JP4026425B2 - Digital detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル検波装置に関する。さらに詳しくは、例えば渦流探傷の探傷信号における雑音を傷信号との位相の差異を利用して抑圧できるように検波を行うデジタル検波装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、導電性の試験体表層部の傷を非接触式にて検出する探傷方法として、渦流探傷が行われている(例えば特開2001−296279号公報参照)。渦流探傷においては、試験体に発生する渦電流が、試験体の形状寸法、電磁気的特性および試験体とセンサコイルとの相対位置など数多くの他因子による影響を受けることから、このような他因子による雑音を抑圧するための信号処理が傷の検出を確実に行う上で重要となってくる。そして、このような信号処理として、交流である探傷信号において傷信号と雑音との位相の差異を利用して、雑音を抑圧するように探傷信号の検波を行う位相検波(位相解析)が行われている(なお、静電センサにおける位相検波について特開平8−278336号公報参照)。
【0003】
位相検波は、傷信号と雑音との間に大きな位相の差異が生ずるように設定された探傷条件の下で、その位相差を利用して雑音を抑圧しS/N比の向上を図るもので、その具体的な実施方法として同期検波法が代表的である。同期検波法は、電子的なスイッチング回路を用いる方法と乗算演算素子を用いる方法とがあり、スイッチング回路による同期検波は、図10に示すように、同図(a)の探傷信号のうち、スイッチング回路により同図(b)の制御信号がONの期間のみを切り取るようにして同図(c)の出力波形を得、その平均を求めることで同図斜線部分の面積S´に対応する位相差θ´を求めるものとされる。
【0004】
一方、乗算演算素子による同期検波は、図11に示すように、乗算演算素子としての掛算器101に参照信号q´とアンプ102によりK1倍された探傷信号p´とが入力され、両入力を掛け合わせて求められる検波信号fdがローパスフィルタ(LPF)103を通過され、これにより抽出される位相成分をアンプ104に通過させてK2倍するようにして、検波信号fdの平均を求めることで位相差θ´を求めるものとされる。
【0005】
しかしながら、これら従来の位相検波はいずれも、スイッチング回路、掛算器などの演算素子にアナログ素子を用いるものとされているため、一般に、以下のような問題を生じる。
【0006】
(1)検波特性がアナログ素子の周波数特性に依存するため、高周波の位相検波に対応できない(現在市販のアナログ乗算器を用いた場合、対応周波数は10メガ・ヘルツが限界である)。
【0007】
(2)測定精度がアナログ素子の精度に依存し、高精度化が困難である。
【0008】
(3)高速のアナログ乗算器は高価である。
【0009】
また、渦流探傷の位相検波をアナログ乗算器により実施する場合の問題点としては以下のようなものがある。
【0010】
(11)渦流探傷の位相検波においては、探傷信号に位相変化だけではなく振幅変化を伴うのが通常であるため、振幅の変化により乗算した結果が変化し、位相のみの変化量を取り出すのが困難である。
【0011】
(12)振幅変化が位相変化よりも極端に大きい場合、飽和を避けるよう振幅変化の最大値で回路を調整しなければならないため、振幅が小さい信号ではS/N比が低下し精度が悪化する。このため、走査型渦流探傷法などの入力変化が大きい信号を取り扱うのが困難である。
【0012】
(13)センサコイルにプリントコイルを用いる場合、コイル個々の特性のばらつきが大きくなり、探傷装置が複数のチャンネルを有するものとされる場合に対応しにくい。
【0013】
(14)非磁性鋼の探傷では位相変化が極端に小さく、アナログ乗算器の出力飽和が起こりやすい。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、位相検波をデジタル信号処理により実施するようにして、コストダウンを図りつつ検波精度を向上させることができるデジタル検波装置を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明のデジタル検波装置は、位相検出部と、振幅検出部と、位相演算部とを備えてなるデジタル検波装置であって、
位相検出部が、所定間隔でサンプリングされた入力信号のゼロクロスを検出する入力信号側ゼロクロス検出部と、前記入力信号側ゼロクロス検出部の下流側に配設された入力側分周器と、前記所定間隔でサンプリングされた参照信号のゼロクロスを検出する参照信号側ゼロクロス検出部と、前記参照信号側ゼロクロス検出部の下流側に配設された参照側分周器と、位相信号生成部とを備え、
前記入力側分周器と前記参照側分周器との分周比は同一とされ、
入力信号側ゼロクロス信号は、前記入力側分周器により測定タイミングによらず誤差が一定となるように分周され、
参照信号側ゼロクロス信号は、前記参照側分周器により測定タイミングによらず誤差が一定となるように分周され、
前記位相信号生成部は、前記分周された入力信号側ゼロクロス信号と、前記分周された参照信号側ゼロクロス信号との排他的論理和を取ることにより位相信号を生成して前記位相演算部に出力し、
前記振幅検出部が、前記所定間隔でサンプリングされた入力信号の振幅を検出してその振幅信号を前記位相演算部に出力し、
前記位相演算部が、前記位相信号および振幅信号に対して所定の演算処理をして入力信号の位相および振幅をデジタル信号で出力する
ことを特徴とする。
【0018】
【作用】
