JPS6310469B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は入力信号周波数をデジタル的に解析
する離散的フーリエ変換解析器、特にその入力信
号と特定の関係にある周波数を基準とし、その高
調波或いは低調波成分を解析するいわゆるオーダ
ーアナリシス（次数比解析）を行う離散的フーリ
エ変換解析器に関する。

〈従来技術〉 入力信号を離散的フーリエ変換、例えば高速フ
ーリエ変換を行うことによつてその入力信号の周
波数成分である周波数スペクトラムをデジタル的
に求める周波数分析が行われている。この場合高
い周波数まで正しく解析するのには、サンプリン
グ周波数を充分高くする必要がある。しかしその
ようにサンプリング周波数を高くすると演算処理
の規模が大きくなり、かつ処理時間が長くなる。

このような点により、例えばタービンの振動を
解析して、タービンの回転周波数に対する発生振
動の関係を測定する場合、タービンの回転周波数
に対する高次周波数或いは低次周波数等を測定す
ると、その回転と振動との関係を良く解析するこ
とが出来、すこぶる便利であり、この為次数比解
析（オーダーアナリシス）が行われている。従来
のこの種の比数比解析は例えば第１図に示すよう
にして行われていた。即ち被測定系１１は例えば
タービンであり、被測定系１１で発生している振
動が振動検出器により検出され、その検出振動信
号は離散的フーリエ解析器、例えば高速フーリエ
解析器１２の信号入力端子１３に供給される。

一方被測定系１１における基準となるもの、こ
の例においてはタービンの回転速度が、例えば１
回転に１パルスを発生する回転検出器により検出
され、この検出されたクロツクパルスは端子１４
より周波数変換器１５に供給される。周波数変換
器１５は、例えばその入力されたクロツクパルス
の周波数をＫ倍にするものであり、つまり周波数
乗算器である。これは一般に、いわゆる位相同期
ループ（Ｐ，Ｌ，Ｌ）が用いられ、その入力され
た信号周波数のＫ倍（Ｋは必ずしも整数ではな
い）された周波数が出力される。

周波数変換器１５の出力信号は高速フーリエ変
換器１２の外部サンプルクロツク入力端子１６に
与えられる。従つて前記Ｋを例えば整数に選定す
れば、この例ではタービンの回転周波数の整数倍
のサンプリング周波数で、信号入力端子１３に入
力されるタービン系１１よりの振動信号がサンプ
リングされ、高速フーリエ変換によつてデジタル
的に周波数分析が行われる。一般に振動系はその
振動の基本になる周波数、即ちタービン回転周波
数に対して高調波、或いは低調波成分の振動を発
生することが多い。従つて被測定系１１の基本ク
ロツクの周波数のＫ倍の周波数で入力信号をサン
プリングすることによつて、より正しい解析を、
比較的少いサンプリング数で行うことが可能とな
る。

このように従来の次数比解析は、周波数変換器
１５としてPLLを用いており、PLLは入力信号
に対して位相検出によつてずれを検出するため、
入力信号周波数のオクターブ以上の変化に対して
追従させることが出来ない。従つて、入力クロツ
ク信号周波数が大幅に変化する場合は、その入
力クロツクの周波数レンジに応じて何段もの
PLLを用意して、これを切替て使用する必要が
あり、しかもPLLの引き込み条件を満足しない
とロツク状態が外れて周波数変換器として動作し
なくなる欠点があつた。

更に従来においては、被測定系１１より解析し
ようとする信号と関連あると思われる信号を、ク
ロツク信号として入力信号とは別個に取り出す必
要があり、例えば先のタービン系においては、そ
の回転周波数を検出する手段を、振動を検出する
手段の他に設ける必要があつた。また全体とし
て、特に周波数変換器１５の回路構成が複雑とな
る欠点があつた。

〈発明の概要〉 この発明の目的は比較的簡単な構成でしかもク
ロツク信号を検出する為の特別の手段を必要とす
ることなく次数比分析を可能とする離散的フーリ
エ変換解析器を提供することにある。

