JP2009272733A - Amplitude characteristic correction method for output signal of a/d converter, and seismometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、A/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法及び地震計に関する。 The present invention relates to an amplitude characteristic correction method for an output signal of an A / D converter and a seismometer.
従来、地震計等においては、ΔΣ変調器及びデシメーションフィルタを備えたA/D変換器により、アナログの入力信号からユーザの所望するデジタルの出力信号を取得できることが知られている(例えば、特許文献1)。
しかし、上記のようなA/D変換器により出力されるデジタル信号は、入力信号との振幅の相対比が周波数の増加に伴い高い減衰率で低下するが、所定の周波数までの通過域において十分な振幅の平坦特性(入力信号と出力信号の振幅の相対比が略1となる特性)が得られず、ユーザの所望する正確な計測結果が得られないという問題があった。 However, in the digital signal output by the A / D converter as described above, the relative ratio of the amplitude to the input signal decreases with a high attenuation rate as the frequency increases, but it is sufficient in the passband up to a predetermined frequency. Therefore, there is a problem that a flat characteristic of the amplitude (a characteristic in which the relative ratio of the amplitude of the input signal to the output signal is approximately 1) cannot be obtained, and an accurate measurement result desired by the user cannot be obtained.
上記問題について、例えば、デシメーションフィルタとしてSincフィルタが用いられている場合、A/D変換器により出力されるデジタル信号を、Sincフィルタと逆特性を備えるFIR(Finite Impulse Response)フィルタに通過させることで補正する方法が知られている。 Regarding the above problem, for example, when a sinc filter is used as a decimation filter, the digital signal output from the A / D converter is passed through an FIR (Finite Impulse Response) filter having reverse characteristics to the sinc filter. A correction method is known.
しかし、FIRフィルタを用いた場合、処理が高次となるので演算量が多く、十分な演算処理速度を得ることが出来ないという問題があり、また、高次のフィルタであるためフィルタの全体長も長くせざるを得ないという設計上の問題も伴うことになる。 However, when the FIR filter is used, there is a problem that the processing becomes high order and the amount of calculation is large, and a sufficient calculation processing speed cannot be obtained. However, there is a design problem that it must be long.
本発明の課題は、低次のフィルタにより、所定の周波数まで、入力信号との相対比が略1となるような振幅特性を実現するA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法及び地震計を提供することにある。 An object of the present invention is to correct an amplitude characteristic of an output signal of an A / D converter that realizes an amplitude characteristic such that a relative ratio to an input signal is approximately 1 up to a predetermined frequency by a low-order filter, and an earthquake To provide a total.
以上の課題を解決するため、請求項1に記載のA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法は、
アナログ入力信号をデジタル信号に変換するΔΣ変調器と、
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたA/D変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正するA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法において、
IIRフィルタを用い、
前記IIRフィルタの伝達関数H(z)は、
遮断周波数をfhとし、クオリティファクタをQとした、式(1)のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をfsとして双一次変換した式(2)からなり、
前記遮断周波数fh、及び、クオリティファクタQを任意の値に設定し、前記A/D変換器より出力されるデジタル信号を前記IIRフィルタに入力させることにより、当該IIRフィルタを通過したデジタル信号が所定の周波数まで、前記アナログ入力信号との相対比が略1となる振幅特性を有するように補正することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the method for correcting the amplitude characteristic of the output signal of the A / D converter according to claim 1 comprises:
A ΔΣ modulator that converts an analog input signal into a digital signal;
A decimation filter that thins out a digital signal converted by the ΔΣ modulator at a predetermined decimation rate, and an A / D converter that corrects amplitude characteristics of the digital signal output from the A / D converter In the method for correcting the amplitude characteristic of the output signal,
Using an IIR filter,
The transfer function H (z) of the IIR filter is
The transfer function of the low-pass filter of Equation (1), where the cutoff frequency is fh and the quality factor is Q, is prewarped, and consists of Equation (2) obtained by bilinear transformation with the sampling frequency as fs.
The cutoff frequency fh and the quality factor Q are set to arbitrary values, and the digital signal output from the A / D converter is input to the IIR filter, so that the digital signal that has passed through the IIR filter is predetermined. The frequency characteristic is corrected so as to have an amplitude characteristic in which the relative ratio to the analog input signal is approximately 1.