本発明のデジタル検波装置は、前記の如く構成されているので、アナログ検波装置のように素子の周波数特性や精度に依存することなく、高周波の位相検波が可能となるとともに高精度が実現できる。また、位相および振幅を独立に検出しているので、各検出部の構成をその検出対象に応じて最適化できて検出精度の向上が図られる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【0020】
実施形態1
図1に、本発明の実施形態1に係るデジタル検波装置(以下、単に検波装置という)の概略構成を示し、この検波装置Aは、例えば渦流探傷における傷信号と雑音とを含む探傷信号を入力信号pとし、傷信号と雑音との位相の差異を利用して雑音を抑圧するように検波、すなわち入力信号pの位相および振幅の測定を実施するものとされる。
【0021】
より具体的には、検波装置Aは、所定間隔でサンプリングされた入力信号pと所定間隔でサンプリングされた参照信号(制御信号)qとの位相差φ(図2参照)を検出し、検出された位相差φを表す信号(以下、位相信号という)rを出力する位相検出部1と、入力信号pの振幅B(図2参照)を検出し、その検出結果を表す信号(以下、振幅信号という)sを出力する振幅検出部2と、位相検出部1および振幅検出部2の各出力信号r、sに基づいて入力信号pの位相を演算し、演算された位相と振幅検出部2により検出された振幅とを例えば12ビット(bit)のデジタル信号として出力する位相演算部3とを主要構成要素として備えてなるものとされる。
【0022】
位相検出部1は、入力信号pのゼロクロス(zero cross)を検出し、その検出結果を表す信号(以下、入力信号側ゼロクロス信号という)tを出力する入力信号側ゼロクロス検出部11と、参照信号qのゼロクロスを検出し、その検出結果を表す信号(以下、参照信号側ゼロクロス信号という)uを出力する参照信号側ゼロクロス検出部12と、入力信号側ゼロクロス信号tおよび参照信号側ゼロクロス信号uに基づいて位相信号rを生成する位相信号生成部13とから構成される。
【0023】
各ゼロクロス検出部11、12は、図2に示すように、正弦波信号である参照信号q(同図(a)参照)および入力信号p(同図(b)参照)とGND(0ボルト)とを比較し、各信号p、qの電圧が正である間はハイレベル信号を出力し負である間はローレベル信号を出力するようにして各信号p、qを矩形波に変換するゼロクロス・コンパレータとして構成されている。
【0024】
位相信号生成部13は、図2(c)に示すように、入力信号側ゼロクロス信号tおよび参照信号側ゼロクロス信号uがハイレベル信号であるときの排他的論理和をとる排他的論理和演算回路から構成されている。すなわち、位相信号生成部13が位相信号rとして出力する各矩形パルスr1,r2,・・・の幅が位相差φを表すものとされる。なお、位相信号rの周波数は入力信号pおよび参照信号qの周波数の2倍となる。
【0025】
振幅検出部2は、入力信号pに対して包絡線検波を実施する包絡線検波回路21と、包絡線検波回路21の出力信号(アナログ信号)をデジタル化して振幅検出信号sとして出力するA/D変換器22とから構成されている。
【0026】
位相演算部3は、例えばFPGA(Field Programmable Gate Array;プログラマブル・ゲート・アレイ)からなり、位相信号rおよび振幅信号sに基づいて入力信号pの位相を演算し、この演算結果に対して所定の誤差補正処理を実施して出力するものとされる。
【0027】
ここで、誤差補正処理は、振幅信号sを用いて入力信号pのスルーレートを演算し、スルーレートの変化によるゼロクロス検出への影響を補正するようにして実施される。
【0028】
次に、図3を参照して、検波装置Aにおけるサンプリング方式を説明する。検波装置Aにおいては、入力信号pおよび参照信号qを、その周期(以下、信号周期という)T1(ないしは信号周期T1を後掲のサンプリング間隔調整係数Kの逆数倍した周期)から所定時間(以下、仮想サンプリング時間という)Δtずらした周期(以下、サンプリング周期という)T2でサンプリングするようにして、仮想的にΔtの周期でサンプリングしたのと等価の結果を得るものとされる。
【0029】
すなわち、1回目のサンプリングではポイントW1をサンプリングし、2回目のサンプリングではポイントW2をサンプリングし、というように仮想サンプリング時間ΔtずつサンプリングポイントWの位相がずれていくので、d回のサンプリングを行うことによって入力信号pおよび参照信号qをΔtの周期でサンプリングした場合と同様のサンプリング値を得ることが可能となる。ただし、dは
d=T1/(T1−T2)=f2/(f2−f1)
である。
【0030】
ここで、f1:入力信号pおよび参照信号qの周波数(以下、信号周波数という)、f2:入力信号pおよび参照信号qを実際にサンプリングする周波数(以下、サンプリング周波数という)、である。
【0031】
したがって、下記式(1)および(2)で定義される分割数nおよびサンプリング間隔調整係数Kを適当な値に設定することによって、入力信号pおよび参照信号qの周波数が高い(例えば約40メガ・ヘルツ)場合にも、充分な位相検波分解能が得られる精度でサンプリングすることが可能となる。
【0032】
n・Δt=1/f1 (1)
【0033】
f2={n・K/(n−1)}・f1 (2)
【0034】
ただし、この方式で検出される位相の精度は信号周波数f1、サンプリング周波数f2の精度に依存し、±1度(degree)程度の精度を求めようとするならば、信号周波数f1が1メガ・ヘルツ程度の場合で10ピー・ピー・エム、すなわち小数点以下7桁程度の精度をもたせる必要がある。また、測定時間は(Δt・n)/Kで表されるため、サンプリング間隔調整係数Kを大きくすることによってサンプリング時間を短縮することが可能である。しかしながら、この場合はサンプリング周波数f2が大きくなるため、位相精度は悪化する。