この発明によれば離散的フーリエ変換解析器に
おいてその解析スペクトラム中の観測スペクトル
に対して一定周波数だけ高いスペクトルと低いス
ペクトルとを取り出し、これら高いスペクトル及
び低いスペクトルのレベル比を検出して、そのレ
ベル比から観測スペクトルの周波数とサンプリン
グクロツクの周波数との比が所定値からずれてい
ることを検出し、この検出に応じてサンプリング
クロツク周波数を補正するようにする。このよう
にして解析スペクトラム自体から得られる観測ス
ペクトルを利用してサンプリングクロツク周波数
を常に被測定系の特定の成分の周波数に追従させ
ることができる。

〈実施例〉 次にこの発明による離散的フーリエ変換解析器
の実施例を第２図以下の図面を参照して説明しよ
う。第２図において被測定系１１から測定しよう
とする例えば振動が加速度検出器などの振動計に
よつて検出され、この被測定アナログ信号は、離
散的フーリエ変換器の一種である高速フーリエ変
換解析器１２の信号入力端子１３に供給される。
高速フーリエ変換解析器１２の外部サンプルクロ
ツク入力端子１６にはクロツク信号発生器１７よ
りサンプリングクロツクが与えられ、このサンプ
リングクロツクによつて信号入力端子１３のアナ
ログ信号がサンプリングされて高速フーリエ変換
によりデジタル的に周波数解析が行われる。

この発明においては高速フーリエ変換により得
られた周波数スペクトラム中の角周波数ω_kの観
測スペクトルと、これに対して一定周波数だけ高
い角周波数ω_k+1と、低い角周波数ω_k-1のスペク
トルとを取り出し、これら観測スペクトル、高い
及び低いスペクトルのレベルから、外部サンプリ
ングクロツク周波数_Sと観測スペクトル周波数ω_k
との比が所定値よりずれたのを検出する。この検
出が制御回路１８で行われる。

このようにこの発明では観測スペクトルと、こ
れより高い周波数及び低い周波数との３つのスペ
クトルを取り出す。一般にこのような高速フーリ
エ変換においては、入力信号を一定周期でサンプ
リングし、そのサンプルを一定時間ごとに切出し
て解析しており、この切出しに伴う切取り誤差が
発生する。この誤差を少くするため、入力アナロ
グ信号のサンプルデータに対して窓関数、例えば
ハンニング窓関数（１＋cosω₁t）を掛算して周
波数解析を行うことが行われている。ここでω₁
は１／ＴであつてＴはフレームタイムであり、つま りω₁はその高速フーリエ変換解析で得られる最
低角周波数であり、ω_k＝Ｋ×ω₁である。

このようにハンニング窓関数を掛けて周波数解
析を行うと、一本の純粋なスペクトルω_kは第３
図Ａに示すようにω_kと、その両側に高いスペク
トルω_k+1及び低いスペクトルω_k-1とのように３
本のスペクトルに分離して観測される。つまり入
力アナログ信号をV_i（ｔ）＝sinω_kｔとすると、こ
れにハンニング窓関数（１＋cosω₁t）を掛算す
ると （１＋cosω₁t）×V_i（ｔ） ＝sinω_kｔ＋１／２sinω_k+1ｔ ＋１／２sinω_k-1ｔ となる。高速フーリエ変換において従来より用い
られている窓関数を掛算する手法により、観測ス
ペクトルω_kに対してこれより高いスペクトル
ω_k+1と低いスペクトルω_k-1とが得られる。つま
りアナログ信号に対して、窓関数等を掛算するこ
とによつて、即ち変調することによつて必要とす
る３本のスペクトルを得ることが出来る。このよ
うにして得られた３本のスペクトルは、観測スペ
クトルω_kに対して、高いスペクトルω_k+1及び低
いスペクトルω_k-1のレベルはそれぞれ１／２となつ ている。

