JP5203440B2 - Harmonic component measuring device - Google Patents

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Description

本発明は高調波成分測定装置に関し、詳しくはデジタル演算により電圧実効値、電流実効値、有効電力などを測定すると共に、電圧、電流の高調波成分の測定も行う装置の改善に関する。   The present invention relates to a harmonic component measuring apparatus, and more particularly to improvement of an apparatus that measures a voltage effective value, a current effective value, an active power, and the like by digital calculation and also measures a harmonic component of a voltage and a current.

近年、動作制御をきめ細かく行うとともに電力の利用効率を改善するために、インバータに代表される電力変換器が、各種の家庭用電気機器や産業用電気機器に広く使用されている。これに伴って、これら電力変換器のスイッチング動作時に発生する高調波成分が他の機器に影響を与え、不要な動作を引き起こしたり、損傷させたりすることがある。   In recent years, power converters typified by inverters have been widely used in various household electric appliances and industrial electric appliances in order to perform detailed operation control and improve power utilization efficiency. Along with this, harmonic components generated during the switching operation of these power converters may affect other devices, causing unnecessary operation or damage.

そこで、これらの不具合発生を防止するために、交流電力測定にあたっては、電圧実効値、電流実効値、有効電力の他に、電圧高調波成分、電流高調波成分、有効電力高調波成分なども測定解析できることが求められている。   Therefore, in order to prevent these problems from occurring, when measuring AC power, voltage harmonic components, current harmonic components, active power harmonic components, etc. are measured in addition to the effective voltage value, effective current value, and active power. It is required to be able to analyze.

図10は特許文献1に開示された高調波成分測定装置の構成を説明するブロック図である。電圧入力回路1は、入力された電圧を後段回路の処理に適したレベルに正規化する。A/D変換器2は電圧入力回路1により入力された電圧をデジタル信号に変換する。ゼロクロス検出器3は電圧入力回路1から入力された電圧がゼロレベルを横切ることを検出するものであり、入力電圧がLOWからHIGHまたはHIGHからLOWへ変化することを検出することにより検出出力が反転する。このゼロクロス検出器3の検出出力周波数は入力電圧信号の基本周波数となる。   FIG. 10 is a block diagram illustrating the configuration of the harmonic component measuring apparatus disclosed in Patent Document 1. In FIG. The voltage input circuit 1 normalizes the input voltage to a level suitable for the processing of the subsequent circuit. The A / D converter 2 converts the voltage input by the voltage input circuit 1 into a digital signal. The zero cross detector 3 detects that the voltage input from the voltage input circuit 1 crosses the zero level, and the detection output is inverted by detecting that the input voltage changes from LOW to HIGH or HIGH to LOW. To do. The detection output frequency of the zero cross detector 3 is the fundamental frequency of the input voltage signal.

電流入力回路4は、入力された電流を後段回路の処理に適したレベルに正規化する。A/D変換器5は電流入力回路4から入力された電流をデジタル信号に変換する。ゼロクロス検出器6は電流入力回路4から入力された電流がゼロレベルを横切ることを検出するものであり、入力電流がLOWからHIGHまたはHIGHからLOWへ変化することを検出することにより検出出力が反転する。このゼロクロス検出器6の検出出力周波数は入力電流信号の基本周波数となる。   The current input circuit 4 normalizes the input current to a level suitable for the processing of the subsequent circuit. The A / D converter 5 converts the current input from the current input circuit 4 into a digital signal. The zero-cross detector 6 detects that the current input from the current input circuit 4 crosses the zero level, and the detection output is inverted by detecting that the input current changes from LOW to HIGH or HIGH to LOW. To do. The detection output frequency of the zero cross detector 6 becomes the fundamental frequency of the input current signal.

A/D変換器2から出力される電圧瞬時値の変換データおよびA/D変換器5から出力される電流瞬時値の変換データは、DSP7およびDSP17に入力される。ゼロクロス検出器3、6の出力信号は、切替器9に入力されている。   The conversion data of the instantaneous voltage value output from the A / D converter 2 and the conversion data of the instantaneous current value output from the A / D converter 5 are input to the DSP 7 and the DSP 17. The output signals of the zero cross detectors 3 and 6 are input to the switch 9.

切替器9は、ゼロクロス検出器3、6の出力のどちらか一方をCPU10の設定により選択してPLLサンプリングクロック発生器13に入力する。なお、ゼロクロス検出器3、6のいずれの出力を用いるかは、測定対象によって使い分ける。例えば電流波形に歪みが生じる機器の場合は電圧のゼロクロス検出器3の出力を使用し、インバータ制御された機器のように電圧波形に歪みが生じる場合は電流のゼロクロス検出器6の出力を使用する。   The switch 9 selects one of the outputs of the zero-cross detectors 3 and 6 according to the setting of the CPU 10 and inputs it to the PLL sampling clock generator 13. Note that which output of the zero-cross detectors 3 and 6 is used depends on the measurement object. For example, the output of the voltage zero-cross detector 3 is used in the case of a device in which the current waveform is distorted, and the output of the current zero-cross detector 6 is used in the case where the voltage waveform is distorted as in an inverter-controlled device. .

固定サンプリングクロック発生器12は、任意に設定された固定サンプリングクロックを発生する。固定サンプリングクロックはA/D変換器2、5に入力され、A/D変換器2、5はこれに基づいてA/D変換を行う。また固定サンプリングクロックは、フラグ回路23にも入力する。   The fixed sampling clock generator 12 generates an arbitrarily set fixed sampling clock. The fixed sampling clock is input to the A / D converters 2 and 5, and the A / D converters 2 and 5 perform A / D conversion based on this. The fixed sampling clock is also input to the flag circuit 23.

PLLサンプリングクロック発生器13は、切替器9を介して選択的に入力されるゼロクロス検出器3またはゼロクロス検出器6の出力信号の整数倍のPLLサンプリングクロックを発生し、フラグ回路23に出力する。   The PLL sampling clock generator 13 generates a PLL sampling clock that is an integral multiple of the output signal of the zero-cross detector 3 or the zero-cross detector 6 that is selectively input via the switch 9 and outputs the PLL sampling clock to the flag circuit 23.

カウンタ用クロック発生器22は、カウンタA19とカウンタB21のカウント値を1カウントずつアップするためのカウンタ用クロックを発生する。このカウンタ用クロックの周波数は、固定サンプリングクロックの周波数より十分高いものとする。   The counter clock generator 22 generates a counter clock for increasing the count values of the counter A19 and the counter B21 by one count. The frequency of the counter clock is assumed to be sufficiently higher than the frequency of the fixed sampling clock.

カウンタA19は、ある固定サンプリングクロックから次の固定サンプリングクロックまでの間だけ、カウンタ用クロックごとにカウントアップする。次の固定サンプリングクロックが来ると、カウンタA19のカウント値はラッチA18に読み込んで保持され、カウンタA19はカウント値を0に初期化する。   The counter A19 counts up for each counter clock only from one fixed sampling clock to the next fixed sampling clock. When the next fixed sampling clock comes, the count value of the counter A19 is read and held in the latch A18, and the counter A19 initializes the count value to zero.

カウンタB21は、ある固定サンプリングクロックから次に来るPLLサンプリングクロックまでの期間、カウンタ用クロックごとにカウントアップする。PLLサンプリングクロックが来ると、カウンタB21はカウント値を0に初期化する。ただし、ある固定サンプリングクロックから次の固定サンプリングクロックまでの間にPLLサンプリングクロックがなかった場合は、次の固定サンプリングクロックがあったタイミングでカウント値を0に初期化する。カウンタB21のカウント値は、固定サンプリングクロックが来たタイミングでラッチB20に読み込み保持される。   The counter B21 counts up for each counter clock during a period from a certain fixed sampling clock to the next PLL sampling clock. When the PLL sampling clock comes, the counter B21 initializes the count value to zero. However, if there is no PLL sampling clock between a certain fixed sampling clock and the next fixed sampling clock, the count value is initialized to 0 at the timing when the next fixed sampling clock is present. The count value of the counter B21 is read and held in the latch B20 at the timing when the fixed sampling clock arrives.

フラグ回路23は、固定サンプリングクロックと次の固定サンプリングクロックの間にPLLサンプリングクロックがあった場合、次の固定サンプリングクロックのタイミングで出力を1に保持する。また、その間にPLLサンプリングクロックがなかった場合は、出力を0に保持する。   When there is a PLL sampling clock between the fixed sampling clock and the next fixed sampling clock, the flag circuit 23 holds the output at 1 at the timing of the next fixed sampling clock. If there is no PLL sampling clock in the meantime, the output is held at 0.

