WO2016076067A1 - ピーク値検出装置、及び、ピーク値検出方法 - Google Patents

Abstract

　ピーク値検出装置（１）を構成する演算処理部（３０）は、Ａ／Ｄ変換器（２０）により変換された、正弦波の１周期分のディジタルデータの平均値を演算し、正弦波信号のオフセットを取得するオフセット取得部（３０１）と、正弦波信号のディジタルデータからオフセットを補正するオフセット補正部（３０２）と、オフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータの２乗平均を２倍した後、平方根を取り、正弦波信号のピーク値を取得するピーク値取得部（３０３）とを備える。

Description

ピーク値検出装置、及び、ピーク値検出方法

　本発明は、ピーク値検出装置、及び、ピーク値検出方法に関する。

　従来から、信号波形の最大値（ピーク値）を検出するピーク値検出技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、特許文献１には、ＡＤ変換器でアナログ入力波形信号をディジタルデータに変換し、最大値抽出部でデータの最大値（ピーク値）を検出するピーク値検出技術が開示されている。

　より具体的には、このピーク値検出技術は、アナログ入力波形信号を第１のクロック信号のタイミングでディジタルデータに変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器からのデータ（入力Ａ）とラッチ回路からのデータ（入力Ｂ）との大小を比較するコンパレータと、コンパレータからの出力（比較結果）と第２のクロック信号とに応じてラッチ回路のイネーブル信号を出力するＯＲ回路と、ＡＤ変換器からのディジタルデータを第１のクロック信号のタイミングでラッチするラッチ回路と、ラッチ回路からの最大値のディジタルデータを第２のクロック信号のタイミングで記憶するメモリ回路とを備えて構成されている。なお、上記構成において、コンパレータとＯＲ回路とラッチ回路とで最大値抽出部が構成されている。

特開平０７－１２０５０５号公報

　ところで、一般的に、信号波形を増幅する例えばオペアンプでは、オフセットや部品バラつきを有しており、このオフセットや部品バラつきが、ピーク値を検出する際の誤差要因となることがある。また、信号処理回路の位相遅れにより信号波形のピーク値がずれることがあり、この位相ずれも誤差要因となり得る。しかしながら、上述した特許文献１に記載のピーク値検出技術では、いずれの誤差についても考慮されていない。

　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、正弦波信号のピーク値をより高精度に検出することが可能なピーク値検出装置、及び、ピーク値検出方法を提供することを目的とする。

　本発明に係るピーク値検出装置は、アナログの正弦波信号をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器により変換された、正弦波の１周期分のディジタルデータの平均値を演算し、正弦波信号のオフセットを取得するオフセット取得手段と、正弦波信号のディジタルデータから、オフセット取得手段により取得されたオフセットを補正するオフセット補正手段と、オフセット補正手段によりオフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータに基づいて、正弦波信号のピーク値を取得するピーク値取得手段とを備えることを特徴とする。

　また、本発明に係るピーク値検出方法は、アナログの正弦波信号をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換ステップと、Ａ／Ｄ変換ステップにおいて変換された、正弦波の１周期分のディジタルデータの平均値を演算し、正弦波信号のオフセットを取得するオフセット取得ステップと、正弦波信号のディジタルデータから、オフセット取得ステップにおいて取得されたオフセットを補正するオフセット補正ステップと、オフセット補正ステップにおいてオフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータに基づいて、正弦波信号のピーク値を取得するピーク値取得ステップとを備えることを特徴とする。

　本発明に係るピーク値検出装置又はピーク値検出方法によれば、正弦波の一周期分のディジタルデータの平均値が演算されて正弦波信号のオフセットが取得され、ディジタルデータからオフセットが補正される。また、オフセットが逐次算出されため、オフセットが変動したとしても、オフセットの影響を排除することができる。その結果、正弦波信号のピーク値をより高精度に検出することが可能となる。なお、ここで、正弦波には、位相がずれた波、例えば、余弦波等も含むものとする。

　本発明に係るピーク値検出装置では、ピーク値取得手段が、オフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータの２乗平均を２倍した後、平方根を取り、正弦波信号のピーク値を取得することが好ましい。

　また、本発明に係るピーク値検出方法では、ピーク値取得ステップにおいて、オフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータの２乗平均を２倍した後、平方根を取り、正弦波信号のピーク値を取得することが好ましい。

