JP2021028636A - Non-synchronous fra and synchronous detector - Google Patents

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Abstract

To provide a non-synchronous FRA and a synchronous detector that can obtain stable output of a measured value of an amplitude ratio and phase difference between two measured signals Vin, even if the frequency of a measured signal and a reference signal is non-synchronous.SOLUTION: A plurality of FRAs comprises a plurality of two-phase synchronous detectors. A two-phase synchronous detector includes two synchronous detectors Dt operating in two reference signals Vrs with a phase different by 90 degrees at the same frequency and an orthogonal coordinate-polar coordinate converter Trc. A synchronous detector has an input unit of a measured signal Vin, a multiplier M multiplying the measured signal and the reference signal, and an integrator I outputting a multiplication output for each time by integrating the period of reference signal by an integer multiple time larger than or equal to one. The orthogonal coordinate-polar coordinate converter has a converting unit obtaining two outputs of an absolute value and a deflection angle when an output of each synchronous detector is two components over an orthogonal coordinate. Each two-phase synchronous detector outputs difference between an absolute value ratio and a deflection angle and the FRA obtains a combination with phase difference obtained by dividing a phase of the reference signal with integer multiple of 360 degrees by an integer multiple time larger than or equal to one by multiple values. The FRA outputs the output average of a plurality of absolute values and a deflection angle difference.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、参照信号と被測定信号の周波数が異なっても動作する非同期FRA(Frequency Response Analyzer:周波数特性分析器)および同期検波器に関するものである。
The present invention relates to an asynchronous FRA (Frequency Response Analyzer) and a synchronous detector that operate even if the frequencies of the reference signal and the signal to be measured are different.

従来、雑音などが混入した信号の中から特定周波数の信号の振幅および位相を検出するには、同期検波(位相検波ともいう)という手法が用いられている。
まず、基本的な同期検波器の構成にもとづき、特定周波数の信号検出の原理を説明する。
基本的な同期検波器の構成を図13(a)に示す。この図13(a)において、参照信号Vrsおよび被測定信号Vinがそれぞれ、
Vrs=2sin(2π・fr・t) ・・・・・・(1)
Vin=Va・sin(2π・fin・t+θin) ・・・・・・(2)
とし、周波数fr、finを持つ正弦波とする。
乗算器MはVrsとVinの積を出力し、この乗算器Mの出力Vin・Vrsは、
Vin・Vrs
=Va・sin(2π・fin・t+θin)・2sin(2π・fr・t)
=Va・[cos{2π・(fin−fr)・t+θin}
−cos{2π・(fin+fr)・t+θin}] ・・・・・(3)
となる。つまり、乗算器Mによれば、被測定信号Vinが被測定信号Vinの振幅Vaと位相θinの情報を持つ2つの周波数(fin−fr)および(fin+fr)の信号の和の形に変換されることがわかる。
Conventionally, a technique called synchronous detection (also referred to as phase detection) has been used to detect the amplitude and phase of a signal having a specific frequency from a signal mixed with noise or the like.
First, the principle of signal detection of a specific frequency will be described based on the configuration of a basic synchronous detector.
The configuration of the basic synchronous detector is shown in FIG. 13 (a). In FIG. 13A, the reference signal Vrs and the measured signal Vin are, respectively.
Vrs = 2sin (2π ・ fr ・ t) ・ ・ ・ ・ ・ ・ (1)
Vin = Va ・ sin (2π ・ fin ・ t + θin) ・ ・ ・ ・ ・ ・ (2)
Let it be a sine wave having frequencies fr and fin.
The multiplier M outputs the product of Vrs and Vin, and the output Vin · Vrs of this multiplier M is
Vin ・ Vrs
= Va ・ sin (2π ・ fin ・ t + θin) ・ 2sin (2π ・ fr ・ t)
= Va · [cos {2π · (fin-fr) · t + θin}
-Cos {2π ・ (fin + fr) ・ t + θin}] ・ ・ ・ ・ ・ (3)
Will be. That is, according to the multiplier M, the signal to be measured Vin is converted into the sum of the signals of two frequencies (fin-fr) and (fin + fr) having the information of the amplitude Va and the phase θin of the signal to be measured Vin. You can see that.

この乗算器Mの出力Vin・Vrsはローパスフィルタ(LPF)に入力される。このLPFでは、式(3)で表わされた2つの周波数の信号のうち、周波数fin+fr(高い方の周波数)の成分が十分に減衰され、周波数fin−fr(低い方の周波数)の成分はほとんどそのまま通過する。
このLPFの出力Vsは、
Vs=Va・cos{2π・(fin−fr)・t+θin} ・・・・・(4)
となる。
The output Vin · Vrs of the multiplier M is input to the low-pass filter (LPF). In this LPF, of the signals of the two frequencies represented by the equation (3), the component of frequency fin + fr (higher frequency) is sufficiently attenuated, and the component of frequency fin-fr (lower frequency) is sufficiently attenuated. It passes almost as it is.
The output Vs of this LPF is
Vs = Va ・ cos {2π ・ (fin-fr) ・ t + θin} ・ ・ ・ ・ ・ (4)
Will be.

特に、被測定信号Vinの周波数finと参照信号Vrsの周波数frが同じ(fin=frである)であれば、
Vs=Va・cosθin ・・・・・・(5)
となる。したがって、被測定信号Vinの振幅Vaと位相θinの情報のみを持つ、時間に依存しない出力、すなわち直流出力が得られることがわかる。
このように同期検波器によれば、被測定信号Vinから参照信号Vrsと同じ周波数成分の振幅および位相の情報を持った直流信号を取り出すことができる。
In particular, if the frequency fin of the signal to be measured Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs are the same (fin = fr),
Vs = Va ・ cosθin ・ ・ ・ ・ ・ ・ (5)
Will be. Therefore, it can be seen that a time-independent output, that is, a DC output, which has only the information of the amplitude Va and the phase θin of the signal to be measured Vin, can be obtained.
As described above, according to the synchronous detector, it is possible to extract a DC signal having amplitude and phase information of the same frequency component as the reference signal Vrs from the measured signal Vin.

この同期検波器は、参照信号Vrsが正弦波であることを例として挙げたが、あらゆる周期関数は基本周期およびその整数分の1の周期をもつ正弦波の重ねあわせで表現できることから、参照信号として正弦波の代わりにたとえば、矩形波などの周期関数であっても、その周期信号に含まれる正弦波に応じて動作をする同期検波器となる。
乗算器をたとえば、アナログ回路で構成する場合、被測定信号に正弦波を乗算する乗算器を構成することは高価になるが、反転増幅器とアナログスイッチを使用して被測定信号に等価的に矩形波を乗算する手法は、安価に且つ容易に実現でき、同期検波器としてよく用いられる。
In this synchronous detector, the reference signal Vrs is a sine wave as an example, but since any periodic function can be expressed by superimposing a sine wave having a basic period and a period that is a fraction of the basic period, the reference signal is a reference signal. Even if it is a periodic function such as a square wave instead of a sine wave, it is a synchronous detector that operates according to the sine wave included in the periodic signal.
If the multiplier is configured with an analog circuit, for example, it would be expensive to configure a multiplier that multiplies the signal under test by a sine wave, but it is equivalently square to the signal under test using an inverting amplifier and an analog switch. The method of multiplying waves can be realized inexpensively and easily, and is often used as a synchronous detector.

また図13(b)のように、参照信号Vrsに位相がπ/2(=90°)異なる正弦波、すなわち余弦波であるVrc=2cos(2πfr・t)を使用し、この参照信号Vrcと被測定信号Vinを乗算器Mで乗算すると、
Vin・Vrc
=Va・sin(2π・fin・t+θin)・2cos(2π・fr・t)
=Va・[sin{2π・(fin+fr)・t+θin}
+sin{2π・(fin−fr)・t+θin}] ・・・・・(6)
となる。
この乗算結果から参照信号Vrsに余弦波を用いた場合にも、被測定信号Vinが図13(a)の場合と同様に、(fin−fr)および(fin+fr)の2つの周波数成分に変換されることがわかる。
Further, as shown in FIG. 13B, a sine wave having a phase difference of π / 2 (= 90 °), that is, a cosine wave Vrc = 2cos (2πfr · t) is used for the reference signal Vrs, and the reference signal Vrc is used. When the signal to be measured Vin is multiplied by the multiplier M,
Vin ・ Vrc
= Va ・ sin (2π ・ fin ・ t + θin) ・ 2cos (2π ・ fr ・ t)
= Va · [sin {2π · (fin + fr) · t + θin}
+ Sin {2π ・ (fin-fr) ・ t + θin}] ・ ・ ・ ・ ・ (6)
Will be.
From this multiplication result, even when a cosine wave is used as the reference signal Vrs, the signal to be measured Vin is converted into two frequency components (fin-fr) and (fin + fr) as in the case of FIG. 13 (a). You can see that.

そして、被測定信号Vinの周波数finと参照信号Vrsの周波数frが同じ(fin=fr)であれば、LPFの出力Vcは、
Vc=Va・sinθin ・・・・・・(7)
となる。この場合も被測定信号Vinの振幅Vaと位相θinの情報のみを持つ、時間に依存しない出力、すなわち直流出力が得られることがわかる。
If the frequency fin of the signal to be measured Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs are the same (fin = fr), the output Vc of the LPF is
Vc = Va ・ sinθin ・ ・ ・ ・ ・ ・ (7)
Will be. In this case as well, it can be seen that a time-independent output, that is, a DC output, which has only information on the amplitude Va and the phase θin of the signal to be measured Vin, can be obtained.

このことから、位相がπ/2(=90°)だけ異なる参照信号Vrsによる同期検波を行えば、被測定信号Vinの振幅Vaおよび参照信号Vrsを基準とした被測定信号Vinの位相θinを得ることもできる。 From this, if synchronous detection is performed by the reference signal Vrs whose phases differ by π / 2 (= 90 °), the amplitude Va of the measured signal Vin and the phase θin of the measured signal Vin based on the reference signal Vrs can be obtained. You can also do it.

ところで、参照信号Vrsの周波数frと被測定信号Vinの周波数finが異なるとき(fin≠fr)には、frより低い周波数、frより高い周波数の2つの周波数成分(fin−fr)および(fin+fr)の交流信号が現れる。 By the way, when the frequency fr of the reference signal Vrs and the frequency fin of the signal to be measured Vin are different (fin ≠ fr), two frequency components (fin-fr) and (fin + fr) having a frequency lower than fr and a frequency higher than fr are used. AC signal appears.

このうち、どちらか一方の周波数の信号のみをバンドパスフィルタやローパスフィルタを用いて取り出し、被測定信号Vinの振幅Vaや位相θinの情報を得る手法はヘテロダイン検波という。
ヘテロダイン検波は、AMラジオやFMラジオなどに代表される放送や無線通信の分野で、変調された信号の復調方法として広く用いられている。
これらを横軸に周波数、縦軸に振幅を取ってグラフで表すと、図13(a)および(b)の(ア)(イ)(ウ)(エ)は、同期検波の原理を表す図13(c)中およびヘテロダイン検波の原理を表す図13(d)中のそれぞれ以下のものとなる。
(ア):被測定信号Vin。
(イ):参照信号VrsもしくはVrc。
(ウ):(fin−fr)、(fin+fr)の2つの周波数成分の信号。
(エ):フィルタにより取り出された周波数(fin−fr)の信号。
Of these, a method of extracting only a signal of one of the frequencies using a bandpass filter or a lowpass filter to obtain information on the amplitude Va and the phase θin of the signal to be measured Vin is called heterodyne detection.
Heterodyne detection is widely used as a demodulation method for modulated signals in the fields of broadcasting and wireless communication represented by AM radio and FM radio.
When these are represented by a graph with frequency on the horizontal axis and amplitude on the vertical axis, (a), (b), (c), and (d) in FIGS. 13 (a) and 13 (b) are diagrams showing the principle of synchronous detection. 13 (c) and FIG. 13 (d) showing the principle of heterodyne detection are as follows.
(A): Measured signal Vin.
(A): Reference signal Vrs or Vrc.
(C): Signals of two frequency components (fin-fr) and (fin + fr).
(D): A frequency (fin-fr) signal extracted by the filter.

図13(a)および(b)に示す同期検波器内のローパスフィルタについて、後述するFRA(周波数特性分析器)に用いられる方式として、図14に示すように、参照信号の周期Tr(=周波数frの逆数)もしくはその整数n倍の時間で平均化する積分器Iを考える。
この積分器Iの演算によるローパスフィルタは、n・Trの間の有限時間分のみの入力から出力を得るデジタル信号処理により実現されるので、移動平均フィルタの一種である。
この積分器Iの演算によりVaおよびθinを演算すれば、n・Trの時間ごとに1回の割合で図13に示す出力VsやVcを得ることができる。
このように、参照信号の周期Trのn倍の時間で平均化するとき、この平均化を整数nを使って積分回数n回、と表現することもあり、以下では積分回数をこのような意味で用いる。
Regarding the low-pass filter in the synchronous detector shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), as a method used for the FRA (frequency characteristic analyzer) described later, as shown in FIG. 14, the period Tr (= frequency) of the reference signal Consider an integrator I that averages in time (the reciprocal of fr) or its integer n times.
The low-pass filter calculated by the integrator I is a kind of moving average filter because it is realized by digital signal processing in which an output is obtained from an input for a finite time between n and Tr.
By calculating Va and θin by the calculation of the integrator I, the outputs Vs and Vc shown in FIG. 13 can be obtained at a rate of once every time of n · Tr.
In this way, when averaging in a time n times the period Tr of the reference signal, this averaging may be expressed as n times of integration using an integer n, and in the following, the number of integrations has such a meaning. Used in.

次に、既述の振幅および位相の情報を持つ2つの信号から、振幅Vaおよび位相θinの各値を得る方法を説明する。
まず、fin=frの場合、Va・cosθinとVa・sinθinの2つの信号は図15(a)に示すように、2次元平面上において、大きさVaで水平軸からのなす角θinのベクトルの水平軸及び垂直軸方向のベクトルの成分と幾何学的に解釈することができる。
このように考えると、図15(b)に示すように、直交座標−極座標変換器Trcの構成により、出力Vおよびθとして被測定信号Vinの振幅Vaおよび位相θinが得られる。
すなわち、

Figure 2021028636
Figure 2021028636
である。
ここで、atan(Y,X)は、X、Y座標XY平面上のベクトルについて、X軸の正側となす偏角を求める4象限逆正接関数である。 Next, a method of obtaining each value of the amplitude Va and the phase θin from the two signals having the above-mentioned amplitude and phase information will be described.
First, when fin = fr, the two signals Va · cos θin and Va · sin θin are the vectors of the angle θin formed by the magnitude Va from the horizontal axis on the two-dimensional plane as shown in FIG. 15 (a). It can be geometrically interpreted as a vector component in the horizontal and vertical axes.
Considering this, as shown in FIG. 15B, the amplitude Va and the phase θin of the signal to be measured Vin can be obtained as the output V and θ by the configuration of the Cartesian coordinate-polar coordinate converter Trc.
That is,
Figure 2021028636
Figure 2021028636
Is.
Here, atan (Y, X) is a four-quadrant inverse trigonometric function that finds the declination of a vector on the X, Y coordinate XY plane with the positive side of the X axis.

次にfin≠frの場合、被測定信号の位相θinと、参照信号VrsおよびVrcとの間の位相関係が時間とともに変化すると考えればよく、その場合、位相の測定値θは、
θ=atan(Vc,Vs)=θin+2π(fin−fr)t ・・・(10)
となり、時間に依存する測定結果が得られる。
Next, when fin ≠ fr, it can be considered that the phase relationship between the phase θin of the signal to be measured and the reference signals Vrs and Vrc changes with time. In that case, the measured value θ of the phase is
θ = atan (Vc, Vs) = θin + 2π (fin-fr) t ... (10)
Therefore, a time-dependent measurement result can be obtained.