DSP7(Digital Signal Processor)は、A/D変換器2によりデジタル値に変換された電圧瞬時値v(n)と、A/D変換器5によりデジタル値に変換された電流瞬時値a(n)に基づき、電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算する。   The DSP 7 (Digital Signal Processor) includes an instantaneous voltage value v (n) converted into a digital value by the A / D converter 2 and an instantaneous current value a (n) converted into a digital value by the A / D converter 5. Based on the above, the effective voltage value, effective current value, and active power are calculated.

DSP17は、固定サンプリングクロックのタイミングでA/D変換されたA/D変換器2およびA/D変換器5の出力値を読み込む。このとき、1回のA/D値を読み込むとともに、その1回前のA/D値もDSP17内部に保存しておく。また、固定サンプリングクロックのタイミングで、ラッチA18、ラッチB20およびフラグ回路23の出力を読み込む。   The DSP 17 reads the output values of the A / D converter 2 and the A / D converter 5 that have been A / D converted at the timing of the fixed sampling clock. At this time, one A / D value is read and the previous A / D value is also stored in the DSP 17. Further, the outputs of the latch A18, the latch B20 and the flag circuit 23 are read at the timing of the fixed sampling clock.

そしてDSP17は、フラグ回路23の出力が1の場合に次のような補間演算を行う。図11を用い、フラグが1になっているn番目の固定サンプリングクロックを例に説明する。図11は特許文献1に開示された直線補間を説明する図である。   The DSP 17 performs the following interpolation operation when the output of the flag circuit 23 is 1. An example of the nth fixed sampling clock whose flag is 1 will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram for explaining the linear interpolation disclosed in Patent Document 1. In FIG.

n番目の固定サンプリングクロックのタイミングで読み込んだA/D値をX(n)、ラッチA18の値をCfix(n)、ラッチB20の値をCpll(n)とする。また、固定サンプリングクロック発生器12の(n−1)番目のクロックパルスのタイミングで読み込んだA/D値をX(n−1)とする。そして次の演算を行い、直線補間されたA/D値X_HRM(m)を求める。X_HRM(m)の演算式は図11に示す。   It is assumed that the A / D value read at the timing of the nth fixed sampling clock is X (n), the value of the latch A18 is Cfix (n), and the value of the latch B20 is Cpll (n). The A / D value read at the timing of the (n−1) -th clock pulse of the fixed sampling clock generator 12 is assumed to be X (n−1). Then, the following calculation is performed to obtain the linearly interpolated A / D value X_HRM (m). An arithmetic expression of X_HRM (m) is shown in FIG.

このようにして直線補間により求めたA/D値X_HRM(m)を、DSP17で行うFFT演算の対象データとする。1024点のFFT演算を行う場合は、m=1〜1024間でのX_HRM(m)を求め、このX_HRM(m)に対してFFT演算を行う。   The A / D value X_HRM (m) obtained by the linear interpolation in this way is set as the target data for the FFT calculation performed by the DSP 17. When performing a 1024-point FFT operation, X_HRM (m) between m = 1 and 1024 is obtained, and the FFT operation is performed on this X_HRM (m).

DSP17は、このようなFFT演算を電圧瞬時値に対して行うことにより電圧の基本波成分と高調波成分を計算し、電流瞬時値に対して行うことにより電流の基本波成分と高調波成分を計算し、これら電圧のFFT結果と電流のFFT結果に基づき有効電力の基本波成分と高調波成分をそれぞれ計算する。   The DSP 17 calculates the fundamental wave component and the harmonic component of the voltage by performing such an FFT operation on the instantaneous voltage value, and calculates the fundamental wave component and the harmonic component of the current by performing the FFT operation on the instantaneous current value. The fundamental power component and the harmonic component of the active power are calculated based on the FFT result of the voltage and the FFT result of the current.

これらDSP7で計算された電圧実効値V、電流実効値A、有効電力Pと、DSP17で計算された電圧と電流と有効電力の基本波成分と高調波成分は、CPU10を介して表示器11に表示される。なお、CPU10は、DSP7、17で計算された各測定値を表示器11に表示するとともに、操作部14からの操作入力により切替器9を切替制御する。   The effective voltage value V, the effective current value A, the active power P calculated by the DSP 7, and the fundamental wave component and the harmonic component of the voltage, current, and active power calculated by the DSP 17 are sent to the display 11 via the CPU 10. Is displayed. The CPU 10 displays each measured value calculated by the DSPs 7 and 17 on the display 11 and controls the switch 9 by an operation input from the operation unit 14.

このようにゼロクロスの整数倍のポイント数のFFT演算を行うと、FFT演算結果の各周波数成分は電圧/電流の基本波成分および高調波成分の周波数と一致することになり、入力信号を取りこぼすことなくリアルタイムにFFT演算を行うことができ、基本波成分と高調波成分を高精度に演算できる。特に、直線補間することにより、FFT演算したとき入力波形に本来含まれない成分を低減でき、本来含まれる成分の振幅をより精度よく求めることできる。   When the FFT calculation is performed with the number of points that is an integral multiple of zero cross in this way, each frequency component of the FFT calculation result matches the frequency of the fundamental and harmonic components of the voltage / current, and the input signal is lost. The FFT calculation can be performed in real time, and the fundamental wave component and the harmonic component can be calculated with high accuracy. In particular, by performing linear interpolation, components that are not originally included in the input waveform when the FFT operation is performed can be reduced, and the amplitude of the components that are originally included can be obtained more accurately.

なお、上記のPLLサンプリングクロック発生器13の代わりに、特許文献2にて提案したサンプリングクロック発生器を用いることにより、精度よく基本周波数のN倍のサンプリングクロックを発生させることもできる。特許文献2では、ゼロクロスを基準とする基本周波数を高速な基準クロックでカウントし、これを定数Nで除算することによってFFT演算を行うクロックパルスの間隔(クロック数)を求めている。なお定数Nで除算したときの整数部でそのクロック数をダウンカウントし、補間タイミングを信号パルスとして出力している。   In place of the PLL sampling clock generator 13, the sampling clock generator proposed in Patent Document 2 can be used to generate a sampling clock N times the basic frequency with high accuracy. In Patent Document 2, the basic frequency based on zero crossing is counted by a high-speed reference clock, and this is divided by a constant N to obtain the clock pulse interval (number of clocks) for performing the FFT operation. The number of clocks is down-counted by the integer part when divided by the constant N, and the interpolation timing is output as a signal pulse.

特開2009−264753号公報JP 2009-264753 A 特開2007−198763号公報JP 2007-198763 A

図12は課題を説明する図である。図10で説明した装置において、例えば電圧入力=1kHz正弦波、電流入力=振幅10Aの1kHz正弦波と振幅1Aの200kHz正弦波の合成波とすると、電流入力波形は図12(a)に示すようになる。切替器9を電圧側のゼロクロス検出器3の出力とし(電流側は乱れているため)、PLLサンプリングクロック発生器13に入力する。このとき、固定サンプリングクロック=2MHz、PLLサンプリングクロックの入力に対する出力の倍率を512倍とすると、PLLサンプリングクロックは、1kHz×512=512kHzとなる。   FIG. 12 is a diagram for explaining the problem. In the apparatus described with reference to FIG. 10, assuming that voltage input = 1 kHz sine wave, current input = composite wave of 1 kHz sine wave with amplitude 10A and 200 kHz sine wave with amplitude 1A, the current input waveform is as shown in FIG. become. The switch 9 is set as the output of the zero cross detector 3 on the voltage side (because the current side is disturbed) and input to the PLL sampling clock generator 13. At this time, if the fixed sampling clock is 2 MHz and the output magnification with respect to the input of the PLL sampling clock is 512 times, the PLL sampling clock is 1 kHz × 512 = 512 kHz.

このときの電流入力のFFT結果(FFTポイント数は512とした)は、図12(b)のようになる。この図で横軸は高調波次数、縦軸は各次数成分の振幅を20log10(I)としてdB表示したものである。1A=0dBとなっている。電流波形は、1次の10A成分と、200次の1A成分のみの合成波形なので、理想的には図12(c)のようなFFT結果になるはずである。しかし図12(b)ではその他の次数にも成分が存在し、大きなものでは−40dBを超えている。 The FFT result of the current input at this time (the number of FFT points is 512) is as shown in FIG. In this figure, the horizontal axis is the harmonic order, and the vertical axis is the dB display with the amplitude of each order component being 20 log 10 (I). 1A = 0 dB. Since the current waveform is a combined waveform of only the first-order 10A component and the 200th-order 1A component, the FFT result should ideally be as shown in FIG. However, in FIG. 12B, components also exist in other orders, and the larger ones exceed −40 dB.