　この場合、正弦波の一周期分のディジタルデータの２乗平均が２倍された後、その平方根が求められて、正弦波信号のピーク値が取得される。そのため、位相遅れに影響されることなく、ピーク値を取得することができる。よって、正弦波信号のピーク値をより高精度に検出することが可能となる。

　本発明に係るピーク値検出装置では、オフセット取得手段が、次式（１）に基づいて、オフセットｋを取得することが好ましい。

　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）＋ｋ　であり、
　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、ｋ：オフセット、である。

　また、本発明に係るピーク値検出方法では、オフセット取得ステップにおいて、次式（１）に基づいて、オフセットｋを取得することが好ましい。

　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）＋ｋ　であり、
　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、ｋ：オフセット、である。

　この場合、上式（１）を用いて、正弦波の一周期分のディジタルデータの平均値を演算することにより、正弦波信号のオフセットｋを適確に取得することが可能となる。

　本発明に係るピーク値検出装置では、ピーク値取得手段が、次式（２）に基づいて、正弦波信号のピーク値Ａを取得することが好ましい。

　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）　であり、
　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、である。

　また、本発明に係るピーク値検出方法では、ピーク値取得ステップにおいて、次式（２）に基づいて、正弦波信号のピーク値Ａを取得することが好ましい。

　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）　であり、
　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、である。

　この場合、上式（２）を用いて演算することにより、正弦波信号のピーク値Ａを適確に取得することができる。ここで、上式（２）中には位相θが含まれないため、位相遅れに影響されることがない。よって、位相遅れに伴う誤差を排除／解消することが可能となる。

　本発明によれば、正弦波信号のピーク値をより高精度に検出することが可能となる。

実施形態に係るピーク値検出装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係るピーク値検出装置に入力される正弦波の一例を示す図である。 実施形態に係るピーク値検出装置によるピーク値検出処理の処理手順を示すフローチャートである。 実施形態に係るピーク値検出装置の評価結果（ピーク値測定精度）の一例を示す図である。

　以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

　まず、図１を用いて、実施形態に係るピーク値検出装置１の構成について説明する。図１は、ピーク値検出装置１の構成を示すブロック図である。

　ピーク値検出装置１は、入力される正弦波信号のピーク値をより高精度に取得するものである。ここで、正弦波信号は、図２に示されるように、Ａ（Ｖ）のピーク電圧値、θ（ｄｅｇ）の位相ずれ、およびｋ（Ｖ）のオフセット電圧を有するものと仮定する。

　ピーク値検出装置１は、アンチエイリアスフィルタ１０、Ａ／Ｄ変換器２０、及び演算処理部３０を備えている。また、演算処理部３０は、オフセット取得部３０１、オフセット補正部３０２、及びピーク値取得部３０３を有している。以下、各構成について詳細に説明する。

　アンチエイリアスフィルタ１０は、サンプリング時に発生するおそれのある折り返し雑音を低減するために、サンプリング周波数の半分（ｆｓ／２）を超える周波数成分を除去するローパスフィルタである。なお、アンチエイリアスフィルタ１０から出力されるフィルタリング後の正弦波信号は、Ａ／Ｄ変換器２０に出力される。

　Ａ／Ｄ変換器２０は、入力された正弦波信号（交流信号）を量子化（ディジタル変換）して正弦波信号の量子化値（ディジタル値）を取得する。すなわち、アナログの正弦波信号をディジタルの正弦波データに変換する。ここで、Ａ／Ｄ変換器２０のサンプリング周期は、サンプリング定理を満足するように、すなわち、１周期にデータが３点以上取得できるように設定される。また、離散値のため、正弦波の周波数とサンプリング周波数とが割り切れるように設定される。なお、Ａ／Ｄ変換器２０により、Ａ／Ｄ変換された正弦波データは、演算処理部３０に出力される。

　演算処理部３０は、正弦波データを処理して、正弦波信号のピーク値を取得するものである。そのため、演算処理部３０は、入力された正弦波データに対して演算処理を行うＣＰＵ、プログラムやデータ等を記憶するＲＯＭ、演算結果などの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ、記憶内容が保持されるバックアップＲＡＭ等を有して構成されている。演算処理部３０では、ＲＯＭ等に記憶されているプログラムが、ＣＰＵによって実行されることにより、オフセット取得部３０１、オフセット補正部３０２、及びピーク値取得部３０３の機能が実現される。