さらに、図16のように、この直交座標‐極座標変換器Trcの入力側に同期検波器Dis、Dicとして2つの積分型同期検波器Di(図13に示す同期検波器Dの2つでもよい)を備え、周波数frが同じで、位相が正弦波と余弦波の関係でπ/2(=90°)異なる参照信号とすれば、正弦波の参照信号Vrsの位相を基準位相とし、測定結果として被測定信号Vinの参照信号の周波数frと同じ周波数成分の振幅および位相が得られる二位相同期検波器Dxyとなる。
以上はある1つの被測定信号Vinに対して、参照信号Vrsの周波数成分の振幅、参照信号Vrsの位相を基準とした被測定信号Vinの位相を測定する原理について説明した。
Further, as shown in FIG. 16, two integral type synchronous detectors Di (two of the synchronous detectors D shown in FIG. 13 may be used) as the synchronous detector Dis and the Dic on the input side of the orthogonal coordinate-polar coordinate converter Trc. If the reference signals have the same frequency fr and the phases differ by π / 2 (= 90 °) due to the relationship between the sine wave and the cosine wave, the phase of the reference signal Vrs of the sine wave is used as the reference phase, and the measurement result is It is a two-phase synchronous detector Dxy that can obtain the amplitude and phase of the same frequency component as the frequency fr of the reference signal of the signal to be measured Vin.
The principle of measuring the amplitude of the frequency component of the reference signal Vrs and the phase of the measured signal Vin with reference to the phase of the reference signal Vrs has been described above for a certain signal Vin.

この二位相同期検波器の複数を使用すれば、複数の被測定信号Vin間の振幅比Goおよび位相差θdの測定ができることを以下に説明する。
図17は、図16に示すような二位相同期検波器Dxyを2組備え、2つの被測定信号Vin1、Vin2のそれぞれを別の二位相同期検波器Dxy1、Dxy2で測定する構成を示している。
さらに、二位相同期検波器Dxy1、Dxy2で得られた各振幅Va1、Va2および各位相θin1、θin2から、振幅比Go、位相差θdを演算し、測定結果を出力するように構成されている。
Go=Va1/Va2 ・・・・・・(11)
θd=θin1―θin2 ・・・・・・(12)
It will be described below that the amplitude ratio Go and the phase difference θd between the plurality of measured signals Vin can be measured by using a plurality of the two-phase synchronous detectors.
FIG. 17 shows a configuration in which two sets of two-phase synchronous detectors Dxy as shown in FIG. 16 are provided, and two measured signals Vin1 and Vin2 are measured by different two-phase synchronous detectors Dxy1 and Dxy2, respectively. ..
Further, the amplitude ratio Go and the phase difference θd are calculated from the amplitudes Va1 and Va2 and the phases θin1 and θin2 obtained by the two-phase synchronous detectors Dxy1 and Dxy2, and the measurement result is output.
Go = Va1 / Va2 ... (11)
θd = θin1-θin2 ... (12)

図17に示すように、複数の入力を備え、各入力部に入力された複数の被測定信号Vin間について、参照信号Vrsと同じ周波数成分同士のベクトル比の測定に特化した測定装置として周波数特性分析器(Frequency Response Analyzer:FRA)がある。
周波数特性分析器としては、図17で示した構成に加え、図18や図19の中で示された、FRA内部の参照信号Vrsと同期した内蔵発振器OSCを持つものもあるが、そのようなものはここでは発振器付周波数特性測定器OSC−FRA、発振器OSCの出力を構成に含んでいないものをFRAとして、OSC−FRAとFRAの両者を区別する。
As shown in FIG. 17, the frequency is provided as a measuring device specialized for measuring the vector ratio of the same frequency components as the reference signal Vrs between the plurality of measured signals Vin input to each input unit. There is a characteristic analyzer (Frequency Response Analoger: FRA).
In addition to the configuration shown in FIG. 17, some frequency characteristic analyzers have a built-in oscillator OSC synchronized with the reference signal Vrs inside the FRA shown in FIGS. 18 and 19. Here, the OSC-FRA, which is a frequency characteristic measuring instrument with an oscillator, and the FRA, which does not include the output of the oscillator OSC, are used to distinguish between OSC-FRA and FRA.

OSCーFRAの測定例として、図18に示すように、増幅器やフィルタなどに外部から参照信号Vrsと同じ周波数の信号である発振器OSCからの出力を入れ、増幅器やフィルタなどの出力信号を2つの被測定信号入力Vin1、Vin2として入力して測定すると、この増幅器やフィルタなどの利得や位相特性を測定することができる。
また、図19に示すように、電気部品Zの両端電圧と、電気部品Zと直列に接続されたシャント抵抗の両端電圧を、FRAの2つの被測定信号Vin1、Vin2として入力して振幅比Goおよび位相差θdを測定、さらに振幅比の測定結果をシャント抵抗の抵抗値Rで割れば、電気部品Zのインピーダンスを、位相を含めて測定することができる。
図18および図19に示すように、FRAでは、被測定信号Vin1、Vin2の振幅や位相を測定する場合、参照信号Vrsの周波数と同期した信号である発振器OSCからの出力を直接、もしくは発振器OSCの出力を、増幅器を介して出力する形で信号源とし、被測定信号Vinの周波数finと参照信号Vrsの周波数frを一致する状態で測定するのが一般的である。
以上はアナログ/デジタルを区別することなく、同期検波、FRAおよびOSC−FRAの基本的な構成、その動作原理を説明した。近年、フィルタなど各構成要素をデジタル回路やデジタル演算手段によって実現した計測器が普及しており、FRAおよびOSC−FRAもその例外ではない。むしろ演算を主とした測定方法であれば、たとえば、被測定信号の入力部をA/Dコンバータで数値に変換し、その後の同期検波器などの構成要素を演算処理で行ってもよいし、乗算器Mまでをアナログ回路とし、そこでA/D変換を行い、ローパスフィルタ以降を数値演算で処理してもよい。
出力もアナログ信号である必要はないし、処理形態も画面に数値表示としたり、外部制御コマンドによりパーソナルコンピュータで測定結果を表すための数値を取得してもよい。
斯かるFRA(周波数特性分析器)に関し、その構成や使用態様は既に知られている(特許文献1の図2および段落0014〜段落0027や非特許文献1)。
As a measurement example of OSC-FRA, as shown in FIG. 18, an output from an oscillator OSC, which is a signal having the same frequency as the reference signal Vrs, is input to an amplifier or filter from the outside, and two output signals such as an amplifier or filter are input. When the signals to be measured are input as Vin1 and Vin2 and measured, the gain and phase characteristics of the amplifier and filter can be measured.
Further, as shown in FIG. 19, the voltage across the electrical component Z and the voltage across the shunt resistance connected in series with the electrical component Z are input as two FRA measured signals Vin1 and Vin2, and the amplitude ratio Go By measuring the phase difference θd and dividing the measurement result of the amplitude ratio by the resistance value R of the shunt resistance, the impedance of the electric component Z can be measured including the phase.
As shown in FIGS. 18 and 19, in FRA, when measuring the amplitude and phase of the signals to be measured Vin1 and Vin2, the output from the oscillator OSC, which is a signal synchronized with the frequency of the reference signal Vrs, is directly or the oscillator OSC. Is used as a signal source in the form of being output via an amplifier, and the frequency fin of the signal to be measured Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs are generally measured in a state of matching.
The above has described the basic configurations of synchronous detection, FRA and OSC-FRA, and their operating principles without distinguishing between analog and digital. In recent years, measuring instruments in which each component such as a filter is realized by a digital circuit or a digital arithmetic means have become widespread, and FRA and OSC-FRA are no exception. Rather, if the measurement method is mainly arithmetic, for example, the input unit of the signal to be measured may be converted into a numerical value by an A / D converter, and subsequent components such as a synchronous detector may be performed by arithmetic processing. An analog circuit may be used up to the multiplier M, A / D conversion may be performed there, and the low-pass filter and subsequent parts may be processed by numerical calculation.
The output does not have to be an analog signal, and the processing mode may be displayed numerically on the screen, or a numerical value for expressing the measurement result on a personal computer may be acquired by an external control command.
Regarding such FRA (frequency characteristic analyzer), its configuration and usage mode are already known (FIG. 2 of Patent Document 1 and paragraphs 0014 to 0027 and Non-Patent Document 1).

特開2015−155870号公報JP-A-2015-155870

周波数特性分析器 技術解説集(2008年3月発行、株式会社エヌエフ回路設計ブロック)Frequency characteristic analyzer technical commentary (published in March 2008, NF Circuit Design Block Co., Ltd.)

ところで、振幅や位相差の測定について、被測定信号Vinと参照信号Vrsの周波数にずれがある場合、このずれに応じた大きさでかつ時間的な変化で測定誤差を生じ、高確度な測定ができないという課題があった。 By the way, regarding the measurement of amplitude and phase difference, if there is a deviation between the frequencies of the signal to be measured Vin and the reference signal Vrs, a measurement error occurs due to a change in magnitude and time according to the deviation, and highly accurate measurement can be performed. There was a problem that it could not be done.

従来のFRAを用いた測定では、OSC−FRAの形態で使用され、被測定信号Vinと参照信号Vrsが同期していることを前提にしており、測定対象である信号成分が直流成分に変換され、交流成分を積分器やローパスフィルタを通し直流分のみを取り出す処理を行っている。
このような処理において、被測定信号Vinと参照信号Vrsの周波数のずれで生じる誤差がどのように、どの程度の大きさで起こるのかを定量的な面も含めて説明する。
In the measurement using the conventional FRA, it is used in the form of OSC-FRA, and it is assumed that the signal to be measured Vin and the reference signal Vrs are synchronized, and the signal component to be measured is converted into a DC component. , The AC component is passed through an integrator or a low-pass filter to extract only the DC component.
In such a process, how and how large the error caused by the frequency deviation between the measured signal Vin and the reference signal Vrs will be described, including a quantitative aspect.

たとえば、商用電源には周波数50Hzや60Hzが存在しており、測定対象によっては、もともと特定の周波数を持っている場合がある。
このような信号を被測定信号Vinとし、参照信号Vrsの周波数を50Hzや60Hzに設定にし、測定に図13に示す同期検波器や、図16に示す二位相同期検波器を用いたとする。
この場合、商用電源の周波数と、同期検波器の参照信号Vrsの周波数は一致せず、相対的なずれが生じることがほとんどである。
For example, a commercial power source has frequencies of 50 Hz and 60 Hz, and may originally have a specific frequency depending on the measurement target.
It is assumed that such a signal is used as the signal to be measured, the frequency of the reference signal Vrs is set to 50 Hz or 60 Hz, and the synchronous detector shown in FIG. 13 or the two-phase synchronous detector shown in FIG. 16 is used for the measurement.
In this case, the frequency of the commercial power supply and the frequency of the reference signal Vrs of the synchronous detector do not match, and in most cases, a relative deviation occurs.

被測定信号Vinの周波数finと参照信号Vrsの周波数frが異なる場合、図13(a)(b)に示す乗算器Mの各出力(ウ)は、式(3)(6)で与えられ、fin−frおよびfin+frの2つの周波数成分を持つ交流信号となる。
この信号を図14に示すように、参照信号Vrsの周期の定数倍の区間で積分する積分器で構成したローパスフィルタを通過させた場合を考える。
この場合、finがfrの1以外の整数倍のとき(たとえばfr=50Hzでfinが100Hzや150Hzというような場合)、正弦波の周期性から積分器からなるローパスフィルタの出力は0となる。
When the frequency fin of the signal to be measured Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs are different, each output (c) of the multiplier M shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b) is given by the equations (3) and (6). It is an AC signal having two frequency components, fin-fr and fin + fr.
As shown in FIG. 14, consider a case where this signal is passed through a low-pass filter composed of an integrator that integrates in a section of a constant multiple of the period of the reference signal Vrs.
In this case, when fin is an integral multiple other than 1 of fr (for example, when fr = 50 Hz and fin is 100 Hz or 150 Hz), the output of the low-pass filter composed of an integrator becomes 0 due to the periodicity of the sine wave.

周波数が上記にあてはまらない場合には、ローパスフィルタを通過させれば、信号に減衰は生じても0にはならない。
ここで、複数の信号源間の周波数のずれが測定結果に与える影響を定量的に扱うため、ずれの度合いを表すパラメータδを導入する。
被測定信号Vinの周波数finを、参照信号Vrsおよびδを用いて表せば、
fin=(1+δ)fr ・・・・・・(13)
となる。
たとえば、fr=50Hzでδ=+0.01であれば、被測定信号Vinの周波数finが1%(=0.01×100%)、参照信号Vrsの周波数frより高いことを表わす。
これを具体的に示すと、
fin=(1+0.01)×50Hz=50.5Hz ・・・・・・(14)
となる。
If the frequency does not apply to the above, it will not be zero even if the signal is attenuated by passing it through a low-pass filter.
Here, in order to quantitatively handle the influence of the frequency deviation between a plurality of signal sources on the measurement result, a parameter δ indicating the degree of deviation is introduced.
If the frequency fin of the signal to be measured Vin is expressed using the reference signals Vrs and δ,
fin = (1 + δ) fr ... (13)
Will be.
For example, if δ = +0.01 at fr = 50 Hz, it means that the frequency fin of the signal to be measured Vin is 1% (= 0.01 × 100%), which is higher than the frequency fr of the reference signal Vrs.
To show this concretely,
fin = (1 + 0.01) x 50Hz = 50.5Hz ... (14)
Will be.

図13(a)(b)に示す同期検波器によれば、被測定信号Vinの周波数がfrではなくfinであれば、乗算器の出力はそれぞれ式(3)(6)で与えられる。
式(3)(6)中のfinを(1+δ)frと置き換えると、同期検波器における出力Vs、Vcは、それぞれ以下の式(15)(16)で表すことができる。

Figure 2021028636
Figure 2021028636
ただし、図13(a)(b)に示す同期検波器中のローパスフィルタは、図15に示す積分器Iの構成である。 According to the synchronous detector shown in FIGS. 13A and 13B, if the frequency of the signal to be measured Vin is fin instead of fr, the output of the multiplier is given by the equations (3) and (6), respectively.
Replacing fin in equations (3) and (6) with (1 + δ) fr, the outputs Vs and Vc in the synchronous detector can be expressed by the following equations (15) and (16), respectively.
Figure 2021028636
Figure 2021028636
However, the low-pass filter in the synchronous detector shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b) has the configuration of the integrator I shown in FIG.

ここで、式(15)(16)にあらわれるsinc(x)の関数は、下記の式(17)で定義される関数である。

Figure 2021028636
Here, the function of sinc (x) appearing in the equations (15) and (16) is a function defined by the following equation (17).
Figure 2021028636

また、式(15)(16)で与えられるVsとVcを、図15(b)に示す直交座標−極座標変換器Trcに入力した場合の、振幅Vおよび位相θを計算すると、以下のように表わすことができる。

Figure 2021028636
Figure 2021028636
Further, when the amplitude V and the phase θ when the Vs and Vc given by the equations (15) and (16) are input to the Cartesian coordinate-polar coordinate converter Trc shown in FIG. 15 (b), the amplitude V and the phase θ are calculated as follows. Can be represented.
Figure 2021028636
Figure 2021028636

式(18)(19)がどのように振る舞う関数かを考えると、まず、sinc(δnπ)および|sinc(δnπ)|は、正弦波関数をその引数で割った形で定義される、図20に示すように振る舞う偶関数である。
図20では引数をπの定数倍の形で表わしており、引数が0のときは1、引数が0以外の時は絶対値が常に1より小さく、引数が0を除いたπの整数倍のとき0となる関数である。
特にδ=0と置いてみると、Vs、Vc、Vは
Vs=Va・cosθin ・・・・・・(20)
Vc=Va・sinθin ・・・・・・(21)
V=Va ・・・・・・(22)
θ=atan(sinθin,cosθin)=θin ・・・・・・・(23)
となり、fin=frとした場合と同じ結果になることが確認できる。
δ≠0の場合、すなわちfin≠frの場合は、sin、cosそれぞれの同相成分の測定結果として、
・振幅Vaに、δとnで決まる、sinc関数などで表わされる係数がかかる
・位相がδnπずれた形(θin→θin+δnπ)となる
ことがわかる。
Considering how the equations (18) and (19) behave, first, sinc (δnπ) and | sinc (δnπ) | are defined by dividing the sine wave function by its argument, FIG. 20. It is an even function that behaves as shown in.
In FIG. 20, the argument is represented in the form of a constant multiple of π. When the argument is 0, the absolute value is always smaller than 1, and when the argument is other than 0, the absolute value is always smaller than 1, and the argument is an integral multiple of π excluding 0. It is a function that becomes 0 when.
In particular, when δ = 0, Vs, Vc, and V are Vs = Va · cosθin ... (20)
Vc = Va ・ sinθin ・ ・ ・ ・ ・ ・ (21)
V = Va ... (22)
θ = atan (sin θin, cos θin) = θ in ... (23)
It can be confirmed that the result is the same as when fin = fr.
When δ ≠ 0, that is, when fin ≠ fr, as the measurement result of the in-phase components of sin and cos, respectively,
・ Amplitude Va is multiplied by a coefficient represented by a sinc function, which is determined by δ and n. ・ It can be seen that the phase is shifted by δnπ (θin → θin + δnπ).