【0035】
このように、実施形態1の検波装置Aにおいては、正弦波信号である入力信号p、参照信号qのゼロクロスがゼロクロス・コンパレータからなる各ゼロクロス検出部11、12により検出され、これに基づいて排他的論理和演算回路からなる位相信号生成部13により各信号p、q間の位相差φを表す位相信号rが生成され、この位相信号rと振幅検出部2の出力信号である振幅信号sとに基づいて入力信号pの位相が演算される、というように、デジタル信号処理によって位相検波が実施されるので、従来のアナログ方式の位相検波の場合のように、素子の周波数特性や精度に依存することなく、高周波の位相検波が可能となる(発明者等の実験によれば約40メガ・ヘルツの高周波に対応することができた)とともに高精度化が容易となる。これによって、高速、高精度の高価なアナログ素子を用いる必要がなく、コストダウン(アナログ乗算器を用いた場合の10分の1程度)を図ることができる。
【0036】
これによって、渦流探傷のセンサコイルとして複数のプリントコイルを用いる場合に、各コイルの特性のばらつきが大きいときでも、従来のアナログ方式より少ない調整で対応することができるとともに、高精度に検波することができる。このため、複数のチャンネルが設けられることが通常である探傷装置に適用される場合にも、高価なアナログ乗算器を各チャンネル毎に用意する必要がなく、さらにコストダウンが図れる。
【0037】
また、入力信号pおよび参照信号qの各ゼロクロス信号t、uの排他的論理和をとり、それにより得られる各矩形パルスの幅から各信号p、q間の位相差φを検出することにしているので、ゼロクロス信号t、uのデューティ比が50%であるか否かに拘わらず正確に位相差φを検出することが可能となる。
【0038】
さらに、位相検波を実施するのと同時に包絡線検波回路21を含む振幅検出部2によって入力信号pの振幅が検出され、これを用いて位相の演算結果における誤差が補正されるので、検波精度が向上する。また、これに関連して、位相および振幅が別異の検出部1、2によって独立して検出されるので、各検出部1、2の特性をその検出対象に応じて最適化することができ、検波精度が向上する。
【0039】
さらにまた、入力信号pの周波数が高い場合にも充分な位相検波分解能が得られるように、信号周波数f1から若干ずらした周波数f2でサンプリングすることによって、例えば高速なA/D変換器を用いることなく充分な精度でサンプリングすることが可能となる。また、信号周波数f1のN倍の周波数から若干ずらした周波数f2でサンプリングすることによって、サンプリングレートを上げることもできる。
【0040】
実施形態2
図4に、本発明の実施形態2に係る検波装置の概略構成を示し、この検波装置A1は、実施形態1の検波装置Aの位相検出部1を改変したものとされ、その余の構成は実施形態1と同様とされる。以下、改変された部分のみを説明する。
【0041】
すなわち、検波装置A1の位相検出部1Aは、実施形態1と同様構成の各ゼロクロス検出部11A、12Aの前段にそれぞれサチレーション回路14、15を介装するとともに、各ゼロクロス検出部11A、12Aと実施形態1と同様構成の位相信号生成部13Aとの間にそれぞれ分周器16、17を介装するようにして、検波精度のさらなる向上を図るものとされる。
【0042】
図5に、サチレーション回路14、15の詳細構成を示す。サチレーション回路14、15は、入力信号pおよび参照信号qの周波数、振幅の変化がゼロクロスの検出時期に与える影響を抑制するとともに振幅の小さい信号においてもゼロクロスを確実に検出できるようゼロクロス検出部11A、12Aに入力される信号の振幅を調整するものとされ、入力信号p、参照信号qを増幅する高ゲインのOPアンプ(operational amplifier;演算増幅器)からなる増幅器14a、15aと、増幅器14a、15aによって増幅された入力信号p、参照信号qの振幅をゼロクロス検出部11A、12Aの入力レンジに適合するように調整するためのアッテネータ14b、15bとから構成される。
【0043】
すなわち、高速コンパレータは一般に入力信号のスルーレートが低い場合に発振する傾向があり、このため、遷移領域にヒステリシス電圧EH(図6(b)参照)設定して発振を回避するよう構成されるのが通常である。
【0044】
ところが、図6に示すように、このヒステリシス電圧EHが設けられることによって、周期・位相の等しい2つの正弦波信号W1、W2でありながらゼロクロスの検出時期に誤差eを生じたり、振幅の小さい信号W3のゼロクロスが検出されなかったりする、という問題が生じる。
【0045】
図7に、サチレーション回路における誤差eと対入力信号(参照信号)との関係の一例を示す。
【0046】
そこで、サチレーション回路14、15によりゼロクロス検出部11A、12Aに入力される信号p、qの振幅を大きく取り、傾きの影響が少なくなるように調整するようにして、誤差eを可能な限り小さくするとともに、低入力電圧時(例えば100ミリ・ボルト程度)にも確実にゼロクロスを検出することを可能としている。また、こうすることにより、適切なヒステリシス電圧EHの設定が困難である場合にも、コンパレータ出力の発振を抑制することが可能となる。
【0047】
