JPWO2020110253A1 - 正弦波ノイズ除去装置及び正弦波ノイズ除去方法 - Google Patents

Abstract

正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し（Ｓ４０８〜Ｓ４０２）、当該測定した測定値の移動平均により、正弦波ノイズを除去した信号値ｂ_ｎを算出する正弦波ノイズ除去ステップ（Ｓ４０５）と、所定の計算式（Ｓ４０７）に基づいて、前記正弦波ノイズ除去ステップによって得られた信号値の遅れ補償処理を行った信号値ｃ_ｎを算出するステップと、を有することを特徴とする正弦波ノイズ除去方法。

Description

本発明は、正弦波ノイズが乗っている信号に対して、正弦波ノイズを除去する正弦波ノイズ除去装置及び正弦波ノイズ除去方法に関する。

電気機器等においては、例えば測定対象の状態等を検知するためのセンサ（温度センサ等）からのセンサ信号等のアナログ信号が使用されており、当該アナログ信号に重畳されたノイズへの対策を要するものとなっている。
ノイズのひとつに交流電源由来等の正弦波ノイズがあり、このような正弦波ノイズへの対策に関する技術が特許文献１で開示されている。

特開昭５３−１１４６５３号公報

特許文献１の技術は、ノイズの半周期（周期の（１／２+Ｊ）倍（Ｊは整数））の間隔で信号値を取得し、この取得した信号値の移動平均を求めることにより、正弦波ノイズを相殺するものである。
特許文献１の技術は、正弦波ノイズ対策としては簡便且つ有効な方法であるが、移動平均を用いるものであるため、移動平均に使用した信号値の時間間隔に基づく遅れが生じてしまう。例えば、現時点の信号値と１秒前の信号値の２点の信号値の移動平均をとった場合、これによって得られる値は０．５秒前の値に相当し、従って、０．５秒の遅れが生じるのと同義となるものである。
このような時間遅れは、高速で高精度な処理に対する妨げとなるものであった。

本発明は、上記の点に鑑み、正弦波ノイズが乗っている信号に対して移動平均を用いてノイズをキャンセルする技術において生じる時間遅れを解消することが可能な正弦波ノイズ除去装置若しくは正弦波ノイズ除去方法を提供することを目的とする。

（構成１）
正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去部と、前記信号の信号波形の近似式情報を取得する近似式情報取得部と、前記移動平均によって生じる遅れ時間を取得する遅れ時間取得部と、前記近似式情報と前記遅れ時間に基づいて、前記遅れ時間に対応する前記信号値の変化量である信号値変化量を算出する信号値変化量算出部と、前記正弦波ノイズ除去部によって得られた信号値に、前記信号値変化量を加算する遅れ補償部と、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去装置。

（構成２）
正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去部と、下記の計算式に基づいて、前記正弦波ノイズ除去部によって得られた信号値の遅れ補償処理を行う遅れ補償部と、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去装置。

数１において、ｂ_ｎは前記正弦波ノイズ除去部によって取得されたｎ番目の信号値（ｎは整数）、ｃ_ｎは遅れ補償後の信号値、ｍは測定点のペア数（整数）。

（構成３）
正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去ステップと、前記信号の信号波形の近似式情報を取得する近似式情報取得ステップと、前記移動平均によって生じる遅れ時間を取得する遅れ時間取得ステップと、前記近似式情報と前記遅れ時間に基づいて、前記遅れ時間に対応する前記信号値の変化量である信号値変化量を算出する信号値変化量算出ステップと、前記正弦波ノイズ除去ステップによって得られた信号値に、前記信号値変化量を加算する遅れ補償ステップと、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去方法。

（構成４）
正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去ステップと、下記の計算式に基づいて、前記正弦波ノイズ除去ステップによって得られた信号値の遅れ補償処理を行う遅れ補償ステップと、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去方法。

数２において、ｂ_ｎは前記正弦波ノイズ除去ステップによって取得されたｎ番目の信号値（ｎは整数）、ｃ_ｎは遅れ補償後の信号値、ｍは測定点のペア数（整数）。

本発明の正弦波ノイズ除去装置によれば、正弦波ノイズが乗っている信号に対して移動平均を用いてノイズをキャンセルする技術において生じる時間遅れを、解消することが可能となる。

