KR20010096540A - 사인파 합성 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20010096540A
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Abstract

사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법과 장치는 각각 미리 결정된 듀티 사이클(duty cycle)을 갖고 서로 동일한 주파수인 다수의 펄스폭 변조 신호를 클럭 신호로부터 발생하는 단계를 포함한다. 상기 발생된 펄스폭 변조 신호는 상기 펄스폭 변조 신호와 동일한 주파수를 갖는 사인파와 유사한 파형을 발생시키기 위하여 결합된다. 상기 클럭 신호는 연속적인 주파수 범위에 대해서 클럭 신호를 발생시키기 위하여 배치된 오실레이터에 의해 제공되어 사인파와 유사한 파형이 연속적인 주파수 범위를 통해서 발생될 수 있다.

Description

사인파 합성 방법 및 장치{SYNTHESISING A SINE WAVE}
본 발명은 주파수 범위에 대해서 사인파(sine wave)와 유사한 파형을 합성하는 방법과 장치에 관한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 클럭 신호(101)로부터 마이크로프로세서에 의해 발생된 다수의 펄스폭 변조 신호(102, 103, 104)를 결합함으로써 사인파와 유사한 파형이 편리하게 소형 장치로부터 발생될 수 있다. 다른 주파수를 갖는 사인파(105)를 발생시키기 위해서, 클럭 신호(101)의 주파수는 1, 2, 3, 4...등과 같은 수로 나누어진다. 그러나, 이것은 발생된 사인파 주파수의 합성 범위에서 불연속적이고 거친 스텝을 생성한다. 예를 들어서, 도 6에 도시된 클럭 신호가 마이크로프로세서로 사용될 수 있는 16㎒의 주파수를 갖는 경우, 각각의 사인파 주기를 합성하는데 16개의 클럭 주기가 필요할 때, 이번 실례에서 합성될 수 있는 가장 높은 사인파 주파수는 1㎒이다. 그 다음으로 이용 가능한 높은 주파수는 상기 클럭 주파수를 절반으로 나누어서 500㎑의 사인파를 생성하는 8㎒에서 이루어진다. 그 다음 가장 높은 사인파 주파수는 상기 클럭 주파수를 3으로 나누어서 이루어지며 330㎑의 합성 사인파 주파수를 생성하는 5.3㎒의 주파수를 제공한다.
이상에서 볼 수 있는 것처럼, 이용 가능한 사인파 주파수의 합성범위에서 크고 불연속적인 스텝 또는 해상도가 좋지 않은 주파수가 생성되었다.
본 발명의 제 1 측면에 따라서, 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치는
클럭 신호로부터 다수의 펄스폭 변조 신호를 발생하는 수단, 및
상기 발생된 펄스폭 변조 신호를 결합하여 사인파와 유사한 파형을 발생하는 수단을 포함하고,
여기서, 클럭 신호(101)는 연속적인 주파수 범위에 대해서 클럭 신호를 발생하기 위하여 배치된 오실레이터에 의해서 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법은
클럭 신호로부터 다수의 펄스폭 변조 신호를 발생하는 단계, 및
상기 발생된 펄스폭 변조 신호를 결합하여 사인파와 유사한 파형을 발생시키는 단계를 포함하고,
여기서, 상기 클럭 신호는 연속적인 주파수의 범위에 대해서 클럭 신호를 발생하기 위하여 배치된 오실레이터에 의해서 제공된다.
연속적인 주파수 범위에 대해서 클럭 신호를 발생하기 위한 상기 오실레이터의 사용은 상기에 설명된 불연속적인 범위보다 오히려 연속적인 주파수 범위를 갖는 합성 사인파의 발생을 가능하게 한다.
상기 오실레이터는 바람직하게 입력 제어 전기 신호의 변화의 결과로서 그의 출력 클럭 신호 주파수의 변화를 발생시킨다. 상기 가변인 입력 제어 전기 신호는 바람직하게 상기 오실레이터를 전압 제어 오실레이터로 만드는 전압이다.
따라서, 상기 오실레이터의 출력 주파수와 사인파와 유사한 파형의 출력 주파수는 상기 오실레이터로 입력되는 입력 신호를 간단히 변화시켜서 제어될 수 있다.
사인파와 유사한 파형은 저역필터(low pass filter)를 통해서 상기 신호를 통과시킴으로써 적어도 여러 고주파 성분을 제거하여 "평활" 될 수 있다.
발생된 사인파는 상기 발생된 사인파의 주파수를 다른 검출된 신호의 주파수와 대응시키거나, 미지의 특정한 주파수에서 특별한 효과를 발생시킬 때 검출되는 자극을 제공하기 위한 다수의 응용분야에 사용될 수 있다. 그러한 응용분야에서, 상기의 실례에서 검출된 주파수를 대응시키거나 특별한 효과를 제공하는 특정한 주파수를 결정할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 상기 주파수는 오실레이터에 적용되는 제어 입력 신호와 일치하여 관련될 필요는 없지만, 예를 들어서 온도 변화에 기인하여 변할 수 있다.