次に、図8を参照して分周器16、17を説明する。分周器16、17は、ゼロクロス信号t、uを分周し、その分周信号v、wを位相信号生成部13Aに出力するものとされる。すなわち、入力信号pおよび参照信号qには回路特性などの微少なアンバランスによりオフセットが含まれるのが通常であり、これに起因して各ゼロクロス信号t、uには誤差が含まれる。分周器16、17は、このような入力信号p、参照信号qのオフセットに起因する誤差を容易に補正できるように、各ゼロクロス信号t、uを分周してその分周信号v、wを出力するものとされる。
【0048】
例えば、図8に示すように、例えば入力信号pに電圧(以下、オフセット電圧という)ESのオフセットがある場合を考える(参照信号qにオフセットがある場合も同様である)。このとき、入力信号pのゼロクロス信号tを構成する各方形パルスt1、t2・・・の幅αは、オフセットのない場合の本来の幅βとは異なるものとなり、この差が誤差としてゼロクロス信号tに含まれることになる。この誤差を含むゼロクロス信号tおよび参照信号qのゼロクロス信号uに対して排他的論理和演算を実施するようにして位相信号rが生成されると、位相信号rを構成する各方形パルスr 1,r 2,・・・は、幅が入力信号pの半周期毎に時間{(α−β)/2}だけ本来の幅から増減する、というように誤差の振動が発生する。このため、測定タイミングが一定でない場合にはその補正は困難となる。
【0049】
すなわち、分周を行わずに誤差が振動している場合、真値を求めるためには、少なくとも連続した2つのデータが必要になる。つまり、どちらのデータが(α−β)/2大きいかを比較する必要があるため、1回目、2回目と連続したデータが必要となる。連続したデータが得られない場合、得られる値の誤差は最大で±(α−β)/2となる。一方、分周された信号の場合、その誤差は図8に示す例においては(β−α)/2と一定になるため、どのタイミングで測定しても同じ値を得ることができる。例えば、図9に示すように、タイミング1およびタイミング2と連続して測定して各測定値a,bが得られた場合において、aが真値より−(α−β)/2ずれ、またbが真値より+(α−β)/2ずれているとすると、a<bであるならば、aは−(α−β)/2の誤差を含み、bは+(α−β)/2の誤差を含んでいるのがわかる。しかしながら、タイミング1とタイミング3のようにとびとびに測定した場合、いずれの測定値が小さいのか不明であるため、その誤差を特定できない。つまり、誤差を特定するためには、タイミング1とタイミング2、あるいはタイミング2とタイミング3のように連続して測定する必要がある。
【0050】
そこで、分周器16、17により各ゼロクロス信号t、uを分周して、その分周信号v、wの排他的論理和をとるようにして位相信号rを生成することによって、この位相信号rに含まれる誤差を測定タイミングによらず一定(図示例では常に−{(α−β)/2})とすることで誤差の補正が容易となる。
【0051】
このように、実施形態2の検波装置A1においては、サチレーション回路14、15によって振幅が調整された入力信号pおよび参照信号qがゼロクロス検出部11A、12Aに入力されるので、振幅の変化がゼロクロス検出部11A、12Aの出力に与える影響を可能な限り排除して、検波精度を向上させることができる。また、低電圧信号の検波も可能となる。
【0052】
また、分周器16、17により分周されたゼロクロス信号v、wを用いて位相信号rが生成されるので、入力信号pおよび参照信号qのオフセットに起因する誤差の補正が容易となる。
【0053】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のデジタル検波装置によれば、アナログ検波装置のように素子の周波数特性や精度に依存することなく、高周波の位相検波が可能となるとともに高精度が実現できるという優れた効果が得られる。
【0054】
また、本発明のデジタル検波装置によれば、位相および振幅を独立に検出しているので、各検出部の構成をその検出対象に応じて最適化できて検出精度の向上が図られるという優れた効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係る検波装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】実施形態1の検波装置による検波の基本原理を示す模式図であって、同(a)は位相検出部に入力される参照信号を示し、同(b)は位相検出部に入力される入力信号を示し、同(c)は位相検出部の出力信号を示す。
【図3】同検波装置におけるサンプリング方式に関する説明図である。
【図4】本発明の実施形態2に係る検波装置の概略構成を示すブロック図である。
【図5】同検波装置のサチレーション回路の概略構成を示すブロック図である。
【図6】サチレーション回路の動作原理を説明する説明図であり、同(a)はゼロクロス検出部に入力される各種信号を示し、同(b)はその部分拡大図を示す。
【図7】サチレーション回路における誤差と入力信号との関係を示すグラフ図の一例である。
【図8】実施形態2の検波装置の分周回路の動作原理を説明する説明図である。
【図9】測定タイミングと測定値との関係を模式的に示すグラフ図である。
【図10】従来のスイッチング回路を用いた同期検波の原理を示すグラフ図である。
【図11】従来のアナログ乗算器を用いた位相検波装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
A 検波装置
1 位相検出部
2 振幅検出部
3 位相演算部
11、12 ゼロクロス検出部(ゼロクロス・コンパレータ)
13 位相信号生成部(排他的論理和演算回路)
14、15 サチレーション回路
16、17 分周器
