WO2017033962A1 - ゆらぎ発振器、信号検知装置、及び表示装置 - Google Patents

ゆらぎ発振器、信号検知装置、及び表示装置 Download PDF

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WO2017033962A1
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signal
fluctuation
frequency
input signal
fluctuation oscillator
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PCT/JP2016/074623
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輝夫 神吉
浩介 加藤
育志 堀田
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国立大学法人大阪大学
公立大学法人兵庫県立大学
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    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/023Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of differential amplifiers or comparators, with internal or external positive feedback
    • H03K3/0231Astable circuits
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/12Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers
    • G06G7/14Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for addition or subtraction 
    • GPHYSICS
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/84Generating pulses having a predetermined statistical distribution of a parameter, e.g. random pulse generators

Definitions

  • the present invention relates to a fluctuation oscillator that oscillates by giving fluctuation to an input signal, and a signal detection apparatus and a display apparatus including the fluctuation oscillator.
  • Oscillators such as crystal oscillators, Hartley oscillators, Clap oscillators, and astable multivibrators have been known. Since such a conventional oscillator is vulnerable to noise, countermeasures against noise are required. Therefore, a fluctuation oscillator using a stochastic resonator is known as an oscillator that is robust against noise.
  • Patent Document 1 discloses a fluctuation oscillator in which a plurality of stochastic resonators are connected in a ring shape. Patent Document 1 also discloses a fluctuation oscillator in which a feedback loop is provided between the input and output terminals of one stochastic resonator.
  • the fluctuation oscillator has the property of oscillating in synchronization with the input signal. Therefore, the characteristics (for example, frequency) of this input signal can be detected by oscillating the fluctuation oscillator in synchronization with a weak unknown input signal and monitoring the output signal from the fluctuation oscillator.
  • the circuit parameters of the fluctuation oscillator in order to oscillate the fluctuation oscillator in synchronization with a weak unknown input signal, it is necessary to adjust the circuit parameters of the fluctuation oscillator to an appropriate value.
  • the fluctuation oscillator disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of stochastic resonators, it is necessary to individually adjust the parameters of each stochastic resonator and there is a problem that it takes time to adjust the parameters.
  • Patent Document 1 discloses a fluctuation oscillator in which a feedback loop is provided between the input and output terminals of one stochastic resonator, adjusting the strength of a signal flowing in the feedback loop is not considered at all. Therefore, the fluctuation oscillator disclosed in Patent Document 1 has a problem that the circuit parameters cannot be adjusted flexibly and it is difficult to oscillate the fluctuation oscillator so that an unknown weak input signal can be detected.
  • An object of the present invention is to provide a fluctuation oscillator capable of flexibly adjusting circuit parameters, and a signal detection apparatus and a display apparatus using the fluctuation oscillator.
  • a fluctuation oscillator includes an adder that adds a noise signal and a feedback signal to an input signal; A threshold discriminating unit that generates a pulse signal by comparing the added signal to the threshold value; A transient response unit that transiently responds to the generated pulse signal to generate an output signal; A feedback loop for feeding back the output signal to the adder as the feedback signal; An intensity adjusting unit that is provided in the feedback loop and adjusts the intensity of the feedback signal.
  • the strength adjustment unit for adjusting the strength of the feedback signal is provided on the feedback loop, it is easy to adjust the circuit parameters for causing the fluctuation oscillator to oscillate. As a result, it becomes easy to adjust the circuit parameters of the fluctuation oscillator so that an unknown weak input signal can be detected, and it becomes easy to detect an unknown weak input signal.
  • FIG. 10 illustrates an example of a structure of a display device in Embodiment 3. It is the figure which showed an example of the light emission pattern of a display apparatus.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a fluctuation oscillator 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fluctuation oscillator 1 includes a noise generator 11, an adder 12, a threshold determination unit 13, a transient response unit 14, a monitor unit 15, an intensity adjustment unit 16, and a feedback loop 17.
  • the noise generator 11 includes a function generator that generates various noise signals SNS such as Gaussian white noise and thermal noise.
  • the adder 12 receives n (n is a positive integer) types of input signals SI1 to SIn, a noise signal SNS output from the noise generator 11, and a feedback signal S4 output from the intensity adjustment unit 16.
  • the adder 12 superimposes (adds) the input noise signal SNS, the n types of input signals SI1 to SIn, and the feedback signal S4, and outputs the result to the threshold determination unit 13.
  • the noise signal is added to the input signals SI1 to SIn, whereby fluctuations are given to the input signal.
  • the adder 12 includes input terminals 111 to 11n (n is an integer of 2 or more) to which n types of input signals SI1 to SIn are input, a noise terminal 11NS to which the noise signal SNS is input, and a feedback signal S4. Is input to the feedback terminal 11F.
  • the fluctuation oscillator 1 detects an unknown input signal
  • the unknown input signal SI1 to be detected is input to the input terminal 111
  • the input signals SI2 to SIn are input to the input terminals 112 to 11n. Absent. Therefore, the input terminals 112 to 11n may be omitted.
  • the threshold value determination unit 13 compares the addition signal S1 output from the adder 12 with a predetermined threshold value. When the addition signal S1 is equal to or greater than the threshold value, the threshold value determination unit 13 is at a high level. Outputs a low level pulse signal.
  • the pulse signal output from the threshold discrimination unit 13 is described as an ignition pulse signal S2 following the firing of a nerve cell. Further, it is described that the fluctuation oscillator 1 is igniting when the ignition pulse signal S2 is at a high level.
  • the threshold value has hysteresis, and the value when the ignition pulse signal S2 changes from the low level to the high level is different from the value when the ignition pulse signal S2 changes from the high level to the low level.
  • Giving hysteresis to the threshold can be easily realized by configuring the threshold determination unit 13 with, for example, a Schmitt trigger circuit.
  • the transient response unit 14 is configured by, for example, an integrator or a differentiator, and causes the ignition pulse signal S2 output from the threshold determination unit 13 to perform a transient response, and generates a transient response signal of the ignition pulse signal S2 as an output signal S3.
  • the monitor unit 15 monitors the output signal S3.
  • the monitor unit 15 is configured by an information processing device such as a computer, for example, and displays the waveform of the output signal S3 on the display, or detects the frequency of the output signal S3 and displays it on the display. . Thereby, the operator can detect an input signal from the information displayed on the display.
  • the strength adjusting unit 16 is composed of a variable resistor provided on the feedback loop 17, adjusts the strength of the feedback signal S 4, and inputs it to the adder 12.
  • the feedback loop 17 is composed of a line provided between the output terminal 151 and the feedback terminal 11F, and feeds back the output signal S3 to the adder 12 as the feedback signal S4.
  • the output terminal 151 is provided on the output side of the monitor unit 15 and outputs an output signal S3 to the outside.
  • the fluctuation oscillator 1 shown on the left side of FIG. 1 is represented using the symbol on the right side of FIG.
  • the fluctuation oscillator 1 includes the monitor unit 15, but the monitor unit 15 may be omitted.
  • the feedback loop 17 may be connected between the output side of the transient response unit 14 and the feedback terminal 11F.
  • FIG. 2 is a waveform diagram of a signal flowing through the fluctuation oscillator 1
  • section (a) is a waveform diagram of noise signal SNS
  • section (b) is a waveform diagram of output signal S3
  • section (c) is an output. It is a power spectrum of signal S3.
  • the noise signal SNS is a signal whose amplitude changes randomly.
  • an output signal S3 as shown in section (b) is output from the fluctuation oscillator 1.
  • the waveform of the output signal S3 it can be seen that the output signal S3 changes periodically. Therefore, when the noise signal SNS is input to the fluctuation oscillator 1, it can be confirmed that the fluctuation oscillator 1 oscillates.
  • the power spectrum of the output signal S3 decreases in intensity at a constant slope in the region where the frequency is 1 Hz or more, which is the natural frequency of the fluctuation oscillator 1, and the 1 / f fluctuation It can be seen that it has characteristics. Therefore, when the light emitting element is caused to emit light using the output signal S3, the light emitting element can be made to emit light with a light emission pattern that is comfortable for humans. Alternatively, when the actuator is driven using the output signal S3, the control target operated by the actuator can be operated as if it is moving autonomously.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a detailed circuit configuration of the fluctuation oscillator 1 shown in FIG. In FIG. 3, the monitor unit 15 is not shown.
  • the adder 12 includes an operational amplifier A11 having a positive input terminal grounded, resistors R11, R12, and R13 connected to the negative input terminal of the operational amplifier A11, and a resistor R14 provided between the negative input terminal and the output terminal of the operational amplifier A11. And a mixer circuit.
  • the adder 12 adds the noise signal SNS input to the noise terminal 11NS, the input signal SI1 input to the input terminal 111, and the feedback signal S4 input to the feedback terminal 11F.
  • the threshold discriminating unit 13 includes a Schmitt trigger circuit including an operational amplifier A12 and resistors R21 and R22.
  • the positive input terminal of the operational amplifier A12 is grounded via the resistor R22.
  • the operational amplifier A12 has an output terminal and a positive input terminal connected via a resistor R21.
  • the operational amplifier A12 has a negative input terminal connected to the output terminal of the operational amplifier A11.
  • the transient response unit 14 is configured by an integrator including a coil L31 having one end connected to the output terminal of the operational amplifier A12, and a resistor R31 having one end connected to the other end of the coil L31 and the other end grounded. .
  • the strength adjusting unit 16 is composed of, for example, an adjustment knob (not shown) or a variable resistor whose resistance value can be changed by a control signal.
  • transient response part 14 is comprised with the integrator, it is not limited to this, You may comprise with a differentiator.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the transient response unit 14 composed of a differentiator.
  • the transient response unit 14 includes a capacitor C31 and a resistor R31.
  • the transient response unit 14 in FIG. 4 has the same configuration as the transient response unit 14 in FIG. 3 except that the coil L31 in the transient response unit 14 in FIG. 3 is replaced with a capacitor C31.
  • FIG. 5 is a waveform diagram of the output signal S3 when the transient response unit 14 includes the differentiator shown in FIG.
  • the vertical axis represents voltage
  • the horizontal axis represents time.
  • the addition signal S1 exceeds the threshold value
  • the firing pulse signal S2 becomes high level. Therefore, the output signal S3 rises up to the positive power supply voltage VDD, and thereafter attenuates toward the ground level GND according to the time constant of the differentiator.
  • the addition signal S1 falls below the threshold value, and the firing pulse signal S2 becomes low level.
  • the output signal S3 falls all at once to the negative power supply voltage VSS, and thereafter increases according to the time constant of the differentiator. Thereafter, the fluctuation oscillator 1 oscillates by repeating this behavior.