次に、このようになる原因について説明する。図13は課題の原因を説明する図であって、図13(a)は図12(a)の110μs〜120μsの入力波形と、これをAD変換したときのサンプリング点を示す。●は、固定サンプリングクロック(ここでは2MHz)のタイミングでAD変換したときのAD値である。△は、補間タイミング(ここでは512kHz)で、前後の2点のAD値から直線補間したAD値である。   Next, the cause of this will be described. FIG. 13 is a diagram for explaining the cause of the problem. FIG. 13A shows the input waveform of 110 μs to 120 μs in FIG. 12A and the sampling points when this is AD-converted. ● is an AD value when AD conversion is performed at a timing of a fixed sampling clock (here, 2 MHz). Δ is an AD value that is linearly interpolated from the AD values at the two points before and after at the interpolation timing (here, 512 kHz).

入力波形に含まれる周波数が、固定サンプリングクロックの周波数に近くなると(この例では、入力波形に含まれる最大周波数:固定サンプリング周波数=200kHz:2MHz=1:10)、直線補間では精度良く補間できず、入力波形からずれた位置に補間されてしまう。この入力波形からずれた補間データ、つまり、ひずんだ波形データに対してFFT演算を行うと、本来の入力波形には含まれない高調波成分が含まれるということになる。   When the frequency included in the input waveform is close to the frequency of the fixed sampling clock (in this example, the maximum frequency included in the input waveform: fixed sampling frequency = 200 kHz: 2 MHz = 1: 10), linear interpolation cannot be accurately performed. Interpolated at a position deviated from the input waveform. When the FFT calculation is performed on the interpolation data deviated from the input waveform, that is, the distorted waveform data, harmonic components that are not included in the original input waveform are included.

従来技術でFFTの結果を理想値に近づけるためには、固定サンプリングクロックを十分に高くすればよい。例えば固定サンプリングクロックを12MHzにすれば(入力波形に含まれる最大周波数:固定サンプリング周波数=200kHz:12MHz=1:60)、図13(b)のようになり、本来含まれない高調波成分は−70dB以下になる。ただし、このようにするには、図10のA/D変換器2、5に10MS/s(メガサンプル/秒)以上の高速のものを使用しなければならず、コストアップになってしまうという問題がある。直線補間でも本来の入力波形に含まれない高調波成分をある程度低減させることはできるが、さらに低減させることが望まれる。   In order for the conventional technique to bring the FFT result closer to the ideal value, the fixed sampling clock may be set sufficiently high. For example, if the fixed sampling clock is set to 12 MHz (maximum frequency included in the input waveform: fixed sampling frequency = 200 kHz: 12 MHz = 1: 60), the result is as shown in FIG. 70 dB or less. However, in order to do so, it is necessary to use a high-speed AMS / D converter 2 and 5 in FIG. 10 at a speed of 10 MS / s (megasample / second) or more, which increases costs. There's a problem. Even with linear interpolation, harmonic components not included in the original input waveform can be reduced to some extent, but further reduction is desired.

ところで、直線補間するときの時間軸の分解能については、図11に見るように、図10のカウンタ用クロック発生器22の周波数と、固定サンプリングクロックの周波数により決定される。例えば、カウンタ用クロックが132MHzで、固定サンプリングクロックが2MHzの場合、分解能はCfix(n)=132MHz/2MHz=66カウントになってしまい、分解能が十分であるとは言えず、補間精度を上げにくいという問題がある。   By the way, the resolution of the time axis when performing linear interpolation is determined by the frequency of the counter clock generator 22 in FIG. 10 and the frequency of the fixed sampling clock as shown in FIG. For example, when the counter clock is 132 MHz and the fixed sampling clock is 2 MHz, the resolution is Cfix (n) = 132 MHz / 2 MHz = 66 counts, and it cannot be said that the resolution is sufficient, and it is difficult to increase the interpolation accuracy. There is a problem.

さらに、固定サンプリングクロックを12MHzにした場合には、分解能はCfix(n)=132MHz/12MHz=11カウントになってしまう。すなわち、A/D変換器を高速のものを使用しても、補間精度が悪くなってしまうため、最終的な測定結果の精度が却って低下してしまうという問題がある。   Further, when the fixed sampling clock is set to 12 MHz, the resolution is Cfix (n) = 132 MHz / 12 MHz = 11 counts. In other words, even if a high-speed A / D converter is used, the interpolation accuracy is deteriorated, so that there is a problem that the accuracy of the final measurement result is lowered.

また、特許文献2のように基本周波数のN倍のサンプリングクロックを発生させる場合には、FFT演算を行うタイミングは基準クロックでカウントした信号パルスとして出力される。したがって、その出力クロックの時間分解能は、基準クロックの1クロック分しかない。例えば基準クロックが132MHzであるとすると、時間分解能は1/132MHz=7.576nsとなってしまい、この場合も補間の分解能が十分であるとはいいがたい。   Further, when generating a sampling clock N times the fundamental frequency as in Patent Document 2, the timing for performing the FFT operation is output as a signal pulse counted by the reference clock. Therefore, the time resolution of the output clock is only one clock of the reference clock. For example, if the reference clock is 132 MHz, the time resolution is 1/132 MHz = 7.576 ns. In this case, it is difficult to say that the interpolation resolution is sufficient.

そこで本発明は、FFT演算したときに入力波形に本来含まれない高調波成分を低減して測定結果を精度よく求めることを目的とし、特に入力波形に含まれる最大周波数がサンプリング周波数に近づいたときの精度を向上させることを目的としている。   Therefore, the present invention aims to reduce the harmonic components that are not originally included in the input waveform when the FFT operation is performed, and to obtain a measurement result with high accuracy, particularly when the maximum frequency included in the input waveform approaches the sampling frequency. It aims to improve the accuracy.

上記課題を解決するために、本発明にかかる高調波成分測定装置の代表的な構成は、サンプリングクロックに基づいてアナログ入力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、アナログ入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器と、ゼロクロス検出器の検出信号に基づきアナログ入力信号の基本周波数を求め、その整数倍の周波数の補間タイミングを発生する補間タイミング発生器と、デジタルデータの補間タイミングにおける値をスプライン補間によって求める補間演算器と、デジタルデータの補間された値をFFT演算してアナログ入力信号の基本波成分と高調波成分とを演算するFFT演算器とを備え、補間タイミング発生器は、ゼロクロス信号の間隔を基準クロックで計数するパルスカウンタと、基準クロックの周波数をサンプリングクロックの周波数で除した係数を導出する係数導出部と、パルスカウンタが計数したクロック数からサンプリングクロックのタイミングで係数を繰り返し減算する第1減算器と、第1減算器の出力が係数より小さくなったら補間タイミングフラグを出力する補間タイミング判定器と、補間タイミングフラグが出力されると係数から第1減算器の出力を引いて補間係数を出力する第2減算器とを有し、補間タイミングフラグと補間係数によって補間タイミングを構成し、補間演算器は、補間タイミングを中心とする4点以上8点以下のサンプリングクロックのデジタルデータを用いてスプライン補間をすることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a representative configuration of a harmonic component measuring apparatus according to the present invention includes an A / D converter that converts an analog input signal into digital data based on a sampling clock, and a zero cross of the analog input signal. A zero-cross detector that detects the basic frequency of the analog input signal based on the detection signal of the zero-cross detector, an interpolation timing generator that generates an interpolation timing of an integral multiple of the frequency, and a value at the interpolation timing of the digital data and interpolator determined by spline interpolation, and FFT computing the interpolated values of the digital data and an FFT processor for calculating a fundamental wave component and harmonic wave components of the analog input signal, interpolating the timing generator, the zero-crossing A pulse counter that counts the signal interval with the reference clock and the frequency of the reference clock A coefficient deriving unit for deriving a coefficient obtained by dividing the frequency by the sampling clock, a first subtractor that repeatedly subtracts the coefficient at the timing of the sampling clock from the number of clocks counted by the pulse counter, and the output of the first subtractor from the coefficient An interpolation timing determination unit that outputs an interpolation timing flag when the value is smaller, and a second subtracter that outputs an interpolation coefficient by subtracting the output of the first subtracter from the coefficient when the interpolation timing flag is output. An interpolation timing is configured by a flag and an interpolation coefficient, and the interpolation calculator performs spline interpolation using digital data of sampling clocks of 4 points or more and 8 points or less centering on the interpolation timing.

