JPH03263924A - 周期的信号のデジタル測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は周期的信号のデジタル測定方法及び装置に関し
、特に周期的信号に確実に同期し、かつ切り捨て誤差を
なくした周期的信号のデジタル測定方法および装置に関
する。

「従来の技術」 アナログ、デジタル（ＡＤ）変換装置は、アナログ信号
をデジタル化して以後のデジタル処理を可能にする装置
として知られている。

このＡＤ変換装置は、所定のサンプリング周波数でアナ
ログ信号をサンプリングし、そのサンプリングした値を
デジタル信号に変換している。

また、上記ＡＤ変換装置において、アナログ信号からデ
ジタル信号に変換するに際しては、サンプリング定理に
より、アナログ信号の周波数の二倍以上のサンプリング
周波数でアナログ信号をサンプリングする必要があるこ
とも周知の通りである。

逆に、上記ＡＤ変換装置において、そのサンプリング周
波数がアナログ信号の周波数に対して能力不足で、サン
プリング定理を満たさないときにはアナログ信号をデジ
タル信号に変換しても両信号の間に忠実性がないことに
なる。このようにサンプリング定理が成立しないような
場合であっても、アナログ信号が繰返信号のように周期
的信号であるときには、実時間サンプリングに代えて等
価時間サンプリングを使用することにより、ＡＤ変換す
ることができる。

これにより、デジタル信号とアナログ信号との間に忠実
性が保たれることになる。

このような等価時間サンプリング法としては、（ａ）ラ
ンダムサンプリング法、（ｂ）シーケンシャルサンプリ
ング法 の二つがよく知られている。

［発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上記（ａ）のランダムサンプリング法で
は、繰返してデータのサンプリングを行なう毎にその時
のトリガー点との時間差を測定して並べ直さなければな
らないという欠点があった。

また、上記（ｂ）のシーケンシャルサンプリング法では
、最初のトリガー点を基準にして周期的信号の一周期内
のサンプリング点を一定時間づつ遅延してゆくための推
移機能を必要とし、またサンプリングが信号の一サイク
ルに一回しか行なわれないので、効率的ではないという
欠点があった。

さらに、上記（ａ）、（ｂ）のサンプリング法ともアナ
ログ信号に同期をとってサンプリングしているのではな
いので信号の一周期を整数等分したデータが得られず、
かつ、特別に同期サンプリングを行なうとすればアナロ
グ信号の周波数が限定され、任意の周波数の広い帯域の
測定ができないという欠点があった。

本発明は、上記した欠点を解消するためになされたもの
で、その目的とするところは、周期的信号の各位相での
一連のデジタル信号を得ることができると共に、切り捨
て誤差が少なく広い帯域の測定を可能とした周期的信号
のデジタル測定方法およびその装置を提供することにあ
る。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本発明に係る周期的信号のデ
ジタル測定方法は、周期的信号の一周期をＮ　（Ｎ＝正
の整数）等分した位相におけるデータをｐ　（ｐ＝正の
整数）個毎にＮ個取り込み、周期的信号の一周期分のデ
ータを得る測定方法であって、周期的信号の周波数をＮ
倍周しかつＰ分周することによりほぼ一定のサンプリン
グ周期でデータを得ることを特徴とする。

また１本発明に係る周期的信号のデジタル測定方法は、
周期的信号の一周期をＮ　（Ｎ＝正の整数）等分した位
相におけるデータをｐ　（ｐ＝正の整数）個毎にＮ個取
り込み、周期的信号の一周期分のデータを得てメモリー
に記憶させる測定方法であって、データを時系列に並べ
換えるためにメモリーのアドレスとしてサンプリングし
たＮ個のデータの各位相位置に対応したアドレスを指定
することを特徴とする。

そして、メモリーの書込読出は、上記データをメモリー
に順次格納し、あらためてサンプリングしたＮ個のデー
タの各位相位置に対応したアドレス順にメモリーから読
み出すことにより時系列デ−タを得ることを特徴とする
。

また、メモリーの書込読出は、上記データをサンプリン
グしたＮ個のデータの各位相位置に対応したアドレス順
にメモリーに格納し、メモリーから順次読み出すことに
より時系列データを得ることを特徴とする。

