JP3674781B2 - 正弦波発生方法および回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はディジタルシンセサイザー等に使用される周波数可変の正弦波発生方法および回路に係り、特にその小型化を図る技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ディジタルシンセサイザーは、周波数ホッピングを用いたスペクトラム拡散のような搬送波の周波数を高速に変更する必要のある通信システム等に、高速PLLとして用いられる回路である。これは図7に示すようにデータROM6lとアドレス発生回路62から構成され、ROM61にsin波形テーブルを記憶させておき、指定された周波数になるようなデータを読み出すことのできるアドレスデータをアドレス発生回路62で発生し、このアドレスデータを用いてROM61内の正弦波データを読み出すものである。
【0003】
ここで、データの読み出し速度fsを2MHzとしたときの動作の例を述べる。発生する正弦波の可変周波数の1ステップΔfを1KHzとすると、ROM61のデータ数はfs/Δfだけ必要であるので、前記の例では2048ワードのデータ量となる。nを0から2047までの整数とするとROM61から出力する正弦波データは、
D(n)=sin(2πn/2048)
となる。ここでn=0,1,2,・・・・,2047,0,1,2,・・・・と変化させると1KHzの正弦波が得られる。またn=0,3,6,・・・・,2046,1,4,7,・・・・と変化させると3KHzの正弦波が得られる。この場合、1データを10bit程度で表現してもROM61は20Kbit必要になり回路が大きくなってしまう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来回路ではfs/Δfを大きくしようとすると、非常に大きなROMが必要になってしまう欠点を有している。またfs/Δfが整数になる周波数の正弦波しか得られない欠点も有している。
【0005】
本発明は上記従来回路の欠点に鑑みてなされたもので、その目的は、ROMによるsin波形テーブルを用いずに正弦波を発生する方法および回路を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる発明は、第1の定数から入力信号を減算して第1の減算信号とし、該第1の減算信号を積分して第1の積分信号とし、該第1の積分信号を再度積分して第2の積分信号とし、該第2の積分信号に第3の定数を乗算して前記入力信号とし、前記第2の積分信号から第2の定数を減算して正弦波信号とすることを特徴とする正弦波発生方法とした。
【0007】
請求項2にかかる発明は、請求項1にかかる発明において、前記第2の積分信号から第2の定数を減算して正弦波信号とすることに代えて、前記第2の積分信号からオフセット成分を除去して正弦波信号とし、または前記第2の積分信号をハイパスフィルタに入力することにより正弦波信号とすることを特徴とする正弦波発生方法とした。
【0008】
請求項3にかかる発明は、請求項2にかかる発明において、前記オフセット成分の除去は、前記第2の積分信号の最大値と最小値を加算した値を1/2にし、この1/2した値を前記第2の積分信号から減算することにより行うことを特徴とする正弦波発生方法とした。
【0009】
請求項4にかかる発明は、第1の定数が加算信号として入力する第1の減算回路と、該第1の減算回路の出力信号を積分する第1の積分回路と、該第1の積分回路の出力信号を再度積分する第2の積分回路と、該第2の積分回路の出力信号から第2の定数を減算する第2の減算回路と、前記第2の積分回路の出力信号に第3の定数を乗算して前記第1の減算回路に減算信号として入力する乗算回路とを具備し、前記第2の減算回路から正弦波信号を出力することを特徴とする正弦波発生回路とした。
【0010】
請求項5にかかる発明は、請求項4にかかる発明において、前記第2の減算回路を、オフセット除去回路またはハイパスフィルタに置き換えたことを特徴とする正弦波発生回路とした。
【0011】
請求項6にかかる発明は、請求項5にかかる発明おいて、前記オフセット除去回路は、前記第2の積分回路の出力信号の最大値を検出する最大値検出回路と、前記第2の積分回路の出力信号の最小値を検出する最小値検出回路と、前記最大値検出回路の検出信号と前記最小値検出回路の検出信号を加算する加算回路と、該加算回路の出力信号を1/2にする除算回路と、該除算回路の出力信号を前記第2の積分回路の出力信号から減算する第3の減算回路とを具備することを特徴とする正弦波発生回路とした。
【0012】
【発明の実施の形態】
[第1の実施形態]
図1は本発明の第1の実施形態の正弦波発生方法を説明するための説明図である。図1において、11は第1の定数Aから入力信号を減算する第1の減算手段、12はその減算手段11の出力信号を積分する第1の積分手段、13はその積分手段12の出力信号をさらに積分する第2の積分手段、14はその積分手段13の出力信号に第3の定数Cを乗算して第1の減算手段11に前記入力信号として入力する乗算手段、15は積分手段13の出力信号から第2の定数Bを減算する第2の減算手段である。