  • FIG. 6 is a waveform diagram of the output signal S3 when the transient response unit 14 is configured by an integrator.
  • the vertical axis represents voltage
  • the horizontal axis represents time.
  • the addition signal S1 exceeds the threshold value, and the firing pulse signal S2 becomes high level. Therefore, the output signal S3 increases according to the time constant of the integrator.
  • the addition signal S1 falls below the threshold value, and the firing pulse signal S2 becomes low level. Therefore, the output signal S3 attenuates according to the integrator time constant. Thereafter, the fluctuation oscillator 1 oscillates this behavior repeatedly.
  • the integrator can change the output signal S3 more smoothly than the differentiator. Therefore, when it is desired to cause the light emitting element to emit light with a smooth light emission pattern or to operate the control target object with a smooth operation pattern, it is preferable to employ an integrator as the transient response unit 14. On the other hand, when it is desired to cause the light emitting element to emit light with a light emission pattern in which dimming changes abruptly or when it is desired to operate the controlled object in an operation pattern in which operation changes abruptly, a differentiator is employed as the transient response unit 14. It is preferable.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the frequency of the output signal S3 and the intensity of the input signal SI1 in the fluctuation oscillator 1.
  • the vertical axis represents the frequency of the output signal S3
  • the horizontal axis represents the intensity of the input signal SI1.
  • the intensity of the input signal SI1 indicates the maximum value of the input signal.
  • the threshold value of the transient response unit 14 is set to “0.2 V”.
  • the natural frequency of the fluctuation oscillator 1 is set to “25 Hz”. As shown in section (a), the natural frequency refers to the oscillation frequency of the fluctuation oscillator 1 when only the noise signal SNS is input and the fluctuation oscillator 1 is oscillated.
  • the first threshold region D1 indicates a region where the intensity of the input signal SI1 is smaller than the threshold “0.2V” as shown in the section (b).
  • the second threshold region D2 indicates a region where the intensity of the input signal SI1 is larger than the threshold “0.2V” as shown in the section (c).
  • graphs G1, G2, G3, G4, G5, and G6 show the frequency of the output signal S3 and the input signal SI1 when the frequency of the input signal SI1 is 100 Hz, 80 Hz, 60 Hz, 40 Hz, 10 Hz, and 5 Hz, respectively.
  • the relationship with intensity is shown.
  • the points plotted in the graphs G1 to G6 indicate average values of a plurality of measurement results under the same conditions.
  • a line segment extending vertically from the center to the plotted point indicates an error bar, and the measurement result varies.
  • the frequency can be calculated by sampling the output signal S3 at a constant sampling period and performing Fourier transform.
  • the fluctuation oscillator 1 can be synchronized with the input signal. If the frequency of the input signal SI1 is lower than the natural frequency, the fluctuation oscillator 1 cannot be synchronized with the input signal. I understand.
  • the circuit parameters of the fluctuation oscillator 1 are adjusted so that the natural frequency is lower than the frequency of the input signal SI1 to be detected.
  • the time constant of the transient response unit 14 and the strength of the strength adjusting unit 16 are adjusted so that the natural frequency is lower than the frequency of the input signal SI1 to be detected. ing. Therefore, the fluctuation oscillator 1 can detect the input signal SI1.
  • the time constant of the transient response unit 14 is increased, the waveform of the output signal S3 is distorted, and the natural frequency tends to decrease.
  • the strength of the strength adjusting unit 16 is increased, the amplitude of the output signal S3 increases, and thus the natural frequency tends to increase. Therefore, the natural frequency can be increased by decreasing the time constant of the transient response unit 14 and increasing the strength of the strength adjustment unit 16, while increasing the time constant of the transient response unit 14, and This can be reduced by reducing the strength of the strength adjusting unit 16.
  • the frequency shift amount ⁇ f (the shift amount of the frequency of the output signal S3 with respect to the natural frequency) is observed, but the frequency of the input signal SI1 is If the frequency is lower than the natural frequency, it can be seen that the frequency shift amount is not observed.
  • the frequency shift amount ⁇ f can be observed, it can be determined that the input signal SI1 having a frequency greater than the natural frequency is input. If the frequency shift amount ⁇ f cannot be observed, the frequency greater than the natural frequency. It can be determined that the input signal SI1 having is not input.
  • the frequency of the output signal S3 can be detected as the frequency of the input signal SI1.
  • the fluctuation oscillator 1 cannot detect the input signal SI1 below the natural frequency, the fluctuation oscillator 1 can be provided with a high-pass filter function.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the frequency of the output signal S3 and the intensity of the input signal SI1 when the input signal SI1 having an intensity lower than the threshold value is input to the fluctuation oscillator 1.
  • the vertical axis indicates the frequency of the output signal S3, and the horizontal axis indicates the intensity of the input signal SI1.
  • “0.2 V” is adopted as the threshold value, and a sine wave whose frequency is lower than the threshold value “0.2 V” is 50 Hz as the input signal SI1.
  • white Gaussian noise having an intensity of “1.2 V” was used as the noise signal SNS.
  • the natural frequency of the fluctuation oscillator 1 was set to 25.6 Hz as shown in the section (b).
  • the region where the frequency of the input signal SI1 is about 0.03V to 0.09V is the incomplete sync region D91, and the region where the frequency of the input signal SI1 is about 0.09V or more is the complete sync region D92.
  • the incomplete sync region D91 refers to a region where the fluctuation oscillator 1 oscillates with the frequency varying to some extent.
  • the complete synchronization region D92 refers to a region where the fluctuation oscillator 1 oscillates at a frequency substantially the same as the frequency of the input signal SI1 without frequency variation.
  • the oscillation state of the fluctuation oscillator 1 in the incomplete synchronization region D91 is referred to as “incomplete synchronization”
  • the oscillation state of the fluctuation oscillator 1 in the complete synchronization region D92 is referred to as “perfect synchronization”.
  • the lower limit value of the intensity of the input signal SI1 is approximately “0.09V”. Therefore, it can be seen that the fluctuation oscillator 1 is completely synchronized with the input signal SI1 at a value equal to or less than half of the threshold value “0.2 V”. Therefore, the fluctuation oscillator 1 can detect the weak input signal SI1 whose intensity with respect to the intensity of the noise signal SNS is about 1/13 in the complete synchronization region D92.
  • the lower limit value of the intensity of the input signal SI1 is approximately “0.03V”. Therefore, the fluctuation oscillator 1 can detect the weak input signal SI1 whose intensity is about 1/40 with respect to the intensity of the noise signal SNS in the incomplete synchronization region D91.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing how the fluctuation oscillator 1 detects the input signal SI1.
  • the noise signal SNS is input to the fluctuation oscillator 1, the fluctuation oscillator 1 oscillates at the natural frequency fs.
  • the fluctuation oscillator 1 oscillates at a frequency fy obtained by shifting the frequency from the natural frequency fs by the frequency shift amount ⁇ f.
  • the frequency fy is the same as the frequency of the input signal SI1. Therefore, the frequency of the input signal SI1 can be detected by detecting the frequency fy of the output signal S3.
  • the fluctuation oscillator 1 can detect that the input signal SI1 having a frequency equal to or higher than the natural frequency fs is input, and the frequency shift amount ⁇ f is observed. If not, the fluctuation oscillator 1 can detect that the input signal SI1 having a frequency equal to or higher than the natural frequency fs is not input.
  • the detection of the input signal SI1 may be performed by the operator from the waveform of the output signal S3 displayed on the monitor unit 15, or may be automatically performed by the monitor unit 15.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of processing of the monitor unit 15 when the monitor unit 15 adopts a mode in which the input signal SI1 is automatically detected.
  • the monitor unit 15 detects the output signal S3 (S1601). Next, the monitor unit 15 determines whether the fluctuation oscillator 1 is incompletely synchronized or completely synchronized with the input signal SI1. Here, if the variation in the frequency of the output signal S3 is within a certain range, the monitor unit 15 determines that the fluctuation oscillator 1 is completely synchronized with the input signal SI1, and the variation in the frequency of the output signal S3. Can be determined to be incompletely synchronized with the input signal SI1.
  • the monitor unit 15 generates the input signal SI1 having the frequency of the output signal S3. It is determined that 1 has been detected (S1603).
  • the monitor unit 15 determines whether the frequency shift amount ⁇ f has been observed (S1604).
  • the monitor unit 15 calculates the average value of the frequency of the output signal S3, and determines that the frequency shift amount ⁇ f can be observed if the difference between the calculated average value and the natural frequency is larger than a certain value. If the difference between the calculated average value and the natural frequency is less than a certain value, it may be determined that the frequency shift amount ⁇ f could not be observed.
  • the monitor unit 15 determines that the fluctuation oscillator 1 has detected the input signal SI1 having a frequency that is at least greater than the natural frequency. On the other hand, when the frequency shift amount ⁇ f cannot be observed (NO in S1604), the monitor unit 15 may determine that the fluctuation signal 1 has not been detected by the fluctuation oscillator 1.
  • FIG. 11 is an example of a waveform diagram of the output signal S3 corresponding to the intensity adjustment value by the intensity adjusting unit 16, the vertical axis indicates the amplitude of the output signal S3, and the horizontal axis indicates time.
  • “0.2 V” is used as the threshold value of the fluctuation oscillator 1
  • white Gaussian noise having an intensity of “1.5 V” is used as the noise signal SNS
  • “1” is set as the time constant of the transient response unit 14. It is used.
  • “0”, “0.1”, “0.2”, “0.5”, “1.0”, “2.0” are used as the intensity adjustment value CC of the intensity adjusting unit 16. Yes.
  • the intensity adjustment value CC indicates a gain for the feedback signal S4.
  • As the input signal SI1 a sine wave having a frequency of “1 Hz” and an amplitude of 0.1 V is used.
  • the operator when the operator observes the waveform of the output signal S3 displayed by the monitor unit 15 and determines that the fluctuation oscillator 1 is not completely synchronized with the input signal SI1, the operator can increase the intensity adjustment value CC.
  • the fluctuation oscillator 1 can be synchronized with the input signal SI1. That is, by increasing the intensity adjustment value CC, the natural frequency of the fluctuation oscillator 1 can be increased, the natural frequency can be brought close to the frequency of the input signal SI1, and the fluctuation oscillator 1 can be completely synchronized.
  • the strength adjustment value CC can be adjusted by adjusting the resistance value of the variable resistor constituting the strength adjustment unit 16. Therefore, the operator can completely synchronize the fluctuation oscillator 1 with the input signal SI1 by a simple operation of adjusting the variable resistor.
  • FIG. 12 is a waveform diagram for explaining the behavior of the fluctuation oscillator 1 according to the type of the input signal SI1.