さらに、上記周期的信号のデジタル測定装置は、周期的
信号をサンプリングするサンプリング回路と、周期的信
号を取り込み、周期的信号の周波数をＮ　（Ｎ＝正の整
数）倍周しかつｐ　（ｐ＝正の整数）分局する際に所定
のそれぞれの数値を選んでサンプリング周期を決定し、
当該サンプリング周期で前記サンプリング回路の動作を
制御する制御手段とを備え、周期的信号の一周期をＮ等
分した位相におけるデータをＰ個毎にＮ個取り込むこと
により周期的信号の一周期分のデータを得られる構成と
したことを特徴とする。

「作　　用」 上記した第一の周期的信号のデジタル測定方法によれば
、繰り返される周期的信号の一周期をＮ等分し、そのＮ
等分した各位相における振幅値をＰ個毎にサンプリング
するものとする。そのとき、ＮとＰとは、次の関係で表
される。

Ｎ＝ＡＰ＋Ｒ・・・・・・・・・・・・・・・（１）こ
こで、Ａは商で、０を含む正の整数であり、Ｒは余りで
Ｏにならない正の整数である。

この場合において、周期的信号をＰサイクルにわたって
等時間間隔でＮ個の振幅値をサンプリングすると、その
サンプリング値が一周期をＮ等分した位相における全て
の振幅値に対応するようにするためには、ＰとＲとが共
通の素因数を含まないことが必要である。（なお、この
点に関する発明は本出願人によって特願平１−１３７５
２８号として既に特許出願されている。）これは、要求
される一周期データ数Ｎと、ＡＤ変換装置の能力から決
まるＮに対するＰの両方の値の間に共通する素因数がな
ければ、原理的には全ての周波数の周期的信号の一周期
を時間的・位相的にＮ等分した全ての位相でのデータを
得ることができる。そして、このＮ個の連続するデータ
は、信号の基本周波数の一周期分に正確に対応しており
同期サンプリングであることを意味している。

したがって、上記サンプリング法でＮとＰとを決定すれ
ば、原理的にはサンプリング回路を構成できる。

しかしながら、実際には、サンプリングと次のサンプリ
ングとの間に演算処理等を行なう必要があるので、ＡＤ
変換装置の変換時間と演算時間等を勘案して次のように
サンプリング周期を決めている。

つまり、本発明の周期的信号のデジタル測定方法による
サンプリング周期ＴＰは、 ＴＰ＝ＰＸ　（ｘ／ｆＮ）　　　（秒）・・・・・・・
・・（２）とする、ここに、ｆは信号の周波数である。

上式によると、サンプリング周期Ｔｐは信号周波数ｆを
整数Ｎ倍周してから、整数Ｐ分周することによって得ら
れる。このようにサンプリング周期Ｔｐは、信号周波数
によって適当なＮとＰを選ぶことによって全測定範囲で
ほぼ一定の値にすることができ広い周波数範囲の測定が
可能になる。

また、第二の発明の周期的信号のデジタル測定方法は、
周期的信号の一周期分のデータを得てメモリーに記憶さ
せる測定方法であって、データを時系列に並べ換えるた
めにメモリーのアドレスをサンプリングしたＮ個のデー
タの各位相位置に対応したアドレスを指定する。

この際に、メモリーの書込読出は、上記データをメモリ
ーに順次格納し、あらためてサンプリングしたＮ個のデ
ータの各位相位置に対応したアドレス順にメモリーから
読み出すか、上記データをサンプリングしたＮ個のデー
タの各位相位置に対応したアドレス順にメモリーに格納
し、メモリーから順次読み出すか、することにより時系
列データを得ている。

また、第三の発明の周期的信号のデジタル測定装置は、
サンプリング回路の動作を制御する制御装置を次のよう
にしたものである。

第三の発明の周期的信号のデジタル測定装置によるサン
プリング周期ＴＰは、 Ｔｐ＝ＰＸ　（１／ｆＮ） とする。ここに、ｆは周期的信号の周波数である。

上式によると、サンプリング周期ＴＰは信号周波数ｆを
整数Ｎ倍周してから、整数Ｐ分周することによって得ら
れる。したがって、原理的には、ＴＰが最適範囲に入る
ようにＮとＰとをｆに対して決定することができるが、
積ｆＮが大きくなる場合には、倍周器の性能を越えるこ
とがある。

また、倍周や分局のための部品性能が市販品に適合し、
かつ、回路の簡単化が必要である。このため、同じＴＰ
を得るために、次のようにしている。

すなわち、まずｆを整数αだけ分周してから、整数Ｎ／
Ｑ倍周する。Ｎは、２”　（ｍは正の整数）にとるのが
便利であるから、αとβも２のべき乗にするのがよい、
こうした場合、Ｐは奇数である。