また、振幅Vは式(18)から、
(1)δnが0以外の整数となる場合には0となる(すなわち測定感度がなくなる。)
(2)θinに対してπ(=180°)の周期をもつ周期関数となる
ということもわかる。
Further, the amplitude V is obtained from the equation (18).
(1) When δn is an integer other than 0, it becomes 0 (that is, the measurement sensitivity is lost).
(2) It can also be seen that it is a periodic function having a period of π (= 180 °) with respect to θin.

同期検波器で振幅と位相は、以下のような幾何学的解釈に基づいた処理が行われる。
平面のベクトルを

Figure 2021028636
、そのx軸、y軸方向の成分としてそれぞれVs、Vcのうち共通の係数で割ったcosθin、sinθinとする。 すなわち、
Figure 2021028636
と表すと、図21(a)のように、
Figure 2021028636
のX軸からの偏角はθinを表わし、θinを0から2πまで変化させてみると、
Figure 2021028636
はこの平面上で半径1の円を描く。 In the synchronous detector, the amplitude and phase are processed based on the following geometric interpretation.
Planar vector
Figure 2021028636
, The components in the x-axis and y-axis directions are cosθin and sinθin divided by a common coefficient among Vs and Vc, respectively. That is,
Figure 2021028636
Is expressed as, as shown in FIG. 21 (a).
Figure 2021028636
The declination from the X-axis represents θin, and when θin is changed from 0 to 2π,
Figure 2021028636
Draws a circle with a radius of 1 on this plane.

次に、fin≠frの場合で、上記と同様に幾何学的な考察をする。
この場合の平面のベクトルを

Figure 2021028636
、そのX軸、Y軸方向の成分としてそれぞれVs、Vcのうち共通の係数で割ったものとすると、
Figure 2021028636

Figure 2021028636
と表せる。
この
Figure 2021028636
は、(θin+δnπ)をパラメータとして、図21(b)のような実線部の楕円を表わすベクトル方程式になっている。 Next, in the case of fin ≠ fr, a geometrical consideration is made in the same manner as above.
The vector of the plane in this case
Figure 2021028636
, Assuming that the components in the X-axis and Y-axis directions are divided by the common coefficient of Vs and Vc, respectively.
Figure 2021028636
Is
Figure 2021028636
Can be expressed as.
this
Figure 2021028636
Is a vector equation representing an ellipse in the solid line portion as shown in FIG. 21 (b) with (θin + δnπ) as a parameter.

そして、この場合、(θin+δnπ)は、

Figure 2021028636
の偏角(=位相の測定値)ではなく、図21(b)の楕円とともに描かれている点線の補助円上の点を表わすベクトルの偏角であり、θin、nおよびδに応じて決まる偏角のずれφが存在する。 And in this case, (θin + δnπ) is
Figure 2021028636
It is not the declination (= measured value of phase) of, but the declination of the vector representing the point on the auxiliary circle of the dotted line drawn together with the ellipse in FIG. 21 (b), and is determined according to θin, n, and δ. There is a deviation φ of the declination.

すなわち被測定信号Vinとして、θinの位相を持つ、参照信号Vrsの周波数frとはδの割合だけずれた周波数fin=(1+δ)frの信号を非同期で検波すると、同期検波器における位相測定値θは、以下のようになる。
θ=atan((1+δ)sin(θin+δnπ),cos(θin+δnπ))
・・・・・・(26)
ここで、θを、θin+δnπからのずれφを使って表す、すなわち
θ=θin+δnπ+φ ・・・・・・(27)
としてφを定義すると、φは、図21(b)や図22中に示した偏角を表わす。
すなわち、φは、finとfrが非同期であることに起因する位相測定値のずれ分を表わすことがわかる。
That is, when a signal having a phase of θin and having a frequency fin = (1 + δ) fr deviated by a ratio of δ from the frequency fr of the reference signal Vrs is asynchronously detected as the signal to be measured, the phase measurement value θ in the synchronous detector is θ. Is as follows.
θ = atan ((1 + δ) sin (θin + δnπ), cos (θin + δnπ))
・ ・ ・ ・ ・ ・ (26)
Here, θ is expressed using the deviation φ from θin + δnπ, that is, θ = θin + δnπ + φ ... (27)
When φ is defined as, φ represents the declination shown in FIG. 21 (b) and FIG. 22.
That is, it can be seen that φ represents the deviation of the phase measurement value due to the asynchronous fin and fr.

そして、式(26)(27)より、φは
tan(θin+δnπ+φ)=(1+δ)tan(θin+δnπ)
φ=atan((1+δ)sin(θin+δnπ)、cos(θin+δnπ))
−(θin+δnπ) ・・・・・・(28)
という形となる。
Then, from equations (26) and (27), φ is tan (θin + δnπ + φ) = (1 + δ) tan (θin + δnπ).
φ = atan ((1 + δ) sin (θin + δnπ), cos (θin + δnπ))
− (Θin + δnπ) ・ ・ ・ ・ ・ ・ (28)
It becomes the form.

ただし、ここで|δ|<1であれば、atanにより求まる位相は、θin+δnπと同じ象限であることと、sin(x)をcos(x)で除した関数であるtan(x)が周期πの周期関数であることを考慮すると、既述のφはθinを変数と考えたとき、周期πの周期関数となる、すなわち、θinの関数としてのφは、
φ(θin)=φ(θin+π) ・・・・・・(29)
を満たす。
However, if | δ | <1, the phase obtained by atan has the same quadrant as θin + δnπ, and tan (x), which is a function of sin (x) divided by cos (x), has a period π. Considering that φ is a periodic function of, when θin is considered as a variable, φ becomes a periodic function of period π, that is, φ as a function of θin is
φ (θin) = φ (θin + π) ・ ・ ・ ・ ・ ・ (29)
Meet.

上記を踏まえて、参照信号Vrsとは非同期の同じ周波数fin(=(1+δ)fr)を持つ2つの信号Vin1、Vin2を図17に示す構成で、振幅比と位相差を測定する場合を考える。
この場合、Vin1、Vin2それぞれについて上記での考察を当てはめれば、振幅比Go’と位相差θd’は、

Figure 2021028636
Figure 2021028636
という形となる。 Based on the above, consider a case where two signals Vin1 and Vin2 having the same frequency fin (= (1 + δ) fr) asynchronous with the reference signal Vrs are measured in the amplitude ratio and the phase difference in the configuration shown in FIG.
In this case, if the above considerations are applied to each of Vin1 and Vin2, the amplitude ratio Go'and the phase difference θd'are
Figure 2021028636
Figure 2021028636
It becomes the form.

以上から、被測定信号Vinの周波数finと参照信号Vrsの周波数frが非同期であった場合、被測定信号Vin自体の本来の振幅比(Va1/Va2)や位相差θd=(θin1−θin2)に対して、被測定信号Vinの位相θin1、θin2や、周波数のずれの度合いδ、積分回数nをパラメータとした測定誤差が発生することがわかる。 From the above, when the frequency fin of the measured signal Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs are asynchronous, the original amplitude ratio (Va1 / Va2) and the phase difference θd = (θin1-θin2) of the measured signal Vin itself. On the other hand, it can be seen that a measurement error occurs with the phases θin1 and θin2 of the signal to be measured Vin, the degree of frequency deviation δ, and the number of integrations n as parameters.

式だけではイメージしづらいので、|δ|<<1と考えた場合の近似式と、いくつかの具体的な値でどの程度の誤差になるのかをシミュレーションで示す。
まず計算結果を近似するに当たり、|x|<<1(たとえば、5%、0.05程度以下)の場合に成り立つ近似式として、
(1+x)n≒1+nx ・・・・・・(32)
を用い、さらに、逆数はn=−1、√はn=1/2の場合であることを考慮に入れGo’およびθd’の式(30)(31)に対して(32)で与えられる1次近似を用いる。
まずGo’の式(30)について考える。

Figure 2021028636
ただしψは、
ψ=atan((1−cos2θd),sin2θd) ・・・・・・(34)
で定義される、被測定信号Vin間の位相差θdのみで決まる定数である。
Go’は|δ|<<1のとき(33)のように近似でき、2つの被測定信号Vin間の位相差θd(=θin1−θin2)に対し、以下のような振る舞いになる。
θdが0もしくはπ(=180°)、つまり同じ向きもしくは逆向きのベクトルの測定であれば、式(33)の根号の中の1−cos2θdは0となるため、式(33)の大括弧[ ]の中身は1となり被測定信号Vin間の本来の振幅比Goに対して、Go’には1次近似の範囲では誤差はあらわれない。
θdが±π/2(=±90°)の時は、式(33)の根号の中の1−cos2θdは最大値である2となるため、式(33)の大括弧[ ]の中は、参照信号Vrsを基準にした被測定信号Vinの位相に応じて、最大約(1±δ)の範囲で値の差異が生じる。 Since it is difficult to imagine with the formula alone, the approximate formula when | δ | << 1 and the degree of error with some specific values are shown by simulation.
First, in approximating the calculation result, as an approximate expression that holds when | x | << 1 (for example, 5%, about 0.05 or less)
(1 + x) n ≒ 1 + nx ... (32)
Is given by (32) for equations (30) and (31) of Go'and θd', taking into account that the reciprocal is n = -1 and √ is n = 1/2. Use a first-order approximation.
First, consider Go'formula (30).
Figure 2021028636
However, ψ is
ψ = atan ((1-cos2θd), sin2θd) ... (34)
It is a constant defined only by the phase difference θd between the signals to be measured Vin.
Go'can be approximated as in (33) when | δ | << 1, and the behavior is as follows with respect to the phase difference θd (= θin1-θin2) between the two signals to be measured Vin.
If θd is 0 or π (= 180 °), that is, if vectors are measured in the same or opposite directions, 1-cos2θd in the radical of equation (33) will be 0, so the equation (33) is large. The content of the parentheses [] is 1, and an error does not appear in Go'in the range of the first-order approximation with respect to the original amplitude ratio Go between the measured signals Vin.
When θd is ± π / 2 (= ± 90 °), 1-cos2θd in the radical of equation (33) is 2, which is the maximum value, so it is in parentheses [] in equation (33). Has a value difference in a maximum range of about (1 ± δ) depending on the phase of the signal to be measured Vin with reference to the reference signal Vrs.

以上のことから、Go’をθdの関数と考えたとき、θdに対してπ(=180°)の周期をもつ周期関数として近似的に見えるような振る舞いが観測されることがわかる。
また、位相差の測定値θd’は、θinが、

Figure 2021028636
ここで、
Figure 2021028636
の近似を用いると、φは、
Figure 2021028636
と、φをδに関して一次近似できる。 From the above, it can be seen that when Go'is considered as a function of θd, behavior that seems to be approximate as a periodic function having a period of π (= 180 °) with respect to θd is observed.
Further, the measured value θd'of the phase difference is set to θin.
Figure 2021028636
here,
Figure 2021028636
Using the approximation of, φ is
Figure 2021028636
And φ can be first-order approximated with respect to δ.

このことを用いると、θ’in1、θ’in2はそれぞれ、

Figure 2021028636
と1次近似できる。
よって、|δn|<<1のとき、θd’は、
Figure 2021028636
と一次近似でき、θd’もGo’と同様にθdを中心とした正弦波状の振る舞いを示すことがわかる。
θd’は、2つの被測定信号Vin間の位相差θdにより、振幅比Go’と同様に、θdが0もしくはπ(=180°)であれば、(1−cos2θd)が0となることから、θd’の測定値に誤差はあらわれない(図21(b)で幾何学的に示したように、この場合はこの近似に限らず、厳密にこうなる)。 Using this, θ'in1 and θ'in2 are, respectively.
Figure 2021028636
Can be first-order approximated.
Therefore, when | δn | << 1, θd'is
Figure 2021028636
It can be seen that θd'also exhibits a sinusoidal behavior centered on θd, similar to Go'.
Since θd'is the same as the amplitude ratio Go', (1-cos2θd) becomes 0 when θd is 0 or π (= 180 °) due to the phase difference θd between the two signals to be measured Vin. , Θd'does not show any error (as shown geometrically in FIG. 21B, this case is not limited to this approximation, but is exactly the same).

一方、θdが±π/2(=±90°)の時は、(1−cos2θd)が2となるため、参照信号Vrsを基準にした被測定信号Vinの位相に応じて、最大約(1±δ)の範囲で相対誤差が生じる。 On the other hand, when θd is ± π / 2 (= ± 90 °), (1-cos2θd) is 2, so the maximum is about (1) depending on the phase of the signal to be measured Vin based on the reference signal Vrs. A relative error occurs in the range of ± δ).

Go’およびθd’について、これらのことを確かめるため、厳密解である式(30)(31)と近似解である式(33)(39)を比較したグラフを図23に示す。
被測定信号Vinの位相差θdにより測定結果の経時変化の様子が異なることが、近似した式でほぼ再現できていることがわかる。
In order to confirm these things about Go'and θd', a graph comparing the exact solutions (30) and (31) with the approximate solutions (33) and (39) is shown in FIG.
It can be seen that the appearance of the change with time of the measurement result differs depending on the phase difference θd of the signal to be measured Vin, which can be almost reproduced by the approximate expression.

これらの結果からみると、主に参照周波数frと被測定信号Vinの周波数fin間のずれの度合いδが10%以下(0.1以下)であれば、近似解は厳密解をほぼ完全に再現し、振幅特性を定量的に考察することが可能、δが30%程度でもおおよその特性を定性的に考えることは十分可能であることがわかる。 From these results, if the degree of deviation δ between the reference frequency fr and the frequency fin of the signal to be measured Vin is 10% or less (0.1 or less), the approximate solution almost completely reproduces the exact solution. However, it is possible to quantitatively consider the amplitude characteristics, and it is sufficiently possible to qualitatively consider the approximate characteristics even if δ is about 30%.

このように、被測定信号Vinの周波数finと参照信号Vrsの周波数frの間に相対的なずれ(1+δ)があると、振幅比や位相差測定の際に、被測定信号Vin間の位相差に依存し、かつずれδにほぼ比例するような形で測定誤差が発生する。
また、θin2は参照信号Vrsを基準としたときの被測定信号Vin2の位相である。
参照信号の周波数と被測定信号との周波数がfin=(1+δ)frの形でずれていた場合、積分器Iにおいて1回の測定結果が得られる間(n・Trの時間が経過する間)に、参照信号の位相に対して、被測定信号Vinの位相θin2はδn・2π(δn回転)だけ進む。
In this way, if there is a relative deviation (1 + δ) between the frequency fin of the measured signal Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs, the phase difference between the measured signal Vins is measured when measuring the amplitude ratio or phase difference. The measurement error occurs in a form that depends on and is almost proportional to the deviation δ.
Further, θin2 is the phase of the signal to be measured Vin2 when the reference signal Vrs is used as a reference.
When the frequency of the reference signal and the frequency of the signal to be measured deviate in the form of fin = (1 + δ) fr, while one measurement result is obtained in the integrator I (while the time of n · Tr elapses). In addition, the phase θin2 of the signal to be measured Vin 2 advances by δn · 2π (δn rotation) with respect to the phase of the reference signal.

