JPH04242172A - 周波数分析機 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定信号をディジタ
ル化して、数値計算すなわちＦＦＴ（高速フーリエ変換
）により周波数分析を行う周波数分析機に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種の周波数分析機の従来例を図６の
ブロック図に示す。図中、１は被測定信号、２は増幅器
、３はＡＤ変換器、４はディジタルメモリＡ、５はＦＦ
Ｔ演算部、６はディジタルメモリＢ、７はＤＡ変換器、
８はディスプレイ、９は信号制御部（ＣＰＵ）を示して
いる。

【０００３】この従来例において、増幅器２は被測定信
号１の直流オフセットを除去するとともに、ＡＤ変換器
３の入力レベルに適合するように増幅し、あるいは減衰
させる。このように処理された信号は、ＡＤ変換器３で
ディジタル信号に変換されて、ディジタルメモリＡ４に
記憶される。ディジタルメモリＡ４の内容はＦＦＴ演算
部５で高速にフーリエ変換され、その結果がディジタル
メモリＢ６に蓄積される。この蓄積された結果をＤＡ変
換器７に入力してアナログ信号に変換する。アナログ信
号は各周波数成分のレベルを示しているため、これをデ
ィスプレイ８に表示する。これらの信号の入出力は信号
制御部（ＣＰＵ）９が制御している。

【０００４】図７はフレキシブルディスクの一回転させ
たときの面振れ信号の一例を示しており、図８は上記に
述べた従来例の周波数分析機で図７の信号例を周波数分
析した結果を示している。図８の横軸は周波数を表し、
縦軸はレベルを表し、破線のレベルはノイズレベルを示
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による周波数分析機では、入力信号のダイナミ
ックレンジがＡＤ変換器３のビット数で制限されるため
、被測定信号１に、例えば図８のように基本波付近の成
分が多く含まれている場合で、基本波付近の成分のレベ
ルが大きい場合には、その成分によってダイナミックレ
ンジが決まってしまう。すなわち、基本波成分以外の信
号は分解能が制限されてしまう。したがって、このよう
な被測定信号１に対し、従来例では高周波成分の分解能
が劣化し、十分に周波数分析できないという問題を生ず
る。例えば、図７のような被測定信号では、低周波数成
分のレベルが大きいため、周波数分析した結果、図８に
示すようにこの成分は分解能良く分析されているが、高
周波数成分はレベルが小さいため、周波数分析機のビッ
ト分解能によるノイズレベルに隠されている。すなわち
、この領域の成分は周波数分析できないことになる。

【０００６】このような被測定信号には、回転体から発
生する信号、たとえば磁気ディスク，光ディスク，フロ
ッピーディスクのトラック誤差信号，光ディスクの焦点
誤差信号，各種ディスクの面振れ信号など多くの信号が
ある。いずれも回転体の基本周波数成分あるいはその数
倍の成分が最も支配的である。

【０００７】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、振幅の大きい周波数成
分を有する被測定信号に含まれる振幅の小さい周波数成
分も分解能良く周波数分析することのできる周波数分析
機を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の周波数分析機においては、被測定信号をデ
ィジタル化して数値計算により周波数成分を分析する周
波数分析機において、ディジタル化の前の信号入力段に
一部の周波数範囲の振幅の大きい信号成分を除去する手
段と、その除去後の信号成分の増幅手段とを備えること
を特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明の周波数分析機では、周波数分析の数値
演算をするために被測定信号をディジタル化する前の信
号入力段において、分解能を制限している被測定信号中
の振幅の大きな周波数成分を除去し、その除去後の被測
定信号を増幅してディジタル化することにより、ディジ
タル化する手段のビット数増加と等価にし、振幅の小さ
な周波数成分を分解能良く周波数分析できるようにする
。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施例の構成を示す
ブロック図である。本実施例を構成する要素，部材とし
て、１は被測定信号、２は増幅器、３はＡＤ変換器、４
はディジタルメモリＡ、５はＦＦＴ演算部、６はディジ
タルメモリＢ、７はＤＡ変換器、８はディスプレイであ
り、図６に示したものと同様のものである。また、これ
らに加えるものとして、１１はＡＤ変換器、１２はディ
ジタルメモリＣ、１３はＤＡ変換器、１４は減算器、１
５は増幅器である。本実施例は、この他に従来の信号制
御部９に相当し、以上の各部の動作およびその間の入出
力を統括的に制御，処理する信号処理部（ＣＰＵ）を具
備するが、簡単のために図からは省略してある。

