JP2012073112A - ピーク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズによる影響を低減する。
【解決手段】信号Ｓ１の１周期を超える長さの検出期間において、信号Ｓ１の現在の電圧と検出期間内での直前までの最大電圧とを比較すると共に現在の電圧が最大電圧よりも高いときに現在の電圧で最大電圧を更新してホールド電圧Ｖ１として保持し、入力したリセット信号Ｓｒｓｔに従って新たな検出期間を開始するピーク検出部２と、検出期間における少なくとも２周期目以降の期間に含まれるホールド電圧Ｖ１を複数回サンプリングして電圧データＤ１を複数出力するＡ／Ｄ変換部３と、２周期目以降の期間において複数の電圧データＤ１を入力したときに複数の電圧データＤ１のうちの少なくとも一部の複数を平均すると共に得られた平均値を信号Ｓ１の検出期間内でのピーク電圧Ｖｐとして出力し、かつピーク検出部２に対してリセット信号Ｓｒｓｔを出力する処理部６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、繰り返し波形信号についてのピーク電圧を検出するピーク検出装置に関するものである。

信号の波形についてのピーク電圧を検出するピーク検出回路として、下記の特許文献１に開示されたピーク検出回路が知られている。この種のピーク検出回路の動作原理について、図３に示す基本的なピーク検出回路５１を例に挙げて説明する。

まず、このピーク検出回路５１の構成について説明すると、ピーク検出回路５１は、コンパレータ５２、ダイオード５３、コンデンサ５４、コンデンサ５４にチャージされた電荷を放電するためのスイッチ５５、およびボルテージフォロワに構成された演算増幅器５６を備えて構成されている。

次に、このピーク検出回路５１による繰り返し波形信号Ｓ１における波形のピーク部位Ｐの電圧Ｖｐ（以下、ピーク電圧Ｖｐともいう）についての検出動作について、図４を参照して説明する。この場合、スイッチ５５を作動させて、一時的にオン状態（リセット状態）に移行させるためのリセット信号Ｓｒｓｔは、信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐを確実に検出し得るように、その周期Ｔａが信号Ｓ１の１周期Ｔｓよりも長い周期に設定されている。また、信号Ｓ１は、一例として三角波信号であるものとする。また、このピーク検出回路５１のドループレートは極めて小さいものとする（つまり、スイッチ５５をオン状態に移行させない限り、コンデンサ５４に充電された電荷は殆ど放電しないものとする）。

上記した条件により、ピーク検出回路５１は、リセット信号Ｓｒｓｔの入力直前（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４）においては、常に信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐに等しい電圧で一定に維持されたホールド電圧Ｖ１を出力するように作動する。したがって、図３に示すように、このピーク検出回路５１と、Ａ／Ｄ変換部６２と、上記リセット信号Ｓｒｓｔを生成して出力する処理部６３とでピーク検出装置６１を構成することにより、処理部６３が信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐを測定することが可能となる。具体的には、このピーク検出装置６１では、ピーク検出回路５１がホールド電圧Ｖ１を出力し、Ａ／Ｄ変換部６２がこのホールド電圧Ｖ１を信号Ｓ１の周期Ｔｓよりも十分に短い周期でサンプリングしてホールド電圧Ｖ１の電圧値を示す電圧データＤ１に変換する。最後に、処理部６３が、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４のいずれかにおいて、電圧データＤ１を１つ取得すると共に、この１つの電圧データＤ１に基づいて信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐを検出（算出）する。

実開昭６１−２０５０７５号公報（第２−４頁、第１図）

ところが、上記のピーク検出装置６１には、以下のような解決すべき課題が存在している。すなわち、このピーク検出装置６１では、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４のいずれかにおいて取得した１つの電圧データＤ１に基づいて信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐを検出しているが、この電圧データＤ１を取得するタイミングで信号Ｓ１やホールド電圧Ｖ１にノイズが重畳する場合がある。このため、このピーク検出装置６１には、ノイズに起因して、信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐを正確に測定するのが困難となる場合が生じるという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、ノイズによる影響を低減し得るピーク検出装置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記載のピーク検出装置は、繰り返し波形信号の１周期を超える長さの検出期間において、当該繰り返し波形信号の現在の電圧と当該検出期間内での直前までの最大電圧とを比較すると共に当該現在の電圧が当該最大電圧よりも高いときに当該現在の電圧で当該最大電圧を更新してホールド電圧として保持し、入力したリセット信号に従って新たな前記検出期間を開始するピーク検出部と、前記検出期間における少なくとも２周期目以降の期間に含まれる前記ホールド電圧を複数回サンプリングして当該ホールド電圧の電圧値を示す電圧データを複数出力するＡ／Ｄ変換部と、前記２周期目以降の期間において複数の前記電圧データを入力したときに当該複数の電圧データのうちの少なくとも一部の複数を平均すると共に得られた平均値を前記繰り返し波形信号の前記検出期間内でのピーク電圧として出力し、かつ前記ピーク検出部に対して前記リセット信号を出力する処理部とを備えている。