  • section (a) is a waveform diagram showing the behavior of the fluctuation oscillator 1 when only the noise signal SNS is input.
  • a differentiator is employed as the transient response unit 14.
  • the threshold value is the threshold value TH2
  • the threshold value is the threshold value TH1.
  • the threshold of the transient response unit 14 is set to the negative threshold TH2.
  • the feedback signal S4 gradually attenuates according to the time constant of the transient response unit 14.
  • the feedback signal S4 is inverted to the negative side.
  • the fluctuation oscillator 1 oscillates at the natural frequency defined by the natural vibration width ⁇ .
  • the natural vibration width ⁇ depends on the attenuation rate of the feedback signal S4, and it can be seen that the influence of the time constant of the transient response unit 14 is dominant.
  • the section (b) in FIG. 12 is a waveform diagram showing the behavior of the fluctuation oscillator 1 when the input signal SI1 having a frequency higher than the natural frequency is input.
  • the threshold can be exceeded. Therefore, when the input signal SI1 having a frequency higher than the natural frequency is input, the fluctuation oscillator 1 is likely to be completely synchronized. As a result, the fluctuation oscillator 1 can be completely synchronized with the input signal SI1 even if the intensity of the input signal SI1 is less than or equal to the threshold value.
  • the section (c) in FIG. 12 is a waveform diagram showing the behavior of the fluctuation oscillator 1 when the input signal SI1 having a frequency lower than the natural frequency is input. If the frequency of the input signal SI1 is lower than the natural frequency, the feedback signal S4 can exceed the threshold value once with high probability within the natural vibration width ⁇ . Therefore, at time T1, the feedback signal S4 is inverted to the positive side.
  • the feedback signal S4 is attenuated, but the input signal SI1 is increasing, so both weaken each other, and the inversion of the feedback signal S4 is dominated by the noise signal SNS.
  • the feedback signal S4 Is inverted to the negative side at a timing shorter than the natural vibration width ⁇ .
  • the feedback signal S4 increases according to the time constant of the transient response unit 14, but since the input signal SI1 decreases, they weaken each other, and the inversion of the feedback signal S4 is dominated by the noise signal SNS. Thus, at time T3, the feedback signal S4 is inverted to the positive side at a timing longer than the natural vibration width ⁇ .
  • the inversion period of the feedback signal S4 is not uniform, and the fluctuation oscillator 1 cannot be synchronized with the input signal SI1.
  • the fluctuation oscillator 1 includes the intensity adjustment unit 16, and therefore it is easy to adjust the circuit parameters of the fluctuation oscillator 1 so that an unknown weak input signal SI1 can be detected. It becomes.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an overall configuration of the signal detection device 2.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the signal detection device 2 includes a plurality of fluctuation oscillators 1 and a detection unit 2000.
  • the fluctuation oscillator 1 includes four fluctuation oscillators 1_1, 1_2, 1_3, and 1_4.
  • the signal detection device 2 may be configured by a plurality of fluctuation oscillators 1 other than four.
  • the fluctuation oscillators 1_1 to 1_4 have input terminals connected to a common input terminal 2001, and receive a common input signal SI1.
  • the circuit parameters of the fluctuation oscillators 1_1 to 1_4 are adjusted so as to have different natural frequencies.
  • the detection unit 2000 is connected to the output terminals of the fluctuation oscillators 1_1 to 1_4, and is configured by an information processing device such as a computer.
  • the detection unit 2000 receives the output signals S3 of the fluctuation oscillators 1_1 to 1_4.
  • the input signal SI1 whose frequency is close to the natural frequency rises faster. That is, it can be seen that the input signal SI1 whose frequency is closer to the natural frequency has a larger frequency shift amount ⁇ f.
  • the frequency of the input signal SI1 is the frequency shift amount ⁇ f of the fluctuation oscillators 1_1 to 1_4. Can be estimated to have a value closest to the natural frequency of the maximum fluctuation oscillator 1.
  • the natural frequencies of the fluctuation oscillators 1_1 to 1_4 are “5 Hz”, “10 Hz”, “15 Hz”, and “20 Hz”, respectively, and an input signal SI1 having a frequency of “17 Hz” is input.
  • the frequency shift amount ⁇ f is observed in the fluctuation oscillators 1_1 to 1_3 whose natural frequency is lower than the frequency of the input signal SI1.
  • the frequency shift amount ⁇ f of the fluctuation oscillator 1 whose natural frequency is “15 Hz” closest to the frequency of the input signal SI1 is maximized. Therefore, in the signal detection device 2 of FIG. 13, when all of the fluctuation oscillators 1_1 to 1_4 are incompletely synchronized, it can be estimated that the input signal SI1 has a frequency close to the natural frequency of the fluctuation oscillator 1 with the maximum frequency shift amount ⁇ f. .
  • the fluctuation oscillator 1 outputs an output signal S3 having the same frequency as that of the input signal SI1 when completely synchronized with the input signal SI1.
  • the frequency of the input signal SI1 is the output of the fluctuation oscillator 1 that is completely synchronized. It can be estimated to have the frequency of the signal S3.
  • the detection unit 2000 detects the input signal SI1 with the logic shown in the flowchart of FIG. FIG. 14 is a flowchart showing processing when the signal detection device 2 detects the input signal SI1.
  • the detection unit 2000 detects the output signal S3 from each fluctuation oscillator 1 (S131). Next, the detection unit 2000 determines whether all the fluctuation oscillators 1 are not completely synchronized with the input signal SI1 (S132). When it is determined that all the fluctuation oscillators 1 are not completely synchronized with the input signal SI1 (YES in S132), the detection unit 2000 detects the maximum frequency shift among the frequency shift amounts ⁇ f of the output signals S3 from the fluctuation oscillators 1. The amount ⁇ f is specified (S134). Next, the detection unit 2000 estimates the natural frequency of the fluctuation oscillator 1 having the maximum frequency shift amount ⁇ f as the frequency of the input signal SI1 (S135). Since the specific details of the frequency shift amount ⁇ f are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the signal detection device 2 of the second embodiment since the plurality of fluctuation oscillators 1 having different natural frequencies are provided, all the fluctuation oscillators 1 cannot be completely synchronized with the input signal SI1. Even in such a case, the frequency of the input signal SI1 can be estimated from the natural frequency of the fluctuation oscillator 1 having the maximum frequency shift amount ⁇ f. Further, according to the signal detection device 2 of the second embodiment, when any fluctuation oscillator 1 is completely synchronized with the input signal SI1, the frequency of the input signal SI1 can be estimated from the frequency of the output signal S3 of the fluctuation oscillator 1. .
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of the configuration of the display device 3 according to the third embodiment.
  • the display device 3 includes a fluctuation oscillator 1 arranged in a matrix with N rows ⁇ N columns.
  • N is an integer of 1 or more.
  • the number of rows and the number of columns are set to the same number, but may be set to different numbers.
  • a dotted-line rectangle shown between adjacent fluctuation oscillators 1 indicates a connection form of the fluctuation oscillator 1.
  • the connection forms of the fluctuation oscillator 1 include (i) bidirectional coupling, (ii) unidirectional coupling, and (iii) no coupling.
  • Bidirectional coupling is such that, of two adjacent fluctuation oscillators 1, the output terminal of one fluctuation oscillator 1 is connected to the input terminal of the other fluctuation oscillator 1, and the output terminal of the other fluctuation oscillator 1 is one fluctuation. This is a connection form connected to the input terminal of the oscillator 1.
  • One-way coupling is a connection form in which the output terminal of one fluctuation oscillator 1 is connected to the input terminal of the other fluctuation oscillator 1 among two adjacent fluctuation oscillators 1.
  • the monitor unit 15 of each fluctuation oscillator 1 is composed of a light emitting element whose dimming changes according to the intensity of the output signal S3.
  • the light emitting element any light emitting element may be employed as long as it is a light emitting element capable of changing light control such as an LED or a fluorescent lamp.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of the light emission pattern of the display device 3.
  • the display device 3 is composed of 100 fluctuation oscillators 1 arranged in 10 rows ⁇ 10 columns indicated by L0 to L99.
  • Each fluctuation oscillator 1 is unidirectionally coupled from the left to the right in the row direction, and the fluctuation oscillator 1 at the right end of one row is unidirectionally coupled with the fluctuation oscillator 1 at the left end of the next row. That is, in the example of FIG. 16, the fluctuation oscillator 1 at the right end of a certain row is considered to be adjacent to the fluctuation oscillator 1 at the left end of the next row.
  • the display device 3 of FIG. 16 when a fluctuation oscillator 1 is ignited, the output signal S3 of the fluctuation oscillator 1 is sequentially propagated to the adjacent fluctuation oscillators 1. Therefore, a light emission pattern is obtained in which the brightness is sequentially propagated toward the downstream fluctuation oscillator 1 with the fired fluctuation oscillator 1 as the head.
  • the fluctuation oscillators L3, L13, L28, etc. emit light brightly
  • the display device has a light emission pattern in which the dimming gradually decreases from the fluctuation oscillator 1 toward the fluctuation oscillator 1 on the downstream side. 3 emits light.
  • the display device 3 emits light so that the light emission pattern propagates toward the fluctuation oscillator 1 on the downstream side with time.
  • the display device 3 since the fluctuation oscillator 1 has a frequency spectrum of 1 / f fluctuation, the display device 3 has a light emission pattern that is comfortable for humans as if each fluctuation oscillator 1 emits light autonomously. Can produce. Taking a firefly as an example, the display device 3 can produce a light emission pattern in which a firefly adjacent to the firefly emits light in a chain as the firefly emits light.
  • the fluctuation oscillator 1 is coupled in one direction, but may be coupled in both directions. In this case, when a certain fluctuation oscillator 1 is ignited, it is possible to produce a light emission pattern in which the output signal S3 gradually propagates to the fluctuation oscillators on both sides around the fluctuation oscillator 1.
  • the fluctuation oscillator 1 is unidirectionally coupled, but bi-directional coupling, unidirectional coupling, and non-coupling may be mixed.
  • a fluctuation oscillator includes an adder that adds a noise signal and a feedback signal to an input signal; A threshold discriminating unit that generates a pulse signal by comparing the added signal to the threshold value; A transient response unit that transiently responds to the generated pulse signal to generate an output signal; A feedback loop for feeding back the output signal to the adder as the feedback signal; An intensity adjusting unit that is provided in the feedback loop and adjusts the intensity of the feedback signal.
  • a fluctuation oscillator When a fluctuation oscillator is configured with one stochastic resonator connected between the input and output terminals by a feedback loop, the fluctuation oscillator must be adjusted unless the intensity of the feedback signal fed back to the adder through the feedback loop is adjusted appropriately. The signal cannot be detected.