今、外部のサンプリングクロツク信号周波数_S
を一定として、入力アナログ信号V_i（ｔ）の角周
波数が−ω₁から＋ω₁まで変化した場合、即ちV_i
（ｔ）＝sin（ω_k＋dω）、−ω₁≦dω≦ω₁におけるス
ペ
クトルω_k、ω_k+1、及びω_k-1の各レベルは第４図
の曲線２１，２２，２３にそれぞれ示すようにな
る。この横軸はdω／ω₁である。dωが０、つまり
サンプリンクロツク周波数_Sがω_kに対し所定値で
ある状態においてはω_kのスペクトルは曲線２１
に示すように１であつて、最大でありこれより
dωが高くなつても低くなつてもこのスペクトル
のレベルは低下する。一方高いスペクトルω_k+1
は曲線２３に示すようにdωが０の状態で、先に
述べたように１／２であり、dωが高くなるに従つて レベルが高くなり、低くなるに従つてレベルが低
くなる。逆に低いスペクトルω_k-1は、曲線２３
で示すようにdωが０で１／２であり、これより低く なるとレベルが上がり、高くなるとレベルが下が
る。従つてこれら３つのスペクトルのレベル関係
を解析すれば、その外部クロツクと入力信号の周
波数との関係のずれを検出することが出来る。

例えば第３図Ｂのように低い方のスペクトル
ω_k-1のレベルが高い方のスペクトルω_k+1のそれ
よりも大きい場合はその入力信号周波数がサンプ
リングクロツク周波数に対し、相対的に低い方に
ずれた場合であり、これら３つのスペクトルω_k、
ω_k+1、ω_k-1の各レベルがそれぞれA₁、A₂、A₃で
ある場合、第４図における曲線２１，２２，２３
におけるレベルがそれぞれ同時にA₁、A₂、A₃と
なる周波数位置は点線２４で示す位置であり、こ
れから周波数のずれdωを知ることが出来る。

逆に入力信号V_i（ｔ）の周波数が高い方にずれ
ると、３つのスペクトルω_k、ω_k+1、ω_k-1の各レ
ベルは第３図Ｃに示すように高い方のスペクトル
ω_k+1のレベルは上がり、低い方のスペクトル
ω_k-1のレベルは下がる。これらの関係と第４図
とからそのずれを検出することが出来る。

このようにして、入力信号中の観測周波数とサ
ンプリングパルス周波数の相対的ずれが制御回路
１８で演算により検出され、この計算値はラツチ
回路２５にラツチされる。ラツチ回路２５の出力
はDA変換器２６によりアナログ信号に変換さ
れ、このアナログ信号に対して必要に応じて直流
電源２７よりのバイアス電圧が加算回路２８で加
算され、この加算出力がクロツク信号発生器１７
にそのクロツク周波数を制御する信号として与え
られる。クロツク信号発生器１７は例えば電圧制
御発信器で構成される。この結果、外部サンプル
クロツク入力端子１６のサンプルクロツク周波数
が補正されて、被測定系１１の入力信号の観測ス
ペクトルの周波数に対して常に特定の関係にある
ようにされる。

この場合、先に述べたように３つのスペクトル
を観測して第４図に示す関係から、その周波数ず
れの値を検出し、そのずれを補正データをラツチ
回路２５にラツチさせる場合に限らず次のように
してもよい。或いはスペクトルω_k+1及びω_k-1の
相対レベルを検出して、例えばω_k-1の方が大き
い場合はサンプルクロツク周波数を一定値だけ下
げるようなデータをラツチ回路２５のデータに対
し加減算し、その後の状態を観測してラツチ回路
２５のデータを徐々に変化させてスペクトル
ω_k+1とω_k-1とのレベルが一致するまで制御する
ようにしても良い。

更に制御回路１８は特に設ける必要はない、つ
まり高速フーリエ変換（FFT）解析器１２は演
算装置であるから、制御回路１８で行つていた演
算をFFT解析器１２内で行わせ、その演算結果
をラツチ回路２５にラツチさせるようにしても良
い。又、直流電源２７はバイアス電圧を与えてお
くものであり、その値も固定的なものであるから
これを制御回路１８内或いはFFT解析器１２内
にそれぞれ固定のデジタル値として与えておいて
も良い。