また、請求項２記載のピーク検出装置は、請求項１記載のピーク検出装置において、前記繰り返し波形信号の周期を検出する周期検出部を備え、前記処理部は、前記周期検出部によって検出された前記周期に基づいて前記検出期間を決定する。

請求項１記載のピーク検出装置によれば、Ａ／Ｄ変換部から出力される電圧データのうちのいずれかがノイズの影響を受けていたとしても、平均化により、最終的なピーク電圧に対するノイズの影響を大幅に軽減することができる。

また、請求項２記載のピーク検出装置によれば、繰り返し波形信号の周期が未知であったとしても、周期検出部が繰り返し波形信号の周期を検出するため、処理部は、この検出された周期に基づいて検出期間を決定して、繰り返し波形信号についての最終的なピーク電圧を確実に検出することができる。

ピーク検出装置１の構成を示す構成図である。 ピーク検出装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 ピーク検出装置６１の構成を示す構成図である。 ピーク検出装置６１の動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下、ピーク検出装置１の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、ピーク検出装置１の構成について、図面を参照して説明する。

図１に示すピーク検出装置１は、ピーク検出部２、Ａ／Ｄ変換部３、パルス生成部４、周期検出部５、処理部６および出力部７を備え、正弦波信号、三角波信号または矩形波信号などの一定の周期Ｔｓで同じ波形が繰り返し出現する繰り返し波形信号Ｓ１（以下、単に「信号Ｓ１」ともいう）におけるピーク電圧Ｖｐを測定可能に構成されている。

ピーク検出部２は、コンパレータ１１、ダイオード１２、コンデンサ１３、スイッチ１４および演算増幅器（オペアンプ）１５を備えたピーク検出回路で構成されている。

具体的には、コンパレータ１１は、その非反転入力端子に信号Ｓ１が入力され、その反転入力端子に演算増幅器１５の出力端子が接続されている。ダイオード１２は、そのアノード端子がコンパレータ１１の出力端子に接続され、そのカソード端子がコンデンサ１３の一端および演算増幅器１５の非反転入力端子に接続されている。コンデンサ１３は、その他端が基準電位（本例ではグランド電位）に接続されている。スイッチ１４は、一例としてリレーや半導体スイッチ素子（例えばトランジスタや電界効果型トランジスタ）で構成されて、コンデンサ１３に並列に接続されている。また、スイッチ１４は、リセット信号Ｓｒｓｔを入力している間だけオン状態に移行して、コンデンサ１３に充電されている電荷を瞬時に放電させる。演算増幅器１５は、ボルテージフォロワに構成されている。

この構成により、このピーク検出部２は、図２に示すように、検出期間Ｔ０（リセット信号Ｓｒｓｔを入力した後、次のリセット信号Ｓｒｓｔを入力するまでの期間）において、信号Ｓ１の現在の電圧と検出期間Ｔ０内での直前までの最大電圧Ｖ１（コンデンサ１３に保持（ホールド）された電圧）とを比較すると共に、信号Ｓ１の現在の電圧が最大電圧Ｖ１よりも高いときに現在の電圧で最大電圧Ｖ１を更新して保持するピークホールド動作を、最大電圧Ｖ１をホールド電圧（以下、「ホールド電圧Ｖ１」ともいう）として出力しつつ実行する。

本例では、後述するように、この検出期間Ｔ０は信号Ｓ１の周期Ｔｓを超える長さに規定されるため、検出期間Ｔ０内に常に信号Ｓ１における波形のピーク部位Ｐが含まれることになる。したがって、ホールド電圧Ｖ１は、信号Ｓ１のピーク部位Ｐの電圧（ピーク電圧）Ｖｐとなる。なお、発明の理解を容易にするため、ダイオード１２での順方向電圧や、コンパレータ１１および演算増幅器１５のオフセットなどは無視するものとする。また、このピーク検出部２のドループレートは極めて小さいものとする。

