JP2017022705A - オーバーシュート補償回路 - Google Patents

Abstract

【課題】オーバーシュート補償回路を提供する。【解決手段】入力信号のためのオーバーシュート補償回路は、入力信号のスルーレートを検出するように構成されているスルーレート検出回路と、入力信号のスルーレートの絶対値が所定の閾値以上である場合、所定のランタイムを初期設定するように構成されているランタイム回路と、所定のランタイムの期間のみ、入力信号のスルーレートを低下させるように構成されているローパスフィルタと、を有している。【選択図】図１

Description

ディジタルデシメーションフィルタにおいて、目標にする周波数応答は、関心のある信号が存在する周波数範囲にある平らな通過帯域と、ノイズ、エイリアス及び干渉が存在する周波数範囲において減衰が大きい阻止帯域と、によって特徴付けられている。通過帯域と阻止帯域との間の遷移は、理想的には、可能な限り急峻である。

デシメーションフィルタは、ステップ応答におけるレベルとしてのレベル間の変化が高速であるセンサ出力信号が、エラー状態を示唆するクリティカルな閾値を超えているか否かを観測するために使用することができる。図２Ｂから見て取れるように、ステップ応答は、参照番号２３０によって示唆されている大きいオーバーシュートを有しており、このオーバーシュートによって誤った警告がなされることも考えられる。このオーバーシュートは、実際の最終的なレベルよりも８％高く、このことは、閾値が実際に要求されるレベルよりも少なくとも１０％高く設定されることを要求する。

１つの実施例による、オーバーシュート補償回路を有しているフィルタの概略図を示す。 フィルタ周波数応答のグラフを示す。 デシメーションフィルタのインパルス応答のグラフ及びデシメーションフィルタのステップ応答のグラフを示す。 デシメーションフィルタのステップ応答のグラフを示す。 １つの実施例による、入力信号オーバーシュートを補償するための方法のフローチャートを示す。

本発明は、オーバーシュートが生じる期間のみ入力信号のスルーレートを低下させることによってデシメーションフィルタの出力信号のオーバーシュートを補償する、方法及び回路に関する。

図１には、１つの実施例による、ディジタル入力信号に対するオーバーシュート補償回路を有している、フィルタ１００の概略図が示されている。フィルタ１００は、下記において詳細に説明するオーバーシュート補償回路と、デシメーションフィルタ（ＬＰＦ）１５０と、を含んでいる。ディジタル入力信号のサンプリングレートを低下させるデシメーションフィルタ１５０は公知である。本開示は、デシメーションフィルタ１５０に供給される入力信号のオーバーシュート補償に着目する。

オーバーシュート補償回路は、スルーレート検出回路１１０と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）ランタイム回路１２０と、イネーブル回路１３０と、ＬＰＦ１４０と、を含んでいる。概要を述べると、スルーレート検出回路１１０は、入力信号のスルーレートを検出し、スルーレートの絶対値が所定の閾値以上か否か、換言すれば、オーバーシュートがデシメーションフィルタ１５０の出力に現れると予測されるか否かを求める。オーバーシュートが存在する場合、ＬＰＦランタイム回路１２０は、ＬＰＦ１４０に関するランタイムを設定する。ランタイムは、オーバーシュートの予測される長さを基礎としている。続いて、イネーブル回路１３０は、そのようなオーバーシュートが生じる間のそのランタイムの期間のみＬＰＦ１４０をイネーブルし、即ち使用可能にし、通常はデシメーションフィルタ１５０によって実施されるように入力信号がフィルタリングされる前に、ＬＰＦ１４０によって入力信号をフィルタリングする。オーバーシュート補償回路のそれらの個々の要素を下記においてより詳細に説明する。

スルーレート検出回路１１０は、入力信号のスルーレートを検出し、スルーレートが閾値以上であるか否かを求めるように構成されている。スルーレートは、公知のように、単位時間あたりの入力信号の最大変化率である。スルーレート検出回路１１０は、遅延回路と、閾値検出回路１１６と、ＯＲゲート１１８と、を含んでいる。