사인파와 유사한 합성된 파형의 특정한 주파수를 정확하게 결정하기 위하여, 1초와 같은 주어진 시간 동안에 발생된 하나의 펄스폭 변조 신호의 사이클(cycle) 수 또는 클럭 신호의 사이클 수가 계수될 수 있고/또는 일정한 사이클 수를 발생시키기 위하여 소비된 시간이 측정될 수 있고, 이것으로부터 상기 주파수가 결정된다.
클럭 신호로부터 펄스폭 변조 신호를 발생하기 위한 수단은 바람직하게 처리 수단이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실례에 의해 자세히 설명된다.
도 1은 공진기를 사용하여 기체의 음속을 측정하기 위한 시스템의 전체 동작을 나타내는 블럭도.
도 2는 상기 시스템에서 사용될 수 있는 실제 구형 공진기를 나타내는 도면.
도 3은 상기 공진기에 음향 수신기가 부착되는 방법을 나타내는 도면.
도 4는 상기 공진기에 음향 전송기가 부착되는 방법을 나타내는 도면.
도 5는 주파수 범위에 대해서 음향 수신기에 의해 검출된 신호의 진폭을 나타내는 도면.
도 6은 사인파와 유사한 파형을 만들기 위하여 결합되는 펄스폭 변조 신호를 발생시키기 위하여 클럭 신호가 사용되는 방법을 나타내는 도면.
도 7은 도 6에 도시된 상기 동작을 실행하기 위한 전자 시스템 도면.
도 8은 상기 클럭 신호를 도 6에 도시된 시스템에 제공하기 위한 전압제어 오실레이터를 나타내는 도면.
도 9는 상기 공진 주파수를 결정하기 위한 동작의 시퀀스를 나타내는 도면.
도 10은 공진 주파수를 결정하기 위한 처리수단과의 접속을 나타내는 도면.
도 11은 한정된 하드웨어 응답 시간을 추정하는 방법을 나타내는 도면.
도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로프로세서의 형태로 되어 있거나 마이크로프로세서를 포함할 수 있는 구동 전자 회로(1)가 배치되어 적절한 주파수 범위에 대해서 확성기(2)를 구동시키기 위한 사인 곡선의 신호를 발생시킨다. 상기 확성기는 음향신호를 공진기(3) 내부에 적용하기 위하여 배치된다. 마이크로폰(4)은 공진기 내에서 음향신호의 진폭을 포착하기 위하여 배치된다. 상기 마이크로폰으로부터의 신호는 적절한 전자회로(5)에 의해 필터링 및 증폭되고, 처리 수단(6)은 공진기 내에서 기체의 음속을 결정하기 위하여 기체에 대한 공진 주파수를 결정한다.
도 2에 도시된 공진기(3)는 본 발명의 경우에 단단한 구형이다. 상기에 설명된 공진기는 이번 실례에서 동으로 만들어지고, 내부 반지름 1.5㎝와 3㎜ 두께의 2개의 CNC(computer numerically controlled) 가공 금속 반구(31, 32)가 용접되어 구형으로 형성된다.
반구(31, 32)의 극점은 도 2에 도시된 바와 같이 반구가 결합될 때 가장 큰 진폭의 마이크로폰 신호를 제공하기 위하여 실질적으로 180°떨어져 있는 확성기(2)와 마이크로폰(4)을 각각 지지한다.
상기 공진기에는 기체가 공진기(3)의 밖과 안으로 확산될 수 있도록 하는 다수의 기체 확산 통로(33)가 제공되고, 도 2에는 단지 하나의 통로만 도시되어 있다. 각각의 반구(31, 32)에는 바람직하게 90°떨어져 위치해 있는 4개의 기체 확산 통로가 제공된다. 상기 기체 확산 통로(33)는 바람직하게 상기 공진기 하우징을 관통해서 구멍이 뚫리고, 정칙 반복 가능한 표면을 공진기의 내부에 제공하기 위하여 어떤 부스러기도 제거된다.
대안으로서, 상기 공진구는 소결 물질과 같은 다공성 물질로 만들어질 수 있다. 따라서, 도 2의 동으로 만들어진 공진구에 도시되어 있는 기체 확산 구멍(33)은 필요하지 않을 수도 있고, 그래서 상기 구멍(33)에 기인한 공진 주파수에서의 불안요소를 감소시킬 수 있다. 상기에 사용되는 다공성 물질은 주위 온도 변화에 따른 공진기의 크기의 변화에 대해서 요구되는 보정의 양을 감소시키기 위하여 동보다 낮은 열 팽창도를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
이번 실례에 있어서, 상기 확성기(2)는 5V 공급전압과 약 33㎽의 전력레벨로 작동하는 보청기에 사용될 수 있는 것과 같은 소형 확성기이고, 마이크로폰(4)은 초소형 마이크로폰이다.