すなわちθin2は、参照信号Vrsの位相を基準として考えた時、時刻tの関数θin2(t)として、以下のように変化するという形で表すことができる。
θin2(t)=θin2(0)+δn・2π・t/(n・Tr)
=θin2(0)+(2π・δ/Tr)・t
=θin2(0)+(2π・δ・fr)・t ・・・・(40)
このように表すと、式(33)(39)で表わされる振幅比Go’や位相差θd’の測定結果の時間経過は、式中のcosの引数中のθin2が2倍されていることにも注意すると、積分回数nによらず、周波数2δ・fr(もしくは周期Tr/(2δ))で、真値Go(=Va1/Va2)およびθd(=θin1−θin2)を中心に、ほぼ正弦波の形で時間変化することがわかる。
That is, θin2 can be expressed in the form of changing as follows as a function θin2 (t) of the time t when considering the phase of the reference signal Vrs as a reference.
θin2 (t) = θin2 (0) + δn ・ 2π ・ t / (n ・ Tr)
= Θin2 (0) + (2π ・ δ / Tr) ・ t
= Θin2 (0) + (2π ・ δ ・ fr) ・ t ・ ・ ・ ・ (40)
Expressed in this way, the time lapse of the measurement results of the amplitude ratio Go'and the phase difference θd' represented by the equations (33) and (39) is that θin2 in the argument of cos in the equation is doubled. Also note that, regardless of the number of integrations n, at a frequency of 2δ · fr (or period Tr / (2δ)), a nearly sine wave centered on the true values Go (= Va1 / Va2) and θd (= θin1-θin2). It can be seen that the time changes in the form of.

このことを改めて式として書くと、Go’およびθd’の周波数をfmeasとしたとき、
fmeas = 2δ・fr ・・・・・・(41)
と、参照信号Vrsの周波数とずれに比例した周波数の形で表せる。
To write this again as an expression, when the frequencies of Go'and θd' are set to fmeas,
fmeas = 2δ ・ fr ・ ・ ・ ・ ・ ・ (41)
Can be expressed in the form of a frequency proportional to the frequency of the reference signal Vrs and the deviation.

そこで、本発明の目的は、被測定信号の周波数finと参照信号の周波数frがずれているときに、2つの被測定信号間の振幅比および位相差の測定値が周期的に時間変化してしまうという課題に鑑み、同期検波器やFRAによる測定において、被測定信号の周波数finと参照信号Vrsの周波数frが同期を取られていない場合にも、2つの被測定信号Vin間の振幅比および位相差の測定値を安定した出力が得られる同期検波器および非同期FRAを提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is that when the frequency fin of the signal to be measured and the frequency fr of the reference signal are deviated, the measured values of the amplitude ratio and the phase difference between the two signals to be measured periodically change with time. In view of the problem of this, even when the frequency fin of the signal to be measured and the frequency fr of the reference signal Vrs are not synchronized in the measurement by the synchronous detector or FRA, the amplitude ratio between the two signal Vins to be measured and An object of the present invention is to provide a synchronous detector and an asynchronous FRA that can obtain a stable output of measured values of phase difference.

上記課題を解決するため、本発明の非同期FRAの一側面によれば、複数のFRAを具備し、前記FRAが複数の二位相同期検波器を具備し、前記二位相同期検波器が同じ周波数で位相が90度だけ異なる2つの参照信号でそれぞれが動作する2つの同期検波器および直交座標−極座標変換器を具備し、前記同期検波器のそれぞれが、被測定信号の入力部と、前記被測定信号と前記参照信号を乗算する乗算器と、前記乗算器の出力を参照信号の周期の1以上の整数倍の時間で積分し、前記時間ごとに出力する積分器を具備し、前記直交座標−極座標変換器が前記2つの同期検波器の2つの出力を直交座標上の2成分としたとき、これを極座標表示における絶対値と偏角の2つの出力を得る変換部を具備し、前記複数の二位相同期検波器の中の2つの組み合わせから得られる絶対値および偏角の値から、前記絶対値の比と偏角の差を出力し、前記複数のFRAは、前記参照信号の位相が360度の1以上の前記整数倍の位相を複数の値で除した位相差を有した組み合わせで構成し、前記複数のFRAが前記複数の絶対値の出力平均と、前記複数の偏角差の出力平均を出力することを特徴とする。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the asynchronous FRA of the present invention, the FRA includes a plurality of FRA, the FRA includes a plurality of two-phase synchronous detectors, and the two-phase synchronous detectors have the same frequency. It is provided with two synchronous detectors and orthogonal coordinate-polar coordinate converters, each of which operates with two reference signals having a phase difference of 90 degrees, and each of the synchronous detectors has an input unit of a signal to be measured and the measured signal. It is provided with a multiplier for multiplying the signal and the reference signal, and an integrator that integrates the output of the multiplier at an integral multiple of one or more of the period of the reference signal and outputs the output at each time. When the polar coordinate converter uses the two outputs of the two synchronous detectors as two components on the orthogonal coordinates, the polar coordinate converter is provided with a conversion unit that obtains two outputs of the absolute value and the deviation angle in the polar coordinate display. The difference between the absolute value ratio and the deviation angle is output from the absolute value and the deviation angle value obtained from the combination of the two in the two-phase synchronous detector, and the plurality of FRAs have a phase of the reference signal of 360. It is composed of a combination having a phase difference obtained by dividing the phase of the integral multiple of 1 or more by a plurality of values, and the plurality of FRA outputs the average of the plurality of absolute values and the output of the plurality of deviation angles. It is characterized by outputting an average.

上記非同期FRAにおいて、前記参照信号の位相が360度の1以上の前記整数倍の位相を除す前記複数の値は、前記整数倍の値の素因数のうち、2のべき乗で表わされる項の値に、2の2以上の整数乗の値を乗じた値であることを特徴とする。 In the asynchronous FRA, the plurality of values obtained by dividing the phase of one or more of the integer multiples of the reference signal having a phase of 360 degrees are the values of the terms represented by powers of 2 among the prime factors of the integer multiples. It is characterized in that it is a value obtained by multiplying 2 by a value of 2 or more to the power of an integer.

上記非同期FRAにおいて、360度の1以上の前記整数倍である前記位相を360度とし、前記2のべき乗で表わされる項の値を1とし、前記2の2以上の整数乗の値を4とすることを特徴とする。 In the asynchronous FRA, the phase, which is an integral multiple of 1 or more of 360 degrees, is 360 degrees, the value of the term represented by the power of 2 is 1, and the value of 2 or more is an integer power of 4. It is characterized by doing.

上記課題を解決するため、本発明の同期検波器の一側面によれば、被測定信号を入力する入力部と、特定周波数の参照信号を発生する参照信号発生部と、前記被測定信号と前記参照信号を乗算する乗算器と、前記乗算器の出力信号を前記参照信号の周期の1以上の整数倍の積分時間で時間平均を取る積分器と、前記被測定信号が一定振幅値を通過することを検出してトリガ信号を発生するトリガ検出部とを具備し、前記参照信号発生部が、前記トリガ信号でトリガされて規定位相で前記参照信号を出力し、前記積分器が前記参照信号を受けて前記積分動作を開始し、前記積分時間の経過後に前記時間平均の結果を出力することを特徴とする。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the synchronous detector of the present invention, an input unit for inputting a signal to be measured, a reference signal generating unit for generating a reference signal of a specific frequency, the signal to be measured, and the above-mentioned A multiplier that multiplies the reference signal, an integrator that takes the time average of the output signal of the multiplier with an integration time that is an integral multiple of one or more of the period of the reference signal, and the signal to be measured passes through a constant amplitude value. A trigger detection unit that detects that and generates a trigger signal is provided, the reference signal generation unit is triggered by the trigger signal and outputs the reference signal in a specified phase, and the integrator outputs the reference signal. It is characterized in that it receives the signal, starts the integration operation, and outputs the result of the time averaging after the lapse of the integration time.

上記同期検波器において、さらに、前記被測定信号の実効値を測定する実効値測定部と、を具備することを特徴とする。 The synchronous detector is further characterized by including an effective value measuring unit for measuring an effective value of the signal to be measured.

上記同期検波器において、さらに、前記実効値測定部の出力と前記積分器の出力を比較し、比較結果を出力する判定部とを具備することを特徴とする。 The synchronous detector is further characterized by including a determination unit that compares the output of the effective value measuring unit and the output of the integrator and outputs the comparison result.

上記同期検波器において、さらに、前記トリガ信号を所定時間だけ遅延させる信号遅延部とを具備することを特徴とする。 The synchronous detector is further characterized by including a signal delay unit that delays the trigger signal by a predetermined time.

上記同期検波器において、前記被測定信号を通過させるローパスフィルタ、バンドパスフィルタもしくはハイパスフィルタのいずれかを具備したことを特徴とする。 The synchronous detector is characterized by being provided with any one of a low-pass filter, a band-pass filter, and a high-pass filter through which the signal to be measured is passed.

上記同期検波器において、請求項4ないし請求項8のいずれかの請求項に記載の第1の検波器と、請求項4ないし請求項8のいずれかの請求項に記載の第2の検波器と、前記第1の検波器内のトリガ検出で得られる第1の検出信号と、前記第2の検波器内のトリガ検出で得られる第2の検出信号の時間差を計測する時間差計測部とを具備することを特徴とする。 In the synchronous detector, the first detector according to any one of claims 4 to 8 and the second detector according to any one of claims 4 to 8. And a time difference measuring unit that measures the time difference between the first detection signal obtained by the trigger detection in the first detector and the second detection signal obtained by the trigger detection in the second detector. It is characterized by having.

上記同期検波器において、さらに、前記時間差計測部の出力に前記参照信号の周期を元にした係数を使用して演算した結果を出力する演算手段とを具備することを特徴とする。 The synchronous detector is further characterized by including a calculation means for outputting the result of calculation using a coefficient based on the period of the reference signal to the output of the time difference measuring unit.

上記同期検波器において、さらに、前記第1および前記第2の検波器に含まれる前記積分器のそれぞれの出力間比を演算する振幅比演算部を具備することを特徴とする。 The synchronous detector is further characterized by including an amplitude ratio calculation unit that calculates an output-to-output ratio of each of the integrators included in the first and second detectors.

上記同期検波器において、さらに、前記第1または前記第2の検波器のいずれかまたは双方が2位相同期検波器であることを特徴とする。 The synchronous detector is further characterized in that either or both of the first and second detectors are two-phase synchronous detectors.

上記同期検波器において、さらに、前記第1および前記第2の検波器に含まれる前記積分器の出力から演算処理により求めた位相差を出力する位相演算部とを具備することを特徴とする。
The synchronous detector is further characterized by including a phase calculation unit that outputs a phase difference obtained by arithmetic processing from the output of the integrator included in the first and second detectors.

本発明の同期検波器または非同期FRAによれば、被測定信号の周波数finと参照信号の周波数fr間に同期関係がなくても、振幅比および位相差を測定でき、安定した測定値を得ることができる。
According to the synchronous detector or asynchronous FRA of the present invention, the amplitude ratio and the phase difference can be measured even if there is no synchronous relationship between the frequency fin of the signal to be measured and the frequency fr of the reference signal, and a stable measured value can be obtained. Can be done.

図1は、本発明の第1の実施の形態を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1の実施の形態でのシミュレーション結果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a simulation result according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1の実施の形態での別のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing another simulation result in the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第2の実施の形態を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第3の実施の形態を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第4の実施の形態を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第5の実施の形態を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第6の実施の形態を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a sixth embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第7の実施の形態を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a seventh embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第7の実施の形態でのシミュレーションの概要を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an outline of a simulation according to a seventh embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第7の実施の形態でのシミュレーション結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a simulation result according to the seventh embodiment of the present invention. 図12は、本発明の第8の実施の形態を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an eighth embodiment of the present invention. 図13は、同期検波の原理を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the principle of synchronous detection. 図14は、ローパスフィルタを積分器で構成した例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example in which a low-pass filter is configured by an integrator. 図15は、同期検波器の出力と振幅・位相の関係を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the output of the synchronous detector and the amplitude / phase. 図16は、二位相同期検波器の構成例を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of a two-phase synchronous detector. 図17は、FRAの原理を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing the principle of FRA. 図18は、利得、周波数特性の測定を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing measurement of gain and frequency characteristics. 図19は、インピーダンスの測定を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing impedance measurement. 図20は、sinc関数を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing a sinc function. 図21は、同期時と非同期時の被測定信号のベクトルの軌跡を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing the trajectory of the vector of the measured signal at the time of synchronization and the time of asynchronous. 図22は、ベクトルの軌跡を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing the trajectory of the vector. 図23は、さまざまなδによる測定結果のシミュレーションを示す図である。FIG. 23 is a diagram showing simulations of measurement results using various δs.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

〔第1の実施の形態〕
図1は、第1の実施の形態に係る同期検波器を示す図である。第1の実施の形態は、ひとつの信号に対してひとつの同期検波器を構成している。
この第1の実施の形態に係る同期検波器は、積分器IによってローパスフィルタLPFを構成した同期検波器Di(図14)にトリガ検出器Tが追加されたトリガ付積分型同期検波器Ditにより構成され、トリガ信号のタイミングに合わせて参照信号Vrsの位相が所定の位相たとえば0°から始まるトリガ付同期検波器Dtである。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a synchronous detector according to the first embodiment. In the first embodiment, one synchronous detector is configured for one signal.
The synchronous detector according to the first embodiment is an integral type synchronous detector with a trigger Dit in which a trigger detector T is added to the synchronous detector Di (FIG. 14) in which the low-pass filter LPF is configured by the integrator I. It is a synchronous detector Dt with a trigger that is configured and the phase of the reference signal Vrs starts from a predetermined phase, for example, 0 °, in accordance with the timing of the trigger signal.

トリガ検出器Tは一例として、入力である被測定信号Vinがあらかじめ設定した所定レベルを通過するタイミングをロジック信号として出力する。
このトリガ検出器Tの出力は、参照信号Vrsを発生する参照信号発生部Q、および積分器IによるローパスフィルタLPFに加えられている。
参照信号発生部Qは、トリガ検出器Tからのトリガ信号により、決められた位相たとえば、正弦波の0°から開始する参照信号Vrsを出力する。
また参照信号発生部Qは、正弦波と余弦波など、あらかじめ設定された任意の位相の複数の出力をするものであってもよい。
As an example, the trigger detector T outputs the timing at which the input signal to be measured Vin passes a predetermined level set in advance as a logic signal.
The output of the trigger detector T is applied to the reference signal generator Q that generates the reference signal Vrs and the low-pass filter LPF by the integrator I.
The reference signal generation unit Q outputs a reference signal Vrs having a determined phase, for example, starting from 0 ° of a sine wave, by a trigger signal from the trigger detector T.
Further, the reference signal generation unit Q may output a plurality of outputs having arbitrary phases set in advance, such as a sine wave and a cosine wave.

積分器Iも同様にトリガ検出器Tからのトリガ信号により積分動作を開始し、積分開始時点における参照信号Vrsの位相は常に同じ(ここで挙げた例では0°)となる。
積分器Iは、参照信号Vrsの周期Tr(周波数frの逆数)と積分回数nの積n・Trの時間積分および積分区間の平均値であるn・Trによる除算を行い、その結果として出力信号Vsを出力する。
Similarly, the integrator I also starts the integration operation by the trigger signal from the trigger detector T, and the phase of the reference signal Vrs at the start of integration is always the same (0 ° in the example given here).
The integrator I performs time integration of the product n · Tr of the period Tr (reciprocal of frequency fr) of the reference signal Vrs and the number of integrations n, and divides by n · Tr, which is the average value of the integration interval, and as a result, the output signal. Output Vs.