Ａ／Ｄ変換部３は、一例として、パルス生成部４から出力されるサンプリング信号Ｓｓｐを入力する都度、ホールド電圧Ｖ１に対するサンプリング動作を実行して、ホールド電圧Ｖ１の電圧値を示す電圧データＤ１を出力する。パルス生成部４は、サンプリング信号Ｓｓｐを生成してＡ／Ｄ変換部３に出力する。パルス生成部４は、本例では一例として、信号Ｓ１の周期Ｔｓに対して十分に短い周期のサンプリングクロックを生成すると共に、このサンプリングクロックを処理部６から出力される制御信号Ｓｃの入力期間だけサンプリング信号Ｓｓｐとして出力するクロック生成回路（図示せず）を備えている。

周期検出部５は、信号Ｓ１を入力して、その周期Ｔｓを検出すると共に、検出した周期Ｔｓを示す周期データＤｔを処理部６に出力する。処理部６は、ＣＰＵおよびメモリ（いずれも図示せず）を備えて構成されて、周期データＤｔに基づいてリセット信号Ｓｒｓｔおよびサンプリング信号Ｓｓｐの出力タイミングを決定して、この出力タイミングでリセット信号Ｓｒｓｔを出力すると共に、この出力タイミングでパルス生成部４からサンプリング信号Ｓｓｐを出力させるための制御信号Ｓｃを出力する信号出力処理、Ａ／Ｄ変換部３から出力される電圧データＤ１に基づいて信号Ｓ１の最終的なピーク電圧Ｖｐを算出する算出処理、および算出したピーク電圧Ｖｐを出力部７に出力する出力処理を実行する。出力部７は、一例として、モニタ装置などの表示装置で構成されて、処理部６から出力されたピーク電圧Ｖｐを画面上に表示する。なお、モニタ装置に代えて、プリンタ装置やプロッタ装置などで出力部７を構成することもできる。

次に、ピーク検出装置１による信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐを検出する検出動作について図１，２を参照して説明する。なお、信号Ｓ１として、三角波信号を例に挙げて説明する。

信号Ｓ１が入力されている状態において、ピーク検出装置１では、まず、周期検出部５が、信号Ｓ１の周期Ｔｓを検出して、周期Ｔｓを示す周期データＤｔを処理部６に出力する。これにより、信号Ｓ１の周期が未知であったとしても、処理部６が、後述するように周期データＤｔに基づいて信号出力処理を実行することで、リセット信号Ｓｒｓｔおよびサンプリング信号Ｓｓｐの出力タイミングを決定することが可能となっている。次いで、処理部６が、ピーク電圧Ｖｐを算出する算出処理の実行に先立ち、信号出力処理を実行する。

この信号出力処理では、処理部６は、まず、入力した周期データＤｔに基づいて周期Ｔｓを特定し、この周期Ｔｓに基づいて、リセット信号Ｓｒｓｔの周期（検出期間Ｔ０）およびこの検出期間Ｔ０に対するサンプリング信号Ｓｓｐ（具体的には、Ａ／Ｄ変換部３に対してこのサンプリング信号Ｓｓｐを所望のタイミングで出力させるための制御信号Ｓｃ）の出力タイミングを決定する。

詳細には、処理部６は、ピーク検出部２での検出期間Ｔ０の長さとなるリセット信号Ｓｒｓｔの周期を信号Ｓ１の１周期Ｔｓを超える長さに設定する。本例では、処理部６は、十分な数の電圧データＤ１をＡ／Ｄ変換部３から出力させつつ、ピーク電圧Ｖｐの検出周期を短時間にできるように、リセット信号Ｓｒｓｔの周期を信号Ｓ１の周期Ｔｓの２倍（周期Ｔｓの２周期）に規定（決定）する。なお、本例での検出期間Ｔ０とは、一例として、図２に示すように、リセット信号Ｓｒｓｔの終期から次のリセット信号Ｓｒｓｔの終期までの区間をいうものとする。なお、リセット信号Ｓｒｓｔの始期から次のリセット信号Ｓｒｓｔの始期までの区間を検出期間Ｔ０とすることもできる。