請求項2に記載の発明は、地震計において、
アナログ入力信号を1ビットのデジタル信号に変換するΔΣ変調器と、
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたA/D変換器と、
前記A/D変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、
IIRフィルタを備え、
前記IIRフィルタの伝達関数H(z)は、
遮断周波数をfhとし、クオリティファクタをQとした、式(1)のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をfsとして双一次変換した式(2)からなり、
前記遮断周波数fh、及び、クオリティファクタQが任意の値に設定された前記IIRフィルタは、前記IIRフィルタを通過した前記A/D変換器より出力されるデジタル信号が、30Hz以上まで、前記アナログ入力信号との相対比が略1となる振幅特性を有するように補正することを特徴とする。
The invention according to claim 2 is a seismometer,
A ΔΣ modulator that converts an analog input signal into a 1-bit digital signal;
A decimation filter that decimates the digital signal converted by the ΔΣ modulator at a predetermined decimation rate; and
Correction means for correcting the amplitude characteristics of the digital signal output from the A / D converter,
The correction means includes
With an IIR filter,
The transfer function H (z) of the IIR filter is
The transfer function of the low-pass filter of Equation (1), where the cutoff frequency is fh and the quality factor is Q, is prewarped, and consists of Equation (2) obtained by bilinear transformation with the sampling frequency as fs.
The IIR filter in which the cut-off frequency fh and the quality factor Q are set to arbitrary values is such that the digital signal output from the A / D converter that has passed through the IIR filter is 30 Hz or higher. The correction is performed so as to have an amplitude characteristic in which the relative ratio to the signal is approximately 1.
本発明によると、式(2)の伝達関数において、遮断周波数fh、及び、クオリティファクタQを任意の値に設定することにより、その伝達関数からなるIIR(Infinite Impulse Response)フィルタを通過した、A/D変換器から出力されるデジタル信号は、所定の周波数まで入力信号との相対比が略1となる振幅特性を実現できる。
すなわち、式(2)の伝達関数からなるIIRフィルタによりA/D変換器から出力されるデジタル信号が補正されるので、ユーザは遮断周波数fh、及び、クオリティファクタQの値を調整することにより、所望する周波数帯域における出力信号の振幅の平坦特性を容易に実現することが出来る。
さらに、式(2)に示すように低次のフィルタであるため演算量が少なくて済み、演算処理の高速化が図れる。
したがって、本発明は、低次のフィルタにより、所定の周波数まで、入力信号との相対比が略1となるような振幅特性を実現するA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法といえる。
According to the present invention, in the transfer function of equation (2), by setting the cutoff frequency fh and the quality factor Q to arbitrary values, an AR that has passed through an IIR (Infinite Impulse Response) filter composed of the transfer function is obtained. The digital signal output from the / D converter can realize an amplitude characteristic in which the relative ratio to the input signal is approximately 1 up to a predetermined frequency.
That is, since the digital signal output from the A / D converter is corrected by the IIR filter composed of the transfer function of Equation (2), the user adjusts the cutoff frequency fh and the quality factor Q value. A flat characteristic of the amplitude of the output signal in a desired frequency band can be easily realized.
Furthermore, as shown in the equation (2), since it is a low-order filter, the calculation amount is small, and the calculation process can be speeded up.
Therefore, the present invention can be said to be an amplitude characteristic correction method for an output signal of an A / D converter that realizes an amplitude characteristic such that a relative ratio to an input signal is approximately 1 up to a predetermined frequency by a low-order filter. .
以下、図1を参照して本発明に係るA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法及び地震計について説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。 Hereinafter, a method for correcting an amplitude characteristic of an output signal of an A / D converter and a seismometer according to the present invention will be described with reference to FIG. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated examples.