도 3은 상기 마이크로폰(4)이 어떻게 상기 공진기(3)에 부착되는 지를 나타낸다. 상기 공진기에는 바람직하게 구멍이 뚫리고 부스러기가 완전히 제거된 직경 1.5㎜의 통로(41)가 제공된다. 원통 스핀들(42)이 공진기에 부착되거나 공진기의 외부의 일부로 형성되고 중심에 통로(41)가 배치된다. 상기 스핀들(42)은 바람직하게 근사적으로 10㎜의 길이이고 마이크로폰(4)을 수용하는데 충분한 내부 직경, 즉, 이번 실례에서는 5㎜의 내부 직경을 갖는다. 확성기가 상기 공진 주파수를 공진기에 적용할 때, 상기 스핀들 내에서 마이크로폰(4)의 위치는 그의 길이를 따라서 변할 수 있어서 가장 뾰족한 출력 신호 피크가 발생되는 최적점에 위치될 수 있도록 한다. 마이크로폰(4)은 접착제(43)를 사용하여 스핀들(42) 내의 최적 위치에 고정된다. 공진 주파수에서 불안요소를 발생시킬 수 있는 불규칙한 모양으로 건조될 수 있기 때문에, 상기 접착제가 공진기 캐비티(cavity)에 들어가지 않도록 하는 것이 바람직하다. 상기 마이크로폰(4)에는 접착제가 공진기에 들어가는 것을 방지하기 위하여 실질적으로 스핀들(42)의 내부 직경과 동일한 외부 직경을 갖는 림(rim, 45)이 제공되는 것이 바람직하다. 대안으로, 상기 마이크로폰(4)이 스핀들에 꼭 맞도록 할 수 있다. 상기 마이크로폰(4)은 전기 접속(46)을 통해서 구동 전자장치(1)에 접속된다.
확성기(2)는 도 3에 도시된 상기 마이크로폰(4)과 같은 방법으로 부착될 수있지만, 이번 실례에서는 도 4에 도시된 바와 같이 공진기의 내부로부터의 특정한 거리에 고정되었다.
도 4에서, 약 2㎜ 길이인 스핀들(21)은 공진기(3) 외벽의 일부분에 부착되거나 외벽의 일부분으로서 형성되고, 스핀들(21)과 공진기벽를 통과하여 1.5㎜의 통로(22)로 구멍이 뚫리고 부스러기가 제거된다. 상기 확성기(2)는 상기 스핀들(21)의 외부에 부착되어 상기 통로(22)를 덮는다. 접착제가 통로(22)에 들어가지 않도록 하면서, 접착제를 사용하여 상기 확성기는 스핀들(21)에 고정되고, 전기 접속(23)을 통하여 필터링 및 증폭 전자장치(5)에 전기적으로 접속된다.
마이크로폰과 확성기의 위치는 가장 뾰족한 출력 피크를 얻기 위하여 모두 변할 수 있거나, 또는 마이크로폰 또는 확성기 중의 하나는 가변인 다른 한쪽의 위치에 고정될 수 있다.
예를 들어, 다른 효과적인 반지름을 제조하는 가공 허용오차에 기인한 각각의 공진구의 약간의 변화요인 때문에, 각각의 공진기는 하기의 식을 사용하여 각각 보정된다.
여러 가지 적당한 방법을 사용하여 측정되거나 GASVLE와 같은 기체의 특성을 예상하기 위한 컴퓨터 모델을 사용하여 확인된, 음속(c)이 알려진 기체를 사용하여 각각의 공진기는 보정된다. 그 다음, 공진기에서 보정되는 음속이 알려진 기체에 대한 공진 주파수(f)가 측정되며, 상수(K)는 알려져 있다. 상기 보정된 공진기와함께 그와 관련된 상수(K)를 사용하여 상기 측정된 공진 주파수로부터 어떤 기체에 대해서도 음속이 결정된다. 이것은 약 0.1%의 정확도를 제공한다. 상기 공진기의 부피에 영향을 미치는 주변온도의 변화에 대한 보상에 의해서, 기체의 음속은 약 0.05%의 더 좋은 정확도로 결정될 수 있다.
상기 확성기는 공진기(3)의 제 1 비방사(non-radial) 공진 피크의 주파수를 포함하기에 적합한 주파수 범위에 대하여 사인곡선의 신호를 제공하기 위하여 도 1에서 도식적으로 나타낸 전자회로(1)에 의해서 구동된다. 상기 확성기는 주파수 쓸기(frequency sweep)에서 구동된다. 마이크로폰은 도 5에 도식적으로 도시된 바와 같이 상기 확성기가 전자장치에 기인하여 약간의 지연으로 구동되고 있는 주파수에 대응하는 필터링되고 증폭된 출력전압을 제공한다. 상기 마이크로폰이 가장 큰 출력 전압을 발생하는 주파수는 도 5에 도시된 20℃에서의 8860㎐인 비방사 공진 주파수에서 결정된다.
연속적인 주파수 범위에 대한 사인파와 유사한 파형의 발생은 하기에 기술된다.