  • Patent Document 1 Although a feedback loop is formed between input and output terminals and a fluctuation oscillator is configured by one stochastic resonator, there is provided an element for adjusting the strength of the feedback signal on the feedback loop. It is not done. Therefore, in the conventional fluctuation oscillator, the intensity of the feedback signal has to be adjusted mainly by adjusting the time constant of the differentiator. Although the waveform of the feedback signal can be changed by adjusting the time constant of the differentiator, the intensity of the feedback signal cannot be increased or decreased as a whole, and there is a problem that adjustment is troublesome.
  • an intensity adjustment unit for adjusting the intensity of the feedback signal is provided on the feedback loop. Therefore, the strength of the feedback signal can be adjusted, and the circuit parameters can be adjusted more flexibly. As a result, in this configuration, it is easy to adjust circuit parameters so that unknown weak input signals can be detected.
  • the circuit parameter may be adjusted so that the natural frequency is lower than the frequency of the input signal.
  • the fluctuation oscillator that feeds back the output signal to the input signal can observe the frequency shift amount (the shift amount of the frequency of the output signal with respect to the natural frequency) when an input signal with a frequency higher than the natural frequency is input.
  • the frequency shift amount cannot be observed.
  • the circuit parameters are adjusted so that the natural frequency of the fluctuation oscillator is lower than the frequency of the input signal to be detected, the fluctuation oscillator can detect the input signal.
  • the fluctuation oscillator cannot detect the input signal, so that the fluctuation oscillator can have a high-pass filter function.
  • the fluctuation oscillator can oscillate in synchronization with the input signal even if the intensity of the input signal is below the threshold value. Can detect the frequency of the input signal.
  • a monitor unit for monitoring the output signal may be further provided.
  • the monitor unit for monitoring the transient response signal since the monitor unit for monitoring the transient response signal is provided, the input signal can be easily detected.
  • the monitor unit determines that an input signal having the frequency of the output signal is input, and the fluctuation oscillator is input to the input signal. If it is not completely synchronized with the signal, it may be determined that the input signal can be detected when the frequency shift amount of the output signal with respect to the natural frequency of the fluctuation oscillator can be observed.
  • the frequency of the input signal can be detected from the frequency of the output signal.
  • the frequency shift amount is detected.
  • the input signal can be detected by the presence or absence of observation.
  • the monitor unit may be configured by a light emitting element that is dimmed according to the intensity of the output signal.
  • the monitor unit is configured by the light emitting element that is dimmed according to the intensity of the output signal, the light emitting element can be caused to emit light with the light emitting pattern according to the oscillation pattern of the fluctuation oscillator.
  • the fluctuation oscillator has a noise signal superimposed on the input signal, the power spectrum has a 1 / f fluctuation characteristic. Therefore, the light emitting element can emit light with a 1 / f fluctuation light emitting pattern, and the light emitting element can emit light with a light emitting pattern comfortable for humans.
  • the transient response unit may be configured by an integrator.
  • the transient response unit is configured by an integrator, the output signal can be changed smoothly.
  • the light emitting element when adopting a mode in which the light emitting element emits light according to the oscillation pattern of the fluctuation oscillator, the light emitting element can emit light with a smooth light emitting pattern.
  • a signal detection device is a signal detection device including a plurality of fluctuation oscillators, Each fluctuation oscillator has a different natural frequency and a common input signal is input.
  • a detection unit that detects the frequency of the input signal based on an output signal from each fluctuation oscillator is provided.
  • the fluctuation oscillator has a characteristic that when the frequency of the input signal is higher than the natural frequency, the frequency shift amount increases as the frequency of the input signal approaches the natural frequency. Therefore, it can be estimated that the frequency of the input signal is close to the natural frequency of the fluctuation oscillator having the maximum frequency shift amount. In this configuration, since a plurality of fluctuation oscillators having different natural frequencies are provided, the frequency of an unknown input signal can be detected using the natural frequency of the fluctuation oscillator in which the maximum frequency shift amount is observed.
  • the detection unit may estimate the natural frequency of the output signal of the fully synchronized fluctuation oscillator as the frequency of the input signal when at least one fluctuation oscillator is completely synchronized with the input signal.
  • the output signal oscillates at the same frequency as the input signal.
  • the input signal has the frequency of the output signal of the fluctuation oscillator. Therefore, it is possible to accurately detect the frequency of the unknown input signal.