本発明に係る実施形態の正弦波ノイズ除去装置の構成の概略を示すブロック図 正弦波ノイズ除去について説明するための説明図 正弦波ノイズ除去の時間遅れ補償について説明するための説明図 正弦波ノイズ除去装置の処理動作の概略を示すフローチャート

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図１は本実施形態の正弦波ノイズ除去装置の構成の概略を示すブロック図である。
正弦波ノイズ除去装置１は、入力部１１と、入力部１１に入力されるアナログ信号（例えば温度センサからの信号等）を、Ａ／Ｄ変換してマイコン１３に入力するＡ／Ｄ変換部１２と、正弦波ノイズ除去処理や、遅れ補償処理を行うマイコン１３と、出力部１４と、を備える。

正弦波ノイズの除去は、正弦波が正負で対称な波形であることに基づいて、正負で対称な点をペアとしてこれの移動平均を取ることによって、ノイズをキャンセルするものである。ペア数をｍとした場合、測定点は２ｍとなる。各測定点の測定間隔を正弦波ノイズの周期の１／２ｍとすることで、正負で対称なペアとなる測定点を得ることができる。
図２には、簡単化のため０出力の信号に対して正弦波ノイズが乗っているものを例示した。図２は、正弦波ノイズ１周期の中で２つのペアの測定点、即ち、正弦波ノイズ１周期の中に４つの測定点を設けた例であり、従って、各測定点の間隔は正弦波ノイズ周期の１／４である。
図２から理解されるように、測定点ａ_ｎと測定点ａ_ｎ-2、測定点ａ_ｎ-1と測定点ａ_ｎ-3がそれぞれペアとなり、これらを加算すると０になる。即ち、ペア数をｍとした場合において、２ｍの測定点を正弦波ノイズの周期の１／２ｍ間隔で測定し、これらを加算すると、正弦波ノイズがキャンセルされる。
図２では、信号出力を０としているが、信号出力がある場合には、各測定点ａ_ｎ〜ａ_ｎ-3の加算によって信号出力も加算されることになるため、これを測定点の数（ここでは４）で除算する（即ち、移動平均をとる）ことによって、正弦波ノイズが除去された信号値ｂ_ｎを得ることができる。
正弦波ノイズが除去された信号値ｂ_ｎは、下記の数３によって算出することができる。

ｂ_ｎは正弦波ノイズ除去がされたｎ番目の信号値（ｎは整数）であり、ｍは測定点のペア数（整数）である。ａ_ｎは各測定点における測定値である。

上記の移動平均による正弦波ノイズ除去は、移動平均の算出に使用した測定点の時間間隔に基づく遅れが生じてしまう。
図２の例において、測定点ａ_ｎ〜ａ_ｎ-3に基づいて移動平均を算出した場合、これによって得られる信号値ｂ_ｎは、信号波形が一次関数である場合、測定点ａ_ｎ〜ａ_ｎ-3の真ん中の時点（ａ_ｎ-1とａ_ｎ-2の真ん中）における信号値に相当する。即ち、３／８周期の遅れが生じているのに等しい結果となる。測定点ａ_ｎとａ_ｎ-2の１つのペアに基づいて移動平均を算出した場合、これによって得られる信号値ｂ_ｎは、ａ_ｎとａ_ｎ-2の真ん中における信号値に相当する。即ち、１／４周期の遅れが生じているのに等しい結果となる。

図３はこの遅れと、その補償に関する説明図である。
図３における実線は信号の測定値（信号値に正弦波ノイズが重畳されているもの）としてのラインであり、一点鎖線は移動平均による正弦波ノイズ除去後の信号値を示すラインである。これに対し、点線は、真の信号値を示すラインである。
図３は測定点のペア数ｍが１、即ち測定点が２つである場合の例である。
前述のごとく、測定点が２つ（２つの測定点の間隔が１／２周期）である場合、遅れ（以下、「遅れ時間」という）は１／４周期となる。即ち、点線で示した真の信号値に対して、一点鎖線で示した正弦波ノイズ除去後の信号値は、１／４周期の遅れが生じているのに等しい結果となる。
この遅れは、正弦波ノイズ除去後の信号値ｂ_ｎに対して、遅れ時間（ここの例では１／４周期）の間に信号値が変化した変化量（以下、「信号値変化量」という）を加算することによって補償することができる。
信号値変化量は、信号波形が一次関数である場合には、下記の数４によって算出することができる。なお、“信号波形が一次関数である場合”とは、ｂ_ｎ-1とｂ_ｎの時間間隔における信号波形を一次関数とみなし得る場合を含む。