　オフセット取得部３０１は、Ａ／Ｄ変換器２０により変換された、１周期分の正弦波データの平均値を演算して、正弦波信号のオフセットを取得する。すなわち、オフセット取得部３０１は、請求の範囲に記載のオフセット取得手段として機能する。

　より具体的には、オフセット取得部３０１は、次式（１）に基づいて、オフセットｋを取得する。

　　ただし、対象信号ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）＋ｋ　であり、
　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅（＝量子化値×基準電圧／４０９５）、Ｎ：
　　１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番号、Ｔｓ：サンプリング周期、ｋ：オフセット
　　、である。
なお、オフセット取得部３０１により取得されたオフセット値は、オフセット補正部３０２に出力される。

　オフセット補正部３０２は、正弦波データからオフセットを補正、すなわち、オフセットを減算して除去する。オフセット補正部３０２は、請求の範囲に記載のオフセット補正手段として機能する。なお、オフセット補正部３０２によりオフセットが補正（除去）された正弦波データは、ピーク値取得部３０３に出力される。

　ピーク値取得部３０３は、オフセットが補正（除去）された一周期分の正弦波データに基づいて、正弦波信号のピーク値を取得する。すなわち、ピーク値取得部３０３は、請求の範囲に記載のピーク値取得手段として機能する。

　その際に、ピーク値取得部３０３は、オフセットが補正された一周期分の正弦波データの２乗平均を２倍した後、平方根を取り、正弦波信号のピーク値を取得する。

　より具体的には、ピーク値取得部３０３は、次式（２）に基づいて、正弦波信号のピーク値Ａを取得する。

　　ただし、対象信号ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）＋ｋ　であり、
　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅（＝量子化値×基準電圧／４０９５）、Ｎ：
　　１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番号、Ｔｓ：サンプリング周期、である。

　次に、図３を参照しつつ、ピーク値検出装置１の動作、及びピーク値検出方法について説明する。図３は、ピーク値検出装置１によるピーク値検出処理の処理手順を示すフローチャートである。なお、本処理は、所定のタイミングで繰り返して実行される。

　ステップＳ１００（請求の範囲に記載のＡ／Ｄ変換ステップに相当）では、アナログの正弦波信号がディジタルの正弦波データに変換される。

　続くステップＳ１０２（請求の範囲に記載のオフセット取得ステップに相当）では、ステップＳ１００において変換された１周期分の正弦波データの平均値が演算されて、正弦波信号のオフセットが取得される。ここで、ステップＳ１０２では、上述したように、上式（１）に基づいて、オフセットが取得される。

　続いて、ステップＳ１０４（請求の範囲に記載のオフセット補正ステップに相当）では、正弦波データから、ステップＳ１０２において取得されたオフセットが減算されて、オフセットが補正（除去）される。

　そして、ステップＳ１０６（請求の範囲に記載のピーク値取得ステップに相当）では、ステップＳ１０４においてオフセットが補正（除去）された一周期分の正弦波データに基づいて、正弦波信号のピーク値が取得される。ここで、ステップＳ１０６では、上述したように、上式（２）に基づいて、正弦波信号のピーク値が取得される。その後、本処理から一旦抜ける。

　ここで、ピーク値検出装置１の効果を確認するために、正弦波信号のピーク電流値の測定精度を検証した。より具体的には、１ｋＨｚから５０ｋＨｚの周波数範囲において、１１２μＡ、１４８μＡ、２１２μＡ、２９１μＡ、３５０μＡと電流値を変えて、正弦波信号のピーク電流値を取得（測定）し、その測定精度を検証した。検証（評価）方法としては、正弦波信号のピーク電流値を、マルチメータ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製・３４４０１Ａ）を使用して測定し、その測定した値と、ピーク値検出装置１により求められたピーク電流値とを比較した。

　図４に、評価結果（ピーク電流測定精度）の一例を示す。図４に示されたグラフの横軸は各周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は相対誤差率（％）である。図４に示されるように、ピーク値検出装置１によれば、１ｋＨｚから５０ｋＨｚの周波数範囲において、測定精度が±１％（電流値では、±３．５μＡ）に納まることが確認された。