上記構成によれば、補間タイミング(FFT演算の入力データのタイミング)におけるデジタルデータの値をスプライン補間によって求めることにより、より高精度に補間することが可能となる。したがって、FFT演算したときに入力波形に本来含まれない高調波成分を低減して測定結果を精度よく求めることができ、特に入力波形に含まれる最大周波数がサンプリング周波数に近づいたときであっても精度を向上させることができる。
また上記構成によれば、補間タイミングは、サンプリングクロックからの差分として出力される。この差分は基準クロックに基づくクロック数として数値で表現され、小数まで含まれる。したがって従来のように補間タイミングを基準クロックと一致した信号パルスとして出力する場合と比べて、補間タイミングの分解能を飛躍的に高めることができ、補間精度の向上を図ることができる。
According to the above configuration, it is possible to perform interpolation with higher accuracy by obtaining the value of digital data at the interpolation timing (timing of input data of FFT operation) by spline interpolation. Accordingly, it is possible to reduce the harmonic components that are not originally included in the input waveform when the FFT operation is performed, and to obtain a measurement result with high accuracy, even when the maximum frequency included in the input waveform approaches the sampling frequency. Accuracy can be improved.
Further, according to the above configuration, the interpolation timing is output as a difference from the sampling clock. This difference is expressed numerically as the number of clocks based on the reference clock, and includes even decimal numbers. Therefore, the resolution of the interpolation timing can be remarkably increased and the interpolation accuracy can be improved as compared with the conventional case where the interpolation timing is output as a signal pulse that matches the reference clock.

また、補間演算器は、補間タイミングを中心とする4点以上8点以下のサンプリングクロックのデジタルデータを用いてスプライン補間をすることにより、FFT演算の入力データのタイミングごとに補間演算を行うことができるため、最後の点を補間したらすぐにFFT演算を開始することができる。 In addition, the interpolation calculator can perform interpolation calculation for each timing of input data of FFT calculation by performing spline interpolation using digital data of sampling clock of 4 points or more and 8 points or less centering on the interpolation timing. Therefore, the FFT operation can be started as soon as the last point is interpolated.

本発明によれば、FFT演算したときに入力波形に本来含まれない高調波成分を低減して測定結果を精度よく求めることができる。特に、入力波形に含まれる最大周波数がサンプリング周波数に近づいたときの精度を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to accurately obtain a measurement result by reducing harmonic components that are not originally included in the input waveform when FFT calculation is performed. In particular, the accuracy when the maximum frequency included in the input waveform approaches the sampling frequency can be improved.

本実施形態にかかる高調波成分測定装置の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the harmonic component measuring apparatus concerning this embodiment. 第2FPGAの内部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the internal structure of 2nd FPGA. 補間タイミング発生器の内部構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the internal structure of an interpolation timing generator. 補間処理器の内部構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the internal structure of an interpolation processor. 補間演算器の内部構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the internal structure of an interpolation calculator. 補間タイミング発生器の内部の各出力例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows each output example inside an interpolation timing generator. 補間方法を説明する図である。It is a figure explaining the interpolation method. 入力波形とサンプリング点、および補間データをプロットした図である。It is the figure which plotted the input waveform, the sampling point, and the interpolation data. 補間データを使ってFFT演算した結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the result of having carried out FFT calculation using interpolation data. 特許文献1に開示された高調波成分測定装置の構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the harmonic component measuring apparatus disclosed by patent document 1. FIG. 特許文献1に開示された直線補間を説明する図である。It is a figure explaining the linear interpolation disclosed by patent document 1. FIG. 課題を説明する図である。It is a figure explaining a subject. 課題の原因を説明する図である。It is a figure explaining the cause of a subject.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.

図1は本実施形態にかかる高調波成分測定装置の一例を示すブロック図であって、図10と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図1の電圧入力回路1、A/D変換器2、ゼロクロス検出器3、電流入力回路4、A/D変換器5、ゼロクロス検出器6、切替器9、CPU10、表示器11、固定サンプリングクロック発生器12、操作部14の機能および動作は図10に示したものと同じである。また第1FPGA8は、図10のDSP7と同様に瞬時値の総和平均から電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算する。   FIG. 1 is a block diagram showing an example of a harmonic component measuring apparatus according to the present embodiment, and the same reference numerals are given to portions common to FIG. 10 and description thereof is omitted. 1, the voltage input circuit 1, the A / D converter 2, the zero cross detector 3, the current input circuit 4, the A / D converter 5, the zero cross detector 6, the switch 9, the CPU 10, the display 11, and the fixed sampling clock. The functions and operations of the generator 12 and the operation unit 14 are the same as those shown in FIG. Further, the first FPGA 8 calculates the effective voltage value, the effective current value, and the active power from the total average of the instantaneous values in the same manner as the DSP 7 in FIG.

なお図1と図10の高調波成分測定装置を比較すると、第2FPGA15が追加されている。一方、DSP17、PLLサンプリングクロック発生器13、ラッチA18、カウンタA19、ラッチB20、カウンタB21、カウンタ用クロック発生器22、フラグ回路23がなくなっている。第2FPGA15はこれらの代わりとなる機能を提供する。   In addition, when the harmonic component measuring apparatus of FIG. 1 and FIG. 10 is compared, 2nd FPGA15 is added. On the other hand, the DSP 17, the PLL sampling clock generator 13, the latch A18, the counter A19, the latch B20, the counter B21, the counter clock generator 22, and the flag circuit 23 are eliminated. The second FPGA 15 provides an alternative function.

図2は第2FPGA15の内部構成を示すブロック図である。第2FPGA15は、補間タイミング発生器40と、補間処理器41、メモリ42、FFT演算器43を有している。   FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of the second FPGA 15. The second FPGA 15 includes an interpolation timing generator 40, an interpolation processor 41, a memory 42, and an FFT calculator 43.

補間タイミング発生器40は、切替器9からゼロクロス信号を入力され、固定サンプリングクロック発生器12から固定サンプリングクロックを入力される。そして補間タイミング発生器40は、ある固定サンプリングクロックと次の固定サンプリングクロックとの間に補間タイミングを含むか否かを示す補間タイミングフラグと、その固定サンプリングクロックから補間タイミングまでの差分であるα値(補間係数)を補間処理器41に出力する。   The interpolation timing generator 40 receives a zero cross signal from the switch 9 and a fixed sampling clock from the fixed sampling clock generator 12. The interpolation timing generator 40 includes an interpolation timing flag indicating whether or not an interpolation timing is included between a certain fixed sampling clock and the next fixed sampling clock, and an α value that is a difference from the fixed sampling clock to the interpolation timing. (Interpolation coefficient) is output to the interpolation processor 41.

図3は補間タイミング発生器40の内部構成を説明するブロック図である。図3において、立ち上がりエッジ検出器24は、入力されるゼロクロス信号の立ち上がりエッジを検出することによりパルスを1つ生成し、パルスカウンタ25に出力する。   FIG. 3 is a block diagram illustrating the internal configuration of the interpolation timing generator 40. In FIG. 3, the rising edge detector 24 generates one pulse by detecting the rising edge of the input zero-cross signal, and outputs the pulse to the pulse counter 25.

パルスカウンタ25には、切替器9から入力されるゼロクロス信号の他、図示しない基準クロック発生源から一定間隔のパルス列よりなる基準クロックも入力されている。基準クロックの周波数は固定サンプリングクロックの周波数より十分高いものとする。そしてパルスカウンタ25は、ゼロクロス信号パルスから次のゼロクロス信号パルスまでの時間、基準クロックのパルス数をカウントする。カウント終了後、そのカウント値をメモリ26に出力する。   In addition to the zero-cross signal input from the switch 9, the pulse counter 25 is also input with a reference clock composed of a pulse train at regular intervals from a reference clock generation source (not shown). The frequency of the reference clock is sufficiently higher than the frequency of the fixed sampling clock. The pulse counter 25 counts the time from the zero cross signal pulse to the next zero cross signal pulse and the number of pulses of the reference clock. After the count is completed, the count value is output to the memory 26.

メモリ26は、パルスカウンタ25の出力をM個保存できる領域を持っている。立ち上がりエッジ検出器24の出力パルスがあるごとに、パルスカウンタ25のカウント値出力はメモリ26に保存される。1回目の立ち上がりエッジ検出器24の出力パルスによりメモリ26のメモリ領域1にパルスカウンタ25のカウント値出力が保存され、2回目の立ち上がりエッジ検出器24の出力パルスによりメモリ26のメモリ領域2にパルスカウンタ25のカウント値出力が保存され、M回目の立ち上がりエッジ検出器24の出力パルスによりメモリ26のメモリ領域Mにパルスカウンタ25のカウント値出力が保存される。   The memory 26 has an area where M outputs of the pulse counter 25 can be stored. Every time there is an output pulse of the rising edge detector 24, the count value output of the pulse counter 25 is stored in the memory 26. The count value output of the pulse counter 25 is stored in the memory area 1 of the memory 26 by the output pulse of the first rising edge detector 24, and the pulse is output to the memory area 2 of the memory 26 by the output pulse of the second rising edge detector 24. The count value output of the counter 25 is stored, and the count value output of the pulse counter 25 is stored in the memory area M of the memory 26 by the output pulse of the Mth rising edge detector 24.