ｂ_ｎは正弦波ノイズが除去されたｎ番目の信号値（ｎは整数）であり、ｍは測定点のペア数（整数）である。

本実施形態の正弦波ノイズ除去装置１は、正弦波ノイズ除去後の信号値ｂ_ｎに対して、信号値変化量を加算することによって、遅れ補償した信号値ｃ_ｎを得るものである。
上記に基づき、遅れ補償した信号値ｃ_ｎは、下記の数５によって算出することができる。

図４は、本実施形態の正弦波ノイズ除去装置１の処理動作の概略を示すフローチャートである。なお、以下では処理主体の記載を省略しているが、下記の処理は、Ａ／Ｄ変換部１２においてＡ／Ｄ変換された信号値が入力されるマイコン１３において実行されるものである。

ステップ４０１では、初期化処理として、ｓに１を代入、ｎに０を代入する。ｓは測定値の順番を示す変数、ｎは正弦波ノイズが除去された信号値の順番を示す変数である。なお、定数として、ｍに移動平均処理を行う測定点のペア数が入力されている（デフォルトで設定されているものであってもよいし、ユーザによって決定、入力されるものであってもよい）。
ステップ４０２では、Ａ／Ｄ変換部１２から入力される信号の値を、測定値ａ_ｓとして取得する処理を行う。

続くステップ４０３では、ｓが２ｍ以上であるか否かを判別する。即ち、測定済みの測定点の数が移動平均処理を行うための測定点の数に至ったか否かを判別しているものである。

移動平均処理を行うための測定点の数に至っていない場合には、ステップ４０８へと移行して、正弦波ノイズ周期の１／２ｍ間隔の経過を待つ。上記で説明した、各測定点の間隔に相当する時間経過を待つもの、即ち、次の測定点の測定時を待っているものである。
次の測定点の測定時が到来した場合には、ｓをインクリメントし（ステップ４０８：Ｙｅｓ→ステップ４０９）、ステップ４０２へと戻り、Ａ／Ｄ変換部１２から入力される信号の値を、測定値ａ_ｓとして取得する処理を行う。

処理開始当初の、ステップ４０２、４０３、４０８、４０９の処理の繰り返しにより、測定済みの測定点の数が移動平均処理を行うための測定点の数に至った場合には、ｎをインクリメントする（ステップ４０３：Ｙｅｓ→ステップ４０４）。
ステップ４０５では、上述した数３に基づく計算を行い、これをｂ_ｎに代入する。
即ち、マイコン１３は、「正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去部」として機能するものである。

続くステップ４０６では、ｎが１であるか否かを判別する。即ちｂ_ｎが１つしかないか否かを判別しているものであり、ｎが１（ｂ_ｎが１つ）である場合には、ステップ４０８へ移行して、上記処理を繰り返す。
一方、ｎが１でない場合はｂ_ｎが複数あることを意味し、この場合にはステップ４０７へと移行して、上述した数５に基づく計算を行い、これをｃ_ｎに代入する。
即ち、マイコン１３は、「数５に基づいて、前記正弦波ノイズ除去部によって得られた信号値の遅れ補償処理を行う遅れ補償部」として機能するものである。

以降、上記説明した処理を繰り返すことによって、正弦波ノイズ周期の１／２ｍ間隔毎に、各測定点の測定が行われて、正弦波ノイズ除去後の信号値ｂ_ｎが算出され、当該信号値ｂ_ｎに遅れ補償が行われた信号値ｃ_ｎが算出されていくものである。

以上のごとく、本実施形態の正弦波ノイズ除去装置１によれば、正弦波ノイズが乗っている信号に対して移動平均を用いてノイズをキャンセルする技術において生じる時間遅れを解消することが可能となる。これにより、サンプリング周波数が非常に高くなり、高速応答が求められる処理に対しても遅れなく対応することが可能となる。例えば、ボンディング装置に用いられるパルスヒートユニットの瞬間加熱制御における、温度センサの信号値のサンプリング制御等にも高精度で対応することが可能となるものである。