【００１２】本実施例は、図６の従来例における増幅器
２とＡＤ変換器３の間に被測定信号１の基本波付近の信
号成分を除去する回路を挿入したものである。すなわち
被測定信号１の増幅器２とＦＦＴ演算のために入力をデ
ィジタル化するＡＤ変換器３との間に、減算器１４とそ
の出力を増幅する増幅器１５を挿入する。一方、増幅器
２の出力をＡＤ変換器１１にも分配し、そのディジタル
信号出力を図示しない信号処理部（ＣＰＵ）で局所的平
均化またはスムージング操作してディジタルメモリＣ１
２に格納し、そのディジタルメモリＣ１２に格納したデ
ィジタル信号の出力をＤＡ変換器１４を通して減算器１
４の減算入力に接続する。減算器１４のもう一方の入力
には増幅器２の出力を接続して、増幅器２の出力からＤ
Ａ変換器の信号を減算できるようにし、その減算出力を
増幅器１５を通してＡＤ変換器３に入力する。ＡＤ変換
器３のディジタル信号出力はディジタルメモリＡ４に格
納され、そのディジタルメモリＡ４に格納されたディジ
タル信号の出力はＦＦＴ演算部５に接続され、その演算
結果はディジタルメモリＢ６に格納され、そのディジタ
ルメモリＢ６に格納されたディジタル信号の出力はＤＡ
変換器７に接続され、そのアナログ変換出力はディスプ
レイ８に接続される。

【００１３】以上のように構成した第１の実施例の動作
および作用を述べる。まず、本実施例を動作させるため
に、被測定信号１のレベルをＡＤ変換器１１の入力レベ
ルに適合するように増幅器２のゲインおよび直流オフセ
ット調整する。次にＡＤ変換器１１でディジタル信号に
変換された信号から局所的平均化あるいはスムージング
操作により、大きなレベルを持つ基本波付近の成分を求
め、これをディジタルメモリＣ１２に格納する。この信
号をＤＡ変換器１３によりアナログ信号に変換する。同
期すなわち位相と振幅を合わせて、次回の被測定信号か
ら減算器１４によりこのアナログ信号を減じる。この減
算結果は、ＡＤ変換器３のダイナミックレンジを制限し
ている大きな基本波付近の信号成分が除去されて微小レ
ベルの信号だけになる。この信号を増幅器１５でＡＤ変
換器３のダイナミックレンジいっぱいにまで増幅させて
ＡＤ変換器３以降に入力すると、ＡＤ変換器３のビット
数が増えたことと等価になり、レベルが小さいにもかか
わらず分解能良くＡＤ変換することができる。すなわち
、ＦＦＴ演算の精度が向上し、高周波数成分まで分析す
ることが可能となる。なお、ここでは信号の転送処理，
演算，ＡＤ／ＤＡの制御などは信号処理部（ＣＰＵ）で
行われている。本実施例において、ディジタル処理の機
能は周波数分析のために信号処理部に内蔵されており、
それを基本波付近の信号成分を除去する機能でのディジ
タル処理に使用できるため、本実施例は素子の付加だけ
で容易に構成できる利点がある。

【００１４】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００１５】図２は、その構成を示すブロック図である
。第１の実施例では、ＡＤ変換器を２個使用したが、こ
の第２の実施例では１個のＡＤ変換器３を共用するよう
に構成したものである。このため本実施例では、第１の
実施例に比べ、ＡＤ変換器３の入力側に切替スイッチ１
６を設け、その一方の入力１６１には増幅器１５の出力
を接続し、その他方の入力１６２には増幅器２の出力を
分配し接続する。また、ディジタルメモリＣ１２に格納
するディジタル信号は、ＡＤ変換器３のディジタル信号
出力を図示省略の信号処理部（ＣＰＵ）で局所的平均化
あるいはスムージング操作したものとする。減算器１４
の一方の入力には被測定信号１に対する増幅器２の出力
を接続し、その他方の入力にはディジタルメモリＣ１２
の信号をＤＡ変換したＤＡ変換器１３の出力を接続し、
減算器１４の出力を増幅器１５に接続した構成、および
ＡＤ変換器３の変換出力をディジタルメモリＡ４に格納
した後のディジタルメモリＡ４からディスプレイ８に至
る構成は、第１の実施例と同様である。