21 包絡線検波回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a digital detector. More specifically, for example, the present invention relates to a digital detection device that performs detection so that noise in a flaw detection signal of eddy current flaw detection can be suppressed using a phase difference from the flaw signal.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, eddy current flaw detection has been performed as a flaw detection method for detecting a flaw on the surface layer portion of a conductive specimen in a non-contact manner (see, for example, JP-A-2001-296279). In eddy current testing, the eddy current generated in the specimen is affected by many other factors such as the geometry of the specimen, electromagnetic characteristics, and the relative position between the specimen and the sensor coil. Signal processing for suppressing noise due to noise is important for reliably detecting flaws. As such signal processing, phase detection (phase analysis) is performed in which a flaw detection signal is detected so as to suppress noise by using a phase difference between the flaw signal and noise in an AC flaw detection signal. (For phase detection in an electrostatic sensor, see JP-A-8-278336).
[0003]
The phase detection is intended to improve the S / N ratio by suppressing noise using the phase difference under a flaw detection condition set so that a large phase difference occurs between the flaw signal and noise. As a specific implementation method, a synchronous detection method is representative. The synchronous detection method includes a method using an electronic switching circuit and a method using a multiplication operation element. As shown in FIG. 10, the synchronous detection by the switching circuit is performed by switching among the flaw detection signals in FIG. The phase difference corresponding to the area S ′ of the shaded portion of the figure is obtained by obtaining only the output waveform of the figure (c) by cutting out only the period when the control signal of the figure (b) is ON by the circuit. θ ′ is obtained.
[0004]
On the other hand, as shown in FIG. 11, in the synchronous detection by the multiplication operation element, the reference signal q ′ and the flaw detection signal p ′ multiplied by K1 by the
[0005]
However, since all of these conventional phase detections use analog elements as arithmetic elements such as switching circuits and multipliers, the following problems generally occur.