　本実施形態によれば、一周期分の正弦波データの平均値が演算されて正弦波信号のオフセットが取得され、ディジタルデータからオフセットが補正（除去）される。また、オフセットが逐次算出されため、オフセットが変動したとしても、オフセットの影響を排除することができる。また、従来は、入力信号用とオフセット用に２つ（２ｃｈ）のＡ／Ｄ変換器が必要であったが、本実施形態によれば、単一のＡ／Ｄ変換器２０により、正弦波信号のディジタルデータ、及びそのオフセットを取得することができる。その結果、比較的簡易な構成で正弦波信号のピーク値をより高精度に検出することが可能となる。

　また、本実施形態によれば、上述した式（１）を用いて、一周期分の正弦波データの平均値を演算することにより、正弦波信号のオフセットを適確に取得することが可能となる。

　さらに、本実施形態によれば、一周期分の正弦波データの２乗平均が２倍された後、その平方根が求められて、正弦波信号のピーク値が取得される。そのため、位相遅れに影響されることなく、ピーク値を取得することができる。よって、正弦波信号のピーク値をより高精度に検出することが可能となる。

　なお、その際に、本実施形態によれば、上述した式（２）を用いて演算することにより、正弦波信号のピーク値を適確に取得することができる。ここで、上式（２）中には位相θが含まれないため、位相遅れに影響されることがない。よって、位相遅れに伴う誤差を排除することが可能となる。

　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。また、ピーク値検出装置１は、例えば、生体信号波形のピーク値を検出することにも応用可能である。

　１　ピーク値検出装置
　１０　アンチエイリアスフィルタ
　２０　Ａ／Ｄ変換器
　３０　演算処理部
　３０１　オフセット取得部
　３０２　オフセット補正部
　３０３　ピーク値取得部
 

Claims (8)

1. 　アナログの正弦波信号をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、
   　前記Ａ／Ｄ変換器により変換された、正弦波の１周期分のディジタルデータの平均値を演算し、正弦波信号のオフセットを取得するオフセット取得手段と、
   　正弦波信号のディジタルデータから、前記オフセット取得手段により取得されたオフセットを補正するオフセット補正手段と、
   　前記オフセット補正手段によりオフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータに基づいて、正弦波信号のピーク値を取得するピーク値取得手段と、を備えることを特徴とするピーク値検出装置。
2. 　前記ピーク値取得手段は、オフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータの２乗平均を２倍した後、平方根を取り、正弦波信号のピーク値を取得することを特徴とする請求項１に記載のピーク値検出装置。
3. 　前記オフセット取得手段は、次式（１）に基づいて、オフセットｋを取得することを特徴とする請求項１又は２に記載のピーク値検出装置。
   

   

   　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）＋ｋ　であり、
   　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
   　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、ｋ：オフセット、である。
4. 　前記ピーク値取得手段は、次式（２）に基づいて、正弦波信号のピーク値Ａを取得することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のピーク値検出装置。
   

   

   　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）　であり、
   　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
   　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、である。
5. 　アナログの正弦波信号をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換ステップと、
   　前記Ａ／Ｄ変換ステップにおいて変換された、正弦波の１周期分のディジタルデータの平均値を演算し、正弦波信号のオフセットを取得するオフセット取得ステップと、
   　正弦波信号のディジタルデータから、前記オフセット取得ステップにおいて取得されたオフセットを補正するオフセット補正ステップと、
   　前記オフセット補正ステップにおいてオフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータに基づいて、正弦波信号のピーク値を取得するピーク値取得ステップと、を備えることを特徴とするピーク値検出方法。
6. 　前記ピーク値取得ステップでは、オフセットが補正された、正弦波の一周期分のディジタルデータの２乗平均を２倍した後、平方根を取り、正弦波信号のピーク値を取得することを特徴とする請求項５に記載のピーク値検出方法。
7. 　前記オフセット取得ステップでは、次式（１）に基づいて、オフセットｋを取得することを特徴とする請求項５又は６に記載のピーク値検出方法。
   

   

   　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）＋ｋ　であり、
   　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
   　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、ｋ：オフセット、である。
8. 　前記ピーク値取得ステップでは、次式（２）に基づいて、正弦波信号のピーク値Ａを取得することを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載のピーク値検出方法。
   

   

   　　ただし、ｘ［ｉ］＝Ａｓｉｎ（ωｎＴｓ＋θ）　であり、
   　　θ：初期位相、ω：角周波数、Ａ：振幅、Ｎ：１周期のサンプル数、ｎ：サンプル番
   　　号、Ｔｓ：サンプリング周期、である。
    

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