  • the detection unit is configured to input the input based on the natural frequency of the fluctuation oscillator having the maximum frequency shift amount among all the fluctuation oscillators.
  • the frequency of the signal may be estimated.
  • the frequency of the input signal can be accurately detected based on the natural frequency of the fluctuation oscillator having the maximum frequency shift amount.
  • a display device is a display device in which a plurality of fluctuation oscillators are arranged in a matrix, Each fluctuation oscillator includes a light emitting element whose dimming changes according to the output signal, Each fluctuation oscillator is connected to at least one of the adjacent fluctuation oscillators.
  • the fluctuation oscillator since a plurality of fluctuation oscillators having light emitting elements whose dimming changes according to the output signal are arranged in a matrix, when a fluctuation oscillator ignites, the output signal of the fluctuation oscillator gradually becomes ambient.
  • the fluctuation oscillator can emit light with a light emission pattern in which the fluctuation oscillator propagates.
  • each fluctuation oscillator may be bi-directionally connected or unidirectionally connected to at least one of the adjacent fluctuation oscillators.
  • the fluctuation oscillators can be made to emit light with a light emission pattern in which an output signal propagates in both directions around the ignited fluctuation oscillator by coupling the adjacent fluctuation oscillators in both directions.
  • the fluctuation oscillators can emit light with a light emission pattern in which an output signal propagates in one direction around the ignited fluctuation oscillator.

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Abstract

加算器(12)は、ノイズ信号(SNS)と、入力信号(SI1)と、フィードバック信号(S4)とを加算する。閾値判別部(13)は、加算器(12)から出力された加算信号(S1)を所定の閾値と比較し、発火パルス信号(S2)を出力する。過渡応答部(14)は、発火パルス信号(S2)を過渡応答させ、出力信号(S3)を生成する。強度調整部(16)は、フィードバックループ(17)上に設けられた可変抵抗器で構成され、フィードバック信号(S4)の強度を調整し、加算器(12)に入力する。

Description

ゆらぎ発振器、信号検知装置、及び表示装置
 本発明は、入力信号にゆらぎを与えて発振するゆらぎ発振器、並びにそのゆらぎ発振器を備える信号検知装置及び表示装置に関するものである。
 水晶発振器、ハートレー発振器、クラップ発振器、及び無安定マルチバイブレータ等の発振器が従来より知られている。このような従来の発振器は、ノイズに対して脆弱であるため、ノイズ対策が必要となる。そこで、ノイズに対してロバストな発振器として、確率共振素子を利用したゆらぎ発振器が知られている。
 例えば、特許文献1には、複数の確率共振素子をリング状に接続させたゆらぎ発振器が開示されている。また、特許文献1には、1つの確率共振素子の入出力端子間にフィードバックループを設けたゆらぎ発振器も開示されている。
 しかし、特許文献1に開示のゆらぎ発振器は確率共振素子を複数設けることが前提になっているので、コストが嵩むという問題がある。
 また、ゆらぎ発振器は、入力信号と同期して発振するという性質を持つ。そのため、微弱な未知の入力信号に対してゆらぎ発振器を同期して発振させ、ゆらぎ発振器からの出力信号をモニタすることで、この入力信号の特徴(例えば、周波数)を検知できる。ここで、微弱な未知の入力信号にゆらぎ発振器を同期して発振させるためには、ゆらぎ発振器の回路パラメータを適切な値に調整させる必要がある。しかし、特許文献1に開示のゆらぎ発振器は複数の確率共振素子が含まれているので、各確率共振素子のパラメータを個別に調整する必要があり、パラメータの調整に手間がかかるという問題がある。
 また、特許文献1では、1つの確率共振素子の入出力端子間にフィードバックループを設けたゆらぎ発振器の開示はあるものの、フィードバックループに流れる信号の強度を調整することは全く考慮されていない。したがって、特許文献1に開示のゆらぎ発振器は、回路パラメータを柔軟に調整することができず、未知の微弱な入力信号を検知できるようにゆらぎ発振器を発振させることが困難であるという問題がある。
特許第4875161号
 本発明の目的は、回路パラメータを柔軟に調整することができるゆらぎ発振器並びにそのゆらぎ発振器を利用した信号検知装置及び表示装置を提供することである。
 本発明の一態様によるゆらぎ発振器は、入力信号にノイズ信号及びフィードバック信号を加算する加算器と、
 前記加算された加算信号を閾値と比較することでパルス信号を生成する閾値判別部と、
 前記生成されたパルス信号を過渡応答させ出力信号を生成する過渡応答部と、
 前記出力信号を前記フィードバック信号として前記加算器にフィードバックさせるフィードバックループと、
 前記フィードバックループに設けられ、前記フィードバック信号の強度を調整する強度調整部とを備える。
 本発明によれば、フィードバックループ上にフィードバック信号の強度を調整するための強度調整部が設けられているので、ゆらぎ発振器を発振させるための回路パラメータの調整が容易になる。その結果、未知の微弱な入力信号を検知できるようにゆらぎ発振器の回路パラメータを調整することが容易となり、未知の微弱な入力信号を検知することが容易となる。
本発明の実施の形態1におけるゆらぎ発振器の構成の一例を示す図である。 ゆらぎ発振器に流れる信号の波形図である。 図1に示すゆらぎ発振器の詳細な回路構成の一例を示す図である。 微分器で構成された過渡応答部の回路図である。 過渡応答部を図4に示す微分器で構成した場合の出力信号の波形図である。 過渡応答部を積分器で構成した場合の出力信号の波形図である。 ゆらぎ発振器において出力信号の周波数と、入力信号の強度との関係を示すグラフである。 強度が閾値よりも低い入力信号をゆらぎ発振器に入力したときの出力信号の周波数と入力信号の強度との関係を示したグラフである。 ゆらぎ発振器が入力信号を検知する様子を概略的に示した図である。 モニタ部が入力信号を自動的に検知する態様を採用する場合のモニタ部の処理の一例を示すフローチャートである。 強度調整部による強度調整値に応じた出力信号の波形図の一例である。 入力信号の種類に応じたゆらぎ発振器の挙動を説明する波形図である。 本発明の実施の形態2の信号検知装置の全体構成を示す図である。 信号検知装置が入力信号を検知する際の処理を示すフローチャートである。 実施の形態3における表示装置の構成の一例を示す図である。 表示装置の発光パターンの一例を示した図である。
 (実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1におけるゆらぎ発振器1の構成の一例を示す図である。図1に示すようにゆらぎ発振器1は、ノイズ発生器11、加算器12、閾値判別部13、過渡応答部14、モニタ部15、強度調整部16、及びフィードバックループ17を備えている。ノイズ発生器11は、例えばガウシアンホワイトノイズや熱雑音等の種々のノイズ信号SNSを生成するファンクションジェネレータで構成されている。
 加算器12は、n(nは正の整数)種類の入力信号SI1~SInと、ノイズ発生器11から出力されたノイズ信号SNSと、強度調整部16から出力されたフィードバック信号S4とが入力される。そして、加算器12は、入力されたノイズ信号SNSと、n種類の入力信号SI1~SInと、フィードバック信号S4とを重畳(加算)し、閾値判別部13に出力する。加算器12において、ノイズ信号が入力信号SI1~SInに加算されることで、入力信号にはゆらぎが与えられる。
 ここで、加算器12は、n種類の入力信号SI1~SInが入力される入力端子111~11n(nは2以上の整数)と、ノイズ信号SNSが入力されるノイズ端子11NSと、フィードバック信号S4が入力されるフィードバック端子11Fとを備える。
 例えば、ゆらぎ発振器1が未知の入力信号を検知する場合、入力端子111には、検知対象となる未知の入力信号SI1が入力され、入力端子112~11nには入力信号SI2~SInが入力されれない。したがって、入力端子112~11nは省かれても良い。
 閾値判別部13は、加算器12から出力された加算信号S1を所定の閾値と比較し、この加算信号S1が閾値以上の場合は、ハイレベルとなり、この加算信号S1が閾値未満の場合は、ローレベルとなるパルス信号を出力する。以下、閾値判別部13が出力するパルス信号を神経細胞の発火に倣って発火パルス信号S2と記述する。また、発火パルス信号S2がハイレベルの場合、ゆらぎ発振器1は発火していると記述する。
 ここで、閾値はヒステリシスを有しており、発火パルス信号S2がローレベルからハイレベルに変化する際の値とハイレベルからローレベルに変化する際の値とが異なる。閾値にヒステリシスを持たせることは閾値判別部13を例えばシュミットトリガ回路で構成することで容易に実現することができる。
 過渡応答部14は、例えば、積分器又は微分器で構成され、閾値判別部13から出力された発火パルス信号S2を過渡応答させ、発火パルス信号S2の過渡応答信号を出力信号S3として生成する。
 モニタ部15は、出力信号S3をモニタする。本実施の形態では、モニタ部15は、例えば、コンピュータ等の情報処理装置で構成され、出力信号S3の波形をディスプレイに表示したり、出力信号S3の周波数を検知し、ディスプレイに表示したりする。これにより、オペレータは、ディスプレイに表示された情報から入力信号を検知できる。
 強度調整部16は、フィードバックループ17上に設けられた可変抵抗器で構成され、フィードバック信号S4の強度を調整し、加算器12に入力する。
 フィードバックループ17は、出力端子151とフィードバック端子11Fとの間に設けられた線路で構成され、出力信号S3をフィードバック信号S4として加算器12にフィードバックさせる。
 出力端子151は、モニタ部15の出力側に設けられ、出力信号S3を外部に出力する。
 本実施の形態では、図1の左側に示すゆらぎ発振器1を図1の右側の記号を用いて表す。また、図1では、ゆらぎ発振器1は、モニタ部15を備えているが、モニタ部15は省略されてもよい。この場合、フィードバックループ17は、過渡応答部14の出力側とフィードバック端子11Fとの間に接続されればよい。
 図2は、ゆらぎ発振器1に流れる信号の波形図であり、セクション(a)はノイズ信号SNSの波形図であり、セクション(b)は出力信号S3の波形図であり、セクション(c)は出力信号S3のパワースペクトルである。
 セクション(a)を観察すると、ノイズ信号SNSは、振幅がランダムに変化する信号である。このようなノイズ信号SNSをゆらぎ発振器1に入力すると、セクション(b)に示されるような出力信号S3がゆらぎ発振器1から出力される。ここで、出力信号S3の波形を観察すると、出力信号S3は、周期的に変化していることが分かる。そのため、ゆらぎ発振器1にノイズ信号SNSを入力すると、ゆらぎ発振器1が発振することが確認できる。