[0006]
(1) Since the detection characteristic depends on the frequency characteristic of the analog element, it cannot cope with high-frequency phase detection (when a commercially available analog multiplier is used, the corresponding frequency is limited to 10 megahertz).
[0007]
(2) The measurement accuracy depends on the accuracy of the analog element, and high accuracy is difficult.
[0008]
(3) A high-speed analog multiplier is expensive.
[0009]
Further, there are the following problems when phase detection of eddy current flaw detection is performed by an analog multiplier.
[0010]
(11) In phase detection of eddy current flaw detection, it is normal that the flaw detection signal is accompanied by not only the phase change but also the amplitude change. Therefore, the result of multiplication is changed by the amplitude change, and the amount of change only in the phase is taken out. Have difficulty.
[0011]
(12) When the amplitude change is extremely larger than the phase change, the circuit must be adjusted with the maximum value of the amplitude change so as to avoid saturation, and therefore the S / N ratio is lowered and the accuracy is deteriorated for a signal having a small amplitude. . For this reason, it is difficult to handle a signal having a large input change such as a scanning eddy current flaw detection method.
[0012]
(13) When a printed coil is used as a sensor coil, the characteristics of each coil vary greatly, and it is difficult to cope with a case where the flaw detection apparatus has a plurality of channels.
[0013]
(14) In flaw detection of nonmagnetic steel, the phase change is extremely small, and the output saturation of the analog multiplier is likely to occur.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and provides a digital detection device capable of improving detection accuracy while reducing costs by performing phase detection by digital signal processing. It is an object.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The digital detector of the present invention is a digital detector comprising a phase detector, an amplitude detector, and a phase calculator,
An input signal-side zero-cross detector that detects a zero-cross of an input signal sampled at a predetermined interval; an input-side frequency divider disposed downstream of the input signal-side zero-cross detector; A reference signal-side zero-cross detector that detects a zero-cross of a reference signal sampled at intervals, a reference-side frequency divider disposed downstream of the reference-signal-side zero-cross detector, and a phase signal generator ,
The division ratio of the input side divider and the reference side divider is the same,
The input signal side zero cross signal is divided by the input side divider so that the error is constant regardless of the measurement timing,
The reference signal side zero cross signal is frequency-divided by the reference side frequency divider so that the error is constant regardless of the measurement timing,
The phase signal generation unit generates a phase signal by taking an exclusive OR of the frequency-divided input signal side zero-cross signal and the frequency-divided reference signal side zero-cross signal to the phase calculation unit. Output,
The amplitude detector detects the amplitude of the input signal sampled at the predetermined interval and outputs the amplitude signal to the phase calculator,
The phase calculation unit performs a predetermined calculation process on the phase signal and the amplitude signal, and outputs the phase and amplitude of the input signal as a digital signal.
[0018]
[Action]
Since the digital detection device of the present invention is configured as described above, high-frequency phase detection can be achieved and high accuracy can be realized without depending on the frequency characteristics and accuracy of the element as in the case of an analog detection device. Further, since the phase and amplitude are detected independently, the configuration of each detection unit can be optimized according to the detection target, and detection accuracy can be improved.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, although the present invention is explained based on an embodiment, referring to an accompanying drawing, the present invention is not limited only to this embodiment.
[0020]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a digital detector (hereinafter simply referred to as a detector) according to
[0021]
More specifically, the detector A detects and detects the phase difference φ (see FIG. 2) between the input signal p sampled at a predetermined interval and a reference signal (control signal) q sampled at the predetermined interval. A
[0022]
The
[0023]
As shown in FIG. 2, each of the zero-
[0024]
As shown in FIG. 2C, the phase
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
Here, the error correction processing is performed by calculating the slew rate of the input signal p using the amplitude signal s and correcting the influence on the zero cross detection due to the change in the slew rate.
[0028]
Next, with reference to FIG. 3, the sampling method in the detector A will be described. In the detection device A, the input signal p and the reference signal q are set to a predetermined value from a cycle (hereinafter referred to as a signal cycle) T 1 (or a cycle obtained by multiplying the signal cycle T 1 by the inverse of the sampling interval adjustment coefficient K described later). Sampling is performed at a period (hereinafter referred to as a sampling period) T 2 that is shifted by time (hereinafter referred to as a virtual sampling time) Δt, and an equivalent result is obtained that is virtually sampled at a period of Δt.
[0029]
That is, the point W 1 is sampled in the first sampling, the point W 2 is sampled in the second sampling, and the phase of the sampling point W is shifted by the virtual sampling time Δt. By doing so, it is possible to obtain the same sampling value as when the input signal p and the reference signal q are sampled at a period of Δt. However, d is d = T 1 / (T 1 -T 2) =
It is.