図1は、地震計1の内部構成を示すブロック図である。地震計1は、例えば、地震による振動をアナログ信号として検出する振動検出器5と、振動検出器5により検出されたアナログ信号を、アナログ入力信号10として入力し、デジタル信号40に変換するA/D変換器20と、フィルタリング処理により、A/D変換器20から出力されるデジタル信号40を補正し、補正されたデジタル信号60を生成するPLD(Programmable Logic Device)としてのFPGA(Field Programmable Gate Array)50と、所定の制御プログラム等を備えて地震計1の処理を制御する制御部70と、ユーザによる地震計1の入力操作を実行するための入力部80と、地震計1の計測結果等を表示する表示部90と、等を備えて構成される。
FIG. 1 is a block diagram showing the internal configuration of the seismometer 1. The seismometer 1 receives, for example, a
振動検出器5は、例えば、サーボ型振動検出器から構成されており、内部に備えられた振り子の中立位置からのずれを、駆動コイルを用いた電流量制御によって中立位置へ戻し、その時駆動コイルに流れた電流を測定することで、各方向の加速度を検出することが出来る。
The
A/D変換器20は、ΔΣ変調器21と、デシメーションフィルタとしてのSinc3フィルタ22と、等を備えて構成され、振動検出器5から検出されるアナログ信号をアナログ入力信号10として入力し、デジタル信号40に変換する処理を行う。
The A /
ΔΣ変調器21は、図示しない量子化器や積分器等を備えて構成されており、アナログ入力信号10をデジタル信号に変換する。
このΔΣ変調器21は、オーバーサンプリングを行うことにより量子化誤差を少なくし、ノイズシェービングを行うことによりノイズの発生を抑止している。
The
The
Sinc3フィルタ22は、ΔΣ変調器21によりオーバーサンプリングされたデジタル信号を所定のデシメーションレートNに基づいて間引くデシメーションフィルタとして機能しており、次式(3)の伝達関数にて表される3次のSincフィルタである。
FPGA50は、格子状に配置された複数の論理回路から構成されており、ユーザが独自の論理回路を書き込むことが出来るため、IIRフィルタ51の実装が可能となる。そして、IIRフィルタ51は、フィルタリング処理を実行することが可能なので、A/D変換器20より出力されるデジタル信号40を補正し、補正されたデジタル信号60を出力することが出来る。かかるFPGA50は、補正手段として機能する。
なお、IIRフィルタ51を実装可能なものであれば、FPGA50に限られるものではなく、DSP(Digital Signal Processor)のような1チップマイクロプロセッサーであっても良い。
The
As long as the
IIRフィルタ51は、無限インパルスの応答特性を備える信号処理フィルタの一つであり、アナログフィルタとしてもデジタルフィルタとしても実装されるが、本発明では、デジタル信号の振幅特性を変化させるデジタルのIIRフィルタとして機能している。
このIIRフィルタ51の伝達関数は、遮断周波数をfhとし、クオリティファクタをQとした、次式(4)のアナログのローパスフィルタの伝達関数に基づいて設計される。
The transfer function of the
制御部70は、例えば、各種プログラム等を実行するCPU(Central Processing Unit)や、各種プログラムを格納したROM(Read Only Memory)や、各種データを一時格納するRAM(Random Access Memory)などを含んで構成され、補正されたデジタル信号60を地震動データ(加速度データ)に変換してデータ処理し、表示部90を介して出力表示の制御等を行う。
The
入力部80は、例えば、入力キーや入力ボタンなどから構成されており、ユーザの地震計1の入力操作に応じて、所定の入力操作信号を制御部70に対して出力している。
The
表示部90は、例えば、液晶ディスプレイなどから構成されており、制御部70でデータ処理される地震動データに基づいて、地震計1の振動計測の結果等を表示する。
The
(振幅特性の補正処理)
以下に、例として、本発明に係るA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法を、地震計1に用いた場合の振幅特性の補正処理について、図2〜図4を用いて説明する。
(Amplitude characteristics correction processing)
Hereinafter, as an example, the amplitude characteristic correction processing when the method for correcting the amplitude characteristic of the output signal of the A / D converter according to the present invention is used in the seismometer 1 will be described with reference to FIGS. .