 また、セクション(c)を観察すると、出力信号S3のパワースペクトルは、周波数がゆらぎ発振器1の固有周波数である1Hz以上の領域では、強度が一定の傾きで減少しており、1/fゆらぎの特性を持っていることが分かる。そのため、出力信号S3を用いて発光素子を発光させた場合、人間にとって心地のよい発光パターンで発光素子を発光させることができる。或いは、出力信号S3を用いてアクチュエータを駆動させた場合、アクチュエータによって動作される制御対象物があたかも自律的に動いているように動作させることができる。
 図3は、図1に示すゆらぎ発振器1の詳細な回路構成の一例を示す図である。なお、図3においてモニタ部15は図示が省略されている。加算器12は、プラス入力端子が接地されたオペアンプA11と、オペアンプA11のマイナス入力端子に接続された抵抗R11,R12,R13と、オペアンプA11のマイナス入力端子及び出力端子間に設けられた抵抗R14とを備えるミキサー回路で構成される。そして、加算器12は、ノイズ端子11NSに入力されるノイズ信号SNSと、入力端子111に入力される入力信号SI1と、フィードバック端子11Fに入力されるフィードバック信号S4とを加算する。
 閾値判別部13は、オペアンプA12及び抵抗R21,R22を備えるシュミットトリガ回路により構成されている。オペアンプA12のプラス入力端子は、抵抗R22を介して接地されている。また、オペアンプA12は、出力端子とプラス入力端子とが抵抗R21を介して接続されている。また、オペアンプA12はマイナス入力端子がオペアンプA11の出力端子に接続されている。
 過渡応答部14は、一端がオペアンプA12の出力端子に接続されたコイルL31と、一端がコイルL31の他端に接続され、他端が接地された抵抗R31とを備える積分器で構成されている。
 強度調整部16は、例えば、調整つまみ(図略)或いは、制御信号により抵抗値が変更可能な可変抵抗器で構成されている。
 なお、図3では、過渡応答部14は積分器で構成されているが、これに限定されず、微分器で構成されてもよい。
 図4は、微分器で構成された過渡応答部14の回路図である。過渡応答部14は、コンデンサC31及び抵抗R31を備えている。図4の過渡応答部14は、図3の過渡応答部14においてコイルL31をコンデンサC31で置き換えた点以外は、図3の過渡応答部14と同じ構成である。
 図5は、過渡応答部14を図4に示す微分器で構成した場合の出力信号S3の波形図である。なお、図5において縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。時刻T1では、加算信号S1が閾値を超え、発火パルス信号S2がハイレベルになる。そのため、出力信号S3は正側電源電圧VDDまで一挙に上昇し、以後、微分器の時定数にしたがってグラウンドレベルGNDに向かって減衰する。
 時刻T2では、加算信号S1が閾値を下回り、発火パルス信号S2がローレベルになる。そのため、出力信号S3は負側電源電圧VSSまで一挙に下降し、以後、微分器の時定数にしたがって増大する。以後、ゆらぎ発振器1は、この挙動を繰り返して発振する。
 図6は、過渡応答部14を積分器で構成した場合の出力信号S3の波形図である。なお、図6において縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。時刻T1では、加算信号S1が閾値を超え、発火パルス信号S2がハイレベルになる。そのため、出力信号S3は積分器の時定数にしたがって増大する。
 時刻T2では、加算信号S1が閾値を下回り、発火パルス信号S2がローレベルになる。そのため、出力信号S3は積分器の時定数にしたがって減衰する。以後、ゆらぎ発振器1は、この挙動を繰り返し発振する。
 図6に示すように、積分器は微分器に比べて、出力信号S3を滑らかに変化させることができる。したがって、発光素子を滑らかな発光パターンで発光させたい場合や制御対象物を滑らかな動作パターンで動作させたい場合は、過渡応答部14として積分器を採用することが好ましい。一方、発光素子を調光が急激に変化する発光パターンで発光させたい場合や、制御対象物を動作が急激に変化する動作パターンで動作させたい場合は、過渡応答部14として微分器を採用することが好ましい。
 図7は、ゆらぎ発振器1において出力信号S3の周波数と、入力信号SI1の強度との関係を示すグラフである。図7において、縦軸は出力信号S3の周波数を示し、横軸は入力信号SI1の強度を示している。入力信号SI1の強度とは、入力信号の最大値を指す。
 なお、図7では、過渡応答部14の閾値は「0.2V」に設定されている。また、図7では、ゆらぎ発振器1の固有周波数は「25Hz」に設定されている。固有周波数は、セクション(a)に示すように、ノイズ信号SNSのみを入力してゆらぎ発振器1を発振させたときのゆらぎ発振器1の発振周波数を指す。
 また、図7において、第1閾値領域D1は、セクション(b)に示すように入力信号SI1の強度が閾値「0.2V」より小さい領域を指す。また、図7において、第2閾値領域D2は、セクション(c)に示すように入力信号SI1の強度が閾値「0.2V」より大きい領域を指す。
 図7において、グラフG1,G2,G3,G4,G5,G6は、入力信号SI1の周波数がそれぞれ、100Hz,80Hz,60Hz,40Hz,10Hz,5Hzのときの出力信号S3の周波数と入力信号SI1の強度との関係を示している。なお、グラフG1~G6においてプロットされた点は、同一条件での複数の測定結果の平均値を示す。また、プロットされた点を中心として上下に延びる線分はエラーバーを示し、測定結果のバラツキを示している。また、周波数は出力信号S3を一定のサンプリング周期でサンプリングし、フーリエ変換することで算出できる。
 固有周波数「25Hz」よりも入力信号SI1の周波数が高いグラフG1~G4を観察すると、入力信号SI1の強度が増大するにつれて、出力信号S3の周波数が増大していることが分かる。そして、出力信号S3の周波数が入力信号SI1の周波数まで増大すると、入力信号SI1の強度を増大させても、出力信号S3の周波数は増大せず、且つ、出力信号S3の周波数のエラーバーの幅も収束していることが分かる。
 これは、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1に同期したことを表している。例えば、グラフG1では、入力信号SI1の強度がおよそ「0.14V」まで増大すると、出力信号S3の周波数は、入力信号SI1の周波数「100Hz」と同じになり、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1に同期している。
 一方、固有周波数「25Hz」よりも入力信号SI1の周波数が低いグラフG5,G6を観察すると、入力信号SI1の強度を上げていっても、グラフが平坦にならず、且つ、エラーバーの幅も収束しておらず、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1に同期できていないことが分かる。
 以上より、入力信号SI1の周波数が固有周波数よりも高ければ、ゆらぎ発振器1は入力信号に同期でき、入力信号SI1の周波数が固有周波数よりも低ければ、ゆらぎ発振器1は入力信号に同期できないことが分かる。
 そこで、本実施の形態では、検知対象の入力信号SI1の周波数よりも固有周波数が低くなるようにゆらぎ発振器1の回路パラメータが調整されている。
 具体的には、ゆらぎ発振器1は、想定される検知対象の入力信号SI1の周波数よりも固有周波数が低くなるように、過渡応答部14の時定数と、強度調整部16の強度とが調整されている。そのため、ゆらぎ発振器1は、入力信号SI1を検知することができる。なお、過渡応答部14の時定数を増大させると、出力信号S3の波形がなまるので、固有周波数は減少する傾向を示す。また、強度調整部16の強度を増大させると、出力信号S3の振幅が増大するので、固有周波数は増大する傾向を示す。したがって、固有周波数は、過渡応答部14の時定数を減少させ、且つ、強度調整部16の強度を増大させることで、増大させることができると共に、過渡応答部14の時定数を増大させ、且つ、強度調整部16の強度を減少させることで減少させることができる。
 また、グラフG1~G4を観察すると、グラフG4,G3,G2,G1の順で立ち上がりが早いことが分かる。よって、入力信号SI1の周波数が固有周波数「25Hz」に近いほど、立ち上がりが早くなり、且つ、同期する際の入力信号SI1の強度が低くなっていることが分かる。
 一方、グラフG5,G6を観察すると、「40Hz」、「60Hz」、「80Hz」、「100Hz」のいずれもが同期していない領域(以下、「不完全シンクロ領域」と記述する。)においては、入力信号SI1の強度を上げていくと、出力信号S3の周波数はほぼ平坦に推移していることが分かる。
 以上より、不完全シンクロ領域では、入力信号SI1の周波数が固有周波数より高ければ、周波数シフト量Δf(固有周波数に対する出力信号S3の周波数のシフト量)が観測されるが、入力信号SI1の周波数が固有周波数よりも低くければ、周波数シフト量が観測されないことが分かる。
 したがって、不完全シンクロ領域では、周波数シフト量Δfが観測できれば、固有周波数より大きい周波数を持つ入力信号SI1が入力されていると判定でき、周波数シフト量Δfが観測できなければ、固有周波数より大きい周波数を持つ入力信号SI1は入力されていないと判定できる。
 一方、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1に完全同期している場合は、出力信号S3の周波数を入力信号SI1の周波数として検知できる。
 更に、ゆらぎ発振器1は、固有周波数以下の入力信号SI1を検知できないので、ゆらぎ発振器1にハイパスフィルタの機能を持たせることができる。
 図8は、強度が閾値よりも低い入力信号SI1をゆらぎ発振器1に入力したときの出力信号S3の周波数と入力信号SI1の強度との関係を示したグラフである。図8において、縦軸は出力信号S3の周波数を示し、横軸は入力信号SI1の強度を示している。図8では、セクション(a)に示すように、閾値として「0.2V」が採用され、入力信号SI1として強度が閾値「0.2V」よりも低い周波数が50Hzのサイン波が採用されている。また、ノイズ信号SNSとして、強度が「1.2V」のホワイトガウシアンノイズを用いた。また、ゆらぎ発振器1の固有周波数をセクション(b)に示すように25.6Hzとした。
 図8において、入力信号SI1の周波数がおよそ0.03V~0.09Vまでの領域は不完全シンクロ領域D91であり、入力信号SI1の周波数がおよそ0.09V以上の領域は完全シンクロ領域D92である。不完全シンクロ領域D91とは、周波数がある程度ばらついた状態でゆらぎ発振器1が発振する領域を指す。完全シンクロ領域D92とは、周波数がばらつかずに入力信号SI1の周波数とほぼ同一の周波数でゆらぎ発振器1が発振する領域を指す。以下、不完全シンクロ領域D91でのゆらぎ発振器1の発振状態を「不完全同期」と呼び、完全シンクロ領域D92でのゆらぎ発振器1の発振状態を「完全同期」と呼ぶ。
 図8を見れば分かる通り、図7と同様、不完全シンクロ領域D91では、入力信号SI1の強度が増大するにつれて、出力信号S3の周波数が増大していることが分かる。また、完全シンクロ領域D92では、ゆらぎ発振器1が完全同期で発振しているので、入力信号SI1の強度が増大しても、出力信号S3は一定の周波数「50Hz」を維持していることが分かる。
 ここで、完全シンクロ領域D92において、入力信号SI1の強度の下限値はおよそ「0.09V」である。そのため、ゆらぎ発振器1は、閾値「0.2V」の半分以下の値で、入力信号SI1と完全同期していることが分かる。したがって、ゆらぎ発振器1は、完全シンクロ領域D92では、ノイズ信号SNSの強度に対する強度が1/13程度の微弱な入力信号SI1を検知できる。
 また、不完全シンクロ領域D91では、入力信号SI1の強度の下限値はおよそ「0.03V」である。したがって、ゆらぎ発振器1は、不完全シンクロ領域D91では、ノイズ信号SNSの強度に対して強度が1/40程度の微弱な入力信号SI1を検知できる。
 図9は、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1を検知する様子を概略的に示した図である。ゆらぎ発振器1にノイズ信号SNSを入力すると、ゆらぎ発振器1は、固有周波数fsで発振する。
 ゆらぎ発振器1にノイズ信号SNSと未知の入力信号SI1とを入力すると、ゆらぎ発振器1は、固有周波数fsから周波数シフト量Δfだけ周波数をシフトさせた周波数fyで発振する。ここで、完全シンクロ領域D92では、周波数fyは入力信号SI1の周波数と同じになる。よって、出力信号S3の周波数fyを検知することで、入力信号SI1の周波数を検知できる。一方、不完全シンクロ領域D91では、周波数シフト量Δfが観測された場合、ゆらぎ発振器1は、固有周波数fs以上の周波数の入力信号SI1が入力されていることを検知でき、周波数シフト量Δfが観測されない場合、ゆらぎ発振器1は、固有周波数fs以上の周波数の入力信号SI1が入力されていないことを検知できる。