[0030]
Here, f 1 is the frequency of the input signal p and the reference signal q (hereinafter referred to as signal frequency), and f 2 is the frequency at which the input signal p and the reference signal q are actually sampled (hereinafter referred to as sampling frequency).
[0031]
Therefore, by setting the division number n and the sampling interval adjustment coefficient K defined by the following formulas (1) and (2) to appropriate values, the frequencies of the input signal p and the reference signal q are high (for example, about 40 megabytes). In the case of (hertz), it is possible to sample with sufficient accuracy to obtain a sufficient phase detection resolution.
[0032]
n · Δt = 1 / f 1 (1)
[0033]
f 2 = {n · K / (n−1)} · f 1 (2)
[0034]
However, the accuracy of the phase detected by this method depends on the accuracy of the signal frequency f 1 and the sampling frequency f 2 , and if the accuracy of about ± 1 degree is desired, the signal frequency f 1 is 1. In the case of megahertz or so, it is necessary to have an accuracy of 10 pM, that is, about 7 digits after the decimal point. Further, since the measurement time is expressed by (Δt · n) / K, the sampling time can be shortened by increasing the sampling interval adjustment coefficient K. However, in this case, since the sampling frequency f 2 is increased, the phase accuracy is deteriorated.
[0035]
As described above, in the detection device A of the first embodiment, the zero crosses of the input signal p and the reference signal q, which are sine wave signals, are detected by the zero
[0036]
As a result, when multiple printed coils are used as sensor coils for eddy current flaw detection, even when the characteristics of each coil vary greatly, it is possible to cope with less adjustment than the conventional analog method and to detect with high accuracy. Can do. For this reason, even when applied to a flaw detection apparatus that normally has a plurality of channels, it is not necessary to prepare an expensive analog multiplier for each channel, and the cost can be further reduced.
[0037]
Further, an exclusive OR of the zero cross signals t and u of the input signal p and the reference signal q is taken, and the phase difference φ between the signals p and q is detected from the width of each rectangular pulse obtained thereby. Therefore, it is possible to accurately detect the phase difference φ regardless of whether the duty ratio of the zero cross signals t and u is 50%.
[0038]
Furthermore, the amplitude of the input signal p is detected by the
[0039]
Furthermore, by sampling at a frequency f 2 slightly shifted from the signal frequency f 1 so that sufficient phase detection resolution can be obtained even when the frequency of the input signal p is high, for example, a high-speed A / D converter can be obtained. It is possible to sample with sufficient accuracy without using it. Further, the sampling rate can be increased by sampling at a frequency f 2 slightly shifted from a frequency N times the signal frequency f 1 .
[0040]
FIG. 4 shows a schematic configuration of a detection device according to the second embodiment of the present invention. This detection device A1 is a modification of the
[0041]
That is, the
[0042]
FIG. 5 shows a detailed configuration of the
[0043]
That is, the high-speed comparator generally tends to oscillate when the slew rate of the input signal is low. For this reason, the hysteresis voltage E H (see FIG. 6B) is set in the transition region to avoid oscillation. It is normal.
[0044]
However, as shown in FIG. 6, by providing this hysteresis voltage E H , an error e occurs in the zero-cross detection timing or the amplitude is small even though the two sine wave signals W1 and W2 have the same period and phase. There arises a problem that the zero cross of the signal W3 is not detected.
[0045]
FIG. 7 shows an example of the relationship between the error e and the input signal (reference signal) in the saturation circuit.
[0046]
In view of this, the amplitudes of the signals p and q input to the zero-
[0047]
Next, the
[0048]
For example, as shown in FIG. 8, consider a case where the input signal p has an offset of voltage ES (hereinafter referred to as an offset voltage) ES (the same applies to the case where the reference signal q has an offset). At this time, the width α of each square pulse t 1 , t 2 ... Constituting the zero-cross signal t of the input signal p is different from the original width β when there is no offset. It is included in the signal t. If the phase signal r is generated so as to implement an exclusive OR operation with respect to the zero-crossing signal u of the zero-crossing signal t and a reference signal q containing this error, each of the rectangular pulse r 1 constituting the phase signal r, r 2 ,... oscillates such that the width increases or decreases from the original width by time {(α−β) / 2} every half cycle of the input signal p. For this reason, when the measurement timing is not constant, the correction becomes difficult.