図2は、同期検波器Dtの構成により、参照信号の周波数frを50.00Hz、AC100Vrms、積分器Iの積分回数nを1として、被測定信号を周波数のずれδが0.001(0.1%、fin=50.05Hz)、0.01(1%、fin=50.5Hz)、0.1(10%、fin=55Hz)としたシミュレーション結果を示している。
この結果から、既述の従来の技術で生じた周波数のずれδによる測定値の振動が現れていないことがわかる。
ただし、本実施形態では、|δ|(周波数のずれ)が大きくなると、δ=0.1のときでは、被測定信号の100Vrmsに対して、出力Vsはおよそ90Vrmsが測定されているように、測定値自体のずれも大きくなっていることがわかる。
In FIG. 2, according to the configuration of the synchronous detector Dt, the frequency fr of the reference signal is 50.00 Hz, AC100 Vrms, the number of integrations n of the integrator I is 1, and the frequency deviation δ of the signal to be measured is 0.001 (0. The simulation results of 1%, fin = 50.05 Hz), 0.01 (1%, fin = 50.5 Hz), and 0.1 (10%, fin = 55 Hz) are shown.
From this result, it can be seen that the vibration of the measured value due to the frequency deviation δ caused by the above-mentioned conventional technique does not appear.
However, in the present embodiment, when | δ | (frequency deviation) becomes large, when δ = 0.1, the output Vs is measured to be about 90 Vrms with respect to 100 Vrms of the signal to be measured. It can be seen that the deviation of the measured value itself is also large.

また、図3は、周波数のずれはδ=−0.001(fin=49.95Hz)で、被測定信号Vinと実効値が等しく、その実効値が100Vrmsであるガウシアンノイズを重畳し、積分回数nを1、10、100とした場合を示している。積分回数を増やせば、雑音の影響が軽減され、測定ごとの測定値のばらつきが小さくなることがわかる。
なお、積分回数100回では測定出力が90Vrms程度になっている。これはnδ=−0.1となり、式(18)で表わされるように、δのn倍がずれとして測定されるからである。
Further, in FIG. 3, the frequency deviation is δ = -0.001 (fin = 49.95 Hz), the effective value is equal to that of the signal to be measured Vin, and the Gaussian noise whose effective value is 100 Vrms is superimposed and the number of integrations is performed. The case where n is set to 1, 10, and 100 is shown. It can be seen that increasing the number of integrations reduces the effect of noise and reduces the variation in measured values for each measurement.
When the number of integrations is 100, the measured output is about 90 Vrms. This is because nδ = −0.1 and n times δ is measured as a deviation as expressed by the equation (18).

〔第2の実施の形態〕
図4は、第2の実施の形態に係る同期検波器を示す図である。
この第2の実施の形態に係る同期検波器Dtjでは、第1の実施の形態に実効値測定部Vおよび判定器Jが追加されている。
実効値測定部Vは同期検波器以外の実効値測定手段であり、入力される被測定信号Vinの実効値を出力する。この実効値測定部Vはたとえば、平均値検波による実効値換算や、サーマルコンバータを用いた熱電変換型など、被測定信号Vinの実効値を測定する手段などに用いることができる。
判定器Jは、同期検波器および実効値測定部の各出力を入力し、それらの差異があらかじめ設定した判定基準内にあるか否かの判定結果を出力する。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a diagram showing a synchronous detector according to the second embodiment.
In the synchronous detector Dtj according to the second embodiment, the effective value measuring unit V and the determining device J are added to the first embodiment.
The effective value measuring unit V is an effective value measuring means other than the synchronous detector, and outputs the effective value of the input signal to be measured Vin. This effective value measuring unit V can be used, for example, as a means for measuring the effective value of the signal to be measured Vin, such as effective value conversion by mean value detection and thermoelectric conversion type using a thermal converter.
The determination device J inputs each output of the synchronous detector and the effective value measuring unit, and outputs a determination result as to whether or not the difference between them is within the preset determination standard.

同期検波と別の方法で測定した被測定信号Vinの実効値Vrmsと、トリガ付同期検波器Dtで測定した実効値Vsについて、測定条件が理想状態たとえば、参照信号Vrsの周波数frと被測定信号Vinの周波数finが一致し(fr=fin)、かつ被測定信号Vinが単一の正弦波であれば、各実効値Vrms、Vsは一致する。
この理想状態からずれた状態、たとえば、finとfrがずれていれば、第1の実施の形態で考察してきたように、測定結果も被測定信号Vinの実効値からずれてくる。また、被測定信号Vinがノイズ成分や周波数finの高調波成分を多く含む信号であれば、測定結果の信頼性は低下する。
The measurement conditions are ideal for the effective value Vrms of the signal to be measured Vin measured by a method different from the synchronous detection and the effective value Vs measured by the synchronous detector Dt with a trigger. For example, the frequency fr of the reference signal Vrs and the signal to be measured. If the frequency fins of Vin are the same (fr = fin) and the signal to be measured Vin is a single sine wave, the effective values Vrms and Vs are the same.
If the state deviates from this ideal state, for example, fin and fr deviate from each other, the measurement result also deviates from the effective value of the signal to be measured Vin, as discussed in the first embodiment. Further, if the signal to be measured Vin is a signal containing a large amount of noise components and harmonic components of frequency fins, the reliability of the measurement result is lowered.

実効値測定部Vおよび判定器Jを備えれば、たとえば、実効値Vs、Vrms間の差異があらかじめ設定した判定基準以上であれば、測定値の信頼性が低い、という警告を判定器Jより出力し、測定結果の妥当性判断が可能になる。
たとえば、判定基準を10%に設定した場合、第1の実施の形態でのシミュレーション結果に示すように、実効値Vsの測定結果は、周波数のずれの絶対値|δ|がおよそ0.1以上であるような場合に警告を発すればよい。
ここで挙げた10%という数字は判定基準の一例に過ぎず、被測定信号Vinの実効値と測定値Vsに対する周波数のずれδの影響を示す具体的な値は式(18)に示す通りである。
ただし、被測定信号Vinにノイズが含まれる場合には、実効値測定部Vの測定値Vrmsにはノイズや高調波成分を含む値となる。
If the effective value measuring unit V and the judgment device J are provided, for example, if the difference between the effective values Vs and Vrms is equal to or greater than the preset judgment standard, the judgment device J warns that the reliability of the measured value is low. It is output and the validity of the measurement result can be judged.
For example, when the judgment criterion is set to 10%, as shown in the simulation result in the first embodiment, the measurement result of the effective value Vs has an absolute value | δ | of the frequency deviation of about 0.1 or more. If this is the case, a warning should be issued.
The number of 10% given here is only an example of the judgment criteria, and the specific value indicating the influence of the frequency deviation δ on the effective value of the signal to be measured Vin and the measured value Vs is as shown in the equation (18). is there.
However, when the signal to be measured Vin contains noise, the measured value Vrms of the effective value measuring unit V is a value including noise and harmonic components.

〔第3の実施の形態〕
図5は、第3の実施の形態に係る同期検波器を示す図である。
この第3の実施の形態に係る同期検波器は、第2の実施の形態に係る実効値判定およびトリガ付同期検波器Dtjの入力部に、参照信号Vrsの周波数frに近い周波数を通過帯域とするフィルタFを追加した同期検波器Dtjfである。
第2の実施形態では、被測定信号Vinに含まれる周波数finの正弦波以外の成分も実効値測定部Vにより測定される。
被測定信号Vinの周波数finと、参照信号Vrsの周波数frのずれが測定結果にどのように影響しているかを判定器Jの主たる判定要素とする場合には、被測定信号Vinに含まれる周波数fin以外の成分であるノイズや高調波成分を、実効値測定部Vに入力する前にフィルタFで除去することが好ましい。
このフィルタFは、遮断すべき信号の性質により、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタのいずれでもよい。
また、商用電源の周波数によるハムの除去など、除去したいノイズ源が限定される用途には、バンドエリミネーションフィルタを使用してもよい。
実効値判定およびトリガ付同期検波器Dtjに入力する被測定信号Vinを通過させるフィルタFは、アナログ回路、デジタル回路のいずれでもよい。フィルタFをデジタルフィルタとするのであれば、被測定信号VinをA/D変換すればよい。デジタルフィルタであれば、フィルタFをローパスフィルタ、ハイパスフィルタとしたときのカットオフ周波数や、バンドパスフィルタ、バンドパスフィルタにしたときの中心周波数をソフトウェア上で、参照信号の周波数frに連動して変更する構成とすればよい。
なお、この第3の実施の形態の構成は、第1の実施の形態に適用してもよい。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a diagram showing a synchronous detector according to the third embodiment.
In the synchronous detector according to the third embodiment, a frequency close to the frequency fr of the reference signal Vrs is set as a pass band in the input unit of the effective value determination and trigger synchronous detector Dtj according to the second embodiment. It is a synchronous detector Dtjf to which the filter F to perform is added.
In the second embodiment, components other than the sine wave of the frequency fin included in the signal to be measured Vin are also measured by the effective value measuring unit V.
When the deviation between the frequency fin of the signal to be measured Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs affects the measurement result is the main determination factor of the determination device J, the frequency included in the signal Vin to be measured. It is preferable that the noise and harmonic components other than the fins are removed by the filter F before being input to the effective value measuring unit V.
The filter F may be a low-pass filter, a band-pass filter, or a high-pass filter, depending on the nature of the signal to be blocked.
Further, a band elimination filter may be used for applications in which the noise source to be removed is limited, such as removal of hum due to the frequency of a commercial power source.
The filter F for passing the measured signal Vin to be input to the effective value determination and the synchronous detector Dtj with a trigger may be either an analog circuit or a digital circuit. If the filter F is a digital filter, the signal to be measured Vin may be A / D converted. If it is a digital filter, the cutoff frequency when the filter F is a low-pass filter or a high-pass filter, or the center frequency when a bandpass filter or a bandpass filter is used is linked to the frequency fr of the reference signal on the software. The configuration may be changed.
The configuration of the third embodiment may be applied to the first embodiment.

〔第4の実施の形態〕
図6は、第4の実施の形態に係る同期検波器を示す図である。
この第4の実施の形態に係る同期検波器Dtjfdは、図5に示す第3の実施の形態に係る2組の同期検波器Dtjf1およびDtjf2を用意し、時間差計測部Tdに2組の同期検波器Dtjf1およびDtjf2からのトリガ信号Ts1およびTs2を入力して、時間差を計測することにより、各同期検波器Dtjfに対するトリガがかかる時間間隔Tdoを測定可能に構成している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 6 is a diagram showing a synchronous detector according to the fourth embodiment.
As the synchronous detector Dtjfd according to the fourth embodiment, two sets of synchronous detectors Dtjf1 and Dtjf2 according to the third embodiment shown in FIG. 5 are prepared, and two sets of synchronous detectors Td are provided in the time difference measuring unit Td. By inputting the trigger signals Ts1 and Ts2 from the detectors Dtjf1 and Dtjf2 and measuring the time difference, it is possible to measure the time interval Tdo in which the trigger is applied to each synchronous detector Dtjf.

また、振幅比演算部Gに2組の同期検波器Dtjf1およびDtjf2からの出力信号Vs1およびVs2を入力して、出力電圧の比を計測することにより、振幅比Goを測定可能に構成している。 Further, the amplitude ratio Go can be measured by inputting the output signals Vs1 and Vs2 from the two sets of synchronous detectors Dtjf1 and Dtjf2 to the amplitude ratio calculation unit G and measuring the ratio of the output voltages. ..

この例では第3の実施の形態に係る同期検波器Dtjfを組み合わせているが、2組の同期検波器Dtjfは、第1または第2の実施の形態に係る同期検波器Dt、Dtjに置き換えてもよく、同期検波器Dt、Dtj、Dtjfを組み合わせてよい。 In this example, the synchronous detector Dtjf according to the third embodiment is combined, but the two sets of synchronous detectors Dtjf are replaced with the synchronous detectors Dt and Dtj according to the first or second embodiment. Also, synchronous detectors Dt, Dtj, and Dtjf may be combined.

被測定信号Vinの周波数finが参照信号Vrsの周波数frに十分近い値として考えれば、参照信号Vrsの周期Tr(参照信号Vrsの周波数frの逆数)を2π(=360°)として、時間間隔Tdoから、2π・Tdo/Trにて位相に換算することにより、2つの被測定信号Vin間の位相測定が可能である。 Considering that the frequency fin of the signal to be measured Vin is sufficiently close to the frequency fr of the reference signal Vrs, the period Tr of the reference signal Vrs (the inverse of the frequency fr of the reference signal Vrs) is 2π (= 360 °), and the time interval Tdo Therefore, it is possible to measure the phase between two signals to be measured Vin by converting the phase into 2π · Tdo / Tr.

また、同じ被測定信号Vinから生成したトリガ信号から次のトリガ信号までの時間Tinを、周波数fr、fin間のずれにあたるδよりも高精度に測定可能であれば、2π・Tdo/Tinとして位相差に換算すれば、ずれδの影響を受けずに2つの被測定信号Vin間の位相差測定が可能である。 If the time Tin from the trigger signal generated from the same signal to be measured Vin to the next trigger signal can be measured with higher accuracy than δ, which is the deviation between the frequencies fr and fin, it is set as 2π · Tdo / Tin. When converted to the phase difference, it is possible to measure the phase difference between the two signals to be measured Vin without being affected by the deviation δ.

また、2つの被測定信号Vinの振幅も求めることができるので、振幅演算部Gによって、2つの被測定信号Vin間の振幅比を求めることができる。 Further, since the amplitudes of the two signals to be measured Vin can also be obtained, the amplitude ratio between the two signals to be measured Vin can be obtained by the amplitude calculation unit G.

〔第5の実施の形態〕
図7は、第5の実施の形態に係る同期検波器を示す図である。
図7(a)に示すように、この同期検波器Dttjfdは、第4の実施の形態に係る位相差測定、入力フィルタ、実効値判定およびトリガ付同期検波器Dtjfdの構成を、図7(b)で示す二位相の同期検波器Dttjfに置き換えた同期検波器および位相差演算部Pにより構成されている。
また、図7(b)に示す二位相の同期検波器Dttjfは、図7(c)に示すフィルタFおよび同期検波器Dttjにより構成されている。
図7(c)に示す同期検波器Dttjは、図7(d)に示す二位相の同期検波器Dtt、実効値測定部Vおよび判定器Jにより構成されている。
さらに、図7(d)に示す同期検波器Dttは、二位相同期検波器Dxy、信号発生部Qおよびトリガ検出部Tにより構成されている。
[Fifth Embodiment]
FIG. 7 is a diagram showing a synchronous detector according to the fifth embodiment.
As shown in FIG. 7 (a), the synchronous detector Dttjfd shows the configuration of the phase difference measurement, the input filter, the effective value determination and the triggered synchronous detector Dtjfd according to the fourth embodiment in FIG. 7 (b). ) Is replaced with the two-phase synchronous detector Dttjf, and is composed of a synchronous detector and a phase difference calculation unit P.
Further, the two-phase synchronous detector Dttjf shown in FIG. 7B is composed of the filter F shown in FIG. 7C and the synchronous detector Dttj.
The synchronous detector Dttj shown in FIG. 7C is composed of the two-phase synchronous detector Dtt shown in FIG. 7D, the effective value measuring unit V, and the determining device J.
Further, the synchronous detector Dtt shown in FIG. 7D is composed of a two-phase synchronous detector Dxy, a signal generation unit Q, and a trigger detection unit T.