遅延回路は、入力信号のスルーレートを求めるように構成されている。遅延回路は、遅延素子１１２及び減算器１１４を含んでおり、またそれらの素子は協働して、入力信号にステップが存在していたか否かを検出するために、入力信号の目下のサンプルと先行のサンプルとを比較することによって、入力信号のスロープ又は導関数を求める。遅延素子１１２は、スロープを形成するために、入力信号の先行のＮ（但し、Ｎは１以上）個のサンプルを記憶するように構成されている。減算器１１４は、先行のＮ個のサンプルを入力信号の目下のサンプルから減算し、スルーレートを出力するように構成されている。

Ｎの値は設計固有であり、平衡速度及び信頼性を要求する。Ｎの値が大きければ、遅延はより大きくなり、また過度に大きい場合には、Ｎ個のサンプルが収集される頃には、オーバーシュートが終わっている可能性もある。Ｎの値を小さくすると、応答は速くなるが、過度に速いと応答が誤った情報をもたらす虞がある。

閾値決定回路１１６は、スルーレートの絶対値が所定の閾値以上であるか否かを求め、閾値以上である場合には、デシメーションフィルタ１５０の出力信号における不所望なオーバーシュート又はアンダーシュートを惹起する可能性がある過度に急峻な入力信号を検出するように構成されている。閾値決定回路１１６は、オーバーシュート閾値回路１１６−１及びアンダーシュート閾値回路１１６−２を含んでいる。入力信号の変化が正の方向である場合には、オーバーシュート閾値回路１１６−１によって、入力信号のスルーレートが所定の閾値以上であるか否かを求める。それに対し、変化が負の方向である場合には、アンダーシュート閾値回路１１６−２によって、入力信号のスルーレートが所定の閾値以下であるか否かを求める。本開示全体を通して、「オーバーシュート」という語句は、一般にオーバーシュート又はアンダーシュートを意味するように意図されていることを言及しておく。所定の閾値が０である場合、閾値検出回路１１６は、入力信号が各点において過度に急峻であると解し、ＬＰＦ１４０を恒常的に動作状態にする。

ＯＲゲート１１８は、オーバーシュート閾値回路１１６−１の出力及びアンダーシュート閾値回路１１６−２の出力を受け取る。それらの出力のうちのいずれかが正である場合、即ち、オーバーシュート閾値回路１１６−１によって、入力信号のスルーレートが所定の閾値以上であって、デシメーションフィルタ１５０の出力信号にオーバーシュートが惹起されることが求められた場合、又は、アンダーシュート閾値回路１１６−２によって、入力信号のスルーレートが所定の閾値以下であって、デシメーションフィルタ１５０の出力信号にアンダーシュートが惹起されることが求められた場合、ＯＲゲート１１８は対応するパルスを出力する。

このスルーレート検出回路１１０は単に一例である。意図する目的に適したものである限りは、スルーレート検出回路１１０の設計を変更することができる。

ＬＰＦランタイム回路１２０は、入力信号のスルーレートの絶対値が所定の閾値以上である場合、ＬＰＦ１４０の所定のランタイムを初期設定するように構成されている。換言すれば、入力信号がデシメーションフィルタ１５０の出力においてオーバーシュート又はアンダーシュートを惹起する場合には、ＬＰＦランタイム回路１２０はランタイムをセットし、このランタイムにわたり、ＬＰＦ１４０はイネーブルされ、ＬＰＦ１４０は、デシメーションフィルタ１５０の出力におけるオーバーシュート又はアンダーシュートを補償するために、入力信号をフィルタリングする。

ＬＰＦランタイム回路１２０は、最大カウントレジスタ１２２と、カウンタ１２４と、比較器１２６と、を含んでいる。最大カウントレジスタ１２２は、入力信号によって惹起されるオーバーシュートを補償するためにＬＰＦ１４０が必要とする時間を表す最大カウンタ値を記憶する。カウンタ１２４は、（正又は負の）過度に急峻な入力信号が検出された場合、即ち、入力信号のスルーレートが所定の閾値の絶対値以上である場合、カウンタ値を最大カウンタ値に初期化する。続いて、カウンタ値は、カウンタが０に達するまで、ディジタル入力信号のサンプル毎に減分（デクリメント）される。カウンタが０に達する前に更にオーバーシュートが生じると、カウンタ１２４は、カウンタ値を最大カウンタ値に再び初期化する。比較器１２６は、カウンタ値が０より大きいことを求めるように構成されている。