まず、地震計1の振動検出器5より検出されたアナログ入力信号10が、A/D変換器20のΔΣ変調器21によりオーバーサンプリングされ、サンプリング周波数が125000Hzであるとする。そして、上記サンプリング周波数は、デシメーションレートNを625として、Sinc3フィルタ22によって間引かれるものとする。
First, it is assumed that the
上記の場合において、図2では、式(3)を用いて、IIRフィルタ51を介さずにA/D変換器20より出力した時のデジタル信号の振幅特性、即ち、周波数(Hz)ごとの、アナログ入力信号10に対するデジタル信号40の振幅の相対比が示されている。
一般に地震計においては、周波数が少なくとも30Hzまでは、相対比が1の平坦領域を形成することが望ましいとされているが、図2に示すように、IIRフィルタ51等の補正フィルタを介さずにデジタル信号を出力すると、相対比は、周波数が10Hz近傍より落ち始めており、周波数が30Hzの時点においては、相対比は10%近くも低下していることがわかる。
そのため、このままのデジタル信号40によっては、実際の振動計測値より低い値が出力されることになるため、ユーザは正確な振動計測値を把握することができない。
In the above case, in FIG. 2, the amplitude characteristic of the digital signal when it is output from the A /
In general, in seismometers, it is desirable to form a flat region with a relative ratio of 1 up to a frequency of at least 30 Hz. However, as shown in FIG. 2, without using a correction filter such as the
Therefore, depending on the
次いで、図3には、式(6)の伝達関数により、遮断周波数fhを52Hzとし、クオリティファクタQを1.055とした場合における本発明に係るIIRフィルタ51の振幅特性が示されている。
この図3により、遮断周波数fhより低周波数の領域において、相対比が1を超えているため、IIRフィルタ51を通過させることにより、図2に示す相対比を向上させる補正が可能であることがわかる。
Next, FIG. 3 shows the amplitude characteristics of the
According to FIG. 3, since the relative ratio exceeds 1 in the frequency region lower than the cut-off frequency fh, it is possible to correct the relative ratio shown in FIG. 2 by passing the
次いで、図4には、図2のIIRフィルタ51を介さないで出力されたデジタル信号40の振幅特性(曲線A)と、図3のIIRフィルタ51の振幅特性(曲線B)と、式(2)と式(3)の積をとり、デジタル信号40をIIRフィルタ51に通過させることで得られる補正したデジタル信号60の振幅特性(曲線C)が示されている。
曲線Cより、周波数が40Hz程度までは相対比が略1となっており、IIRフィルタ51の補正機能により、地震計1において所望される平坦領域が形成されていることがわかる。さらに、曲線Cは曲線Aと比較すると、周波数が40Hz以上の領域において、相対比が急落しているため、余分な高周波ノイズの出力を好適に遮断することが可能になっている。
したがって、ユーザは所定の周波数までの、正確な振動計測値の把握が可能となる。
Next, FIG. 4 shows the amplitude characteristic (curve A) of the
From the curve C, it can be seen that the relative ratio is substantially 1 until the frequency is about 40 Hz, and the desired flat region is formed in the seismometer 1 by the correction function of the
Therefore, the user can accurately grasp vibration measurement values up to a predetermined frequency.
以上のように、本発明に係る振幅特性補正方法によると、式(6)の伝達関数において、遮断周波数fh、及び、クオリティファクタQを任意の値に設定することにより、その伝達関数からなるIIRフィルタ51を通過した、A/D変換器20から出力される補正されたデジタル信号60は、所定の周波数まで、アナログ入力信号との相対比が略1となる振幅特性を実現できる。
すなわち、式(6)の伝達関数からなるIIRフィルタ51によりA/D変換器20から出力されるデジタル信号40が補正されるので、ユーザは遮断周波数fh、及び、クオリティファクタQの値を調整することにより、所望する周波数帯域において、補正されたデジタル出力信号60の振幅の平坦特性を容易に実現することが出来る。
さらに、式(6)に示すように低次のフィルタであるため演算量が少なくて済み、演算処理の高速化が図れる。
したがって、本発明は、低次のフィルタにより、所定の周波数まで、入力信号との相対比が略1となるような振幅特性を実現するA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法といえる。
As described above, according to the amplitude characteristic correcting method according to the present invention, by setting the cutoff frequency fh and the quality factor Q to arbitrary values in the transfer function of Equation (6), the IIR comprising the transfer function is set. The corrected
That is, since the
Further, since the filter is a low-order filter as shown in Expression (6), the amount of calculation is small, and the calculation process can be speeded up.