（なお、この点に関する発明は、本出願人によって特願
平１−１３７５２８号として既に特許出願されている。

）βも２のべき乗にとり、先の信号をβＰＰ分周たのち
、αβΩ倍周を行なう、αβΩは、２のべき乗数である
が、回路の簡略化のために全測定範囲で一定の値になる
ようにβを選ぶ。

このようにして制御回路を構成している。そして、周期
的信号を制御回路に取り込み、上記（３）式の処理を行
なわせて、サンプリング回路を動作させる。これにより
、広範囲の周波数帯域で周期的信号を測定できる。

「実施例」 以下、本発明の実施例を図面に沿って説明する。

第１図は本発明に係る周期的信号のデジタル測定装置の
実施例を示すブロック図である。

第１図に示す周期的信号のデジタル測定装Ｗ１は、サン
プリング回路２と、制御回路３と、メモリを含む処理回
路４とから構成されている。

ここで、サンプリング回路２は、入力端子１０に供給さ
れた周期的信号をサンプルホールド回路２１で所定のサ
ンプリング周期でサンプリングし、当該サンプルホール
ド回路２１でサンプリングした値をＡＤ変換器２２でデ
ジタル信号に変換できるような構成となっている。

制御回路３は、入力端子１０に供給された周期的信号の
周波数を測定して所定のデータを得ると共に、トリガー
を得る周波数測定回路３１と、この周波数測定回路３１
からデータ等を取り込み、上記（２）式及び（３）式の
ように周期的信号の周波数をＮ　（Ｎ＝正の整数）倍周
しかつｐ　（ｐ＝正の整数）分周する際に所定のそれぞ
れの数値を選んでサンプリング周期を決定して、当該サ
ンプリング周期で前記サンプリング回路２の動作を制御
するコントローラ３２とを備えている。

上記処理回路４は、サンプリング回路２のＡＤ変換器２
２からのデジタル信号を演算回路４１に取り込んで特定
の演算をし、また演算結果やデジタル信号をメモリ４２
に記憶するようになっている。

上述のように構成された実施例の動作を以下に説明する
。

入力端子１ｏに入力された周期的信号は、サンプリング
回路２と制御回路３とに供給される。制御回路３では、
周波数測定回路３１において周期的信号の周波数に関す
るデータと同期用のトリガー信号を得て、コントローラ
３２に与える。コントローラ３２は、次のようにしてサ
ンプリング周期’ｒｐを得る。

すなわち、サンプリング周期Ｔｐは、上記（２）式のよ
うに、信号周波数ｆを整数Ｎ倍周してから、整数Ｐ分周
することによって原理的には得られる。

しかし、原理的には、サンプリング周期Ｔｐが最適範囲
に入るようにＮとＰとを周期的信号の周波数ｆに対して
決定することができるものの、積ｆＮが大きくなる場合
には倍周器の性能を越える。

また、倍周や分局のための部品性能が市販品に適合し、
かつ、回路の簡単化が必要である。このため、実際には
、サンプリング周期Ｔｐは、上記（３）式から求めてい
る。

すなわち、コントローラ３２は、まず周期的信号の周波
数ｆを整数αだけ分周してから、整数Ｎ／Ｑ倍周する。

Ｎは、普通２ｍ（ｍは正の整数）にとるのが便利である
から、αとＱも２のべき乗にするのがよい、こうした場
合、Ｐは奇数にとる。

βも２のべき乗にとり、先の信号をβＰ分周したのち、
αβＱ倍周を行なう。このようにしており。

かつ周期的信号の周波数ｆを分局、倍周する値は、全て
確定した整数であるから、サンプリング周期Ｔｐの精度
はｆの精度と一致し、確度の高い値にすることができる
。

以上の係数に関し具体的な数値を設定してサンプリング
周期Ｔｐを求めてみた例を下記第１表に示す。

この表からも理解できるようにサンプリング周期ＴＰは
、２５μｓ以上となるように、αβ党＝１６として一定
として作ったものである。

このように本発明では、サンプリング周期ＴｐをＡＤ変
換器２２の能力や処理時間に対応して決定することによ
り、広範囲の周期的信号の周波数であってもＡＤ変換が
できるようにしたものである。