イネーブル回路１３０は、所定のランタイムにわたり入力信号のスルーレートを低下させるために、ＬＰＦ１４０をイネーブルするように構成されている。イネーブル回路１３０は、入力線０及び１を有しているマルチプレクサ１３２を含んでおり、２つの入力線は、比較器１２６から受け取った出力に基づき選択される。比較器１２６の出力が、カウンタ値は０より大きいことを示す場合、マルチプレクサ１３２は入力１を選択して、ＬＰＦ１４０をイネーブルし、ＬＰＦ１４０は係数αを使用して入力信号をフィルタリングする（即ち、入力信号のスルーレートを低下させる）。カウンタ値が０である場合、マルチプレクサ１３２は入力０を選択して、ＬＰＦ１４０をディスエーブルする、即ち、ＬＰＦ１４０を使用不能にする。ＬＰＦ１４０は、入力信号がオーバーシュート又はアンダーシュートを惹起する場合にのみイネーブルされる。ＬＰＦ１４０を恒常的にイネーブル状態にしておくことは望ましくない。何故ならば、ＬＰＦ１４０は、付加的な遅延を発生させ、フィルタリングされた信号の周波数応答を変化させるからである。しかしながら、閾値を０に設定することによって、ＬＰＦ１４０をディスエーブルすることが可能である。

ＬＰＦ１４０は、次式の伝達関数を有している。
ｙ（ｎ）＝ｙ（ｎ−１）×（１−α）＋ｘ（ｎ）×α （式１）
ここで、ｘ（ｎ）は入力信号であり、ｙ（ｎ）はＬＰＦ１４０の出力信号であり、またαはＬＰＦ１４０のカットオフ周波数を規定するＬＰＦ１４０の係数である。カウンタ値に基づき、種々の係数αがＬＰＦ１４０に適用される。カウンタが０である場合には、α＝１であり、フィルタリングは適用されない。即ち、入力信号のサンプルは、デシメーションフィルタ１５０に直接的に伝達される。カウンタが０でない場合、所望のα＝α₀が適用される。従って、ＬＰＦ１４０は、カウンタが０でない期間にわたり入力信号のサンプルに対して付加的なフィルタリングを適用し、それによって、デシメーションフィルタ１５０の入力における入力信号のスルーレートを低下させる。αの値が小さくなると、ＬＰＦ１４０がフィルタリングする入力信号の数は多くなる。αの固有値は、考えられる入力信号に関して既知である事項を基礎とした設計選択である。

最大カウンタ値は、デシメーションフィルタ１５０の形状に依存して、どれ程の数の入力信号のサンプルがオーバーシュートし続ける傾向にあるかに基づいてセットされる。例えば、最大カウンタ値は、サンプル４つ分の値にセットされる。ＬＰＦ１４０のイネーブル状態が長くなるほど、入力信号によって惹起されるオーバーシュートは大きく低減される。択一的に、ＬＰＦ１４０が比較的短い期間にわたりイネーブルされる場合には、ＬＰＦ１４０によるフィルタリングは行われないデシメーションフィルタ１５０の通常の動作により早く復帰することができる。

択一的に、ＬＰＦ１４０はコムフィルタであっても良いし、意図した目的に適したその他の任意のフィルタであっても良い。また、択一的な実施の形態においては、マルチプレクサ１３２を備えている別個のイネーブル回路１３０は設けられておらず、その代わりに、比較器１２６からの出力がＬＰＦ１４０に直接的に送信される。

図２Ａには、デシメーションフィルタ１５０の周波数応答のグラフ２００Ａが示されている。このグラフ２００Ａにおいて、ｘ軸は周波数を表しており、またｙ軸はデシベルを表している。図２Ｂには、デシメーションフィルタのインパルス応答及びデシメーションフィルタのステップ応答のグラフ２００Ｂが示されている。グラフのｘ軸は正規化した時間を表しており、またｙ軸は正規化した振幅を表している。

曲線２１０Ａは、平坦なインバンド（in-band）と、カットオフ周波数において始まる、インバンド外の減衰と、を有している、所望の周波数応答である。このフィルタのインパルス応答は、曲線２１０Ｂ−１によって表されており、また、このフィルタのステップ応答は、曲線２１０Ｂ−２によって表されている。残念ながら、このステップ応答２１０Ｂ−２はオーバーシュート２３０を有している。

曲線２２０Ｂは、早期の減衰に起因してインバンドが早々に低下しているので、曲線２１０Ａのような所望の曲線ではない。しかしながら、インパルス応答２２０Ｂ−１及びステップ応答２２０Ｂ−２が示しているように、不所望なオーバーシュートは存在していない。