また、検出期間Ｔ０は信号Ｓ１の１周期Ｔｓを超える長さ（本例では、周期Ｔｓの２倍）に規定されるため、検出期間Ｔ０における最初の１周期Ｔｓに対応する期間Ｔ１内には、常に信号Ｓ１のピーク部位Ｐが含まれることになる。これにより、検出期間Ｔ０における少なくとも２周期目以降の期間Ｔ２（本例では、２周期目の期間）では、ピーク検出部２は、常に信号Ｓ１のピーク部位Ｐの電圧（ピーク電圧）Ｖｐをホールド電圧Ｖ１として出力している状態となっている。したがって、処理部６は、信号Ｓ１におけるピーク電圧Ｖｐを示す電圧データＤ１をＡ／Ｄ変換部３から確実に取得し得るように、検出期間Ｔ０における少なくとも２周期目以降の期間Ｔ２をＡ／Ｄ変換部３のサンプリング期間（以後、サンプリング期間Ｔ２ともいう）として決定する。また、処理部６は、パルス生成部４に対してこのサンプリング期間Ｔ２内にサンプリング信号Ｓｓｐを出力させるため、サンプリング期間Ｔ２以内に制御信号Ｓｃを出力するように、この制御信号Ｓｃの出力タイミングを決定する。

次いで、処理部６は、図２に示すように、上記のように決定した各出力タイミングで、リセット信号Ｓｒｓｔおよび制御信号Ｓｃの出力を開始する。これにより、信号出力処理が完了する。

このようにして、処理部６からピーク検出部２に対してリセット信号Ｓｒｓｔが上記の出力タイミングで繰り返し出力されるため、ピーク検出部２は、リセット信号Ｓｒｓｔの１周期（周期Ｔｓの２倍の周期。つまり、検出期間Ｔ０）内における最初の１周期Ｔｓに対応する期間Ｔ１内で、信号Ｓ１のピーク部位Ｐについてのピーク電圧Ｖｐを確実に検出すると共にホールド電圧Ｖ１として出力し、その後の期間Ｔ２に亘ってこのホールド電圧Ｖ１を出力し続ける動作を、検出期間Ｔ０の周期で繰り返す。

また、処理部６からパルス生成部４に対して制御信号Ｓｃが上記の出力タイミングで繰り返し出力されるため、パルス生成部４は、制御信号Ｓｃを入力する都度、生成しているサンプリングクロックをこの制御信号Ｓｃの入力期間においてサンプリング信号ＳｓｐとしてＡ／Ｄ変換部３に出力する。これにより、Ａ／Ｄ変換部３は、検出期間Ｔ０における少なくとも２周期目以降の期間Ｔ２において、ホールド電圧Ｖ１を複数回サンプリングして、ホールド電圧Ｖ１の電圧値を示す電圧データＤ１を複数個出力する動作を、検出期間Ｔ０の周期で繰り返す。この場合、上記したように、この期間Ｔ２に先立つ期間Ｔ１において、ピーク検出部２が信号Ｓ１のピーク部位Ｐについてのピーク電圧Ｖｐをホールド電圧Ｖ１として出力し始めると共に、このホールド電圧Ｖ１を期間Ｔ２に亘って維持しているため、Ａ／Ｄ変換部３は、期間Ｔ２においてこのホールド電圧Ｖ１をサンプリングすることにより、信号Ｓ１におけるピーク電圧Ｖｐを示す電圧データＤ１を確実に複数回出力する。

続いて、処理部６は、算出処理を実行する。この算出処理では、処理部６は、期間Ｔ２内にＡ／Ｄ変換部３から出力される電圧データＤ１を複数個取得してメモリに記憶し、記憶した複数個の電圧データＤ１を平均すると共に、この電圧データＤ１の平均値に基づいて、信号Ｓ１の最終的なピーク電圧Ｖｐを算出して、メモリに記憶する。このピーク検出装置１では、従来のピーク検出装置６１とは異なり、複数の時刻においてサンプリングして得られた複数の電圧データＤ１の平均値に基づいて信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐを算出するため、いずれかの電圧データＤ１がノイズの影響を受けていたとしてもノイズの影響が軽減される。これにより、ピーク検出装置１は、ノイズの存在する環境下においても、信号Ｓ１のピーク電圧Ｖｐをより正確に測定することが可能となっている。最後に、処理部６は、出力処理を実行して、算出したピーク電圧Ｖｐを出力部７に表示させる。処理部６は、この算出処理および出力処理を検出期間Ｔ０の周期で繰り返す。