更にクロツク信号発生器１７の周波数をデジタ
ル処理で制御するようにデジタル値或いは、パル
スを与える毎に周波数をそのパルス及び極性によ
り出力クロツクを一定周波数だけ上げたり下げた
りするような構成となつていればラツチ回路２５
やAD変換器２６も省略することが出来る。クロ
ツク信号発生器１７としては例えば第５図に示す
ように基本クロツク発生器３１のクロツクをダウ
ンカウンタ３２で計数し、そのダウンカウンタ３
２の計算値が０になるとゼロ検出回路３３で検出
して、その時FFT解析器１２又は制御回路１８
に得られていた周波数設定値をダウンカウンタ３
２にプリセツトするようにし、ゼロ検出回路３３
の出力をフリツプフロツプ３５により１／２に分周 してデユーテイ50％の外部サンプルクロツク信号
を得るようにしても良い。観測スペクトルとこれ
に一定数高いスペクトルと低いスペクトルとの３
つのスペクトルを得れば良い点からすると、これ
らだけを得るには特に高速フーリエ変換を行うる
ことなく、離散的フーリエ変換によつても良い。
更に観測スペクトルω_kに対して高いスペクトル
及び低いスペクトルとしてω_k+2、ω_k-2等をも検
出するようにしても良い。

〈効果〉 以上述べたようにこの発明によれば、フーリエ
解析器で得られている観測スペクトルに対して高
いスペクトル及び低いスペクトルの比を常に検知
し、これが同一レベルとなるように外部サンプリ
ングクロツク周波数を制御することによつて通常
の高速フーリエ変換によつて与えられている周波
数分解能よりも高い精度で、アナログ入力信号の
周波数に対し、外部サンプリングクロツク周波数
を追従させることが出来る。又、このことによつ
て離散的フーリエ変換特有の切取り誤差によるス
ペクトルレベル誤差を小さくすることが出来る。
さらにこのように入力信号のスペクトル解析出力
を利用する為、特に基本クロツクを検出するため
の検出器を被測定系に別個に、即ち第１図に示し
た場合について述べたような回転検出器等を設け
る必要はない。もちろん被測定系１１からクロツ
クが得られる場合においては、それを用いてこの
周波数に外部サンプリングクロツク周波数を追従
させることも出来る。特に制御回路１８の作用を
高速フーリエ変換解析器１２内で演算処理を行う
ようにすればラツチ回路、DA変換器及び外部ク
ロツク信号発生器といつた簡単なものを設けるだ
けで次数分析を行うことが出来、従来の複数段も
のPLLを必要とした複雑な周波数変換器を必要
としない。又、被測定系が例えば複数の振動源を
持つ場合でも容易に、任意の振動源に対してその
周波数に追従した次数分析を行わせることが可能
であり、更に入力アナログ信号に雑音を含んでい
る場合においてもかなり高い精度の解析が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の離散的フーリエ変換解析器を示
すブロツク図、第２図はこの発明による離散的フ
ーリエ変換解析器の一例を示すブロツク図、第３
図はその観測スペクトルと高い及び低いスペクト
ルとのレベル関係を示す図、第４図は入力信号の
ずれに対する３つのスペクトルのレベル関係を示
す図、第５図はクロツク信号発生器の変形例を示
すブロツク図である。 １１：被測定系、１２：離散的フーリエ変換解
析器、１３：信号入力端子、１６：外部サンプル
クロツク入力端子、１７：クロツク信号発生器、
１８：制御回路、２５：ラツチ回路、２６：DA
変換器、２８：加算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 離散的フーリエ変換解析器において、解析ス
   ペクトラム中の観測スペクトルに対し、一定周波
   数だけ高いスペクトル及び低いスペクトルを得る
   手段と、これら高いスペクトル及び低いスペクト
   ルのレベル比を検出して観測スペクトルの周波数
   とサンプリングクロツクの周波数との比が所定値
   からずれるのを検出し、この検出値に基づいて上
   記サンプリングクロツクの周波数を補正する手段
   とを具備する離散的フーリエ変換解析器。