[0049]
That is, when the error is oscillating without frequency division, at least two pieces of continuous data are required to obtain the true value. That is, since it is necessary to compare which data is larger by (α−β) / 2, data that is continuous with the first time and the second time is required. When continuous data cannot be obtained, the error of the obtained value is ± (α−β) / 2 at the maximum. On the other hand, in the case of the frequency-divided signal, the error is constant (β−α) / 2 in the example shown in FIG. 8, and therefore the same value can be obtained at any timing. For example, as shown in FIG. 9, when the measurement values a and b are obtained by measurement continuously with
[0050]
Therefore, each of the zero cross signals t and u is frequency-divided by the
[0051]
As described above, in the detection device A1 according to the second embodiment, the input signal p and the reference signal q whose amplitudes are adjusted by the
[0052]
Further, since the phase signal r is generated using the zero-cross signals v and w divided by the
[0053]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the digital detection device of the present invention, high-frequency phase detection can be achieved and high accuracy can be realized without depending on the frequency characteristics and accuracy of the element as in the case of the analog detection device. Excellent effect is obtained.
[0054]
In addition, according to the digital detection device of the present invention, since the phase and amplitude are detected independently, the configuration of each detection unit can be optimized according to the detection target, and the detection accuracy can be improved. An effect is also obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a detector according to
FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams illustrating a basic principle of detection by the detection device according to the first embodiment, in which FIG. 2A illustrates a reference signal input to a phase detection unit, and FIG. 2B illustrates input to a phase detection unit; (C) shows the output signal of the phase detector.
FIG. 3 is an explanatory diagram relating to a sampling method in the detection device.
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a detector according to
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a saturation circuit of the detection device.
6A and 6B are explanatory diagrams for explaining the operation principle of the saturation circuit, in which FIG. 6A shows various signals input to the zero-cross detection unit, and FIG. 6B shows a partially enlarged view thereof.
FIG. 7 is an example of a graph showing a relationship between an error and an input signal in a saturation circuit.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining an operation principle of a frequency dividing circuit of the detector according to the second embodiment.
FIG. 9 is a graph schematically showing the relationship between measurement timing and measurement value.
FIG. 10 is a graph showing the principle of synchronous detection using a conventional switching circuit.
FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a phase detector using a conventional analog multiplier.
[Explanation of symbols]
A
13 Phase signal generator (exclusive OR operation circuit)
14, 15
Claims (1)
位相検出部が、所定間隔でサンプリングされた入力信号のゼロクロスを検出する入力信号側ゼロクロス検出部と、前記入力信号側ゼロクロス検出部の下流側に配設された入力側分周器と、前記所定間隔でサンプリングされた参照信号のゼロクロスを検出する参照信号側ゼロクロス検出部と、前記参照信号側ゼロクロス検出部の下流側に配設された参照側分周器と、位相信号生成部とを備え、
前記入力側分周器と前記参照側分周器との分周比は同一とされ、
入力信号側ゼロクロス信号は、前記入力側分周器により測定タイミングによらず誤差が一定となるように分周され、
参照信号側ゼロクロス信号は、前記参照側分周器により測定タイミングによらず誤差が一定となるように分周され、
前記位相信号生成部は、前記分周された入力信号側ゼロクロス信号と、前記分周された参照信号側ゼロクロス信号との排他的論理和を取ることにより位相信号を生成して前記位相演算部に出力し、
前記振幅検出部が、前記所定間隔でサンプリングされた入力信号の振幅を検出してその振幅信号を前記位相演算部に出力し、
前記位相演算部が、前記位相信号および振幅信号に対して所定の演算処理をして入力信号の位相および振幅をデジタル信号で出力する
ことを特徴とするデジタル検波装置。A digital detector comprising a phase detector, an amplitude detector, and a phase calculator,
An input signal-side zero-cross detector that detects a zero-cross of an input signal sampled at a predetermined interval; an input-side frequency divider disposed downstream of the input-signal-side zero-cross detector; and the predetermined detector A reference signal-side zero-cross detector that detects a zero-cross of a reference signal sampled at intervals, a reference-side frequency divider disposed downstream of the reference-signal-side zero-cross detector, and a phase signal generator ,
The division ratio of the input side divider and the reference side divider is the same,
The input signal side zero cross signal is divided by the input side divider so that the error is constant regardless of the measurement timing,
The reference signal side zero cross signal is frequency-divided by the reference side frequency divider so that the error is constant regardless of the measurement timing,
The phase signal generation unit generates a phase signal by taking an exclusive OR of the frequency-divided input signal side zero-cross signal and the frequency-divided reference signal side zero-cross signal to the phase calculation unit. Output,
The amplitude detector detects the amplitude of the input signal sampled at the predetermined interval and outputs the amplitude signal to the phase calculator;
The digital detection device, wherein the phase calculation unit performs predetermined calculation processing on the phase signal and the amplitude signal and outputs the phase and amplitude of the input signal as a digital signal.
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