理想的には、フィルタによって、オーバーシュート２３０が生じない、曲線２１０Ａを有している周波数応答がもたらされる。本開示において説明したように、オーバーシュート条件がオーバーシュート補償回路によって検出されると、ＬＰＦ１４０は、オーバーシュートの間の短い期間にわたり入力信号を曲線２２０Ｂ（即ち、２２０Ｂ−１及び２２０Ｂ−２）の方向にフィルタリングし、オーバーシュートが終了した後に、再び曲線２１０Ａ（即ち、２１０Ｂ−１及び２１０Ｂ−２）に戻す。

図３には、デシメーションフィルタ１５０のステップ応答のグラフ３００が示されている。曲線３１０は、本発明のオーバーシュート補償回路を使用しない、デシメーションフィルタ１５０のステップ応答を表している。これに対し、曲線３２０は、オーバーシュート補償回路によるフィルタリングが行われる、デシメーションフィルタ１５０のステップ応答を表している。このグラフから見て取れるように、オーバーシュート補償回路は入力信号によって惹起されるオーバーシュートを低下させる。

図４には、１つの実施例による、入力信号によって惹起されるオーバーシュートを補償するための方法のフローチャート４００が示されている。

ステップ４１０においては、スルーレート検出回路１１０が入力信号のスルーレートを検出する。

ステップ４２０においては、入力信号のスルーレートの絶対値が所定の閾値以上である場合、ランタイム回路が所定のランタイムを初期設定する。

ステップ４３０では、オーバーシュートが生じる間の所定のランタイムの期間のみ、ＬＰＦ１４０が入力信号のスルーレートを低下させる。

上記においては、実施例に関連させて説明を行ったが、「例示的」という用語は、最善なもの又は最適なものを意味しているのではなく、単に一例を意味しているに過ぎないと解される。従って、本開示は、本発明の範囲に含まれると考えられる択一形態、修正形態及び等価形態をカバーすることを意図している。

本開示において、特定の実施の形態を図示して説明したが、当該技術分野に属する当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の択一的な実施の形態及び／又は等価の実施の形態を、図示及び説明した特定の実施の形態に置換できることが分かる。本開示は、本開示において説明した特定の実施の形態のあらゆる任意の適合形態又はヴァリエーションをカバーすることを意図している。

Claims (20)