この第5の実施の形態(図7(a))に係る同期検波器では、二位相の同期検波器Dttを備えたことにより、それぞれの入力フィルタ、実効値判定およびトリガ付二位相同期検波器Dttjf1、Dttjf2で参照信号Vrsの位相を基準位相とした位相測定が可能である。
そのため、第4の実施の形態に対して、第5の実施の形態(図7(a))では位相θ1およびθ2を用いて両者の位相差θdを演算する位相差演算部Pが備えられている。位相差演算部Pは、位相差θd(=θ1−θ2)の演算結果を出力する。
In the synchronous detector according to the fifth embodiment (FIG. 7A), the two-phase synchronous detector Dtt is provided, so that each input filter, effective value determination, and triggered two-phase synchronous detector are provided. With Dttjf1 and Dttjf2, it is possible to measure the phase with the phase of the reference signal Vrs as the reference phase.
Therefore, in contrast to the fourth embodiment, in the fifth embodiment (FIG. 7A), a phase difference calculation unit P for calculating the phase difference θd between the two using the phases θ1 and θ2 is provided. There is. The phase difference calculation unit P outputs the calculation result of the phase difference θd (= θ1-θ2).

トリガ検出器Tの動作により、参照信号Vrsの位相に対して常に一定の位相関係にある被測定信号Vinの測定が実施される。
たとえば、被測定信号Vin1およびVin2の0Vの立ち上がり部分を基準に、各同期検波器にてトリガをかけた場合、参照信号の0に対して、被測定信号の位相も0の状態から二位相同期検波器による測定が行われるのと等価な測定となる。
By the operation of the trigger detector T, the measurement of the measured signal Vin, which is always in a constant phase relationship with respect to the phase of the reference signal Vrs, is performed.
For example, when a trigger is applied by each synchronous detector based on the rising portion of 0V of the measured signals Vin1 and Vin2, the phase of the measured signal is also two-phase synchronized with respect to 0 of the reference signal. The measurement is equivalent to the measurement performed by the detector.

なお、本実施の形態では、同期検波器が二位相の構成であるため、被測定信号と参照信号の位相が任意であっても、この第5の実施形態では第4の実施の形態までの構成とは異なり、被測定信号Vinの振幅および位相の測定値が得られる。
そのため、トリガ検出器T1やT2がトリガを検出したタイミングで参照信号Vrs、Vrcや積分器Is、Icの動作を同時に開始させる必要はない。
In the present embodiment, since the synchronous detector has a two-phase configuration, even if the phases of the signal to be measured and the reference signal are arbitrary, in the fifth embodiment, up to the fourth embodiment. Unlike the configuration, the measured values of the amplitude and phase of the signal to be measured Vin are obtained.
Therefore, it is not necessary to start the operations of the reference signals Vrs, Vrc, the integrators Is, and Ic at the same time when the trigger detectors T1 and T2 detect the trigger.

この第5の実施の形態では、被測定信号Vinと参照信号Vrsの間に一定の位相差を持たせる遅延をかけて同期検波器を動作させ、その遅延相当分の位相の値を演算で補正してもよい。
ここで、参照信号の周波数frと被測定信号の周波数finが近いとして、|δ|<<1と見なせる場合の1次近似を用いると、図7(a)に示す位相θ1の測定結果は、

Figure 2021028636
と表せ、特に、θin1=0のときは、
θ1≒δnπ ・・・・・・(43)
となる。 In the fifth embodiment, the synchronous detector is operated with a delay of giving a constant phase difference between the measured signal Vin and the reference signal Vrs, and the phase value corresponding to the delay is corrected by calculation. You may.
Here, assuming that the frequency fr of the reference signal and the frequency fin of the signal to be measured are close to each other, using a first-order approximation when | δ | << 1 can be regarded, the measurement result of the phase θ1 shown in FIG. 7A is obtained.
Figure 2021028636
In particular, when θin1 = 0,
θ1 ≒ δnπ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (43)
Will be.

すなわち、被測定信号の0°から二位相同期検波器で測定した場合、測定結果はδnπとなる(δnπはラジアン単位での角度。これを度数法(°)に換算するには、この値に180°/π≒57.3°を掛け、またはδnに180°を掛ける)。 That is, when the measured signal is measured from 0 ° with a two-phase synchronous detector, the measurement result is δnπ (δnπ is an angle in radians. To convert this to the radian method (°), use this value. Multiply 180 ° / π≈57.3 °, or multiply δn by 180 °).

このことから、図7(a)に示すように、位相θ1やθ2の測定結果は、測定の信頼性を判定する目安になる。
したがって、この同期検波器ではたとえば、以下のような使い方が考えられる。
(1)この位相の測定値から周波数のずれδの値を演算で見積もり、位相が0に近づくように参照周波数frを増減させる。
(2)測定結果である位相が予め設定した判定基準から外れた場合には、振幅や位相の測定結果の信頼性が低いことを警告する。
たとえば、判定基準を±5°以内と決めれば、式(43)のδnπが±5°≒±0.087radの範囲を外れた場合に警報を出す。
ただし、第1から第5までの実施の形態では、被測定信号Vinからトリガ信号を得ることが必要である。
From this, as shown in FIG. 7A, the measurement results of the phases θ1 and θ2 serve as a guide for determining the reliability of the measurement.
Therefore, for example, the following usage can be considered in this synchronous detector.
(1) The value of the frequency deviation δ is estimated by calculation from the measured value of this phase, and the reference frequency fr is increased or decreased so that the phase approaches 0.
(2) When the phase, which is the measurement result, deviates from the preset judgment standard, it warns that the reliability of the amplitude and phase measurement result is low.
For example, if the determination criterion is determined to be within ± 5 °, an alarm is issued when δnπ in the equation (43) is out of the range of ± 5 ° ≈ ± 0.087 rad.
However, in the first to fifth embodiments, it is necessary to obtain a trigger signal from the signal to be measured Vin.

〔第6の実施の形態〕
図8は、第6の実施の形態に係るFRAを示す図である。
この第6の実施の形態に係るFRAは、被測定信号Vinの周期に合わせたトリガを得るのが困難な被測定信号Vinの処理に有効である。このFRAでは、図17に示すFRAの出力信号である振幅比および位相差のそれぞれから、振幅比の振動を除去するローパスフィルタLPF−OVおよび位相差の振動を除去するローパスフィルタLPF−OPにより振動成分を除去し、振幅比Goおよび位相差θdを出力する。
振幅比Goおよび位相差θdは、被測定信号Vinの周波数finと参照信号Vrsの周波数frとのずれδに起因し、式(33)(39)により表わされる。
さらに、振幅比Goおよび位相差θdは、式(40)に表されるように、周波数fmeas=2δ・frで振幅比Goの測定出力の振幅、および位相差θdの測定出力の振幅が変化する。
すなわち、測定出力の振幅はずれδおよび参照信号frに比例する。そこで、カットオフ周波数よりも高い周波数に出力振幅が反比例する特性またはこの特性に漸近する特性を備えるローパスフィルタLPFを使用し、このLPFのカットオフ周波数を参照信号fr以下にすれば、ずれδによる測定出力変化を打ち消すことができる。
また、2次以上のローパスフィルタを用いれば、ずれδが大きくなるほど、測定出力の振幅変化より減衰させることができ、その減衰度合いを強めることができ、より安定した測定が可能となる。
このように、参照信号frに応じたカットオフ周波数のローパスフィルタを出力段に設ければ、測定出力の安定化を図ることができる。
[Sixth Embodiment]
FIG. 8 is a diagram showing the FRA according to the sixth embodiment.
The FRA according to the sixth embodiment is effective for processing the measured signal Vin, for which it is difficult to obtain a trigger that matches the period of the measured signal Vin. In this FRA, vibration is performed by a low-pass filter LPF-OV that removes amplitude ratio vibration and a low-pass filter LPF-OP that removes phase difference vibration from each of the amplitude ratio and phase difference, which are the output signals of FRA shown in FIG. The component is removed, and the amplitude ratio Go and the phase difference θd are output.
The amplitude ratio Go and the phase difference θd are expressed by the equations (33) and (39) due to the deviation δ between the frequency fin of the signal to be measured Vin and the frequency fr of the reference signal Vrs.
Further, as the amplitude ratio Go and the phase difference θd, as expressed in the equation (40), the amplitude of the measurement output of the amplitude ratio Go and the amplitude of the measurement output of the phase difference θd change at the frequency fmeas = 2δ · fr. ..
That is, the amplitude of the measurement output is proportional to the deviation δ and the reference signal fr. Therefore, if a low-pass filter LPF having a characteristic that the output amplitude is inversely proportional to a frequency higher than the cutoff frequency or a characteristic that approaches this characteristic is used and the cutoff frequency of this LPF is set to the reference signal fr or less, the deviation δ The change in the measured output can be canceled.
Further, if a low-pass filter of a second order or higher is used, as the deviation δ becomes larger, it can be attenuated from the amplitude change of the measurement output, the degree of attenuation can be strengthened, and more stable measurement becomes possible.
In this way, if a low-pass filter having a cutoff frequency corresponding to the reference signal fr is provided in the output stage, the measurement output can be stabilized.

ただし、この実施の形態では、ずれδに起因する測定値の振動幅、すなわち、式(33)(39)で示した正弦波振幅として与えられる測定値の振動幅を小さくするには、ローパスフィルタのカットオフ周波数をより低くする必要がある。
周波数が商用電源の周波数(50Hz〜60Hz)程度で、周波数ずれが1%以下のオーダでの測定を考えると、カットオフ周波数はおよそ1Hz以下であることが望ましい。
However, in this embodiment, in order to reduce the vibration width of the measured value due to the deviation δ, that is, the vibration width of the measured value given as the sine wave amplitude shown in the equations (33) and (39), a low-pass filter is used. Cutoff frequency needs to be lower.
Considering the measurement in the order that the frequency is about the frequency of the commercial power supply (50 Hz to 60 Hz) and the frequency deviation is 1% or less, the cutoff frequency is preferably about 1 Hz or less.

ローパスフィルタの応答時間がどの程度になるかを以下で考察する。
1次ローパスフィルタのカットオフ周波数を1Hzとした場合、過渡応答の時定数Tcは約0.16s(≒1s/(2π))である。
被測定信号Vin2を一定のレベル入力とし、被測定信号Vin1を0から被測定信号Vin2と同じ振幅に急変させた場合を想定すると、定常状態の出力の95%に達するまでにおよそ時定数Tcの3倍(1−exp(−3)≒0.95)の時間、この場合、およそ0.5秒を要する。
このように、被測定信号Vinが急変してから測定結果が安定するまでの時間は、1次ローパスフィルタの場合で、被測定信号Vinの周期のおよそ25倍が目安となる。
The response time of the low-pass filter will be considered below.
When the cutoff frequency of the first-order low-pass filter is 1 Hz, the time constant Tc of the transient response is about 0.16 s (≈1 s / (2π)).
Assuming that the measured signal Vin2 is set to a constant level input and the measured signal Vin1 is suddenly changed from 0 to the same amplitude as the measured signal Vin2, the time constant Tc is approximately until 95% of the steady state output is reached. It takes three times as long (1-exp (-3) ≈ 0.95), in this case about 0.5 seconds.
As described above, the time from the sudden change of the measured signal Vin to the stabilization of the measurement result is about 25 times the period of the measured signal Vin in the case of the first-order low-pass filter.

この第6の実施の形態では、被測定信号Vin1およびVin2の周波数finが固定でない場合、参照信号Vrsの周波数fr、すなわち測定する周波数に応じてローパスフィルタのカットオフ周波数を変更する必要がある。
そのため、アナログのローパスフィルタでは広い測定周波数帯域に対して測定確度を確保するのが困難である。
デジタルフィルタでは測定周波数をパラメータとし、カットオフ周波数を変更することは比較的容易である。
ローパスフィルタの特性は1次系である必要はないし、急峻な周波数特性をもつローパスフィルタを使用すれば、測定結果が安定するまでに、そのローパスフィルタの過渡応答特性に応じた時間を要する。
In this sixth embodiment, when the frequency fins of the signals to be measured Vin1 and Vin2 are not fixed, it is necessary to change the cutoff frequency of the low-pass filter according to the frequency fr of the reference signal Vrs, that is, the frequency to be measured.
Therefore, it is difficult to secure the measurement accuracy in a wide measurement frequency band with an analog low-pass filter.
In the digital filter, it is relatively easy to change the cutoff frequency by using the measurement frequency as a parameter.
The characteristics of the low-pass filter need not be a primary system, and if a low-pass filter having a steep frequency characteristic is used, it takes time according to the transient response characteristics of the low-pass filter until the measurement result becomes stable.

〔第7の実施の形態〕
図9は、第7の実施の形態に係るFRAを示す図である。
この第7の実施の形態に係るFRAは、参照信号の周期Trを4等分したTr/4ごとに参照信号Vrsの位相が同じ値から始まる4組のFRA1、FRA2、FRA3、FRA4を備え、各FRA1、FRA2、FRA3、FRA4から得られる振幅比および位相差の4つの測定値の平均を取り、その値を振幅比および位相差の測定値として出力する非同期FRAである。
[7th Embodiment]
FIG. 9 is a diagram showing the FRA according to the seventh embodiment.
The FRA according to the seventh embodiment includes four sets of FRA1, FRA2, FRA3, and FRA4 in which the phase of the reference signal Vrs starts from the same value for each Tr / 4 obtained by dividing the period Tr of the reference signal into four equal parts. It is an asynchronous FRA that takes the average of four measured values of amplitude ratio and phase difference obtained from each FRA1, FRA2, FRA3, and FRA4, and outputs the values as measured values of amplitude ratio and phase difference.

この例では、積分回数nは1としている。
この場合、各FRAの積分区間は、
・FRA1:0〜Tr
・FRA2:Tr/4〜5Tr/4
・FRA3:2Tr/4〜6Tr/4
・FRA4:3Tr/4〜7Tr/4
の4通りで、この測定が参照信号の周期TrごとにFRA1〜4のそれぞれで繰り返される。
In this example, the number of integrations n is 1.
In this case, the integration interval of each FRA is
・ FRA 1: 0 to Tr
・ FRA2: Tr / 4-5 Tr / 4
・ FRA3: 2Tr / 4-6Tr / 4
・ FRA4: 3Tr / 4-7Tr / 4
This measurement is repeated in each of FRA 1 to 4 for each period Tr of the reference signal.

図10は、FRA1〜4のそれぞれの積分区間と、Tr/4周期ごとに4つのFRAの測定値出力が順番に更新される様子を表わしたものである。
図10では簡略化のため、被測定信号を1つ、各FRAの参照信号はVrsのみ示したが、被測定信号はもう1つあり、各FRAの参照信号VrsにはVrsとπ/2(=90°)位相のずれたVrcもある。
FIG. 10 shows the respective integration intervals of FRA 1 to 4 and the state in which the measured value outputs of the four FRA are sequentially updated every Tr / 4 cycle.
In FIG. 10, for simplification, one signal to be measured and the reference signal of each FRA are shown only in Vrs, but there is another signal to be measured, and the reference signal Vrs of each FRA is Vrs and π / 2 ( = 90 °) Some Vrcs are out of phase.

図11は、周波数fin=(1+δ)fr(δ=0.001、0.01、0.1の3通り)、位相差π/2の被測定信号1、2を図9に示す構成で測定した場合のシミュレーション結果である。
1つの測定で測定結果に現れる振動は平均を取ることでほぼ打ち消しあうので、この平均化処理で振幅比および位相差の測定結果の安定性が大きく改善されることがわかる。
In FIG. 11, the measured signals 1 and 2 having a frequency fin = (1 + δ) fr (3 ways of δ = 0.001, 0.01 and 0.1) and a phase difference π / 2 are measured with the configuration shown in FIG. It is a simulation result when.
Since the vibrations appearing in the measurement results in one measurement are almost canceled by averaging, it can be seen that the stability of the measurement results of the amplitude ratio and the phase difference is greatly improved by this averaging process.