そして、(M+1)回目の立ち上がりエッジ検出器24の出力パルスではメモリ26の先頭に戻ってメモリ領域1にパルスカウンタ25のカウント値出力が保存され、(M+2)回目の立ち上がりエッジ検出器24の出力パルスではメモリ26のメモリ領域2にパルスカウンタ25のカウント値出力が保存される。   Then, the output pulse of the (M + 1) th rising edge detector 24 returns to the beginning of the memory 26 and the count value output of the pulse counter 25 is stored in the memory area 1, and the output of the (M + 2) th rising edge detector 24 is output. In the pulse, the count value output of the pulse counter 25 is stored in the memory area 2 of the memory 26.

第1加算器27は、メモリ26のメモリ領域1〜Mまでに保存されているパルスカウンタ25のカウント値をすべて加算し、加算結果を2進数で第1演算器28に出力する。   The first adder 27 adds all the count values of the pulse counter 25 stored in the memory areas 1 to M of the memory 26 and outputs the addition result to the first calculator 28 in binary.

第1演算器28は、除算器、乗算器、シフタなどで構成される。除算器の場合、定数1として数値Nが入力され、第1加算器27の加算出力をNで除算した数値が出力される。乗算器の場合、定数1として(1/N)を計算した数値が入力され、第1加算器27の加算出力に(1/N)を乗算した数値が出力される。Nが2のべき数の場合、シフタを用いることもできる。シフタの場合、定数1として(logN)を計算した数値が入力され、第1加算器27の加算出力を右へ(logN)ビット分シフトした数値が出力される。 The first computing unit 28 includes a divider, a multiplier, a shifter, and the like. In the case of a divider, a numerical value N is input as a constant 1, and a numerical value obtained by dividing the addition output of the first adder 27 by N is output. In the case of a multiplier, a numerical value obtained by calculating (1 / N) as a constant 1 is input, and a numerical value obtained by multiplying the addition output of the first adder 27 by (1 / N) is output. When N is a power of 2, a shifter can be used. In the case of a shifter, a numerical value obtained by calculating (log 2 N) as a constant 1 is input, and a numerical value obtained by shifting the addition output of the first adder 27 to the right by (log 2 N) bits is output.

第2演算器29も、除算器、乗算器、シフタなどで構成される。除算器の場合、定数2として数値Mが入力され、第1演算器28の出力をMで除算した数値が出力される。乗算器の場合は、定数2として(1/M)を計算した数値が入力され、第1演算器28の出力に(1/M)を乗算した数値が出力される。Mが2のべき数の場合、シフタを用いることもできる。シフタの場合、定数2として(logM)を計算した数値が入力され、第1演算器28の出力を右へ(logM)ビット分シフトした数値が出力される。 The second computing unit 29 is also composed of a divider, a multiplier, a shifter, and the like. In the case of a divider, a numerical value M is input as the constant 2, and a numerical value obtained by dividing the output of the first arithmetic unit 28 by M is output. In the case of a multiplier, a numerical value obtained by calculating (1 / M) as a constant 2 is input, and a numerical value obtained by multiplying the output of the first arithmetic unit 28 by (1 / M) is output. When M is a power of 2, a shifter can be used. In the case of a shifter, a numerical value obtained by calculating (log 2 M) as a constant 2 is input, and a numerical value obtained by shifting the output of the first computing unit 28 to the right by (log 2 M) bits is output.

第2加算器34には、第2演算器29の出力値と、第1減算器36の出力値が入力される。第2加算器34はこれらを加算して出力する。   The output value of the second calculator 29 and the output value of the first subtracter 36 are input to the second adder 34. The second adder 34 adds these and outputs them.

セレクタ35は、第2加算器34の出力と第1減算器36の出力が入力されており、補間タイミング判定器37の出力が0か1かによっていずれか一方を出力する。補間タイミング判定器37の出力が0のときは第1減算器36の出力を出力し、1のときは第2加算器34の出力を出力する。   The selector 35 receives the output of the second adder 34 and the output of the first subtractor 36, and outputs one of them depending on whether the output of the interpolation timing determiner 37 is 0 or 1. When the output of the interpolation timing determination unit 37 is 0, the output of the first subtractor 36 is output, and when the output is 1, the output of the second adder 34 is output.

第1減算器36は、セレクタ35の出力と、固定サンプリングクロック、および係数導出部38が出力する係数hが入力されている。第1減算器36は、固定サンプリングのタイミングで、セレクタ35の出力から係数hを引いた出力値βを出力する。出力値βは小数を含む数値である。   The first subtracter 36 receives the output of the selector 35, the fixed sampling clock, and the coefficient h output from the coefficient derivation unit 38. The first subtracter 36 outputs an output value β obtained by subtracting the coefficient h from the output of the selector 35 at a fixed sampling timing. The output value β is a numerical value including a decimal number.

補間タイミング判定器37は、第1減算器36の出力値βが係数h以下のとき(β≦h)は1(補間タイミングフラグ)を出力し、出力値βがhより大きいとき(β>h)は0を出力する。   The interpolation timing determination unit 37 outputs 1 (interpolation timing flag) when the output value β of the first subtracter 36 is equal to or smaller than the coefficient h (β ≦ h), and when the output value β is larger than h (β> h). ) Outputs 0.

係数導出部38は、基準クロックの周波数を固定サンプリングクロックの周波数で除した係数hを出力する。係数hは、固定サンプリングクロックの間隔が基準クロックの何クロック分であるかを意味しており、小数を含む数値である。   The coefficient deriving unit 38 outputs a coefficient h obtained by dividing the frequency of the reference clock by the frequency of the fixed sampling clock. The coefficient h means how many clocks of the reference clock the fixed sampling clock interval is, and is a numerical value including a decimal.

第2減算器39は、補間タイミング判定器37から補間タイミングフラグ(すなわち1)が出力されたタイミングで、係数hから第1減算器36の出力値βを引いた値をα値として出力する。出力値βが小数を含む数値であるから、α値も同様である。   The second subtractor 39 outputs a value obtained by subtracting the output value β of the first subtractor 36 from the coefficient h at the timing when the interpolation timing flag (ie, 1) is output from the interpolation timing determination unit 37. Since the output value β is a numerical value including a decimal, the α value is the same.

上記構成によれば、パルスカウンタ25はゼロクロス信号の間隔が基準クロックの何クロック分であるかを数え、メモリ26にM個分のゼロクロス信号のクロック数を記憶させる。これを第1加算器27で加算して第2演算器29においてMで割ることにより、クロック数の平均を取ることができる。また第1演算器28でNで割っていることにより、第2演算器29からはゼロクロス信号のカウント数の1/Nの数値が出力される。   According to the above configuration, the pulse counter 25 counts how many reference clocks the zero-cross signal interval is, and causes the memory 26 to store the number of M zero-cross signal clocks. This is added by the first adder 27 and divided by M in the second calculator 29, whereby the average number of clocks can be taken. Further, by dividing by N in the first calculator 28, the second calculator 29 outputs a numerical value 1 / N of the count number of the zero cross signal.

そして第1減算器36においてゼロクロス信号のクロック数から係数h(固定サンプリングクロックのクロック数)を引くのであるが、その出力値βが係数hより大きい限り(補間タイミング判定器37においてβ>h)、セレクタ35では出力値βが選択されるため、繰り返し減算が行われる。固定サンプリングクロックのタイミングで出力値βが係数hずつ減り、ついにβ≦hとなると、第2減算器39から係数h−出力値β=α値が出力されることになる。したがってα値は係数h以下の数値であって、直近の固定サンプリングクロックから補間タイミングまでの差分を意味する。残ったβは第2加算器34において第2演算器29の出力値と加算され、ふたたび繰り返し減算が行われる。   The first subtracter 36 subtracts the coefficient h (the number of clocks of the fixed sampling clock) from the clock number of the zero-cross signal. As long as the output value β is larger than the coefficient h (β> h in the interpolation timing determination unit 37). Since the output value β is selected in the selector 35, subtraction is repeatedly performed. When the output value β decreases by a factor h at the timing of the fixed sampling clock, and finally β ≦ h, the coefficient h−output value β = α value is output from the second subtractor 39. Therefore, the α value is a numerical value equal to or less than the coefficient h, and means a difference from the latest fixed sampling clock to the interpolation timing. The remaining β is added to the output value of the second computing unit 29 in the second adder 34, and the subtraction is repeated again.

図6は補間タイミング発生器40の内部の各出力例を示すタイミングチャートである。例として、基準クロック周波数=132MHz、固定サンプリングクロック周波数=2MHz、ゼロクロス信号の周波数=1.02kHz、M=2、N=512としている。   FIG. 6 is a timing chart showing an example of each output in the interpolation timing generator 40. As an example, reference clock frequency = 132 MHz, fixed sampling clock frequency = 2 MHz, zero cross signal frequency = 1.02 kHz, M = 2, and N = 512.