このように、このピーク検出装置１では、ピーク検出部２が、信号（繰り返し波形信号）Ｓ１の１周期Ｔｓを超える長さの検出期間Ｔ０において、信号Ｓ１に対して、信号Ｓ１の現在の電圧と直前までの最大電圧とを比較すると共に現在の電圧がこの最大電圧よりも高いときに現在の電圧で最大電圧を更新することで、信号Ｓ１の最大電圧Ｖ１（ピーク電圧Ｖｐ）をホールド電圧Ｖ１として保持するピークホールド動作を実行し、Ａ／Ｄ変換部３が、ホールド電圧Ｖ１としてピーク電圧Ｖｐが確実にピーク検出部２から出力される検出期間Ｔ０における少なくとも２周期目以降の期間Ｔ２に含まれるホールド電圧Ｖ１を複数回サンプリングしてホールド電圧Ｖ１の電圧値を示す電圧データＤ１を複数出力し、処理部６が、この期間Ｔ２において複数の電圧データＤ１のうちの少なくとも一部の複数を平均すると共に、得られた平均値を検出期間Ｔ０での最終的なピーク電圧Ｖｐとして出力する。

したがって、このピーク検出装置１によれば、Ａ／Ｄ変換部３から出力される電圧データＤ１のうちのいずれかがノイズの影響を受けていたとしても、平均化により、最終的なピーク電圧Ｖｐに対するノイズの影響を大幅に軽減することができる。

また、このピーク検出装置１によれば、周期検出部５が信号Ｓ１の周期Ｔｓを検出し、処理部６は、この検出された周期Ｔｓに基づいて、検出期間Ｔ０およびサンプリング期間Ｔ２の各長さおよび相互のタイミングを決定するため、信号Ｓ１の周期Ｔｓが未知の場合においても、信号Ｓ１についての最終的なピーク電圧Ｖｐを確実に検出することができる。また、何らかの原因により、信号Ｓ１の周期Ｔｓが途中で変更された場合においても、信号Ｓ１についての最終的なピーク電圧Ｖｐを確実に検出することができる。

なお、上記のピーク検出装置１では、検出期間Ｔ０を信号Ｓ１の周期Ｔｓの２倍に規定し、Ａ／Ｄ変換部３のサンプリング期間Ｔ２を、検出期間Ｔ０における２周期目の期間とする構成を採用しているが、処理部６は、Ａ／Ｄ変換部３のサンプリング期間Ｔ２において、複数の電圧データＤ１を取得できればよいため、例えば、検出期間Ｔ０を信号Ｓ１の周期Ｔｓの１．２倍、１．５倍など、１倍を超え２倍未満の期間に規定することもできるし、２．３倍、３倍など、２倍を超える期間に規定することもできる。

また、パルス生成部４からＡ／Ｄ変換部３に対して、サンプリングクロックそのものをサンプリング信号Ｓｓｐとして常時連続して出力し、Ａ／Ｄ変換部３に対してホールド電圧Ｖ１を常時連続してサンプリングさせた状態で、処理部６側において、上記の例では、制御信号Ｓｃの出力タイミング内にＡ／Ｄ変換部３から出力される電圧データＤ１を取得して平均する構成を採用することもできる。また、期間Ｔ２に取得した複数の電圧データＤ１のすべてを平均する構成を採用することもできるし、この複数の電圧データＤ１のうちから一部を選択した複数の電圧データＤ１を平均する構成を採用することもできる。

１ ピーク検出装置
２ ピーク検出部
３ Ａ／Ｄ変換部
５ 周期検出部
６ 処理部
Ｓ１ 繰り返し波形信号
Ｓｒｓｔ リセット信号
Ｔ０ 検出期間
Ｔ３ サンプリング期間
Ｔｓ 信号の周期
Ｖ１ ホールド電圧（最大電圧）
Ｖｐ ピーク電圧

Claims (2)

1. 繰り返し波形信号の１周期を超える長さの検出期間において、当該繰り返し波形信号の現在の電圧と当該検出期間内での直前までの最大電圧とを比較すると共に当該現在の電圧が当該最大電圧よりも高いときに当該現在の電圧で当該最大電圧を更新してホールド電圧として保持し、入力したリセット信号に従って新たな前記検出期間を開始するピーク検出部と、
   前記検出期間における少なくとも２周期目以降の期間に含まれる前記ホールド電圧を複数回サンプリングして当該ホールド電圧の電圧値を示す電圧データを複数出力するＡ／Ｄ変換部と、
   前記２周期目以降の期間において複数の前記電圧データを入力したときに当該複数の電圧データのうちの少なくとも一部の複数を平均すると共に得られた平均値を前記繰り返し波形信号の前記検出期間内でのピーク電圧として出力し、かつ前記ピーク検出部に対して前記リセット信号を出力する処理部とを備えているピーク検出装置。
2. 前記繰り返し波形信号の周期を検出する周期検出部を備え、
   前記処理部は、前記周期検出部によって検出された前記周期に基づいて前記検出期間を決定する請求項１記載のピーク検出装置。

Images