ここで、参照信号Vrsの周期を4等分して平均を取ることで、振幅比および位相差の測定出力が改善されることを説明する。
正弦波1周期を任意の位相を起点として2等分したとき、2つの正弦波の値の和は0になる。
これは、1周期の2等分を位相で表現するとπ(=180°)であり、
sin(x+θ)+sin(x+θ+π)
=sin(x+θ)−sin(x+θ)
=0 ・・・・・・(44)
となることから、容易に証明できる。
Here, it will be described that the measurement output of the amplitude ratio and the phase difference is improved by dividing the period of the reference signal Vrs into four equal parts and averaging them.
When one period of a sine wave is divided into two equal parts starting from an arbitrary phase, the sum of the values of the two sine waves becomes 0.
This is π (= 180 °) when the bisector of one cycle is expressed in phase.
sin (x + θ) + sin (x + θ + π)
= Sin (x + θ) -sin (x + θ)
= 0 ... (44)
Therefore, it can be easily proved.

また、FRAにおける振幅比および位相差の測定出力が式(41)で表わされるfmeasの周波数で振動する理由は、参照信号Vrsの位相を基準としたとき、被測定信号Vinの位相が、式(40)で与えられる形で時間変化をしているためである。
このことは、たとえば、参照信号Vrsの位相π/2(=90°)が異なる2つのFRA、FRA1とFRA2を用意して同じ被測定信号Vinを測定したとすると、FRA1での測定出力に対してFRA2の測定出力は、式(30)(31)もしくは式(33)(39)で表わされた振幅比および位相差中の表式中のθin2の位相をπ/2(=90°)ずらしたときの出力が得られることになる。
The reason why the measurement output of the amplitude ratio and the phase difference in FRA vibrates at the frequency of fmeas represented by the equation (41) is that the phase of the signal to be measured Vin is based on the phase of the reference signal Vrs. This is because the time changes in the form given in 40).
This means that, for example, if two FRAs, FRA1 and FRA2, which have different phases π / 2 (= 90 °) of the reference signal Vrs, are prepared and the same signal to be measured Vin is measured, the measurement output of the FRA1 can be measured. In the measurement output of FRA2, the phase of θin2 in the amplitude ratio and phase difference expressed by the equations (30) (31) or (33) (39) is π / 2 (= 90 °). The output when shifted will be obtained.

すなわち、2δfrの周波数で生じる時間変化は、参照信号Vrsの1周期以内の時間差を設けた複数の参照信号を用意すれば、意図的に作り出すことができることになる。
積分周期1周期分の時間は、θin2の2π(=360°)の変化に相当する。
That is, the time change occurring at the frequency of 2δfr can be intentionally created by preparing a plurality of reference signals having a time difference within one cycle of the reference signal Vrs.
The time for one integration cycle corresponds to a change of 2π (= 360 °) in θin2.

そして、式(33)(39)で表わされた振幅比および位相差は、θin2の2πの変化によって2周期分の正弦波となって現れる。
θin2の2π(=360°)の変化が2周期分に相当することから、参照信号Vrsの位相をπ/2(=90°)だけずらし、積分開始時間もその分ずらして動作させたFRAにより測定すれば、相対的にθin2のπ/2だけずらして測定した、式(33)(39)で表わされる振幅比および位相差の測定出力は、式(33)(39)のθin2を引数とする正弦波の半周期分ずれた出力となる。
このように、FRA1とFRA2の出力の正弦波部分は半周期分のずれを持つ出力を行うことがわかる。
Then, the amplitude ratio and the phase difference represented by the equations (33) and (39) appear as sine waves for two cycles due to the change of 2π of θin2.
Since the change of 2π (= 360 °) of θin2 corresponds to two cycles, the phase of the reference signal Vrs is shifted by π / 2 (= 90 °), and the integration start time is also shifted by that amount by the FRA. If measured, the measurement output of the amplitude ratio and phase difference represented by the equations (33) and (39), which were measured by shifting the relative θin2 by π / 2, takes θin2 of the equations (33) and (39) as an argument. The output is shifted by half a cycle of the sine wave.
As described above, it can be seen that the sinusoidal portions of the outputs of FRA1 and FRA2 perform outputs having a deviation of half a cycle.

そして、式(44)で与えられるように、半周期分ずれた正弦波同士の和は常に0になるので、式(33)(39)で表わされた振幅比および位相差のFRA1とFRA2との出力の正弦波部分の和は0となり、正弦波状の変化を打ち消すことができる。
ただし、参照信号Vrsの周波数frと被測定信号Vinの周波数finはずれδを持つので、厳密には、異なる周波数であるため、参照信号Vrsの位相をπ/2(=90°)ずらすことと、θin2の位相をπ/2(=90°)ずらすことは異なる。
Then, as given by the equation (44), the sum of the sine waves deviated by half a cycle is always 0, so that the FRA1 and FRA2 of the amplitude ratio and the phase difference represented by the equations (33) and (39) are always 0. The sum of the sinusoidal portions of the output is 0, and the sinusoidal change can be canceled.
However, since the frequency fr of the reference signal Vrs and the frequency fin of the signal to be measured have a deviation δ, strictly speaking, the frequencies are different, so that the phase of the reference signal Vrs is shifted by π / 2 (= 90 °). It is different to shift the phase of θin2 by π / 2 (= 90 °).

そのため、FRA1とFRA2の出力の正弦波部分も、正確に半周期分のずれではなく、厳密には半周期からδだけずれたものになる。
この場合、式(44)に相当する値は、

Figure 2021028636
となる。
ただし、ニアリイコール(≒)とした過程で、|δ|<<1として1次近似を用いた。
余弦波(cos)は絶対値の最大値が1の関数であるので、式(33)(39)で表わされた振幅比および位相差のFRA1とFRA2それぞれが持つ出力の正弦波部分の振幅は、和を取ることにより、0とはならないまでも元の振幅を1として、最大でもδ程度に小さくできる、ということになる。 Therefore, the sinusoidal portions of the outputs of FRA1 and FRA2 are not exactly deviated by half a cycle, but are strictly deviated by δ from the half period.
In this case, the value corresponding to equation (44) is
Figure 2021028636
Will be.
However, in the process of making it near equal (≈), a first-order approximation was used with | δ | << 1.
Since the cosine wave (cos) is a function of the maximum absolute value of 1, the amplitude ratio and the amplitude of the phase difference between FRA1 and FRA2 are the amplitudes of the sine wave portions of the outputs of each of the FRA1 and FRA2. Means that by taking the sum, the original amplitude can be set to 1 even if it does not become 0, and can be reduced to about δ at the maximum.

ところで、FRA1とFRA2それぞれが持つ出力の正弦波部分の振幅は、もともと、参照信号の周波数frと被測定信号の周波数finとのずれδに対して、式(33)(39)で与えられているように、最大でほぼδであるため、FRA1とFRA2の出力を、式(44)に相当する和を取ることで、δの二乗のオーダとなることがわかる。
参照信号1周期分が式(33)(39)で与えられているθin2を引数とする正弦波では2周期分に相当することから、図11に示す結果は、FRA1、FRA2に加え、FRA3、FRA4として参照信号1周期を4等分してFRAを4つ使用してπ/2(=90°)ずつ位相が異なる4組の参照信号で平均を取った結果である。
図11のシミュレーション結果を確認すると、
(a)δ=0.001で、振幅比の平均化後の振幅は0.000001程度。
(b)δ=0.01で、振幅比の平均化後の振幅は0.0001程度。
(c)δ=0.1で、振幅比の平均化後の振幅は0.01程度。
となっており、位相についても、δrad≒57.3°・δを用いれば、式(45)で表わされる結果を裏付けていることがわかる。
また、この場合で4点の移動平均を取っていることからもわかるように、入力信号に急変や瞬間的なノイズの混入などがあっても、4点分の平均を取れば、ノイズなどによる出力の急変を緩和できる。
By the way, the amplitude of the sinusoidal portion of the output of each of FRA1 and FRA2 is originally given by Eqs. (33) and (39) with respect to the deviation δ between the frequency fr of the reference signal and the frequency fin of the signal to be measured. As shown above, since the maximum value is approximately δ, it can be seen that the sum of the outputs of FRA1 and FRA2 corresponding to the equation (44) is the square of δ.
Since one cycle of the reference signal corresponds to two cycles in the sine wave with θin2 as an argument given in the equations (33) and (39), the results shown in FIG. 11 show FRA3, in addition to FRA1 and FRA2. This is the result of dividing one cycle of the reference signal into four equal parts as the FRA4, using four FRAs, and averaging the four sets of reference signals having different phases by π / 2 (= 90 °).
Checking the simulation results in FIG. 11,
(A) δ = 0.001, and the amplitude after averaging the amplitude ratio is about 0.000001.
(B) δ = 0.01, and the amplitude after averaging the amplitude ratio is about 0.0001.
(C) δ = 0.1, and the amplitude after averaging the amplitude ratio is about 0.01.
As for the phase, it can be seen that the result expressed by the equation (45) is supported by using δrad≈57.3 ° · δ.
Also, as can be seen from the fact that the moving average of 4 points is taken in this case, even if there is a sudden change or momentary noise mixed in the input signal, if the average of 4 points is taken, it will be due to noise etc. Sudden changes in output can be mitigated.

〔第8の実施の形態〕
図12は、第8の実施の形態に係る非同期FRAを示す図である。
この第8の実施の形態に係る非同期FRAは、半周期位相のずれた正弦波同士の和が0となる式(44)を元にし、第7の実施の形態に係る非同期FRAをより一般化したものである。
[Eighth Embodiment]
FIG. 12 is a diagram showing an asynchronous FRA according to the eighth embodiment.
The asynchronous FRA according to the eighth embodiment is based on the equation (44) in which the sum of the sine waves having a half-period phase shift is 0, and the asynchronous FRA according to the seventh embodiment is more generalized. It was done.

ところで、sinは1周期を表わす2πを2以上の整数m1で割った値である2π/m1ずつ位相をずらしたm1個のsinの和も式(44)と同様に0となる。
たとえば、位相が2π/3(=120°)ずつずれた3つの同じ振幅の正弦波の和が0となることは、容易にわかる。
さらに一般化して、kを1以上の整数として、sinのk周期を、kの約数でない整数m2で割った値である、k・2π/m2ずつ位相をずらしたm2個のsinの和も式(44)と同様に0となる。
このことは、以下のように示すことができる。

Figure 2021028636
ここで、m2がkの約数でないことから、k/m2は整数ではないので、
Figure 2021028636
である。
(ちなみにk/m2が整数であれば、この和はexp(jθ)のm2倍となる、つまり初期位相θにおけるcosもしくはsinを単純にm2個足した値となるだけである。)
よって、式(46)の大括弧[ ]内は、初項1、公比が式(47)で与えられる1ではない値、項数がm2の等比数列の和になるので、
Figure 2021028636
となることがわかる。 By the way, sin is the value obtained by dividing 2π representing one cycle by an integer m1 of 2 or more, and the sum of m1 sins whose phase is shifted by 2π / m1 is also 0 as in the equation (44).
For example, it is easy to see that the sum of three sine waves of the same amplitude that are out of phase by 2π / 3 (= 120 °) is zero.
Further generalized, the sum of m2 sins phase-shifted by k · 2π / m2, which is the value obtained by dividing the k period of sin by an integer m2 that is not a divisor of k, where k is an integer of 1 or more. It becomes 0 as in the equation (44).
This can be shown as follows.
Figure 2021028636
Here, since m2 is not a divisor of k, k / m2 is not an integer.
Figure 2021028636
Is.
(By the way, if k / m2 is an integer, this sum is m2 times exp (jθ), that is, it is simply the value obtained by adding m2 of cos or sin in the initial phase θ.)
Therefore, the numbers in parentheses [] in equation (46) are the sum of the geometric progression with the first term 1, the common ratio not 1 given in equation (47), and the number of terms m2.
Figure 2021028636
It turns out that

ところで、

Figure 2021028636
であるから、この関係と式(48)の結果を実部および虚部のそれぞれで比較すれば、kを1以上の整数として、sinのk周期をkの約数でない整数m2で割った値である、k・2π/m2ずつ位相をずらしたm2個のsinの和も式(44)と同様に0となることがわかる。
幾何学的には、複素平面上の0を中心とする円周上に、重ならない形で等間隔にm2個
配置した点における複素数の値を足し合せれば0になり、等間隔がたまたま2πの整数倍にあたり、m2個の点が同じ複素数を表わす場合は、その複素数のm2倍、ということである。
積分回数の1回が参照信号1周期であるTrの時間に相当し、位相に換算すると、式(33)(39)で表わされた振幅比および位相差は、θin2の2πの変化によって2周期分の正弦波に相当する。 by the way,
Figure 2021028636
Therefore, when this relationship and the result of equation (48) are compared for each of the real part and the imaginary part, the value obtained by dividing the k period of sin by an integer m2 which is not a divisor of k, where k is an integer of 1 or more. It can be seen that the sum of m2 sins whose phases are shifted by k · 2π / m2 is also 0 as in the equation (44).
Geometrically, if you add the complex numbers at the points where m2 are arranged at equal intervals in a non-overlapping form on the circumference centered on 0 on the complex plane, it becomes 0, and the equal intervals happen to be 2π. When m2 points represent the same complex number, which is an integral multiple of the above, it means that it is m2 times the complex number.
One integration count corresponds to the time of Tr, which is one cycle of the reference signal, and when converted to phase, the amplitude ratio and phase difference expressed by equations (33) and (39) are 2 due to the change of 2π of θin2. It corresponds to a sine wave for a period.

このことから積分回数n回は振幅比および位相差の測定値の周期の位相に換算すると2n周期分の位相に相当する。
この考えに基づくと、積分回数n回はkに換算すると2nに相当する。
そのことから、式(46)に2nを代入して0になるようなm2としては2nの約数ではない正の整数を選べばよく、第7の実施の形態を一般化した形態としては、以下のような表現となる。
From this, the number of integrations n times corresponds to the phase for 2n cycles when converted to the phase of the period of the measured values of the amplitude ratio and the phase difference.
Based on this idea, the number of integrations n times corresponds to 2n when converted to k.
Therefore, a positive integer that is not a divisor of 2n may be selected as m2 such that 2n is substituted into the equation (46) to become 0, and as a generalized form of the seventh embodiment, The expression is as follows.

FRAの積分回数をn回として、2nの約数ではない整数m2で割った値である、4nπ/m2ずつ位相をずらしたm2個のFRAにて、参照信号の周期Trを2πとして4nπ/m2の位相に相当する時間ずつ時間をずらした測定をFRA1〜FRA(m2)までのそれぞれで測定を行い、それらすべての振幅比および位相差の平均を取ることにより、振幅比および位相差の振動が、FRA単体で測定したときに対してδ程度の比に小さくすることができる。
ただし、このことが成り立つのは|nδ|<<1のときである。
この場合、n周期分の時間を一つの測定区間と考えることは、n周期での積分となる。一つのFRAでの測定結果を得るに当たり、積分回数1回の時に対して雑音成分を1/√nに抑えることができるため、雑音低減とともに高確度化を図ることができる。
4nπ / m2 with the period Tr of the reference signal as 2π in m2 FRAs that are phase-shifted by 4nπ / m2, which is the value obtained by dividing the number of FRA integrations by n times and an integer m2 that is not a fraction of 2n. The vibration of the amplitude ratio and the phase difference can be obtained by measuring the measurements with the time shifted by the time corresponding to the phase of FRA1 to FRA (m2) and taking the average of all the amplitude ratios and phase differences. , The ratio can be reduced to about δ with respect to the measurement with FRA alone.
However, this is true when | nδ | << 1.
In this case, considering the time for n cycles as one measurement interval is the integration in n cycles. In obtaining the measurement result of one FRA, the noise component can be suppressed to 1 / √n when the number of integrations is one, so that the noise can be reduced and the accuracy can be improved.