도 6과 7에 도시된 바와 같이, 클럭 신호(101)가 전압 제어 오실레이터로부터 라인(111)을 통하여 마이크로프로세서(110)에 적용된다. 히타치 HD6473048F16 과 같은 어떤 적절한 마이크로프로세서도 사용될 수 있다. 상기 마이크로프로세서(110)는 라인(111)로부터의 입력 클럭 신호(101)를 처리하여 각각 라인(112, 113 및 114) 상에 있는 신호와 주파수가 동일한, 도 6에 도시된 펄스폭 변조(PWM)신호(102, 103 및 104)를 발생시킨다. 상기 PWM 신호(102, 103 및 104)는 이번 실례에서 저항기(115, 116, 117)로 구성된 가중 가산 장치를 사용하여 서로 결합되어, 라인(118)을 통하여 사인파와 유사한 파형을 발생시킨다. 도 6에 도시된 사인파와 유사한 파형은 각각 일정한 듀티 사이클(duty cycle)(온시간 퍼센트 대 오프시간 퍼센트)을 갖는 PWM 신호(102, 103, 104)와 동일한 주파수를 갖는다.
이번 실례에서, 사인파와 유사한 합성된 파형(105)의 각각의 사이클은 클럭 신호(101)의 16사이클과 일치하지만, 8사이클이나 32사이클 또는 다른 적합한 양이 될 수 있다. PWM 신호(102)의 상승에지(edge)(121)와 하강에지(122)는 각각 클럭 신호(101)의 6번째와 10번째 사이클의 완결로 트리거(trigger)된다. PWM 신호(103)의 상승에지(131)와 하강에지(132)는 각각 클럭 신호(101)의 4번째와 12번째 사이클의 완결로 트리거된다. PWM 신호(104)의 상승에지(141)와 하강에지(142)는 각각 클럭 신호(101)의 2번째와 14번째 사이클의 완결로 트리거된다.
그 다음, 각각의 PWM 신호(102, 103 및 104)는 각각 가중 저항기(115, 116, 117)를 통과한다. 저항기(115, 116, 117) 값의 비율은 전체적으로 사인파와 가장 유사한 파형을 제공하기 위하여 선택되고, 이번 실례에서는 51㏀의 저항기(115), 36㏀의 저항기(116) 및 51㏀의 저항기(117)가 사용되었다.
PWM 사각파로부터 사인파와 유사한 파형을 발생시키기 위하여, 제 3, 제 5, 제 7 등등의 고조파를 억제하는 한편, 제 1 고조파를 유지하는 것이 바람직하다. 도 6에서 설명된 바와 같은 상기의 방법을 사용하여, 제 3 및 제 5 고조파는 저항기 허용오차에 기인한 여러 가지 잔류효과로부터 분리되어 본질적으로 제거된다.본 발명의 실례에서, 사인파 발생장치는 7.5㎑ - 11.8㎑ 범위의 사인파를 발생하여 확성기(2)를 구동시키기 위하여 사용될 것이고, 상기 확성기로부터 전송된 신호는 마이크로폰(4)에 의해서 검출될 것으로 생각된다. 이러한 방법으로 사용될 때, 이들 고조파에 기인한 전송 신호가 상기 마이크로폰의 대역필터 한계 밖에 놓여야 하기 때문에, 제 7 및 그 이후의 고조파는 이들 고조파의 영향를 제거하기 위하여 더 이상의 필터링 또는 조절이 필요하지 않은 레벨로 감소된다. 상기 장치가 더 낮은 주파수에서 사인파를 발생하기 위하여 사용될 경우, 제 7 및 그 이후의 고조파의 영향은 저역 필터링 또는 더 많은 펄스폭 변조 신호를 사용하여 제거되거나 감소되어 사인파와 더 유사한 파형을 발생시킬 수 있다.
각각의 저항기(115, 116, 117)로부터의 출력신호는 공통선(118)에서 결합되어 도 6에 도시된 사인파와 유사한 파형(105)을 발생시킨다. 상기 신호(105)는 공통선(118)과 어스(earth) 사이에 접속된 콘덴서(109)에 의해서 저역 필터링되어 접속점(120)에서 검출된다.
도 8은 161에서 진동 출력신호를 발생시키는 전압제어 오실레이터(160)를 도시하며, 상기 오실레이터의 주파수는 입력(162)에 적용된 구동신호의 전압에 따라 좌우된다. 어떤 디바이스라도 아날로그 입력값에 의존하는 출력 주파수가 적절하다.
본 발명의 실례는 아날로그 디바이스 AD654 전압 대 주파수 변환기를 사용한다. 상기 AD654의 블럭도가 도 8에 도시되어 있다. 다양한 동작의 증폭기(163)는 입력 스테이지로서 동작한다. 상기 증폭기의 목적은 입력 전압 신호(162)를 구동전류로 변환하고 비교하기 위한 것이다. 구동 전류는 전류 대 주파수 변환기(비안정 멀티바이브레이터)(165)로 전달된다. 변환기(165)의 출력은 트랜지스터(164)를 제어한다.