第１表 以上に説明したように本実施例が動作することにより、
時系列的には原信号と異なるが、サンプリング時間の確
度の高い、確実に周期的信号に同期したデータが得られ
る。したがって、サンプリング回路２から得たデジタル
データを処理回路４に取り込み、この処理回路４におい
て各々下記（４）、（５）式の演算処理を行なうことに
よって周期的信号の平均値と実効値とを極めて正確に求
めることができる。

すなわち、処理回路４の演算回路４１は、平均値をＶｍ
とし、実効値をＶｅとすると、下記（４）（５）式の計
算をして平均値Ｖｍ、実効値Ｖｅを求める。

ここで、Ｖｉは、ｉ番目のサンプリング値であり、１ｖ
ｉｌはその絶対値である。

したがって、上記（４）、（５）式の演算が処理回路４
において実行できるように、制御回路３においてサンプ
リング周期ＴＰを適切な値に選び。

定数α、β、Ωを決定する。これにより、デジタル測定
装置１は、制御回路３によりサンプリング回路２を介し
て処理回路４に連続したＮ個のデータを取り込むと、処
理回ｊ！４において上の計算量Ｖｍ、Ｖｅを決定するこ
とができる。

一方、データの平均化を行ないたい場合は、入力端子１
０に入力された周期的信号は、サンプリング回路２を介
して処理回路４に取り込まれる。

処理回路４において、サンプリング回路２から最初に供
給されたＮ個のデータをサンプリング順にメモリ４２に
格納し、次のＮ個のデータをやはりサンプリング順に最
初のデータに重ねてメモリ４２に格納する。処理回路４
では、これを繰り返してｎ回行ない、演算回路４１によ
り加え合わされた値を１　／　ｎとすると平均化は完了
する。

この平均化を行なったデータ値を用いて上記したＶｍや
Ｖｅを求めることができる。平均化したデータ値を用い
て、その最大値と最／ｈ値を求めると、雑音の影響もな
く信号の尖頭値を求めることができる。

第２図は、本発明の他の実施例を示すブロック図である
。

第２図で示すデジタル測定装置１００は、周期的信号が
二チャンネルで取り込まれる場合のものである。

このデジタル測定装置１００は、サンプリング回路２０
０と、制御回路３００と、処理回路４００とから構成さ
れている。

このデジタル測定装置１００によると、二チャンネルの
周期的信号は、入力端子１０．１１を介してサンプリン
グ回路２００および制御回路３００に供給される。制御
回路３００では、周波数測定回路３１、コントローラ３
２により、上記処理をしてサンプリング周期Ｔｐを決定
し、これをもってサンプリング回路２００に与え、入力
された両周期的信号を同じトリガーでサンプリングして
いる。

そして、デジタル測定装！１００は、処理回路４ｏｏに
おいて同時点のデータ間の掛は算を下記（６）式のよう
に行なうことにより、両信号間の相関値または電力に比
例した値を得ることができる。

ここで、電力に比例した値をＶｐとすると、ただし、ｖ
ｉｉは１チャンネルのｉ番目のデータであり、■２１は
２チャンネルのｉ番目のデータである。

なお、上述のようにデータの平均化を行なった後のＶｚ
　ｌ　、　Ｖｚ　ｉを用いて、上記（６）式の演算をし
て上記の両信号間の相関値または電力に比例した値を求
めることができる。

ところで、上記周期的信号のデジタル測定方法でサンプ
リングしたデータの配列順は、信号の時系列とは一致し
ない。このため、このままでは波形の観測、ゼロクロス
点の測定など時系列データとしての処理は不適当である
。

そこで、サンプリング回路２，２００から得たデータを
周期的信号と同じ時系列とすれば、上記不都合は解消す
る。

そこで、サンプリング回路２，２００から得たデジタル
データを処理回路４．４００のメモリ４２に一旦格納し
、このメモリ４２から再び読み出して周期的信号と同じ
時系列とすることが考えられる。

まず、第１の方法としては、処理回路４，４００におい
て、サンプリングデータを採取類にメモリ４２の若いア
ドレスから順次格納してゆき、ついでメモリ４２から読
み出すときに上記サンプリング方法の順位でアドレスを
指定してメモリ４２からデータを読み出す動作としてい
る。

また、第２の方法としては、処理回路４．４００におい
て、サンプリング回路２からのデータを格納する場合に
サンプリングの位相順位とメモリーアドレスとを一致さ
せ、読み出すときにアドレスの番号順にデータを読み出
す動作としている。