〔第9の実施の形態〕
第9実施の形態に係る非同期FRAは、第8の実施の形態において、重複する被測定信号Vinと参照信号Vrsの積分を効率的に行ない、演算量を減少させた非同期FRAである。
第7の実施の形態に係る非同期FRAでは、積分回数の1回にあたる時間Trを4区分に分けたが、Trの時間がFRA単体で測定した際に振幅比および位相差の振動2周期分の時間である。
第7の実施の形態の考察では、その冒頭で4つの測定出力の平均ではなく、参照信号Vrsの位相がπ/2(=90°)であるFRA1とFRA2の2つで考察して、振幅比および位相差の振動が2つの平均を取れば、ほぼ0に抑制できることを示した。
[9th Embodiment]
The asynchronous FRA according to the ninth embodiment is an asynchronous FRA in which the overlapping measured signal Vin and the reference signal Vrs are efficiently integrated and the amount of calculation is reduced in the eighth embodiment.
In the asynchronous FRA according to the seventh embodiment, the time Tr corresponding to one integration is divided into four categories, but when the Tr time is measured by the FRA alone, the amplitude ratio and the phase difference are equivalent to two vibration cycles. It's time.
In the consideration of the seventh embodiment, not the average of the four measurement outputs at the beginning thereof, but the two FRA1 and FRA2 in which the phase of the reference signal Vrs is π / 2 (= 90 °) are considered, and the amplitude is considered. It was shown that the ratio and phase difference vibrations can be suppressed to almost 0 by taking the average of the two.

このように区間を分けたデータすべてを使って平均を取らなくても、振動を抑えることが可能なケースが存在する。
以下に代表的なケースを挙げる。
たとえば、第7の実施の形態において、4つの測定出力すべてではなく、隣り合う2個分のみで平均を取る構成である。
積分回数の1回が2回転分の複素平面上の0を中心とした円上に等間隔に配置した複素数の和に相当するので、そのうちの1回転分の測定出力を用いれば、振幅比および位相差の振動を抑える効果がほぼ同様に得られる。
また、式(48)で和が0になることが示すように、m2点のデータのうちの少なくとも1点分の参照信号Vrsと被測定信号Vinとの積分の結果は、残りの(m2ー1)点分の積分データの利用により生成可能である。
There are cases where vibration can be suppressed without taking the average using all the data divided into sections in this way.
Typical cases are listed below.
For example, in the seventh embodiment, not all four measurement outputs are used, but only two adjacent measurement outputs are averaged.
Since one integration number corresponds to the sum of complex numbers arranged at equal intervals on a circle centered on 0 on the complex plane for two rotations, the amplitude ratio and the amplitude ratio and the measurement output for one rotation can be used. The effect of suppressing the vibration of the phase difference can be obtained in almost the same manner.
Further, as shown by the equation (48) that the sum becomes 0, the result of integration of the reference signal Vrs and the measured signal Vin for at least one point of the data of m2 points is the remaining (m2 −. 1) It can be generated by using the integrated data for points.

さらに、式(44)および図10に示すFRA1とFRA3、もしくはFRA2とFRA4のVrs同士の比較から明らかなように、参照信号Vrsは負号がつくだけの関係なので、Tr/4の区間ごとの積分演算の結果は、FRA1とFRA3、もしくはFRA2とFRA4同士で負号の有無の相違に過ぎないので、いずれかを積分演算をするだけで、その演算結果に−1を掛けるだけで演算処理を済ませることが可能である。
同様に2の2以上のべき乗分割ではその値で分割した区間ごとの積分データを半数だけ演算すれば、残りの半数のFRAについては積分演算が不要となり、データ点数分の膨大な乗算処理を簡略化できる。
2のべき乗でない場合、m2が約数を持つ数であれば、その(約数−1)個分のFRAの測定処理データから残りのデータ生成が可能であるので、約数分の積分演算を減らすことが可能である。
Further, as is clear from the comparison between Vrs of FRA1 and FRA3 or FRA2 and FRA4 shown in the equation (44) and FIG. 10, since the reference signal Vrs has only a negative sign, it is for each section of Tr / 4. The result of the integration operation is only the difference between FRA1 and FRA3, or FRA2 and FRA4 with or without a negative sign, so just perform the integration operation on one of them and multiply the operation result by -1 to perform the operation processing. It is possible to finish.
Similarly, in the case of power division of 2 or more, if only half of the integral data for each section divided by that value is calculated, the integral calculation is unnecessary for the remaining half of the FRA, and the enormous multiplication process for the number of data points is simplified. Can be converted.
In the case of not a power of 2, if m2 is a number with a divisor, the remaining data can be generated from the measurement processing data of the (divisor-1) FRA, so the integration operation for the divisor can be performed. It is possible to reduce it.

また、m2が約数を持つということはその約数による分割と見なす(たとえば、m2=6)の場合、その約数は1、2、3であり、平均化処理として可能な数である3を選び、分割と見なした場合のFRAにあたるデータだけを用いれば(たとえば、FRA1〜6と並んでいて、FRA1、FRA3、FRA5の測定データ)、振幅比、位相差の振動を抑制した測定出力を得ることができる。斯かる演算処理は、平均化によるノイズ抑制の程度に応じ、簡略化することができる。
Further, when m2 has a divisor is regarded as a division by the divisor (for example, m2 = 6), the divisor is 1, 2, 3, which is a possible number for averaging processing3. If only the data corresponding to FRA when considered as division is used (for example, the measurement data of FRA1, FRA3, FRA5 alongside FRA1 to 6), the measurement output with suppressed vibration of amplitude ratio and phase difference. Can be obtained. Such arithmetic processing can be simplified according to the degree of noise suppression by averaging.

本発明によれば、非同期で動作する同期検波器または非同期FRAであって、信号間の振幅比や位相差の測定に用いることができ、被測定信号の周波数と参照信号の周波数の間に同期関係がなくても、振幅比や位相差を測定することができ、安定した測定結果が得られる。
According to the present invention, it is a synchronous detector or asynchronous FRA that operates asynchronously and can be used for measuring the amplitude ratio and phase difference between signals, and is synchronized between the frequency of the signal under test and the frequency of the reference signal. Even if there is no relationship, the amplitude ratio and phase difference can be measured, and stable measurement results can be obtained.

Dt 同期検波器、トリガ付同期検波器
Dit トリガ付積分型同期検波器
T トリガ検出器
Q 参照信号発生部
M 乗算器
I 積分器
J 判定器
V 実効値測定部
F フィルタ
Dtj 実効値判定およびトリガ付同期検波器
Dtjf 入力フィルタ、実効値判定およびトリガ付同期検波器
Dtjfd 位相差測定、入力フィルタ、実効値判定およびトリガ付同期検波器
Dtjf1、Dtjf2 入力フィルタ、実効値判定およびトリガ付同期検波器
Dttjf1、Dttjf2 入力フィルタ、実効値判定およびトリガ付二位相同期検波器
Td 時間差測定部
G 振幅比演算部
P 位相差演算部
Dttj 実効値判定およびトリガ付二位相同期検波器
FRA 周波数特性分析器
OSC 参照信号と同期した内蔵発振器
OSC−FRA 参照信号と同期した内蔵発振器付周波数特性分析器
LPF−FRA 出力ローパスフィルタ付き周波数特性分析器
LPF−OV、LPF−OP ローパスフィルタ
Dt Synchronous detector, Synchronous detector with trigger Dit Integral detector with trigger T Trigger detector Q Reference signal generator M Multiplier I Integrator J Judge V Effective value measuring unit F filter Dtj Effective value judgment and with trigger Synchronous detector Dtjf Input filter, effective value determination and trigger synchronous detector Dtjfd Phase difference measurement, input filter, effective value determination and trigger synchronous detector Dtjf1, Dtjf2 input filter, effective value determination and trigger synchronous detector Dttjf1, Dttjf2 Input filter, effective value determination and triggered two-phase synchronous detector Td time difference measuring unit G amplitude ratio calculation unit P phase difference calculation unit Dttj effective value determination and triggered two-phase synchronous detector FRA frequency characteristic analyzer OSC reference signal Synchronized built-in detector Frequency characteristic detector with built-in oscillator synchronized with OSC-FRA reference signal LPF-FRA Frequency characteristic analyzer with output low-pass filter LPF-OV, LPF-OP low-pass filter

Claims (13)

複数のFRAを具備し、
前記FRAが複数の二位相同期検波器を具備し、
前記二位相同期検波器が同じ周波数で位相が90度だけ異なる2つの参照信号でそれぞれが動作する2つの同期検波器および直交座標−極座標変換器を具備し、
前記同期検波器のそれぞれが、
被測定信号の入力部と、
前記被測定信号と前記参照信号を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力を参照信号の周期の1以上の整数倍の時間で積分し、前記時間ごとに出力する積分器を具備し、
前記直交座標−極座標変換器が前記2つの同期検波器の2つの出力を直交座標上の2成分としたとき、これを極座標表示における絶対値と偏角の2つの出力を得る変換部を具備し、
前記複数の二位相同期検波器の中の2つの組み合わせから得られる絶対値および偏角の値から、前記絶対値の比と偏角の差を出力し、
前記複数のFRAは、前記参照信号の位相が360度の1以上の前記整数倍の位相を複数の値で除した位相差を有した組み合わせで構成し、
前記複数のFRAが前記複数の絶対値の出力平均と、前記複数の偏角差の出力平均を出力することを特徴とする非同期FRA。
Equipped with multiple FRA
The FRA comprises a plurality of two-phase synchronous detectors.
The two-phase synchronous detector comprises two synchronous detectors and a Cartesian-polar coordinate converter, each operating on two reference signals having the same frequency but different phases by 90 degrees.
Each of the synchronous detectors
The input part of the signal to be measured and
A multiplier that multiplies the signal under test and the reference signal,
An integrator that integrates the output of the multiplier at an integral multiple of one or more of the period of the reference signal and outputs it at each time is provided.
When the Cartesian coordinate-Polar coordinate converter has two outputs of the two synchronous detectors as two components on Cartesian coordinates, it is provided with a conversion unit that obtains two outputs of an absolute value and an argument in polar coordinate display. ,
The difference between the ratio of the absolute value and the declination is output from the absolute value and the declination value obtained from the combination of the two in the plurality of two-phase synchronous detectors.
The plurality of FRAs are composed of a combination having a phase difference obtained by dividing the phase of the reference signal by one or more integer multiples of 360 degrees by a plurality of values.
An asynchronous FRA, characterized in that the plurality of FRAs output the output average of the plurality of absolute values and the output average of the plurality of declination differences.
前記参照信号の位相が360度の1以上の前記整数倍の位相を除す前記複数の値は、前記整数倍の値の素因数のうち、2のべき乗で表わされる項の値に、2の2以上の整数乗の値を乗じた値であることを特徴とする請求項1に記載の非同期FRA。 The plurality of values obtained by dividing the phase of one or more of the integer multiples of the reference signal having a phase of 360 degrees are the values of the terms represented by powers of 2 among the prime factors of the integer multiples. The asynchronous FRA according to claim 1, wherein the value is obtained by multiplying the above integer power value. 360度の1以上の前記整数倍である前記位相を360度とし、
前記2のべき乗で表わされる項の値を1とし、
前記2の2以上の整数乗の値を4とすることを特徴とする請求項2の非同期FRA。
The phase, which is an integral multiple of 1 or more of 360 degrees, is set to 360 degrees.
Let 1 be the value of the term represented by the power of 2 above.
The asynchronous FRA of claim 2, wherein the value of 2 or more to the power of an integer is 4.
被測定信号を入力する入力部と、
特定周波数の参照信号を発生する参照信号発生部と、
前記被測定信号と前記参照信号を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力信号を前記参照信号の周期の1以上の整数倍の積分時間で時間平均を取る積分器と、
前記被測定信号が一定振幅値を通過することを検出してトリガ信号を発生するトリガ検出部と、
を具備し、前記参照信号発生部が前記トリガ信号でトリガされて規定位相で前記参照信号を出力し、
前記積分器が前記参照信号を受けて前記積分動作を開始し、前記積分時間の経過後に前記時間平均の結果を出力する
ことを特徴とする同期検波器。
Input section for inputting the signal to be measured and
A reference signal generator that generates a reference signal of a specific frequency,
A multiplier that multiplies the signal under test and the reference signal,
An integrator that takes the time average of the output signal of the multiplier with an integration time that is an integral multiple of 1 or more of the period of the reference signal.
A trigger detection unit that detects that the signal to be measured passes a constant amplitude value and generates a trigger signal.
The reference signal generating unit is triggered by the trigger signal to output the reference signal in a specified phase.
A synchronous detector characterized in that the integrator receives the reference signal, starts the integration operation, and outputs the result of the time average after the lapse of the integration time.
さらに、前記被測定信号の実効値を測定する実効値測定部と、
を具備することを特徴とする請求項4に記載の同期検波器。
Further, an effective value measuring unit that measures the effective value of the signal to be measured,
The synchronous detector according to claim 4, wherein the detector is provided.
さらに、前記実効値測定部の出力と前記積分器の出力を比較し、比較結果を出力する判定部と、
を具備することを特徴とする請求項5に記載の同期検波器。
Further, a determination unit that compares the output of the effective value measuring unit with the output of the integrator and outputs the comparison result,
The synchronous detector according to claim 5, further comprising the above.
さらに、前記トリガ信号を所定時間だけ遅延させる信号遅延部と、
を具備することを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれかの請求項に記載の同期検波器。
Further, a signal delay unit that delays the trigger signal by a predetermined time,
The synchronous detector according to any one of claims 4 to 6, wherein the synchronous detector is provided.
前記被測定信号を通過させるローパスフィルタ、バンドパスフィルタもしくはハイパスフィルタのいずれかを具備したことを特徴とする請求項4ないし請求項7のいずれの請求項に記載の同期検波器。 The synchronous detector according to any one of claims 4 to 7, further comprising any of a low-pass filter, a band-pass filter, and a high-pass filter through which the signal to be measured is passed. 請求項4ないし請求項8のいずれかの請求項に記載の同期検波器を用いた第1の同期検波器と、
請求項4ないし請求項8のいずれかの請求項に記載の同期検波器を用いた第2の同期検波器と、
前記第1の同期検波器内のトリガ検出で得られる第1の検出信号と、前記第2の同期検波器内のトリガ検出で得られる第2の検出信号の時間差を計測する時間差計測部と、
を具備することを特徴とする同期検波器。
A first synchronous detector using the synchronous detector according to any one of claims 4 to 8.
A second synchronous detector using the synchronous detector according to any one of claims 4 to 8.
A time difference measuring unit that measures the time difference between the first detection signal obtained by the trigger detection in the first synchronous detector and the second detection signal obtained by the trigger detection in the second synchronous detector.
A synchronous detector characterized by being equipped with.
さらに、前記時間差計測部の出力に前記参照信号の周期を元にした係数を使用して演算した結果を出力する演算手段と、
を具備することを特徴とする請求項9に記載の同期検波器。
Further, a calculation means for outputting the result of calculation using a coefficient based on the period of the reference signal to the output of the time difference measurement unit, and
The synchronous detector according to claim 9, further comprising:
さらに、前記第1および前記第2の同期検波器に含まれる前記積分器のそれぞれの出力間比を演算する振幅比演算部と、
を具備することを特徴とする請求項9または請求項10記載の同期検波器。
Further, an amplitude ratio calculation unit for calculating the output-to-output ratio of each of the integrators included in the first and second synchronous detectors,
The synchronous detector according to claim 9 or 10, wherein the synchronous detector is provided.
さらに、前記第1または前記第2の同期検波器のいずれかまたは双方が2位相同期検波器であることを特徴とする請求項9ないし請求項11のいずれかの請求項に記載の同期検波器。 The synchronous detector according to any one of claims 9 to 11, further characterized in that either or both of the first and second synchronous detectors are two-phase synchronous detectors. .. さらに、前記第1および前記第2の同期検波器に含まれる前記積分器の出力から演算処理により求めた位相差を出力する位相演算部と、
を具備することを特徴とする請求項9ないし請求項12のいずれかの請求項に記載の同期検波器。
Further, a phase calculation unit that outputs a phase difference obtained by arithmetic processing from the output of the integrator included in the first and second synchronous detectors, and
The synchronous detector according to any one of claims 9 to 12, wherein the synchronous detector comprises.
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