도 8의 접속도에서, 입력 증폭기(163)는 매우 높은 임피던스(250㏁)를 162에 있는 입력 전압에 제공하고, 입력 전압은 핀 3에 있는 스케일링 저항기(167)에 의해서 적절한 구동 전류로 변환된다. 이번 실례에서, 저항기(167 및 168)는 1.2㏀의 저항을 갖는다.
도 7에 도시된 출력 접속점(120)에서 발생된 사인파와 유사한 파형의 주파수는 온도와 전기부품의 성능의 변화요인에 기인하여 도 8에 도시된 입력(162)에 적용된 구동 신호의 전압으로부터 항상 정확히 추정될 수 없다. 결과적으로, 또한 마이크로프로세서(110)는 PWM 신호(102, 103 및 104)를 각각 전송하는 라인(112, 113 또는 114)의 어느 곳에도 연결될 수 있고, PWM 신호는 이후에 설명될 사인파와 유사한 출력 파형과 같은 동일한 주파수로 된다. 상기 마이크로프로세서는 1초와 같은 주어진 시간 동안에 선택된 PWM 신호의 사이클의 수를 계수한다. 그 다음에, 상기 사인파의 실제 출력 주파수가 정확히 결정될 수 있다. PWM 신호가 더 좋은 결과의 제공을 쉽게 계수할 수 있는 더 정확히 한정되고 명확한 온/오프 상태를 가질 때, 상기 마이크로프로세서(110)는 주어진 시간 동안에 사인파와 유사한 파형(105)의 사이클보다 오히려 PWM 신호(102, 103, 104)의 사이클의 수를 계수한다.
대안으로, 상기 마이크로프로세서(110)는 주어진 시간 동안에 상기 클럭 신호(101)의 사이클의 수를 계수할 수 있고, 이로부터 각각의 PWM 신호 사이클을 발생하는데 요구되는 클럭 신호 사이클의 수로 나눔으로써 사인파의 주파수를 결정할 수 있다.
대안 또는 추가해서, 상기 마이크로프로세서는 미리 결정된 클럭 사이클의 수 또는 PWM 사이클의 수를 발생시키는데 소요된 시간을 측정할 수 있고, 이로부터 사인파와 유사한 파형의 주파수를 계산할 수 있다.
오실레이터(160)가 일정한 주파수 범위로 진동 신호를 발생할 때, 사인파는 일정한 주파수 범위로 발생될 수 있다.
사인파와 유사한 파형을 발생하기 위하여 마이크로프로세서와 결합되는, 쉽게 이용 가능하고, 소형(AD 654용 9.91㎜ × 7.87㎜ × 4.57㎜인 8핀 플라스틱 DIP 형태 또는 4.90㎜ × 3.91㎜ × 2.39㎜인 8핀 SOIC 형태)이며, 값이 싼 디바이스인 가변 주파수 사각파 발생 오실레이터의 사용은 일정한 주파수 범위에 대해서 사인파와 유사한 파형을 발생시킬 수 있고 소형인 디바이스의 제작을 가능하게 하여, 예를 들어 소형 프로브(probe) 상에 또는 소형 하우징 내에 부착될 수 있다. 마이크로프로세서는 일반적으로 다른 목적으로 많은 프로브나 전자 시스템에 사용되기 때문에, 일정한 주파수 범위에 대하여 사인파와 유사한 파형을 발생시키는데 요구되는 유일한 부가적인 스페이스는 소형의 가변 주파수 사각파 발생 오실레이터에 대한 것이다.
상기 오실레이터는 전압 제어 오실레이터일 필요는 없지만, 일정한 주파수 범위를 갖는 신호를 제공하기 위하여 배치된 어떤 디바이스도 될 수 있다.
상기 사인파와 유사한 파형은 3개의 PWM 신호로부터 발생될 필요는 없지만 사인파와 유사한 파형의 요구 수준을 따르는 어떤 적절한 수의 신호로부터 발생될 수 있다. 더 나아가, 사인파의 각각의 사이클은 16의 클럭 사이클과 일치할 필요는 없지만 8, 32 또는 어떤 적절한 수의 사이클이 될 수도 있다.
빠르고 정확하게 상기 공진 주파수(마이크로폰에 의해서 발생된 신호의 진폭이 최대인 주파수)를 결정하기 위하여, 초기의 빠르고 거친 주파수 쓸기가 도 9의 S1으로 도시된 바와 같이 발생할 수 있는 주파수 범위에 대해서 만들어진다(이번 실례에서는 10 - 15㎐ 스텝). 마이크로프로세서와 같은 제어수단은 최대 주파수가 발생하는 초기의 거친 주파수 쓸기 내에서 더 좁은 주파수 범위를 확인한다. 그 이상의 주파수 쓸기(S2)는 최대 주파수가 발생되는 주파수를 정확하게 결정하기 위하여 공진 주파수를 확인하면서 이 확인된 좁은 주파수 범위 내에서 더 작은 주파수 스텝(이번 경우에는 1㎐)으로 만들어진다.