【００１６】このように構成した第２の実施例の動作お
よび作用を述べる。本実施例は、図示省略の信号処理部
（ＣＰＵ）による切替スイッチ１６の切り替え操作によ
って、被測定信号１から基本波成分を減ずるために用い
るＡＤ変換器とＦＦＴ演算のために用いるＡＤ変換器と
を１個のＡＤ変換器３を共用できるようにし、素子数の
低減を図っている。すなわち、始めに切替スイッチ１６
の入力１６２側にＡＤ変換器３を接続し、被測定信号１
全体をＡＤ変換する。この結果を基に、前述した方法で
局所的な平均値あるいはスムージングの操作により基本
波の成分を求め、ディジタルメモリＣ１２に格納する。 これをＤＡ変換器１３によりＤＡ変換し、減算器１４に
より被測定信号１から減じる。次に増幅器１５でＡＤ変
換器３のダイナミックレンジ一杯までゲインを増加させ
、切替スイッチ１６を入力１６２から入力１６１に切り
替え、ＡＤ変換する。以降の動作および作用は第１の実
施例の場合と同様である。

【００１７】次に、本発明の第３の実施例を説明する。

【００１８】図３は、その構成を示すブロック図である
。本実施例は、アナログ信号処理のみで被測定信号中の
レベルの大きな成分を除去し、レベルの小さな成分を分
解能良く分析できるようにするものである。このため、
この第３の実施例では、第１の実施例に比べ、被測定信
号１に対する増幅器２とＡＤ変換器３の間に切替スイッ
チ１６とフィルタ１７を挿入し、増幅器２の出力を切替
スイッチ１６の一方の入力１６１へ接続するとともにフ
ィルタ１７の入力に接続し、フィルタ１７の出力を切替
スイッチ１６の他方の入力１６２へ接続して、切替スイ
ッチ１６の出力をＡＤ変換器３の入力に接続する。 フィルタ１７としては、レベルの小さい成分の周波数域
に応じて低域通過フィルタ，高域通過フィルタ，あるい
はバンドパスフィルタを使用する。その他の構成は第１
の実施例と同様である。

【００１９】このように構成した第３の実施例において
、レベルの小さな成分の測定時には切替スイッチ１６を
入力１６２側に切り替える。ここで、フィルタ１７は被
測定信号１中のレベルの大きな成分を除去する役目をす
る。これにより第１の実施例と同様にレベルの小さな成
分も分解能良く分析可能となる。また、大きなレベル成
分を測定するときは、切替スイッチ１６を入力１６１側
にすれば良い。本実施例では、アナログ信号処理のみで
基本波成分を除去する構成としているので、第１の実施
例のようなディジタル処理後のアナログ変換に伴う誤差
を防止することができる。

【００２０】次に、本発明の第４の実施例を説明する。

【００２１】図４は、その構成を示すブロック図である
。本実施例は、被測定信号１中のレベルの大きい成分を
除去する手段として、正弦波発生器１８と減算器１４を
使用する。すなわち、第１の実施例に比べ、第４の実施
例では、被測定信号１に対する増幅器２とＡＤ変換器３
の前段の増幅器１５との間に挿入した減算器１４の一方
の入力に、第１の実施例中のＡＤ変換器１１，ディジタ
ルメモリＣ１２，ＤＡ変換器１３に代えて、正弦波発生
器１８の出力を接続する。この正弦波発生器１８は、任
意の周波数の信号を発生でき、その位相および振幅が変
化できるものとする。また、外部トリガ信号（回転体の
インデックス信号など）により発振位相を調節できるも
のとする。

【００２２】このように構成した第４の実施例において
、被測定信号１中のレベルの小さい信号成分を周波数分
析する場合には、その被測定信号１中で最も振幅成分が
大きい信号成分に対して、それと同じ周波数でかつ同じ
位相，振幅になるように正弦波の位相およびゲインを調
節する。これを減算器１４によって被測定信号１から減
算すると、振幅の大きい成分が被測定信号１から除去で
きる。したがって、第１の実施例と同様に、レベルの小
さい高周波成分等を分解能良く分析することが可能にな
る。本実施例では、被測定信号１から減じる信号成分を
被測定信号１の信号成分に容易に同期させることができ
るので、信号成分にうねり等があっても有効に除去でき
る。

【００２３】なお、以上の各実施例で示したように、基
本波付近の大きなレベルを除去して、ＦＦＴ分析すると
高周波数領域では分解能が高く分析できるが、低周波数
領域では分析できない。そこで、基本波付近の大きなレ
ベルを持つ信号もＦＦＴ分析し、両者の和を使用すると
、低周波数から高周波数まで分解能が高く分析できる。 この模様を図５に示す。ここでノイズレベルとはビット
分解能で規定される分析機の限界であり、信号のノイズ
レベルではない。（ａ）は基本波付近の大きなレベルを
持つ信号のＦＦＴ分析結果、（ｂ）は基本波付近の大き
なレベルを除去した信号に対してＦＦＴ分析した結果、
（ｃ）は両分析結果の和である。