図4は補間処理器41の内部構成を説明するブロック図である。本実施形態では、補間タイミングを中心とする6点(前3点、後3点)のサンプリングクロックのデジタルデータを用いてスプライン補間を行う。   FIG. 4 is a block diagram illustrating the internal configuration of the interpolation processor 41. In this embodiment, spline interpolation is performed using digital data of sampling clocks of 6 points (front 3 points and rear 3 points) centering on the interpolation timing.

図4においてメモリ44は、固定サンプリングクロックごとのADUデータ(電圧のAD値)を最新のものから過去6回分保持し、古い時刻のADUデータから順番に、y0u、y1u、y2u、y3u、y4u、y5uとして出力する。メモリ45は、固定サンプリングクロックごとのADIデータ(電流のAD値)を最新のものから過去6回分保持し、古い時刻のADIデータから順番に、y0i、y1i、y2i、y3i、y4i、y5iとして出力する。   In FIG. 4, the memory 44 holds the ADU data (voltage AD value) for each fixed sampling clock for the past six times from the latest one, and y0u, y1u, y2u, y3u, y4u, Output as y5u. The memory 45 holds the ADI data (AD value of current) for each fixed sampling clock for the past six times from the latest one, and outputs them as y0i, y1i, y2i, y3i, y4i, y5i in order from the oldest ADI data. To do.

シフタ46は、3段のシフタで構成され、固定サンプリングクロックごとに補間タイミングフラグを1段目にラッチし、それを固定サンプリングクロックごとに、2段目、3段目にシフトし、3段目のデータを出力する。これにより補間タイミング発生器40から補間タイミングフラグが出力された後に3回目の固定サンプリングクロックが到達したときに補間タイミングフラグが出力される。   The shifter 46 is composed of a three-stage shifter, latches the interpolation timing flag in the first stage for each fixed sampling clock, and shifts it to the second and third stages for each fixed sampling clock. Output the data. Thus, after the interpolation timing flag is output from the interpolation timing generator 40, the interpolation timing flag is output when the third fixed sampling clock arrives.

シフタ47も3段のシフタで構成され、固定サンフリングクロックごとに補間タイミング発生器40からのα値を1段目にラッチし、それを固定サンプリングクロックごとに、2段目、3段目にシフトし、3段目のデータをα値として出力する。   The shifter 47 is also composed of a three-stage shifter, and the α value from the interpolation timing generator 40 is latched in the first stage for each fixed sampling clock, and this is latched in the second and third stages for each fixed sampling clock. Shift and output the third-stage data as an α value.

切替器48は、補間演算器49に電圧側のデータを入力するとき、y0=y0u、y1=y1u、…、y5=y5uとして出力する。補間演算器49に電流側のデータを入力するとき、y0=y0i、y1=y1i、…、y5=y5iとして出力する。   When the voltage data is input to the interpolation calculator 49, the switch 48 outputs y0 = y0u, y1 = y1u,..., Y5 = y5u. When data on the current side is input to the interpolation calculator 49, y0 = y0i, y1 = y1i,..., Y5 = y5i are output.

シフタ46の出力が1のとき、補間演算器49の演算が実行される。内部の演算式については後述する。切替器48の出力が電圧側のデータのとき、補間演算器49で補間されたAD値がyuとして出力される。切替器48の出力が電流側のデータのとき、補間演算器49で補間されたAD値がyiとして出力される。切替器48の切替は、2つの連続する固定サンプリングクロックの間の時間で、時分割で行われる。   When the output of the shifter 46 is 1, the calculation of the interpolation calculator 49 is executed. The internal arithmetic expression will be described later. When the output of the switch 48 is voltage-side data, the AD value interpolated by the interpolation calculator 49 is output as yu. When the output of the switch 48 is current-side data, the AD value interpolated by the interpolation calculator 49 is output as yi. Switching of the switch 48 is performed in a time-sharing manner in the time between two consecutive fixed sampling clocks.

図2に示したメモリ42は、補間処理器41の出力yu、yiをそれぞれFFTポイント数分保存する。FFT演算器43は、メモリ42にyuまたはyiがFFTポイント数分が貯まったら、FFT演算を行う。そして電圧のAD値を補間したデータから電圧の基本波成分と高調波成分を、電流のAD値を補間したデータから電流の基本波成分と高調波成分を、電圧のFFT結果と電流のFFT結果から有効電力の基本波成分と高調波成分を計算し、CPU10へ転送する。   The memory 42 shown in FIG. 2 stores the outputs yu and ii of the interpolation processor 41 by the number of FFT points. The FFT computing unit 43 performs an FFT computation when yu or ii is stored in the memory 42 for the number of FFT points. Then, the fundamental wave component and harmonic component of the voltage are obtained from the data obtained by interpolating the AD value of the voltage, the fundamental wave component and harmonic component of the current are obtained from the data obtained by interpolating the AD value of the current, the FFT result of the voltage and the FFT result of the current. The fundamental component and the harmonic component of the active power are calculated from the above and transferred to the CPU 10.

次に、補間方法について説明する。
固定サンプリングクロックのタイミングでのAD値から、補間タイミングでのAD値を補間する。一般的な3次スプライン補間で2次微係数で計算を行う場合、次の式(1)のようになる(参考文献:『シリーズ新しい応用の数学「20 スプライン関数とその応用」教育出版』のp.43〜51。なお、文献のp.44の式(3)のS(x)は、ここではy(x)に置き換えている。)。
Next, an interpolation method will be described.
The AD value at the interpolation timing is interpolated from the AD value at the timing of the fixed sampling clock. When calculating with a quadratic derivative in general cubic spline interpolation, the following formula (1) is obtained (Reference: Mathematics of New Series “20 Spline Functions and Their Applications” Education Publishing) p.43 to 51. Note that S (x) in equation (3) on page 44 of the literature is replaced with y (x) here.

Figure 0005203440
上記の変数は今回の提案では、次に該当する。
y(x):補間後のAD値
x:補間タイミングの時刻
xj:補間タイミングの後の一番近い固定サンプリングクロックのタイミングの時刻
xj-1:補間タイミングの前の一番近い固定サンプリングクロックのタイミングの時刻
yj:時刻xjでのAD値
yj-1:時刻xj-1でのAD値
hj:xj-xj-1
非周期スプラインなので、行列M、Mj−1は、次の式(2)のようになる。
Figure 0005203440
Figure 0005203440
Figure 0005203440
The above variables correspond to the following in this proposal.
y (x): AD value after interpolation
x: Time of interpolation timing
xj: Time of the nearest fixed sampling clock timing after the interpolation timing
xj-1: Time of closest fixed sampling clock timing before interpolation timing
yj: AD value at time xj
yj-1: AD value at time xj-1
hj: xj-xj-1
Since it is an aperiodic spline, the matrices M j and M j−1 are as shown in the following equation (2).
Figure 0005203440
Figure 0005203440

上記の式を用いて演算すれば補間データを求めることができるが、演算量が膨大となってしまう。例えばゼロクロスの周波数=1kHz、FFTウインドウ幅を1kHzの1波分の1/1kHz=1msとし、固定サンプリングクロック=2MHzとすると、式(2)のNは、1ms/(1/2MHz)=2000になる。2000点のAD値を一旦すべてメモリ42に保存し、すべて貯まってから、式(2)の2000元1次連立方程式を解いて、行列M(j=1、2、…、N−1)を求めた後に、式(1)に代入してy(x)を求めることになる。さらに、FFTポイント数が512であれば、512個のy(x)を求めなければならない。 Interpolation data can be obtained by calculating using the above equation, but the calculation amount becomes enormous. For example, if the frequency of the zero cross is 1 kHz, the FFT window width is 1/1 kHz for 1 wave of 1 kHz = 1 ms, and the fixed sampling clock is 2 MHz, N in Expression (2) is 1 ms / (1/2 MHz) = 2000. Become. All the 2000 AD values are temporarily stored in the memory 42, and all the AD values are stored. Then, the 2000-ary linear simultaneous equations of Equation (2) are solved, and the matrix M j (j = 1, 2,..., N−1). Then, y (x) is obtained by substituting it into the equation (1). Furthermore, if the number of FFT points is 512, 512 y (x) must be obtained.

また別の例で、ゼロクロスの周波数=1Hz、FFTウインドウ幅を1Hzの1波分の1/1Hz=1sとし、固定サンプリングクロック=2MHzとすると、N=1s/(1/2MHz)=2,000,000になり、AD値を溜めておくメモリも2,000,000データ分必要で、2,000,000元1次連立方程式を解かなければならない。   In another example, assuming that the frequency of zero crossing = 1 Hz, the FFT window width is 1/1 Hz = 1 s for one wave of 1 Hz, and the fixed sampling clock = 2 MHz, N = 1 s / (1/2 MHz) = 2,000. Therefore, a memory for storing AD values is also required for 2,000,000 data, and a 2,000,000 yuan linear simultaneous equation must be solved.