더 좁은 주파수 범위를 통해서 거칠고 날카로운 주파수 쓸기의 상기 결합을 사용할 때, 정확한 공진 주파수 값은 예를 들면 수분의 1초 이내로 빠르게 결정될 수 있다. 마이크로프로세서와 같은 제어수단은 잡음에 기인한 에러를 감소시키기 위하여 차후의 검출 주파수 값(S3)의 평균을 구할 수 있다. 그 다음, PWM 신호의 주파수는 공진시 확성기를 구동시키는 발생 사인파의 주파수를 나타내기 위하여 S4에서 결정될 수 있다.
공진 주파수의 결정은 지금부터 상세하게 설명될 것이다.
이번 경우에, 앞서 기술된 PWM 신호를 발생하는 상기 마이크로프로세서(110)인 마이크로프로세서는 공진기 내에서 기체의 공진 주파수를 결정하기 위하여 알고리즘을 실행하는데 사용된다. 마이크로프로세서(110) 대신에 PC가 적절한 플러그인 데이타 취득 카드로 사용될 수 있다.
상기 공진 주파수를 결정하기 위하여, 도 10에 도시된 바와 같이 마이크로프로세서(110)는 아날로그 출력(201), 디지탈 입력(202) 및 아날로그 입력(203)을 갖는다.
상기 아날로그 출력(201)은 확성기(2)에 적용되는 주파수를 제어하기 위하여 도 8에 도시되어 있는 전압을 주파수로 변환하는 변환기(160)의 입력(162)에 접속되어 있다. 이번 실례에서, 아날로그 출력(201)은 두개의 출력(도시되지 않은)으로 구성되고, 두개의 출력은 모두 전압을 주파수로 변환하는 변환기(160)의 입력(162)에 연결된다. 하나의 출력은 거친 주파수 쓸기를 제어하고, 다른 하나는 날카로운 주파수 쓸기를 제어한다. 분해능의 요구 수준을 제공하기 위하여, 두 출력의 각각은, 이번 실례에서는 마이크로프로세서 내에 제공되어 있는 디지탈을 아날로그로 변환하는 변환기 및 적절한 저항기를 통과한다. 이번 실례에서, 거친 주파수 제어를 위한 저항기의 저항은 36㏀이고, 날카로운 주파수를 제어하기 위한 저항기의 저항은 2.2㏁이다.
상기에 설명된 바와 같이, 확성기를 구동하는 사인파와 유사한 파형의 주파수는 온도 변화요인과 전기부품의 성능에 기인하여 아날로그 출력(201)에서 나오는 구동 신호의 전압으로부터 항상 정확하게 추정될 수 없다. 따라서, 확성기(2)를 구동하는 사인파와 유사한 파형과 동일한 주파수를 갖는 각각의 PWM 신호(102,103, 104)중의 하나의 신호 또는 클럭 신호(101)가 마이크로프로세서(110)에 대한 디지탈 입력(202)에 적용되어 상기에 기술된 바와 같은 사인파와 유사한 파형(105)의 주파수를 계산할 수 있다.
아날로그 입력(203)은 마이크로폰에 의해 수신되고 있는 신호의 진폭을 나타내고, 외부의 아날로그를 디지탈로 변환하는 변환기를 통해서 마이크로프로세서(110)에 접속된다. 공진 주파수의 찾아내는 과정은 아날로그 입력(203)이 최대인 주파수를 확인하는 과정이다.
공진 주파수를 찾아내는 과정은 4개의 스테이지로 나누어질 수 있다. 먼저, 3개의 스테이지(S1, S2, S3)는 각각 공진을 찾기 위하여 확성기의 주파수를 변경하는 단계을 포함한다. 공진이 발견되었을 때, 최종 스테이지(S4)는 공진 주파수를 측정한다.
제 1 스테이지(S1)는 아날로그 출력 전압(201)의 각각의 스텝에 대한 아날로그 입력(203)의 하나의 판독값에 대해서 얻을 수 있는 허용 주파수 범위를 통과하는 고속 스캔이다. 상기 허용 주파수 범위는 비방사 공진이 기체 혼합, 온도 및 압력의 예상 결합에 대하여 발생해야 하는 그런 주파수로 상기 스캔을 제한하기 위하여 선택된다. 허용 범위의 한계는 공진 주파수를 찾기 위하여 소요되는 시간을 줄이기 위하여 부여되고, 또한 원하지 않는 공진 피크를 찾아내는 위험을 줄이기 위하여 부여된다. 비록 아날로그 출력(201)으로부터의 제어전압과 마이크로폰 주파수 사이의 정확한 관계가 알려지지 않았지만, 상기 허용 범위의 주파수 한계를 공진을 찾기 위한 범위의 한계 내로 설정하는데 사용되도록 충분히 비슷해질 수 있다. 본 발명의 실례에서, 상기 주파수 범위는 각각의 방향으로 전체 5100 마이크로폰 샘플을 발생하는 100,000 샘플/sec 의 마이크로폰 샘플링 비율과 86㎑/sec의 주파수 스캔 비율로 7.5㎑에서 11.8㎑(4.3㎑)까지이다.