【００２４】原信号から信号レベルが大きな信号成分を
除去するには、その除去すべき成分の位相、振幅が原信
号のそれと正確に一致した信号を生成することが重要で
ある。このためには、除去した信号を自分自身のＦＦＴ
で周波数分析し、その対象とする成分が十分に除去され
ていることを確かめればよい。もっと厳密に行うにはＩ
ＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）により除去したい成分だ
けを生成すればよい。

【００２５】また、位相を一致させてある成分だけを除
去するために、回転体などではスピンドルモータのイン
デックス（原点信号）が利用できる。すなわち、インデ
ックスを外部トリガとしてメモリに取り込めば、容易に
位相を合わせることができる。

【００２６】以上の説明では大きなレベルが基本波付近
に存在するとして記述したが、本発明は、これに限らな
い。すなわち、高い周波数領域に大きなレベルが存在す
るような信号の場合では、今までとは逆のレベルの大き
な高周波数領域を除去すれば、低周波数領域が分解能良
く分析できることは、同業者であれば容易に類推できる
ことである。このように本発明は、その主旨に沿って種
々に応用され、種々の実施態様を取り得るものである。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
周波数分析機によれば、周期的な信号の場合、ディジタ
ル化手段のダイナミックレンジを制限している信号振幅
の支配的な周波数成分を除去して増幅した後、数値演算
のためのディジタル化を行うようにしたので、等価的に
ＡＤ変換器のビット数を増加させたことに相当する効果
が得られ、信号振幅が小さな周波数成分も分解能良く分
析できる。したがって、分解能が高く、かつ低価格・高
速度なＦＦＴ形周波数分析機が実現できる。

【００２８】本発明の請求項２の発明によれば、特に素
子の付加だけで容易にＦＦＴ形周波数分析機を実現でき
る利点がある。

【００２９】本発明の請求項３の発明によれば、特に信
号振幅の大きな周波数成分の除去において、ディジタル
処理後のアナログ変換に伴う誤差を防止できる利点があ
る。

【００３０】本発明の請求項４の発明によれば、特に除
去する信号成分にうねり等があっても、有効に除去でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図

【図２
】本発明の第２の実施例を示すブロック図

【図３】本発
明の第３の実施例を示すブロック図

【図４】本発明の第
４の実施例を示すブロック図

【図５】（ａ），（ｂ），
（ｃ）は周波数分析結果の和を説明するためのグラフ

【図６】従来例を示すブロック図

【図７】フレキシブルディスクの面振れ信号を示すグラ
フ

【図８】従来例による上記面振れ信号の周波数分析結果
を示すグラフ

【符号の説明】

１…被測定信号、　　　　　　　　　　　　　　２…増
幅器、３…ＡＤ変換器、　　　　　　　　　　　　　　
４…ディジタルメモリＡ、５…ＦＦＴ演算部、　　　　
　　　　　　　　６…ディジタルメモリＢ、７…ＤＡ変
換器、　　　　　　　　　　　　　　８…ディスプレイ
、１１…ＡＤ変換器、１２…ディジタルメモリＣ、１３
…ＤＡ変換器、　　　　　　　　　　　　１４…減算器
、１５…増幅器、　　　　　　　　　　　　　　　　１
６…切替スイッチ、１７…フィルタ、　　　　　　　　
　　　　　　１８…正弦波発生器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被測定信号をディジタル化して数値計
   算により周波数成分を分析する周波数分析機において、
   ディジタル化の前の信号入力段に一部の周波数範囲の振
   幅の大きい信号成分を除去する手段と、その除去後の信
   号成分の増幅手段とを備えることを特徴とする周波数分
   析機。
2. 【請求項２】　　除去する手段が、被測定信号からその
   被測定信号の局所的平均値を減ずる機能を備えている請
   求項１記載の周波数分析機。
3. 【請求項３】　　除去する手段を、低域通過フィルタあ
   るいは高域通過フィルタあるいはバンドパスフィルタで
   構成することを特徴とする請求項１記載の周波数分析機
   。
4. 【請求項４】　　除去する手段を、位相および振幅が変
   化できる正弦波発生器と、その正弦波発生器で発生した
   信号を被測定信号から減ずる手段とで構成することを特
   徴とする請求項１記載の周波数分析機。