そこで本実施形態では、上記したように、補間タイミングを中心とする6点(前3点、後3点)のサンプリングクロックのデジタルデータを用いてスプライン補間を行う。図7は補間方法を説明する図である。図7に示すように、1つの補間データを求めるのに、それより前の固定サンプリングのAD値で近い時刻から3点、それより後の固定サンプリングのAD値で近い時刻から3点の計6点のみを使用して行列M、Mj−1を求め、その行列M、Mj−1を使ってy(x)を計算する。そして、別の補間データを求めるときは、その時刻の前後の6点の固定サンプリングのAD値を使用して別の行列M、Mj−1を求め、その行列M、Mj−1を使ってy(x)を計算する。 Therefore, in this embodiment, as described above, spline interpolation is performed using digital data of sampling clocks of 6 points (front 3 points and rear 3 points) centering on the interpolation timing. FIG. 7 is a diagram for explaining an interpolation method. As shown in FIG. 7, in order to obtain one interpolation data, a total of 6 points from a time close to the AD value of the fixed sampling before that, and 3 points from a time close to the AD value of the fixed sampling after that are obtained. Matrix Mj , Mj-1 is calculated | required using only a point, and y (x) is calculated using the matrix Mj , Mj-1 . Then, when determining the different interpolation data, another matrix M j, the M j-1 determined using the AD value of the fixed sampling six points before and after the time, the matrix M j, M j-1 To calculate y (x).

具体的な演算方法は次のようになる。まず、文献のスプライン補間の標本点の時間間隔は一定ではなくても成り立つが、ここでは固定サンプリングクロックで標本しているため、標本点の時間間隔は一定である。そのため、固定サンプリング間の時刻差h=hj+1が成り立ちこれを係数h(係数導出部38が算出する係数hと同じものになる)とすると、上記式(3)は次式(4)のようになる。 A specific calculation method is as follows. First, although the time interval between sample points in the spline interpolation in the literature is not constant, the time interval between sample points is constant because sampling is performed with a fixed sampling clock here. Therefore, when time difference h j = h j + 1 between fixed samplings is established and this is a coefficient h (the same as the coefficient h calculated by the coefficient deriving unit 38), the above expression (3) is expressed by the following expression (4). It becomes like this.

Figure 0005203440
Figure 0005203440

さらに、式(2)で標本点を6点とすると、次式(5)のようになる。

Figure 0005203440
Furthermore, when the number of sample points is 6 in equation (2), the following equation (5) is obtained.
Figure 0005203440

端条件は、次のように設定することができる。

Figure 0005203440
The end condition can be set as follows.
Figure 0005203440

式(6)が式(5)で成り立つためには、次のようになる。

Figure 0005203440
これらを式(5)に代入すると、次式のようになる。
Figure 0005203440
In order for Expression (6) to be satisfied by Expression (5), it is as follows.
Figure 0005203440
Substituting these into equation (5) yields:
Figure 0005203440

両辺に逆行列をかけて演算すると次のようになる。

Figure 0005203440
When the calculation is performed by applying an inverse matrix to both sides, it is as follows.
Figure 0005203440

補間点はj=2とj=3の間にあるので、MとMが求まればよい。

Figure 0005203440
Since the interpolation point is between j = 2 and j = 3, it is only necessary to obtain M 2 and M 3 .
Figure 0005203440

式(7)の数値を記号で表し、M2、M3をy0〜y5で表すと次式(8)を得る。

Figure 0005203440
式(1)にj=3を代入すると、次のようになる。
Figure 0005203440
When the numerical value of Formula (7) is represented by a symbol and M2 and M3 are represented by y0 to y5, the following Formula (8) is obtained.
Figure 0005203440
Substituting j = 3 into equation (1) yields:
Figure 0005203440

ここで、x−x=αとおくと、x−x=h−αとなり、代入すると次式(9)のようになる。

Figure 0005203440
Here, if x 3 −x = α, then xx 2 = h−α, and if substituted, the following equation (9) is obtained.
Figure 0005203440

図5は補間演算器49の内部構成を説明するブロック図である。図5に示すように、補間演算器49は、上記の式(9)を実施するための乗算器、加算器、減算器が設けられている。なお、hとαの単位は時間であるが、式(9)を計算する上で、比率さえ同じであれば、単位は時間でなくても問題ない。ここでは同じ周波数のクロック(基準クロック)でカウントしたカウント値(小数点以下も含まれる)に置き換えて計算する。   FIG. 5 is a block diagram illustrating the internal configuration of the interpolation calculator 49. As shown in FIG. 5, the interpolation calculator 49 is provided with a multiplier, an adder, and a subtracter for implementing the above equation (9). Although the unit of h and α is time, there is no problem even if the unit is not time as long as the ratio is the same in calculating equation (9). Here, the calculation is performed by replacing it with a count value (including the fractional part) counted with a clock having the same frequency (reference clock).

なお、上記の式(8)において、A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、P、Q、R、S、Tは定数であり、事前に計算しておける。したがって、1つの補間タイミング毎に、固定サンプリングクロックのAD値y0、y1、y2、y3、y4、y5とαが確定した時点で、式(9)を補間演算器49で計算することができ、ほぼリアルタイムで補間データyu、yiを求めることができる。   In the above formula (8), A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, P, Q, R, S, and T are constants, I can calculate it. Therefore, when the AD values y0, y1, y2, y3, y4, y5 and α of the fixed sampling clock are determined for each interpolation timing, the equation (9) can be calculated by the interpolation calculator 49. Interpolated data yu and ii can be obtained in substantially real time.

図8は入力波形とサンプリング点、および補間データをプロットした図である。補間データを口で示してある。図8に示すように、補間データは入力波形に高い精度で倣っている。したがって、入力波形に含まれる最大周波数と固定サンプリング周波数の比が、例えば200kHz:2MHz=1:10のように近い場合でも、元の波形とよく一致していることが分かる。   FIG. 8 is a diagram in which an input waveform, sampling points, and interpolation data are plotted. Interpolated data is shown in the mouth. As shown in FIG. 8, the interpolation data follows the input waveform with high accuracy. Therefore, it can be seen that even when the ratio between the maximum frequency and the fixed sampling frequency included in the input waveform is close to, for example, 200 kHz: 2 MHz = 1: 10, it is in good agreement with the original waveform.

図9は補間データを使ってFFT演算した結果の例を示す図である。入力波形に含まれない高調波成分が、従来技術(図12(b)参照)に比べて小さくなっていることが分かる。従来技術では−40dB以上あった成分が−70dB以下となり(例えば250次近傍)、30dB以上改善していることがわかる。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a result of FFT calculation using interpolation data. It can be seen that the harmonic component not included in the input waveform is smaller than that of the conventional technique (see FIG. 12B). It can be seen that the component that was -40 dB or more in the prior art becomes -70 dB or less (for example, around 250th order), which is improved by 30 dB or more.

また前述の通り、一般的な3次スプライン補間をそのまま使用するとAD値をためておくメモリが大量に必要だが、本実施形態の構成によれば、補間点の前後合わせて6個のみ(1chあたり)で足りる。また、FFTウインドウ幅を変更しても使用するメモリの個数は変わらず、常に6個のみ(1chあたり)である。また、多元1次連立方程式を解く必要がなく、加算器、減算器、乗算器のみで補間演算が行える。また、6点のみを用いることにより演算の回数を減らすように補間式を変形したので、演算器の数が少なくて済むという利点も有している。   Further, as described above, if general cubic spline interpolation is used as it is, a large amount of memory for storing AD values is required. However, according to the configuration of this embodiment, only six in total before and after the interpolation point (per channel) ) Is enough. Further, even if the FFT window width is changed, the number of memories to be used does not change and is always only 6 (per channel). Further, it is not necessary to solve a multi-dimensional linear simultaneous equation, and interpolation calculation can be performed only with an adder, a subtracter, and a multiplier. Further, since the interpolation formula is modified so as to reduce the number of calculations by using only six points, there is an advantage that the number of calculators can be reduced.

また、一般的な3次スプライン補間ではすべての標本点が揃ってから補間演算をするので、FFT演算を開始するまでに時間がかかるが、本実施形態の構成によれば、補間タイミング毎に補間演算ができるので、最後の点を補間したらすぐにFFT演算を開始することができる。   Further, in general cubic spline interpolation, since interpolation calculation is performed after all the sample points are aligned, it takes time to start the FFT calculation. However, according to the configuration of this embodiment, interpolation is performed at each interpolation timing. Since the calculation can be performed, the FFT calculation can be started as soon as the last point is interpolated.