공진 주파수를 찾아내기 위하여, 상기 프로세서는 입력(203)에서 마이크로폰으로부터의 신호의 진폭에 있는 피크를 찾아내기 위하여 배치되어, 그 때 사용되고 있는 주파수 제어전압을 확인한다.
출력(201)에서 주파수 제어전압의 변화의 결과로서, 입력(203)에서 마이크로폰으로부터 출력된 신호의 진폭의 변화를 발생하기 위해 하드웨어가 소비하는 한정된 시간을 계산하기 위하여, 제 1 스테이지(S1)의 고속 스캔은 아날로그 출력 전압(201)의 범위를 통한 위로의 제 1 스캔과 아날로그 출력 전압의 동일한 범위를 통한 아래로의 제 2 스캔을 포함한다. 명확하게, 다른 방법으로, 제 1 스캔은 아날로그 출력 전압의 범위를 통해서 아래로 실행되고, 제 2 스캔은 상기 범위를 통해서 위로 실행될 수 있다. 위로 스캔할 때, 피크가 검출될 때 적용되는 주파수 제어전압(201)은 응답시간에 기인하여 발생하는 상기 피크의 원인이 된 전압보다 약간 더 높아질 것이다. 아래로 스캔할 때, 주파수 제어전압(201)은 상기 피크 전압보다 약간 더 낮아질 것이다. 상기 응답시간이 두 스캔 방향에 대하여 동일하다고 가정할 때, 상기 두 전압의 평균은 공진시 실제 전압을 제공할 것이다.
하드웨어의 한정된 응답시간을 계산하는 제 2 방법은 반대 방향으로 제 1 및 제 2 스캔을 하는 상기의 방법과 관련되어 도 11에 도시된다. 제 2 방법은 상기 응답시간(T)에 대한 예상 값을 사용하여 수신된 마이크로폰 데이타 값(M)의피크(301)를 주파수 제어전압(V)으로 대응시키고, 상기 주파수 제어전압은 시간(302)을 갖는 예상 응답시간(T) 및 주파수 제어전압의 특성에 따라서 도 11에서 파선으로 표시된 것과 같은 마이크로폰 데이타 값을 발생시켰다. 결과적으로, 상기 주파수 제어전압(V)이 시간(t1)에서 스캔을 종료한 후, 잠깐 동안 상기 마이크로폰은 계속해서 데이타를 수집한다. 이러한 제 2 방법은 도 11에 도시된 주파수 제어전압(302)의 위쪽 방향 스캔에서의 피크(301)와 같이 마이크로폰 데이타(M)의 수집이 주파수 제어전압(302)의 스캐닝과 일치했다면, 놓쳤을지도 모르는 스캔 한계의 종단 부근에 놓여있는 피크의 발견을 가능하게 한다. 만약 예상 응답시간이 정확하다면, 위쪽 및 아래쪽의 각각의 스캔에서 공진 피크를 발생하는 전압에 대하여 알려진 X, Y 값은 정확히 같을 수 있다. 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 주파수 제어전압의 위쪽 및 아래쪽의 값이 약간 다를 경우에, 상기 예상 값은 약간 부정확할 수 있어서 평균으로 구해질 것이다.
제 2 스테이지(S2)는 제 1 스테이지에서 공진 피크를 포함하는 것으로 확인된 더 작은 주파수 범위에 대한 것을 제외하고 제 1 스테이지의 스캐닝 방법을 사용한다. 제 2 스테이지는 제 1 스테이지에 의해 얻어진 공진시의 주파수 제어전압에 대한 값을 제 2 스테이지의 더 작은 주파수 스캔 범위에 대한 중심점으로서 사용한다. 이번 실례에서 제 2 스테이지의 주파수 스캔 범위는 150.5㎐이다.
그러나, 제 1 스캔의 결과가 제 2 스테이지에 대한 상기 주파수 제어전압 범위의 하나의 종단 한계에 너무 가까워서 중심점으로서 사용할 수 없을 수 있다.이러한 경우에, 제 2 스테이지의 스캔은 적절한 주파수 제어전압 범위의 종단 한계에 고정될 것이다.
또한, 제 2 스테이지에 대한 주파수 제어전압 스텝의 크기는 다르다. 속도에 대하여, 제 2 스테이지가 훨씬 정확한 공진 주파수 값을 발생하는데 반해서 제 1 스테이지는 충분한 주파수 제어전압 분해능을 사용하지 않는다.
또한, 제 2 스테이지는 시간에 따라서 확성기 주파수의 더 느린 변화율을 사용한다. 이번 경우에는, 제 1 스테이지에서 사용된 86.0㎑/sec보다 오히려 2.15㎑/sec가 사용된다. 이번 실례에서, 또한 제 2 스테이지의 마이크로폰 샘플링 비율은 전체적으로 1800 마이크로폰 샘플링을 발생시키는 25,000샘플/sec로 더 낮아진다.