 なお、上記の入力信号SI1の検知はモニタ部15に表示された出力信号S3の波形からオペレータが行ってもよいし、モニタ部15が自動的に行ってもよい。
 図10は、モニタ部15が入力信号SI1を自動的に検知する態様を採用する場合のモニタ部15の処理の一例を示すフローチャートである。
 まず、モニタ部15は、出力信号S3を検知する(S1601)。次に、モニタ部15は、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1と不完全同期しているか、完全同期しているかを判定する。ここで、モニタ部15は、出力信号S3の周波数のばらつきが一定の範囲内に収まっていれば、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1と完全同期していると判定し、出力信号S3の周波数のばらつきが一定の範囲内に収まっていなければ、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1と不完全同期していると判定すればよい。
 次に、モニタ部15は、ゆらぎ発振器1が、不完全同期していない、つまり、完全同期していると判定すれば(S1602でNO)、出力信号S3の周波数を持つ入力信号SI1をゆらぎ発振器1が検知できたと判定する(S1603)。
 一方、モニタ部15は、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1と不完全同期していると判定した場合(S1602でYES)、周波数シフト量Δfが観測できたか否かを判定する(S1604)。ここで、モニタ部15は、出力信号S3の周波数の平均値を算出し、算出した平均値と固有周波数との差がある一定の値より大きければ、周波数シフト量Δfを観測できたと判定し、算出した平均値と固有周波数との差がある一定の値以下であれば、周波数シフト量Δfを観測できなかったと判定すればよい。
 次に、モニタ部15は、周波数シフト量Δfを観測できた場合(S1604でYES)、少なくとも固有周波数より大きい周波数を持つ入力信号SI1をゆらぎ発振器1が検知できたと判定する。一方、モニタ部15は、周波数シフト量Δfを観測できなかった場合(S1604でNO)、入力信号SI1をゆらぎ発振器1が検知できなかったと判定すればよい。
 図11は、強度調整部16による強度調整値に応じた出力信号S3の波形図の一例であり、縦軸は出力信号S3の振幅を示し、横軸は時間を示している。図11において、ゆらぎ発振器1の閾値として「0.2V」が用いられ、ノイズ信号SNSとして強度が「1.5V」のホワイトガウシアンノイズが用いられ、過渡応答部14の時定数として「1」が用いられている。また、強度調整部16の強度調整値CCとして、「0」,「0.1」,「0.2」,「0.5」,「1.0」,「2.0」が用いられている。強度調整値CCとは、フィードバック信号S4に対するゲインを指す。また、入力信号SI1として、周波数が「1Hz」、振幅が0.1Vのサイン波が用いられている。
 図11を観察すると、強度調整値CCが0~0.5の範囲では、出力信号S3は周波数及び振幅にばらつきが見られ、ゆらぎ発振器1が不完全同期していることが分かる。一方、強度調整値CCが1.0を超えると、出力信号S3は周波数及び振幅にばらつきが見られず、ゆらぎ発振器1が完全同期していることが分かる。
 以上より、例えば、オペレータはモニタ部15が表示した出力信号S3の波形を観察し、ゆらぎ発振器1が入力信号SI1に完全同期できていないと判断した場合、強度調整値CCを上げてゆくことで、ゆらぎ発振器1を入力信号SI1に同期させることができる。つまり、強度調整値CCを上げてゆくことで、ゆらぎ発振器1の固有周波数を増大させて、固有周波数を入力信号SI1の周波数に近づけ、ゆらぎ発振器1を完全同期させることができる。
 ここで、強度調整値CCは、強度調整部16を構成する可変抵抗器の抵抗値を調整することで調整できる。したがって、オペレータは可変抵抗器を調整するという簡単な作業で、ゆらぎ発振器1を入力信号SI1に完全同期させることができる。
 図12は、入力信号SI1の種類に応じたゆらぎ発振器1の挙動を説明する波形図である。図12において、セクション(a)は、ノイズ信号SNSのみが入力されたときのゆらぎ発振器1の挙動を示す波形図である。なお、図12において、過渡応答部14として微分器が採用されている。フィードバック信号S4が正の領域では閾値は閾値TH2になり、フィードバック信号S4が負の領域では閾値は閾値TH1になる。
 時刻T1では、ノイズ信号SNSとフィードバック信号S4との加算信号S1が閾値TH1を超えるているので、フィードバック信号S4は正側に反転している。このとき、過渡応答部14の閾値は負側の閾値TH2に設定される。
 時刻T1以降、フィードバック信号S4は、過渡応答部14の時定数にしたがって徐々に減衰する。そして、時刻T2になると、ノイズ信号SNSとフィードバック信号S4との加算信号S1が閾値TH2を下回るので、フィードバック信号S4は、負側に反転する。このように、ノイズ信号SNSのみが入力される場合、ゆらぎ発振器1は、固有振動幅λによって規定される固有振動数で発振する。セクション(a)から分かる通り、固有振動幅λはフィードバック信号S4の減衰率に依存しており、過渡応答部14の時定数の影響が支配的であることが分かる。
 図12のセクション(b)は、固有周波数よりも周波数が高い入力信号SI1が入力されたときのゆらぎ発振器1の挙動を示す波形図である。
 入力信号SI1の周波数が固有周波数よりも高ければ、固有振動幅λ内において、入力信号SI1とノイズ信号SNSとが確率共鳴を起こすので、フィードバック信号S4は、主に入力信号SI1の振幅の変化にしたがって閾値を超えることができる。そのため、固有振動数より高い周波数を持つ入力信号SI1が入力された場合、ゆらぎ発振器1は、完全同期しやすくなる。その結果、ゆらぎ発振器1は、入力信号SI1の強度が閾値以下であっても、入力信号SI1と完全同期できる。
 図12のセクション(c)は、固有周波数よりも周波数が低い入力信号SI1が入力されたときのゆらぎ発振器1の挙動を示す波形図である。入力信号SI1の周波数が固有周波数よりも低ければ、固有振動幅λ内でフィードバック信号S4は高確率で1回、閾値を超えることができる。そのため、時刻T1にて、フィードバック信号S4は正側に反転している。
 時刻T1以降、フィードバック信号S4は減衰しているが、入力信号SI1は増大しているので、両者は弱め合い、フィードバック信号S4の反転はノイズ信号SNSが支配的となり、時刻T2では、フィードバック信号S4は固有振動幅λより短いタイミングで、負側に反転している。
 時刻T2以降、フィードバック信号S4は、過渡応答部14の時定数に従って増大しているが、入力信号SI1が減少しているので、両者は弱め合い、フィードバック信号S4の反転はノイズ信号SNSが支配的となり、時刻T3では、フィードバック信号S4は固有振動幅λより長いタイミングで正側に反転している。
 このように、固有周波数よりも周波数が低い入力信号SI1が入力され場合、フィードバック信号S4の反転周期は揃わず、ゆらぎ発振器1は入力信号SI1に同期できない。
 以上説明したように、実施の形態1のゆらぎ発振器1は、強度調整部16を備えているので、未知の微弱な入力信号SI1を検知できるようにゆらぎ発振器1の回路パラメータを調整することが容易となる。
 (実施の形態2)
 実施の形態2は、複数のゆらぎ発振器1を用いて未知の入力信号SI1を検知する信号検知装置を構成したことを特徴とする。図13は、信号検知装置2の全体構成を示す図である。なお、本実施の形態において実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省く。
 信号検知装置2は、複数のゆらぎ発振器1と、検知部2000とを備える。図13の例では、ゆらぎ発振器1は、4つのゆらぎ発振器1_1、1_2、1_3、1_4で構成されている。但し、これは一例であり、4つ以外の複数のゆらぎ発振器1で信号検知装置2は構成されてもよい。
 ゆらぎ発振器1_1~1_4は入力端子が共通の入力端子2001に接続され、共通の入力信号SI1が入力される。ゆらぎ発振器1_1~1_4は、それぞれ固有周波数が異なるように回路パラメータが調整されている。
 検知部2000はゆらぎ発振器1_1~1_4の出力端子と接続され、コンピュータ等の情報処理装置で構成されている。そして、検知部2000は、ゆらぎ発振器1_1~1_4のそれぞれの出力信号S3が入力される。
 図7を参照すると、不完全シンクロ領域では、周波数が固有周波数に近い入力信号SI1ほどグラフの立ち上がりが早い。つまり、周波数が固有周波数に近い入力信号SI1ほど周波数シフト量Δfが大きいことが分かる。
 したがって、図13の信号検知装置2において、ゆらぎ発振器1_1~1_4のいずれもが入力信号SI1と完全同期していなければ、入力信号SI1の周波数は、ゆらぎ発振器1_1~1_4のうち、周波数シフト量Δfが最大のゆらぎ発振器1の固有周波数に最も近い値を持つと推定できる。
 例えば、ゆらぎ発振器1_1~1_4の固有周波数がそれぞれ、「5Hz」、「10Hz」、「15Hz」、「20Hz」であるとし、周波数が「17Hz」の入力信号SI1が入力されたとする。この場合、固有周波数が入力信号SI1の周波数よりも低いゆらぎ発振器1_1~1_3は、周波数シフト量Δfが観測される。更に、この場合、ゆらぎ発振器1_1~1_3のうち、固有周波数が入力信号SI1の周波数に最も近い「15Hz」のゆらぎ発振器1の周波数シフト量Δfが最大となる。したがって、図13の信号検知装置2において、ゆらぎ発振器1_1~1_4のすべてが不完全同期の場合、周波数シフト量Δfが最大のゆらぎ発振器1の固有周波数に近い周波数を入力信号SI1は持つと推定できる。
 一方、図7を参照すると、ゆらぎ発振器1は入力信号SI1と完全同期すると、入力信号SI1と同じ周波数の出力信号S3を出力することが分かる。
 したがって、図13の信号検知装置2において、ゆらぎ発振器1_1~1_4のうちいずれか1のゆらぎ発振器1が入力信号SI1と完全同期すれば、入力信号SI1の周波数は、完全同期したゆらぎ発振器1の出力信号S3の周波数を持つと推定できる。
 そこで、検知部2000は、図14のフローチャートに示すロジックで入力信号SI1を検知する。図14は、信号検知装置2が入力信号SI1を検知する際の処理を示すフローチャートである。
 まず、検知部2000は、各ゆらぎ発振器1からの出力信号S3を検知する(S131)。次に、検知部2000は、全てのゆらぎ発振器1が入力信号SI1と完全同期できていないか否かを判定する(S132)。全てのゆらぎ発振器1が入力信号SI1と完全同期できていないと判定した場合(S132でYES)、検知部2000は、各ゆらぎ発振器1からの出力信号S3の周波数シフト量Δfのうち最大の周波数シフト量Δfを特定する(S134)。次に、検知部2000は、周波数シフト量Δfが最大のゆらぎ発振器1の固有周波数を入力信号SI1の周波数と推定する(S135)。周波数シフト量Δfの特定の詳細は実施の形態1と同じなので説明は省略する。
 一方、いずれか1のゆらぎ発振器1が入力信号SI1と完全同期した場合(S132でNO)、完全同期したゆらぎ発振器1の出力信号S3の周波数を入力信号SI1の周波数と推定する(S133)。
 このように、実施の形態2の信号検知装置2によれば、それぞれ固有周波数の異なる複数のゆらぎ発振器1を備えているので、全てのゆらぎ発振器1が入力信号SI1と完全同期できなかった場合であっても、周波数シフト量Δfが最大のゆらぎ発振器1の固有周波数から入力信号SI1の周波数を推定できる。また、実施の形態2の信号検知装置2によれば、いずれかのゆらぎ発振器1が入力信号SI1と完全同期した場合、そのゆらぎ発振器1の出力信号S3の周波数から入力信号SI1の周波数を推定できる。
 (実施の形態3)
 実施の形態3は、複数のゆらぎ発振器1を用いて表示装置を構成したことを特徴とする。図15は、実施の形態3における表示装置3の構成の一例を示す図である。図15に示すように、表示装置3は、N行×N列でマトリックス状に配列されたゆらぎ発振器1を備える。ここで、Nは1以上の整数である。また、図15の例では、行数及び列数は同数に設定されているが、異なる数に設定されていてもよい。
 隣接するゆらぎ発振器1間に示される点線の四角形はゆらぎ発振器1の接続形態を示す。図15の右側に示すように、ゆらぎ発振器1の接続形態には、(i)両方向結合、(ii)一方向結合、及び(iii)無結合がある。
 (i)両方向結合は、隣接する2つのゆらぎ発振器1のうち、一方のゆらぎ発振器1の出力端子が他方のゆらぎ発振器1の入力端子に接続され、他方のゆらぎ発振器1の出力端子が一方のゆらぎ発振器1の入力端子に接続された接続形態である。
 (ii)一方向結合は、隣接する2つのゆらぎ発振器1のうち、一方のゆらぎ発振器1の出力端子が他方のゆらぎ発振器1の入力端子に接続された接続形態である。
 (iii)無結合は、隣接する2つのゆらぎ発振器1が未接続の接続形態である。