なお、補間の演算精度を決めるものとしては、定数A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、P、Q、R、S、Tと、補間演算の演算器の精度がある。したがって、定数や演算器を浮動小数点フォーマットとし、仮数部の桁数を多くすれば簡単に精度を上げることができる。   The interpolation calculation accuracy is determined by constants A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, P, Q, R, S, T, and interpolation calculation. The accuracy of the calculator. Therefore, the accuracy can be easily improved by using a floating point format for constants and arithmetic units and increasing the number of mantissa digits.

特に、補間の際にはα値の分解能も重要であるが、従来技術のように補間タイミングを基準クロックと一致した信号パルスとするのではなく、小数を含む数値で表現したα値を用いている。したがって、図3の補間タイミング発生器40では、基準クロックの(N×M)倍の分解能でα値を数値として求められるので、補間タイミングの分解能を飛躍的に高めることができ、補間精度の向上を図ることができる。なお、従来技術の直線補間で、本発明と同等の精度を達成するには5倍以上高速で高価なAD変換器が必要であるが、本発明によればそのようなコストアップを回避することができる。   In particular, the resolution of the α value is important for interpolation, but instead of using a signal pulse that matches the interpolation timing with the reference clock as in the prior art, an α value expressed by a numerical value including decimals is used. Yes. Therefore, in the interpolation timing generator 40 of FIG. 3, the α value can be obtained as a numerical value with a resolution (N × M) times the reference clock, so that the resolution of the interpolation timing can be remarkably increased, and the interpolation accuracy is improved. Can be achieved. In order to achieve the same accuracy as that of the present invention with the linear interpolation of the prior art, an AD converter that is five times faster and more expensive is necessary. According to the present invention, such an increase in cost is avoided. Can do.

なお、提案した6点での補間方法は、本実施形態に説明したような電圧波形/電流波形の補間のみならず、音声波形のサンプリング周波数変換や、静止画、動画の拡大・縮小時のデータのリサンプル時の補間にも適用できる。   Note that the proposed 6-point interpolation method is not only the voltage / current waveform interpolation as described in the present embodiment, but also the data at the time of sampling frequency conversion of the audio waveform and the enlargement / reduction of still images and moving images. It can also be applied to interpolation during re-sampling.

また、提案した補間タイミング発生器40だけに注目すれば、上記説明した補間方法のみならず、従来の直線補間での時間軸方向の分解能を上げて、補間精度を向上させることも可能である。   If attention is paid only to the proposed interpolation timing generator 40, not only the above-described interpolation method but also the resolution in the time axis direction in the conventional linear interpolation can be increased to improve the interpolation accuracy.

また本実施形態においては補間点の前後6点を使用したが、前後8点にして補間精度をさらに上げてもよい。また逆に前後4点にして、演算器の個数を減らしたり、演算時間を短くしたりすることも可能である。なお前後4点にすると補間精度は下がるが、直線補間する場合よりは精度を高めることができる。また、8点より多くしてもそれ以上の精度の向上はほとんど見られず、演算負荷が急激に増大するため、利益が少ない。そのため、補間点は4点以上8点以下とすることが好ましい。   In this embodiment, six points before and after the interpolation point are used. However, the interpolation accuracy may be further increased by using eight points before and after the interpolation point. Conversely, it is possible to reduce the number of arithmetic units or shorten the arithmetic time by using four points in the front and rear. Note that the interpolation accuracy decreases when the number of points is four before and after, but the accuracy can be improved as compared with the case of linear interpolation. Further, even if the number of points is more than 8, no further improvement in accuracy is observed, and the calculation load increases rapidly, so that there is little profit. Therefore, the number of interpolation points is preferably 4 points or more and 8 points or less.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the example which concerns. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明は高調波成分測定装置として、詳しくはデジタル演算により電圧実効値、電流実効値、有効電力などを測定すると共に、電圧、電流の高調波成分の測定も行う装置として利用することができる。   The present invention can be used as a harmonic component measuring apparatus, specifically, an apparatus that measures a voltage effective value, a current effective value, an active power, and the like by digital calculation and also measures a harmonic component of a voltage and a current.

1…電圧入力回路、2…A/D変換器、3…ゼロクロス検出器、4…電流入力回路、5…A/D変換器、6…ゼロクロス検出器、7…DSP、8…第1FPGA、9…切替器、10…CPU、11…表示器、12…固定サンプリングクロック発生器、13…PLLサンプリングクロック発生器、14…操作部、15…第2FPGA、17…DSP、18…ラッチA、19…カウンタA、20…ラッチB、21…カウンタB、22…カウンタ用クロック発生器、23…フラグ回路、24…立ち上がりエッジ検出器、25…パルスカウンタ、26…メモリ、27…第1加算器、28…第1演算器、29…第2演算器、34…第2加算器、35…セレクタ、36…第1減算器、37…補間タイミング判定器、38…係数導出部、39…第2減算器、40…補間タイミング発生器、41…補間処理器、42…メモリ、43…FFT演算器、44、45…メモリ、46、47…シフタ、48…切替器、49…補間演算器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Voltage input circuit, 2 ... A / D converter, 3 ... Zero cross detector, 4 ... Current input circuit, 5 ... A / D converter, 6 ... Zero cross detector, 7 ... DSP, 8 ... 1st FPGA, 9 ... Switcher, 10 ... CPU, 11 ... Display, 12 ... Fixed sampling clock generator, 13 ... PLL sampling clock generator, 14 ... Operating section, 15 ... Second FPGA, 17 ... DSP, 18 ... Latch A, 19 ... Counter A, 20 ... Latch B, 21 ... Counter B, 22 ... Counter clock generator, 23 ... Flag circuit, 24 ... Rising edge detector, 25 ... Pulse counter, 26 ... Memory, 27 ... First adder, 28 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1st calculator, 29 ... 2nd calculator, 34 ... 2nd adder, 35 ... Selector, 36 ... 1st subtractor, 37 ... Interpolation timing determination device, 38 ... Coefficient derivation | leading-out part, 39 ... 2nd subtractor , 0 ... interpolator timing generator, 41 ... interpolation processor, 42 ... memory, 43 ... FFT computing unit, 44 and 45 ... memory, 46 and 47 ... Shifter, 48 ... switch, 49 ... interpolation calculator

Claims (1)

サンプリングクロックに基づいてアナログ入力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、
前記アナログ入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器と、
前記ゼロクロス検出器の検出信号に基づき前記アナログ入力信号の基本周波数を求め、その整数倍の周波数の補間タイミングを発生する補間タイミング発生器と、
前記デジタルデータの補間タイミングにおける値をスプライン補間によって求める補間演算器と、
デジタルデータの補間された値をFFT演算して前記アナログ入力信号の基本波成分と高調波成分とを演算するFFT演算器とを備え
前記補間タイミング発生器は、
ゼロクロス信号の間隔を基準クロックで計数するパルスカウンタと、
基準クロックの周波数をサンプリングクロックの周波数で除した係数を導出する係数導出部と、
前記パルスカウンタが計数したクロック数からサンプリングクロックのタイミングで前記係数を繰り返し減算する第1減算器と、
前記第1減算器の出力が前記係数より小さくなったら補間タイミングフラグを出力する補間タイミング判定器と、
前記補間タイミングフラグが出力されると前記係数から前記第1減算器の出力を引いて補間係数を出力する第2減算器とを有し、
前記補間タイミングフラグと補間係数によって前記補間タイミングを構成し、
前記補間演算器は、補間タイミングを中心とする4点以上8点以下のサンプリングクロックのデジタルデータを用いてスプライン補間をすることを特徴とする高調波成分測定装置。
An A / D converter that converts an analog input signal into digital data based on a sampling clock;
A zero cross detector for detecting a zero cross of the analog input signal;
An interpolation timing generator for obtaining a basic frequency of the analog input signal based on a detection signal of the zero cross detector and generating an interpolation timing of an integer multiple of the fundamental frequency;
An interpolation calculator for obtaining a value at the interpolation timing of the digital data by spline interpolation;
An FFT calculator for calculating a fundamental wave component and a harmonic component of the analog input signal by performing an FFT operation on the interpolated value of the digital data ,
The interpolation timing generator is
A pulse counter that counts zero-cross signal intervals with a reference clock;
A coefficient derivation unit for deriving a coefficient obtained by dividing the frequency of the reference clock by the frequency of the sampling clock;
A first subtractor that repeatedly subtracts the coefficient from the number of clocks counted by the pulse counter at the timing of a sampling clock;
An interpolation timing determiner that outputs an interpolation timing flag when the output of the first subtracter becomes smaller than the coefficient;
A second subtractor that outputs an interpolation coefficient by subtracting the output of the first subtracter from the coefficient when the interpolation timing flag is output;
The interpolation timing is configured by the interpolation timing flag and the interpolation coefficient,
The harmonic component measuring apparatus, wherein the interpolation calculator performs spline interpolation using digital data of sampling clocks of 4 points or more and 8 points or less centering on interpolation timing.
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