なお、本実施形態では、信号波形が一次関数とみなせる場合において数４によって信号値変化量を算出するものを例としているが、その基本概念は、移動平均による正弦波ノイズ除去において生じる「遅れ時間」の間に信号値が変化した変化量を求めるものであり、当該概念は、任意の波形の信号に対して適用することが可能である。
即ち、信号値ｂ_ｎを何点か取得することによって、信号波形の近似式を算出することが可能であり、また、当該近似式と、移動平均によって算出された値と、移動平均の算出に使用した測定点の時間間隔等に基づいて、遅れ時間を算出することが可能である。そして、信号波形の近似式に基づいて、遅れ時間の間に信号値が変化する変化量を算出することができ、これを信号値ｂ_ｎに加算することによって、遅れ補償した信号値ｃ_ｎを算出する処理を、マイコン１３において実行できるものである。
この場合、マイコン１３は、「信号波形の近似式情報を取得する近似式情報取得部と、移動平均によって生じる遅れ時間を取得する遅れ時間取得部と、前記近似式情報と前記遅れ時間に基づいて、前記遅れ時間に対応する前記信号値の変化量である信号値変化量を算出する信号値変化量算出部と、前記正弦波ノイズ除去部によって得られた信号値に、前記信号値変化量を加算する遅れ補償部」として機能するものである。
なお、サンプリング周波数が十分に高い場合には、信号波形をサンプリング周期レベルでみると、信号波形を一次関数とみなせることが多く、本実施形態で説明した各数式（若しくはこれを適宜変形させた式）による算出方法で対応可能である。

上記説明では、制御処理の主体としてマイコンを例としているが、制御主体をマイコンに限るというものではなく、上記説明した各処理を実行できる任意のデバイスを用いることができる。また、各機能部（正弦波ノイズ除去部、近似式情報取得部、遅れ時間取得部、信号値変化量算出部、遅れ補償部）がマイコン上でソフトウェア的に実装されるものを例としているが、各機能部の何れか若しくは全てをハード的に（専用回路等によって）実装するものであってもよい。

１．．．正弦波ノイズ除去装置
１２．．．Ａ／Ｄ変換部
１３．．．マイコン（正弦波ノイズ除去部、近似式情報取得部、遅れ時間取得部、信号値変化量算出部、遅れ補償部）

Claims (4)

1. 正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去部と、
   前記信号の信号波形の近似式情報を取得する近似式情報取得部と、
   前記移動平均によって生じる遅れ時間を取得する遅れ時間取得部と、
   前記近似式情報と前記遅れ時間に基づいて、前記遅れ時間に対応する前記信号値の変化量である信号値変化量を算出する信号値変化量算出部と、
   前記正弦波ノイズ除去部によって得られた信号値に、前記信号値変化量を加算する遅れ補償部と、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去装置。
2. 正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去部と、
   下記の計算式に基づいて、前記正弦波ノイズ除去部によって得られた信号値の遅れ補償処理を行う遅れ補償部と、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去装置。
   

   

   
   数１において、ｂ_ｎは前記正弦波ノイズ除去部によって取得されたｎ番目の信号値（ｎは整数）、ｃ_ｎは遅れ補償後の信号値、ｍは測定点のペア数（整数）。
3. 正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去ステップと、
   前記信号の信号波形の近似式情報を取得する近似式情報取得ステップと、
   前記移動平均によって生じる遅れ時間を取得する遅れ時間取得ステップと、
   前記近似式情報と前記遅れ時間に基づいて、前記遅れ時間に対応する前記信号値の変化量である信号値変化量を算出する信号値変化量算出ステップと、
   前記正弦波ノイズ除去ステップによって得られた信号値に、前記信号値変化量を加算する遅れ補償ステップと、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去方法。
4. 正弦波ノイズが乗っている信号に対し、前記正弦波ノイズが相互に打ち消される測定点のペアにおいて前記正弦波ノイズが乗っている信号を測定し、当該測定した測定値の移動平均を前記信号の信号値とする正弦波ノイズ除去ステップと、
   下記の計算式に基づいて、前記正弦波ノイズ除去ステップによって得られた信号値の遅れ補償処理を行う遅れ補償ステップと、を備えることを特徴とする正弦波ノイズ除去方法。
   

   

   
   数２において、ｂ_ｎは前記正弦波ノイズ除去ステップによって取得されたｎ番目の信号値（ｎは整数）、ｃ_ｎは遅れ補償後の信号値、ｍは測定点のペア数（整数）。

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