【0013】
このように、本実施形態では、第1の減算手段11で第1の定数Aから第1の乗算手段14の出力信号を減算し、その減算信号を第1の積分手段12で積分し、その積分信号を第2の積分手段13で再度積分する。この再積分出力に乗算手段14で第3の定数Cを乗算して前記減算手段11に帰還する。また、この再積分出力から第2の減算手段15で第2の定数Bを減算して正弦波出力信号とするものである。
【0014】
この正弦波発生方法を実施する具体的な回路を図5に示す。減算器51の正入力(加算入力)に定数Aを入力するとともに負入力(減算入力)に乗算器56の出力信号を入力し、減算器51の出力信号を加算器52の一方に入力する。また加算器52の出力信号をDFF53に入力し、DFF53の出力信号を加算器54の一方に入力すると共に加算器52の他方にも入力する。これにより加算器52とDFF53により第1の積分手段12が実現される。同様に、加算器54の出力信号をDFF55に入力し、DFF55の出力信号を減算器57の正入力に入力すると共に加算器54の他方にも入力する。これにより加算器54とDFF55により第2の積分手段13が実現される。さらにDFF55の出力信号を乗算器56の一方に入力し、乗算器56の出力信号は減算器51の負入力に入力する。さらに減算器57の負入力に第2の定数Bを、乗算器56の他方の入力に第3の定数Cを入力し、DFF53と55はクロックCLKにより入力をラッチし出力する構成となっている。
【0015】
図8は、図5の回路の定数Aに0.01を、定数Cに0.03125(1/32)を入れたときのDFF55の出力を論理シミュレーションで求めた結果である。この例では51クロックで1波(1周期)の正弦波が発生している。定数Bを0.12とし、図8の波形から減算回路57によりこの定数Bを減算すれば、中心値が0のディジタルの正弦波が得られる。図9は、図8の正弦波の1024ステップ目までをFFT(高速フーリエ変換)で解析したスペクトラムであり、正弦波のパワーが20(1024データ/51クロック)番目(横軸の20)に発生している。これに対し2次以降の高調波歪みのパワーは−150dB以下であり、非常に純度の高い正弦波が得られていることが判る。
【0016】
以上のように、本実施形態では、定数Cを変化させることにより正弦波の周波数を可変にでき、定数Aを変化させることによりその正弦波の振幅を可変にできる。また、周波数を切り換えるときは、定数Cを変えた時点で周波数が変更されるが、そのときは積分内容が保存されているため波形の連続性を保ちながら周波数が変更される。
【0017】
[第2の実施形態]
図2は本発明の第2の実施形態の正弦波発生方法を説明するための説明図である。本実施形態は、図1に示した第1の実施形態における第2の減算手段15と第2の定数Bの部分を、オフセット除去手段25に置き換えたものである。すでに説明した図8で判るように、第2の減算手段15と第2の定数Bは、第2の積分手段13の出力信号に発生した正弦波の中心値を0レベルに移動する働きをする。第2の積分手段13に発生する波形は正弦波と直流(オフセット成分)を加算したものとなっているので、第2の積分手段13の出力信号からオフセット除去手段25によってそのオフセット成分を除去する手法を採用すれば、第2の減算手段15と第2の定数Bからなる構成と同一の機能を実現可能となる。
【0018】
図6はこのオフセット除去手段25の具体的な回路図である。251は最大値検出回路、252は最小値検出回路、253は最大値検出回路251の検出信号と最小値検出回路252の検出信号とを加算する加算回路、254はその加算回路253の出力信号をビットシフトにより1/2にする除算回路、255は積分手段13からの入力信号から除算回路254の出力信号を減算する第3の減算回路である。これにより、入力正弦波信号の最大値と最小値の1/2、つまり中間値が入力正弦波信号から減算されるので、その中間値を0レベルとして時間経過と共に正負の値を交互に出力する正弦波信号が得られる。
【0019】
なお、このオフセット除去手段25に代えて、直流を除去する機能を有するハイパスフィルタを使用しても、そのオフセット除去手段25と同一の機能が得られる。
【0020】
[第3の実施形態]
図3は本発明の第3の実施形態の正弦波発生回路を示す説明図である。図3において、31は第1の定数Aから入力信号を減算する第1の減算回路、32はその減算回路31の出力信号を積分する第1の積分回路、33はその積分回路32の出力信号をさらに積分する第2の積分回路、34はその積分回路33の出力信号に第3の定数Cを乗算して第1の減算回路31に前記入力信号として入力する乗算回路、35は積分回路33の出力信号から第2の定数Bを減算する第2の減算回路である。
【0021】
このように、本実施形態では、第1の減算回路31で第1の定数Aから第1の乗算回路34の出力信号を減算し、その減算信号を第1の積分回路32で積分し、その積分信号を第2の積分回路33で再度積分する。この再積分出力に乗算回路34で第3の定数Cを乗算して前記減算回路31に帰還する。また、この再積分出力から第2の減算回路35で第2の定数Bを減算して正弦波出力信号とするものである。この実施形態の動作は、第1の実施形態で説明した動作と同じである。