최종값은 마이크로폰 데이타의 평균을 구해서 신뢰할 수 있는 결과를 발생시키는 추가 스캔을 사용하는 제 3 스테이지를 사용하여 얻어진다. 제 2 스테이지와 마찬가지로, 제 3 스테이지는 앞선 스캔에 의해 얻어진 결과를 그의 중심점으로 사용한다. 제 2 스테이지 스캔의 결과가 제 3 스테이지에 대한 주파수 제어전압 범위의 종단 한계에 너무 가까워서 그것을 중심점으로 사용할 수 없다면, 제 3 스캔은 그의 주파수 제어전압 범위의 적절한 종단 한계에 고정될 수 있다. 그러나, 제 3 스테이지의 스캔은 이전 스테이지의 스캔보다 더 느리고 더 꼼꼼하다. 그러므로, 제 3 스테이지는 더 적은 주파수 제어전압 값의 범위, 일반적으로 24이하, 이번 경우에는 21의 범위를 포함한다. 각각의 값에 대하여, 상기 아날로그 출력(201)이 설정되고, 그 다음으로 회로가 수 밀리초(㎳)동안, 이번 경우에는 5밀리초 동안 정착된다. 정착시간이 경과했을 때, 마이크로폰 전압의 주어진 샘플의 수, 이번 경우에는 20이 얻어지고, 합계가 구해진다. 각각의 주파수 제어전압 값과 확인된 피크 값에 대하여 상기 과장이 반복된다.
마지막 제 4 스테이지(S4)는 공진값에서 상기 주파수를 유지하는 것을 포함하고 디지탈 입력(202)에 제공된 클럭 신호(101) 또는 PWM 신호(102, 103, 104)를 사용하여 확성기(2)를 구동시키는 신호의 주파수를 측정하는 것을 포함한다.

Claims (20)

  1. 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치에 있어서,
    각각 미리 결정된 듀티 사이클(duty cycle)을 갖고 다른 펄스폭 변조 신호와 주파수가 동일한 다수의 펄스폭 변조 신호를 클럭 신호로부터 발생시키는 수단, 및
    상기 펄스폭 변조 신호와 동일한 주파수를 갖는 사인파와 유사한 파형을 발생시키기 위해 상기 발생된 펄스폭 변조 신호를 결합하는 수단을 포함하고,
    상기 클럭 신호는 연속적인 주파수 범위에 대해서 클럭 신호를 발생하기 위하여 배치된 오실레이터에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오실레이터는 입력 제어 전기 신호의 변화의 결과로서 출력 클럭 신호 주파수의 변화를 발생시키기 위하여 배치된 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변인 입력 제어 전기 신호는 아날로그 신호인 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발생된 펄스폭 변조 신호를 결합하는 수단은 가중 가산 장치인 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사인파와 유사한 파형은 저역필터를 통과하도록 배치된 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사인파와 유사한 파형의 주파수를 계산하기 위하여 특정한 시간 동안의 펄스폭 변조 신호의 사이클수 또는 클럭 신호의 사이클수를 계수하기 위한 계수(counting) 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사인파와 유사한 파형의 주파수를 계산하기 위하여 특정한 펄스폭 변조 신호 사이클수 또는 클럭 신호 사이클수를 발생시키는데 소비된 시간을 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 펄스폭 변조 신호를 발생하기 위한 수단이 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사인파와 유사한 파형에 의해 구동되도록 배치된 확성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 장치.
  10. 첨부된 도면을 참고하여 상기에 기술된 것과 실질적으로 같은 장치.
  11. 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법에 있어서,
    각각 미리 결정된 듀티 사이클을 갖고 서로 동일한 주파수인 다수의 펄스폭 변조 신호를 클럭 신호로부터 발생시키는 단계, 및
    상기 펄스폭 변조 신호와 동일한 주파수를 갖는 사인파와 유사한 파형을 발생시키기 위해 상기 발생된 펄스폭 변조 신호를 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 클럭 신호는 연속적인 주파수 범위에 대해서 클럭 신호를 발생하기 위하여 배치된 오실레이터에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 오실레이터는 입력 제어 전기 신호의 변화의 결과로서 출력 클럭 신호주파수의 변화를 발생시키기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가변인 입력 제어 전기 신호는 아날로그 신호인 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 신호는 가중 가산 장치를 사용하여 결합되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사인파와 유사한 파형이 저역 필터링되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사인파와 유사한 파형의 주파수는 특정한 시간 동안에 발생된 펄스폭 변조 신호들 중의 하나의 사이클수 또는 클럭 신호의 사이클수를 계수하여 결정되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사인파와 유사한 파형의 주파수는 미리 결정된 펄스폭 변조 신호 사이클수 또는 클럭 신호 사이클수를 발생시키는데 소비된 시간을 측정하여 결정되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 신호는 마이크로프로세서에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사인파와 유사한 파형은 확성기를 구동시키기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 사인파와 유사한 파형을 합성하는 방법.
  20. 첨부된 도면을 참고하여 상기에 기술된 것과 실질적으로 같은 방법.
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