Therefore, the present invention can be said to be an amplitude characteristic correction method for an output signal of an A / D converter that realizes an amplitude characteristic such that a relative ratio to an input signal is approximately 1 up to a predetermined frequency by a low-order filter. .
また、デシメーションフィルタとしてSinc3フィルタ22を用いた上記振幅特性補正方法を備える地震計1において、遮断周波数fhを52Hzとし、クオリティファクタQを1.055とすることにより、IIRフィルタ51を通過したA/D変換器20より出力される補正されたデジタル信号60は、周波数が少なくとも30Hz以上までは、アナログ入力信号との相対比が略1となる振幅特性を実現している。
すなわち、周波数が少なくとも30Hz以上までは、振幅の(相対比が1の)平坦領域を形成することが望ましいとされている地震計において、上記機器構成及び数値設定を行うことによって、周波数が30Hz以上までの振幅の平坦領域を形成することが出来るので、地震計としての好適な出力が実現できるといえる。
In the seismometer 1 having the amplitude characteristic correction method using the
That is, when the frequency is at least 30 Hz or higher, in the seismometer where it is desirable to form a flat region with an amplitude (relative ratio of 1), the frequency is set to 30 Hz or higher by performing the above device configuration and numerical setting. It can be said that a suitable output as a seismometer can be realized because a flat region with an amplitude up to can be formed.
なお、本発明にかかるデシメーションフィルタは、Sinc3フィルタに限定されるものではなく、オーバーサンプリングされたデジタル信号を間引くことの出来る他のフィルタであってもよい。
また、本実施形態においては、遮断周波数fhとクオリティファクタQをユーザが任意に入力することにより、所望する周波数帯域における出力信号の振幅の平坦特性が取得できることとしたが、例えば、上記所望する周波数帯域を、入力部80等を介して予め設定しておき、制御部70の処理により、上記所望する周波数帯域が得られるまで、fh、Qの値を自動的に変化させて、好適なfh、Qの値を検索又は設定するようにしてもよい。
The decimation filter according to the present invention is not limited to the Sinc3 filter, and may be another filter that can thin out an oversampled digital signal.
In the present embodiment, the user can arbitrarily input the cutoff frequency fh and the quality factor Q to obtain the flat characteristic of the amplitude of the output signal in the desired frequency band. Bands are set in advance via the
1 地震計
10 アナログ入力信号
20 A/D変換器
21 ΔΣ変調器
22 Sinc3フィルタ(デシメーションフィルタ)
50 FPGA(補正手段)
51 IIRフィルタ
60 補正されたデジタル出力信号(デジタル信号)
1
50 FPGA (correction means)
51
Claims (2)
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたA/D変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正するA/D変換器の出力信号の振幅特性補正方法において、
IIRフィルタを用い、
前記IIRフィルタの伝達関数H(z)は、
遮断周波数をfhとし、クオリティファクタをQとした、次式(1)のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をfsとして双一次変換した次式(2)からなり、
A decimation filter that thins out a digital signal converted by the ΔΣ modulator at a predetermined decimation rate, and an A / D converter that corrects amplitude characteristics of the digital signal output from the A / D converter In the method for correcting the amplitude characteristic of the output signal,
Using an IIR filter,
The transfer function H (z) of the IIR filter is
The transfer function of the low-pass filter of the following equation (1), where the cutoff frequency is fh and the quality factor is Q, is prewarped, and consists of the following equation (2) obtained by bilinear transformation with the sampling frequency as fs:
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたA/D変換器と、
前記A/D変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、
IIRフィルタを備え、
前記IIRフィルタの伝達関数H(z)は、
遮断周波数をfhとし、クオリティファクタをQとした、次式(1)のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をfsとして双一次変換した次式(2)からなり、
A decimation filter that decimates the digital signal converted by the ΔΣ modulator at a predetermined decimation rate; and
Correction means for correcting the amplitude characteristics of the digital signal output from the A / D converter,
The correction means includes
With an IIR filter,
The transfer function H (z) of the IIR filter is
The transfer function of the low-pass filter of the following equation (1), where the cutoff frequency is fh and the quality factor is Q, is prewarped, and consists of the following equation (2) obtained by bilinear transformation with the sampling frequency as fs:
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Legal Events
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