【0022】
[第4の実施形態]
図4は本発明の第4の実施形態の正弦波発生回路を示す説明図である。本実施形態は、第3の実施形態における第2の減算回路35と第2の定数Bの部分を、オフセット除去回路45に置き換えたものであり、他は第3の実施形態で説明したものと同じである。また、オフセット除去回路45としては、図6に示した回路やハイパスフィルタを使用することができ、動作は第2の実施形態て説明したものと同じである。
【0023】
【発明の効果】
以上のように本発明は、sin波形テーブルを記憶する大規模ROMがなくても正弦波を発生可能であり回路規模を従来回路より大幅に削減可能であるうえ、従来回路ではΔfおきの周波数の正弦波しか発生できなかったのに対し、第3の定数Cを変化させることにより任意の周波数の正弦波を発生できる特徴を有している。また正弦波の強弱の調整は、従来回路では乗算回路により正弦波データに定数を乗算することにより行っていたが、本発明では第1の定数Aを変化させることにより簡単に正弦波振幅を可変にできる特徴を有している。さらに、第1の周波数から第2の周波数に周波数を変えるとき、従来回路ではROMデータの読み出しのため第2の周波数の初めのデータは0から始めなければならないので、変化の前後の正弦波の連続性が保てないのに対し、本発明では第3の定数Cを変えた時点で周波数が変更され、そのときの積分内容は保存されているため波形の連続性を保ちながら周波数が変更される特徴を有している。
【0024】
このように、本発明は従来回路では実現困難であった、高純度で、任意の周波数の発振が可能で、かつ周波数変化の際に波形の連続性が保てるといった従来技術では実現できなかった機能が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態の正弦波発生方法の説明図である。
【図2】 本発明の第2の実施形態の正弦波発生方法の説明図である。
【図3】 本発明の第3の実施形態の正弦波発生回路の説明図である。
【図4】 本発明の第4の実施形態の正弦波発生回路の説明図である
【図5】 図1の正弦波発生方法を実施するための具体的な回路図である。
【図6】 図2のオフセット除去手段の部分の具体的な回路図である。
【図7】 従来の正弦波発生回路の説明図である。
【図8】 図5において発生する正弦波の波形図である。
【図9】 図5において発生する正弦波のスペクトラム図である。
【符号の説明】
11:第1の減算手段、12:第1の積分手段、13:第2の積分手段、14:乗算手段、15:第2の減算手段、25:オフセット除去手段
251:最大値検出回路、252:最小値検出回路、253:第3の減算回路、254:除算回路、255:第4の減算回路
31:第1の減算回路、32:第1の積分回路、33:第2の積分回路、34:乗算回路、35:第2の減算回路、45:オフセット除去回路
51:第1の減算器、52:加算器、53:DFF、54:加算器、55:DFF、56:乗算器、57:第2の減算器
61:データROM、62:アドレス発生回路
Claims (6)
- 第1の定数から入力信号を減算して第1の減算信号とし、該第1の減算信号を積分して第1の積分信号とし、該第1の積分信号を再度積分して第2の積分信号とし、該第2の積分信号に第3の定数を乗算して前記入力信号とし、前記第2の積分信号から第2の定数を減算して正弦波信号とすることを特徴とする正弦波発生方法。
- 請求項1において、
前記第2の積分信号から第2の定数を減算して正弦波信号とすることに代えて、前記第2の積分信号からオフセット成分を除去して正弦波信号とし、または前記第2の積分信号をハイパスフィルタに入力することにより正弦波信号とすることを特徴とする正弦波発生方法。 - 請求項2において、
前記オフセット成分の除去は、前記第2の積分信号の最大値と最小値を加算した値を1/2にし、この1/2した値を前記第2の積分信号から減算することにより行うことを特徴とする正弦波発生方法。 - 第1の定数が加算信号として入力する第1の減算回路と、該第1の減算回路の出力信号を積分する第1の積分回路と、該第1の積分回路の出力信号を再度積分する第2の積分回路と、該第2の積分回路の出力信号から第2の定数を減算する第2の減算回路と、前記第2の積分回路の出力信号に第3の定数を乗算して前記第1の減算回路に減算信号として入力する乗算回路とを具備し、前記第2の減算回路から正弦波信号を出力することを特徴とする正弦波発生回路。
- 請求項4において、
前記第2の減算回路を、オフセット除去回路またはハイパスフィルタに置き換えたことを特徴とする正弦波発生回路。 - 請求項5において、
前記オフセット除去回路は、前記第2の積分回路の出力信号の最大値を検出する最大値検出回路と、前記第2の積分回路の出力信号の最小値を検出する最小値検出回路と、前記最大値検出回路の検出信号と前記最小値検出回路の検出信号を加算する加算回路と、該加算回路の出力信号を1/2にする除算回路と、該除算回路の出力信号を前記第2の積分回路の出力信号から減算する第3の減算回路とを具備することを特徴とする正弦波発生回路。
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