信号Ｓ１の１周期分以上の長さ）のデータを抽出して乗算用データＤ４として各乗算部８，９に出力する出力処理（第２出力処理）を実行する。これにより、乗算部８には、正弦波発生部６からの波形データＤｓｉと処理部２からの乗算用データＤ４とが同期して入力され、乗算部９にも、余弦波発生部７からの波形データＤｃｏと処理部２からの乗算用データＤ４とが同期して入力される。乗算部８は、入力した波形データＤｓｉと乗算用データＤ４とを乗算して、乗算データＤｍｓとして出力し、乗算部９は、入力した波形データＤｃｏと乗算用データＤ４とを乗算して、乗算データＤｍｃとして出力する。

続いて、位相検出装置１は、積分処理を実行する（ステップ１０４）。具体的には、積分処理として、処理部２が、乗算部８から出力された乗算データＤｍｓを順次加算して直流成分データＤｄｓ（本発明における積分値）を算出すると共に、乗算部９から出力された乗算データＤｍｃを順次加算して直流成分データＤｄｃ（本発明における積分値）を算出する。処理部２は、算出した各直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃを記憶部３に記憶させる。

上記の乗算処理および積分処理について、具体例を挙げて説明する。発明の理解を容易にするため、一例として、乗算用データＤ４は、位相αを含む基本周波数ｆｂの正弦波信号（ｓｉｎ（ωｔ＋α））と、ノイズ成分としての正弦波信号（ｓｉｎ（２ωｔ））とで構成されるものとする。この場合、処理部２からの制御信号Ｓｓの出力開始時点を基準として、正弦波発生部６および余弦波発生部７が遅延することなく波形データＤｓｉ，Ｄｃｏの出力を開始したとすると、波形データＤｓｉは正弦波信号（ｓｉｎ（ωｔ））を示すものとなり、波形データＤｃｏは余弦波信号（ｃｏｓ（ωｔ））を示すものとなる。なお、ωは、２×π×ｆｂである。このため、乗算部８から出力される乗算データＤｍｓで示される信号は、基本周波数ｆｂの余弦波信号、基本周波数ｆｂの２倍の周波数の余弦波信号、基本周波数ｆｂの３倍の周波数の余弦波信号、およびｃｏｓ（α）で表される直流信号の合成信号となる。一方、乗算部９から出力される乗算データＤｍｃで示される信号は、基本周波数ｆｂの正弦波信号、基本周波数ｆｂの２倍の周波数の正弦波信号、基本周波数ｆｂの３倍の周波数の正弦波信号、およびｓｉｎ（α）で表される直流信号の合成信号となる。したがって、処理部２による積分処理により、直流信号（ｃｏｓ（α））を示す直流成分データＤｄｓが算出されると共に、直流信号（ｓｉｎ（α））を示す直流成分データＤｄｃが算出される。

最後に、位相検出装置１は、位相算出処理を実行する（ステップ１０５）。この位相算出処理では、処理部２は、算出した両直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃに基づいて、位相αを算出する。上記の乗算処理および積分処理での具体例に基づいて、具体的に説明すると、処理部２は、まず、直流信号（ｃｏｓ（α））を示す直流成分データＤｄｓで直流信号（ｓｉｎ（α））を示す直流成分データＤｄｃを除算することにより、ｔａｎ（α）（本発明における各直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃの比）を算出し、さらにこのアークタンジェントを算出する。これにより、位相αが算出される。処理部２は、算出した位相αを記憶部３に記憶させて、この位相算出処理を完了させる。これにより、位相検出処理１００が完了する。

このように、この位相検出装置１および位相検出方法によれば、測定信号Ｓ１の波形データＤ１から測定信号Ｓ１の自己相関関数Ｄｃを求め、この自己相関関数Ｄｃに基づいて測定信号Ｓ１の基本周波数ｆｂを求め、基本周波数ｆｂの正弦波信号についての波形データＤｓｉおよび基本周波数ｆｂの余弦波信号についての波形データＤｃｏを発生させると共に、波形データＤ１のうちからカーソルＡの表示位置に対応するデータを起点とする所定長の乗算用データＤ４を抽出して、各波形データＤｓｉ，Ｄｃｏのそれぞれと乗算し、両乗算によって得られた乗算データＤｍｓ，Ｄｍｃをそれぞれ積分し、積分によって得られた各直流成分データＤｄｓ，Ｄｄｃの比に基づいて、測定信号Ｓ１のカーソルＡでの位相αを検出することにより、複数の高調波が重畳した測定信号Ｓ１についてもカーソルＡの表示位置での位相αを正確に検出することができる。

なお、本発明は、上記した発明の実施の形態に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、上述した実施の形態では、波形測定装置２１と別体に位相検出装置１を構成しているが、波形測定装置２１に位相検出装置１を組み込むこともできる。また、処理部２が、記憶部３に記憶させた位相αを波形測定装置２１に出力する構成を採用することもできる。この構成により、測定信号を測定しつつ、検出した位相αを波形測定装置２１の表示画面２２に表示させる（例えば、測定信号の信号波形と共に表示させる）ことができる。また、位相検出装置１に出力部を設けて、検出した位相αをこの出力部に出力させる構成とすることもできる。この場合、出力部は、ディスプレイなどの表示装置や、プリンタおよびプロッタなどの印字装置などで構成することができる。また、各正弦波発生部６，７および各乗算部８，９をディジタル回路で構成しているが、アナログ回路で構成してもよいのは勿論である。

位相検出装置１の構成を示す構成図である。 波形測定装置２１における表示画面２２の正面図である。 位相検出装置１の動作（位相検出方法）を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 位相検出装置
２ 処理部
４ 相関算出部
５ 周波数検出部
６ 正弦波発生部
７ 余弦波発生部
８，９ 乗算部
Ｄ１ 波形データ
Ｄ２ 位置データ
Ｄｃ 自己相関関数
Ｄｄｃ，Ｄｄｓ 直流成分データ
Ｄｆ 周波数データ
Ｄｍｃ，Ｄｍｓ 乗算データ
Ｓ１ 測定信号
α 位相

Claims (3)

1. 測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータから当該測定信号の自己相関関数を求め、
   前記自己相関関数に基づいて前記測定信号の基本周波数を求め、
   前記基本周波数の正弦波および余弦波を発生させると共に、前記サンプリングデータのうちから所定時点でのデータを起点としたデータを抽出して、当該正弦波および当該余弦波のそれぞれと乗算し、
   前記正弦波との乗算によって得られたデータおよび前記余弦波との乗算によって得られたデータをそれぞれ積分し、
   前記積分によって得られた２つの積分値の比に基づいて、前記測定信号の前記所定時点での位相を検出する位相検出方法。
2. 測定信号をサンプリングして得られたサンプリングデータから当該測定信号の自己相関関数を求める相関算出部と、
   前記自己相関関数に基づいて前記測定信号の基本周波数を求める周波数検出部と、
   前記基本周波数の正弦波を発生させる正弦波発生部と、
   前記基本周波数の余弦波を発生させる余弦波発生部と、
   前記サンプリングデータのうちから抽出された所定時点でのデータを起点としたデータを前記正弦波および前記余弦波のそれぞれと乗算する２つの乗算部と、
   前記各乗算部での乗算によって得られたデータをそれぞれ積分すると共に、当該積分によって得られた各データの比に基づいて、前記測定信号の前記所定時点での位相を検出する処理部とを備えている位相検出装置。
3. 請求項２記載の位相検出装置を備え、前記測定信号をサンプリングして当該サンプリングデータを前記位相検出装置に出力する波形測定装置。

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