上記いずれの方法によっても、処理回路４から出力され
るデータは、信号と同じ時系列となっているから、この
出力により波形の表示をしたり、ゼロクロス時点の測定
をしたりすることができることになる。

このようにして得られたデータを例えば順次数値積分す
ることによって、積分波形を表示させることもできる。

もちろん、処理回路４から再出力されたデータを用いて
、先に述べた諸量を求めることもできる。

一方、上記のように二チャンネルの入力の場合には、処
理回路４００から上述したようなデータを得ることがで
きると、両信号間の相関曲線や位相差を得ることができ
、ヒステリヒス曲線も求めることができることになり、
測定の応用範囲が広がる。

「発明の効果」 以上述べたように本発明によれば、周期的信号に同期し
たある条件を満たす一定のサンプリング周期で一定の数
の信号周期にわたって周期的信号をサンプリングするの
で、−周期を整数等分した各々の位相でのすべてのデー
タを得ることができると共に、周期的信号に正確に同期
したデータが得られ、切り捨て誤差の含まれない高精度
測定が自動的に可能となる。しかも、本発明は、サンプ
リングが信号周波数に応じて予め計算された方法でなさ
れるから、サンプリングの時間間隔の精度を周波数の精
度と同じに維持することができる。

本発明は、データを一旦メモリに格納し、かつサンプリ
ング規制にしたがって出力し、或いはデータ格納をサン
プリング規則にしたがって行ない、かつメモリから順次
読み出すことにより、周期的信号と同じ時系列のデータ
が得られるので、このデータを用いて信号に関する測定
を行なったり、波形観測などの時系列としての計測を行
なうことができる。そして、本発明において、サンプリ
ング規則にしたがって読み出すときにはデータ書き込み
を早くできる。また、本発明によれば、サンプリング規
則にしたがって書き込む場合には読み出しが容易となる
。

また、本発明の装置によれば、サンプリングの条件を変
えることにより、同じ回路によって広周波数帯域での測
定が可能となる装置を提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は他
の実施例を示すブロック図である。 １・・・周期的信号のデジタル測定装置２．２００・・
・サンプリング回路 ３．３００・・・制御回路 ４．４００・・・処理回路 ２１・・・サンプルホールド回路 ２２・・・ＡＤ変換器 ３１・・・周波数測定回路 ３２・・・コントローラ ４１・・・演算回路 ４２・・・メモリ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）周期的信号の一周期をＮ（Ｎ＝正の整数）等分し
   た位相におけるデータをＰ（Ｐ＝正の整数）個毎にＮ個
   取り込み、周期的信号の一周期分のデータを得る測定方
   法であって、周期的信号の周波数をＮ倍周しかつＰ分周
   することによりほぼ一定のサンプリング周期でデータを
   得ることを特徴とする周期的信号のデジタル測定方法。
2. （２）周期的信号の一周期をＮ（Ｎ＝正の整数）等分し
   た位相におけるデータをＰ（Ｐ＝正の整数）個毎にＮ個
   取り込み、周期的信号の一周期分のデータを得てメモリ
   ーに記憶させる測定方法であって、データを時系列に並
   べ換えるためにメモリーのアドレスとしてサンプリング
   したＮ個のデータの各位相位置に対応したアドレスを指
   定することを特徴とする周期的信号のデジタル測定方法
   。
3. （３）上記データをメモリーに格納し、あらためてサン
   プリングしたＮ個のデータの各位相位置に対応したアド
   レス順にメモリーから読み出すことにより時系列データ
   を得ることを特徴とする請求項（２）記載の周期的信号
   のデジタル測定方法。
4. （４）上記データをサンプリングしたＮ個のデータの各
   位相位置に対応したアドレス順にメモリーに格納し、メ
   モリーから順次読み出すことにより時系列データを得る
   ことを特徴とする請求項（２）記載の周期的信号のデジ
   タル測定方法。
5. （５）周期的信号をサンプリングするサンプリング回路
   と、周期的信号を取り込み、周期的信号の周波数をＮ（
   Ｎ＝正の整数）倍周しかつＰ（Ｐ＝正の整数）分周する
   際に所定のそれぞれの数値を選んでサンプリング周期を
   決定し、当該サンプリング周期で前記サンプリング回路
   の動作を制御する制御手段とを備え、周期的信号の一周
   期をＮ等分した位相におけるデータをＰ個毎にＮ個取り
   込むことにより周期的信号の一周期分のデータが得られ
   る構成としたことを特徴とする周期的信号のデジタル測
   定装置。