 なお、実施の形態3では、各ゆらぎ発振器1のモニタ部15は、出力信号S3の強度に応じて調光が変化する発光素子で構成される。発光素子としては、LEDや蛍光灯というように、調光が変更可能な発光素子であれば、どのような発光素子が採用されてもよい。
 図16は、表示装置3の発光パターンの一例を示した図である。図16の例では、表示装置3は、L0~L99で示される10行×10列で配列された100個のゆらぎ発振器1で構成されている。また、各ゆらぎ発振器1は、行方向において左側から右側に一方向結合され、ある行の右端のゆらぎ発振器1は次の行の左端のゆらぎ発振器1と一方向結合されている。すなわち、図16の例では、ある行の右端のゆらぎ発振器1は次の行の左端のゆらぎ発振器1に隣接するとみなされている。
 図16の表示装置3では、あるゆらぎ発振器1が発火すると、そのゆらぎ発振器1の出力信号S3が隣接するゆらぎ発振器1に順次に伝播していく。そのため、発火したゆらぎ発振器1を先頭にして下流側のゆらぎ発振器1に向けて明るさが順次に伝播していくような発光パターンが得られる。図16の例では、ゆらぎ発振器L3、L13、L28等が明るく発光しており、これらのゆらぎ発振器1から下流側のゆらぎ発振器1に向けて徐々に調光が暗くなるような発光パターンで表示装置3は発光している。そして、この発光パターンが経時的に下流側のゆらぎ発振器1に向けて伝播していくように、表示装置3は発光する。
 ここで、ゆらぎ発振器1は1/fゆらぎの周波数スペクトルを持っているので、表示装置3は、あたかも各ゆらぎ発振器1が自律的に発光しているかのような、人間にとって心地のよい発光パターンを演出できる。蛍を例に挙げると、ある蛍の発光に伴って、その蛍に隣接する蛍が連鎖的に発光していくな発光パターンを表示装置3は演出できる。
 なお、図16の例では、ゆらぎ発振器1は一方向結合されているが、両方向結合されていてもよい。この場合、あるゆらぎ発振器1が発火すると、そのゆらぎ発振器1を中心に両側のゆらぎ発振器に出力信号S3が徐々に伝播するような発光パターンを演出できる。また、図16の例において、ゆらぎ発振器1は一方向結合されているが、両方向結合と一方向結合と無結合とが混在されていてもよい。
 <実施の形態の纏め>
 本発明の一態様によるゆらぎ発振器は、入力信号にノイズ信号及びフィードバック信号を加算する加算器と、
 前記加算された加算信号を閾値と比較することでパルス信号を生成する閾値判別部と、
 前記生成されたパルス信号を過渡応答させ出力信号を生成する過渡応答部と、
 前記出力信号を前記フィードバック信号として前記加算器にフィードバックさせるフィードバックループと、
 前記フィードバックループに設けられ、前記フィードバック信号の強度を調整する強度調整部とを備える。
 入出力端子間がフィードバックループで接続された1つの確率共振素子でゆらぎ発振器を構成する場合、フィードバックループを介して加算器にフィードバックされるフィードバック信号の強度を適切に調整しなければ、ゆらぎ発振器に信号を検知させることができない。
 特許文献1では、入出力端子間にフィードバックループを形成し、1つの確率共振素子でゆらぎ発振器を構成した形態の開示はあるものの、フィードバックループ上にフィードバック信号の強度を調整するための素子が設けられていない。そのため、従来のゆらぎ発振器では、主に、微分器の時定数を調整することで、フィードバック信号の強度を調整せざるを得なかった。微分器の時定数を調整すればフィードバック信号の波形を変更することはできるが、フィードバック信号の強度を全体的に増減させることはできないので、調整に手間がかかるという問題がある。
 本構成では、フィードバックループ上にフィードバック信号の強度を調整するための強度調整部が設けられている。そのため、フィードバック信号の強度を調整することができ、回路パラメータの調整をより柔軟に行うことができる。その結果、本構成では、未知の微弱な入力信号を検知できるように回路パラメータを調整することが容易となる。
 また、上記態様において、固有周波数が前記入力信号の周波数よりも低くなるように回路パラメータが調整されてもよい。
 出力信号を入力信号にフィードバックさせるゆらぎ発振器は、固有周波数よりも周波数の高い入力信号が入力された場合、周波数シフト量(固有周波数に対する出力信号の周波数のシフト量)を観測できるが、固有周波数よりも周波数の低い入力信号が入力された場合、周波数シフト量を観測できないという特性を持つ。本構成では、ゆらぎ発振器の固有周波数が検知対象となる入力信号の周波数よりも低くなるように回路パラメータが調整されているので、ゆらぎ発振器に入力信号を検知させることができる。また、固有周波数よりも周波数が低い入力信号が入力された場合、ゆらぎ発振器は入力信号を検知できないのでゆらぎ発振器にハイパスフィルタの機能を持たせることができる。
 更に、ゆらぎ発振器の固有周波数を入力信号の周波数よりも低くすると、入力信号の強度が閾値以下であってもゆらぎ発振器は入力信号に同期して発振させることができるので、出力信号の周波数から微弱な入力信号の周波数を検知できる。
 また、上記態様において、前記出力信号をモニタするモニタ部を更に備えてもよい。
 この構成によれば、過度応答信号をモニタするモニタ部が設けられているので、入力信号の検知が容易になる。
 また、上記態様において、前記モニタ部は、前記ゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期していれば、前記出力信号の周波数を持つ入力信号が入力されていると判定し、前記ゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期していなければ、前記ゆらぎ発振器の固有周波数に対する前記出力信号の周波数シフト量が観測できた場合、前記入力信号が検知できたと判定してもよい。
 この構成によれば、ゆらぎ発振器が入力信号と完全同期している場合は、出力信号の周波数から入力信号の周波数を検知でき、ゆらぎ発振器が入力信号と完全同期していない場合は、周波数シフト量の観測の有無により入力信号を検知できる。
 また、上記態様において、前記モニタ部は、前記出力信号の強度に応じて調光される発光素子で構成されてもよい。
 この構成によれば、出力信号の強度に応じて調光される発光素子でモニタ部が構成されているので、ゆらぎ発振器の発振パターンに応じた発光パターンで発光素子を発光させることができる。ここで、ゆらぎ発振器は、入力信号にノイズ信号を重畳させているので、パワースペクトルは1/fゆらぎの特性を持つ。したがって、発光素子を1/fゆらぎの発光パターンで発光させることができ、人間にとって心地のよい発光パターンで発光素子を発光させることができる。
 また、上記態様において、前記過渡応答部は、積分器で構成されてもよい。
 この構成によれば、過渡応答部は積分器で構成されているので、出力信号を滑らかに変化させることができる。特に、ゆらぎ発振器の発振パターンに応じて発光素子を発光させる態様を採用する場合、発光素子を滑らかな発光パターンで発光させることができる。
 本発明の別の一態様の信号検知装置は、ゆらぎ発振器を複数備える信号検知装置であって、
 各ゆらぎ発振器は、固有周波数がそれぞれ異なり、且つ、共通の入力信号が入力され、
 各ゆらぎ発振器からの出力信号に基づいて、前記入力信号の周波数を検知する検知部を備える。
 ゆらぎ発振器は、入力信号の周波数が固有周波数よりも高い場合、入力信号の周波数が固有周波数に近づくにつれて、周波数シフト量が大きくなる特性を備えている。そのため、入力信号の周波数は、周波数シフト量が最大のゆらぎ発振器の固有周波数に近いと推定できる。本構成では、固有周波数がそれぞれ異なるゆらぎ発振器が複数設けられているので、最大の周波数シフト量が観測されたゆらぎ発振器の固有周波数を用いて未知の入力信号の周波数を検知できる。
 上記態様において、前記検知部は、少なくとも1つのゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期した場合、前記完全同期したゆらぎ発振器の出力信号の固有周波数を前記入力信号の周波数と推定してもよい。
 ゆらぎ発振器は入力信号と完全同期した場合、出力信号は、入力信号と同じ周波数で発振するという特性を持つ。本構成では、複数のゆらぎ発振器のうち、少なくとも1つのゆらぎ発振器が入力信号と完全同期した場合は、そのゆらぎ発振器の出力信号の周波数を入力信号は持つと推定されている。そのため、未知の入力信号の周波数を正確に検知できる。
 上記態様において、前記検知部は、全てのゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期できなかった場合、全てのゆらぎ発振器のうち、前記周波数シフト量が最大のゆらぎ発振器の固有周波数に基づいて、前記入力信号の周波数を推定してもよい。
 この構成によれば、全てのゆらぎ発振器が入力信号と完全同期しなかった場合は、周波数シフト量が最大のゆらぎ発振器の固有周波数に基づいて、入力信号の周波数を正確に検知できる。
 本発明の更に別の一態様の表示装置は、ゆらぎ発振器がマトリックス状に複数配列された表示装置であって、
 各ゆらぎ発振器は、前記出力信号に応じて調光が変化する発光素子を備え、
 各ゆらぎ発振器は、隣接するゆらぎ発振器のうち少なくとも1つのゆらぎ発振器と接続されている。
 この構成によれば、出力信号に応じて調光が変化する発光素子を備えるゆらぎ発振器がマトリックス状に複数配列されているので、あるゆらぎ発振器が発火すると、そのゆらぎ発振器の出力信号が徐々に周囲のゆらぎ発振器が伝播していくような発光パターンでゆらぎ発振器を発光させることができる。
 上記態様において、各ゆらぎ発振器は、隣接するゆらぎ発振器のうち少なくとも1つのゆらぎ発振器と両方向接続又は一方向接続されていてもよい。
 この構成によれば、隣接するゆらぎ発振器同士を両方向結合させることで、発火したゆらぎ発振器を中心に両方向に出力信号が伝播していくような発光パターンでゆらぎ発振器を発光させることができる。また、隣接するゆらぎ発振器同士を一方向結合させることで、発火したゆらぎ発振器を中心に一方向に出力信号が伝播していくような発光パターンでゆらぎ発振器を発光させることができる。

Claims (10)

  1.  入力信号にノイズ信号及びフィードバック信号を加算する加算器と、
     前記加算された加算信号を閾値と比較することでパルス信号を生成する閾値判別部と、
     前記生成されたパルス信号を過渡応答させ出力信号を生成する過渡応答部と、
     前記出力信号を前記フィードバック信号として前記加算器にフィードバックさせるフィードバックループと、
     前記フィードバックループに設けられ、前記フィードバック信号の強度を調整する強度調整部とを備えるゆらぎ発振器。
  2.  固有周波数が前記入力信号の周波数よりも低くなるように回路パラメータが調整されている請求項1に記載のゆらぎ発振器。
  3.  前記出力信号をモニタするモニタ部を更に備える請求項1又は2に記載のゆらぎ発振器。
  4.  前記モニタ部は、前記ゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期していれば、前記出力信号の周波数を持つ入力信号が入力されていると判定し、前記ゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期していなければ、前記ゆらぎ発振器の固有周波数に対する前記出力信号の周波数シフト量が観測できた場合、前記入力信号が検知できたと判定する請求項3に記載のゆらぎ発振器。
  5.  前記モニタ部は、前記出力信号の強度に応じて調光される発光素子で構成される請求項3に記載のゆらぎ発振器。
  6.  前記過渡応答部は、積分器で構成される請求項1~5のいずれか1項に記載のゆらぎ発振器。
  7.  請求項1に記載のゆらぎ発振器を複数備える信号検知装置であって、
     各ゆらぎ発振器は、固有周波数がそれぞれ異なり、且つ、共通の入力信号が入力され、
     各ゆらぎ発振器からの出力信号に基づいて、前記入力信号の周波数を検知する検知部を備える信号検知装置。
  8.  前記検知部は、少なくとも1つのゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期した場合、前記完全同期したゆらぎ発振器の出力信号の固有周波数を前記入力信号の周波数と推定する請求項7に記載の信号検知装置。
  9.  前記検知部は、全てのゆらぎ発振器が前記入力信号と完全同期できなかった場合、全てのゆらぎ発振器のうち、前記周波数シフト量が最大のゆらぎ発振器の固有周波数に基づいて、前記入力信号の周波数を推定する請求項7又は8に記載の信号検知装置。
  10.  請求項1に記載のゆらぎ発振器がマトリックス状に複数配列された表示装置であって、
     各ゆらぎ発振器は、前記出力信号に応じて調光が変化する発光素子を備え、
     各ゆらぎ発振器は、隣接するゆらぎ発振器のうち少なくとも1つのゆらぎ発振器と接続されている表示装置。
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