1. 入力信号のためのオーバーシュート補償回路において、
   前記入力信号のスルーレートを検出するように構成されているスルーレート検出回路と、
   前記入力信号の前記スルーレートの絶対値が所定の閾値以上である場合、所定のランタイムを初期設定するように構成されているランタイム回路と、
   前記所定のランタイムの期間のみ、前記入力信号の前記スルーレートを低下させるように構成されているローパスフィルタと、
   を備えていることを特徴とする、
   オーバーシュート補償回路。
2. 前記ローパスフィルタは、次式の伝達関数、即ち、
   ｙ（ｎ）＝ｙ（ｎ−１）×（１−α）＋ｘ（ｎ）×α
   を有しており、ここで、ｘ（ｎ）は前記入力信号であり、ｙ（ｎ）は前記ローパスフィルタの出力信号であり、αは前記ローパスフィルタの係数である、
   請求項１に記載のオーバーシュート補償回路。
3. 前記ローパスフィルタは、コムフィルタである、
   請求項１に記載のオーバーシュート補償回路。
4. 前記ランタイム回路は、カウンタを含んでおり、
   前記カウンタは、前記入力信号の前記スルーレートの前記絶対値が前記所定の閾値以上である場合、前記所定のランタイムに対応する最大カウンタ値にカウンタ値を初期化し、且つ、前記入力信号のサンプル毎に前記カウンタ値を減分するように構成されている、
   請求項１に記載のオーバーシュート補償回路。
5. 前記ランタイム回路は、更に比較器を含んでおり、
   前記比較器は、前記カウンタ値が０より大きいことを求めるように構成されている、
   請求項４に記載のオーバーシュート補償回路。
6. 前記オーバーシュート補償回路は、更にマルチプレクサを含んでおり、
   前記マルチプレクサは、前記カウンタ値が０より大きい間にだけ、前記入力信号の前記スルーレートを低下させるために、前記ローパスフィルタをイネーブルするように構成されている、
   請求項５に記載のオーバーシュート補償回路。
7. 前記マルチプレクサは、前記カウンタ値が０になると、前記ローパスフィルタをディスエーブルするように構成されている、
   請求項６に記載のオーバーシュート補償回路。
8. 前記スルーレート検出回路は、
   前記入力信号の前記スルーレートを求めるように構成されている遅延回路と、
   前記スルーレートの前記絶対値が前記所定の閾値以上であるか否かを求めるように構成されている閾値決定回路と、
   を含んでいる、
   請求項１に記載のオーバーシュート補償回路。
9. 前記遅延回路は、
   前記入力信号の先行のＮ個（但しＮは１以上）のサンプルを記憶するように構成されている遅延素子と、
   前記入力信号の前記先行のＮ個のサンプルを、前記入力信号の目下のサンプルから減算するように構成されている減算器と、
   を含んでいる、
   請求項８に記載のオーバーシュート補償回路。
10. 請求項１に記載のオーバーシュート補償回路と、
    ローパスフィルタリングされた前記入力信号をフィルタリングするように構成されているデシメーションローパスフィルタと、
    を含んでいることを特徴とする、
    フィルタ。
11. 入力信号によって惹起されるオーバーシュートを補償する方法において、
    スルーレート検出回路によって、前記入力信号のスルーレートを検出するステップと、
    前記入力信号の前記スルーレートの絶対値が所定の閾値以上である場合、ランタイム回路によって、所定のランタイムを初期設定するステップと、
    前記所定のランタイムの期間のみ、ローパスフィルタによって、前記入力信号の前記スルーレートを低下させるステップと、
    を備えていることを特徴とする、
    方法。
12. 前記ローパスフィルタは、次式の伝達関数、即ち、
    ｙ（ｎ）＝ｙ（ｎ−１）×（１−α）＋ｘ（ｎ）×α
    を有しており、ここで、ｘ（ｎ）は前記入力信号であり、ｙ（ｎ）は前記ローパスフィルタの出力信号であり、αは前記ローパスフィルタの時定数である、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記ローパスフィルタは、コムフィルタである、
    請求項１１に記載の方法。
14. 更に、
    前記入力信号の前記スルーレートの前記絶対値が前記所定の閾値以上である場合、前記ランタイム回路のカウンタによって、前記所定のランタイムに対応する最大カウンタ値にカウンタ値を初期化するステップと、
    前記入力信号のサンプル毎に、前記ランタイム回路によって、前記カウンタ値を減分するステップと、
    を備えている、
    請求項１１に記載の方法。
15. 前記ランタイム回路の比較器によって、前記カウンタ値が０より大きいことを求める、
    請求項１４に記載の方法。
16. 更に、
    マルチプレクサによって、前記カウンタ値が０より大きい間にだけ、前記入力信号のスルーレートを低下させるために、前記ローパスフィルタをイネーブルするステップを備えている、
    請求項１５に記載の方法。
17. 更に、
    前記カウンタ値が０になると、前記マルチプレクサによって、前記ローパスフィルタをディスエーブルするステップを備えている、
    請求項１６に記載の方法。
18. 更に、
    前記スルーレート検出回路の遅延回路によって、前記入力信号の前記スルーレートを求めるステップと、
    前記スルーレート検出回路の閾値決定回路によって、前記スルーレートの前記絶対値が前記所定の閾値以上であるか否かを求めるステップと、
    を備えている、
    請求項１１に記載の方法。
19. 更に、
    前記遅延回路の遅延素子によって、前記入力信号の先行のＮ個（但しＮは１以上）のサンプルを記憶するステップと、
    前記遅延回路の減算器によって、前記入力信号の前記先行のＮ個のサンプルを、前記入力信号の目下のサンプルから減算するステップと、
    を備えている、請求項１８に記載の方法。
20. 入力信号のためのオーバーシュート補償回路において、
    前記入力信号のスルーレートを検出するためのスルーレート検出手段と、
    前記入力信号の前記スルーレートの絶対値が所定の閾値以上である場合、所定のランタイムを初期設定するためのランタイム手段と、
    前記所定のランタイムの期間のみ、前記入力信号の前記スルーレートを低下させるためのローパスフィルタ手段と、
    を備えていることを特徴とする、
    オーバーシュート補償回路。