WO2018087914A1 - 波形復元装置及び波形復元方法 - Google Patents

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waveform
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栄治 山中
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理化工業株式会社
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    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H1/00—Constructional details of impedance networks whose electrical mode of operation is not specified or applicable to more than one type of network
    • H03H1/02—Constructional details of impedance networks whose electrical mode of operation is not specified or applicable to more than one type of network of RC networks, e.g. integrated networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H17/00—Networks using digital techniques
    • H03H17/02—Frequency selective networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/01—Frequency selective two-port networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass

Definitions

  • the present invention relates to a waveform restoration device and a waveform restoration method for removing an offset included in an AC signal.
  • an operational amplifier When amplifying the AC signal, for example, an operational amplifier can be used. However, if the offset is included in the AC signal due to the characteristics of the elements connected to the input side of the operational amplifier, the offset also increases in proportion to the gain of the operational amplifier along with the signal component of the AC signal. The output signal of the operational amplifier is affected by the offset included in the AC signal. Since the influence of the offset increases as the signal component of the AC signal decreases, it is desirable that the offset be removed before the operational amplifier amplifies the AC signal. In general, for example, if the voltage amplitude of an AC signal is on the order of millivolts (mV), the offset voltage included in the AC signal is required to be on the order of microvolts ( ⁇ V) or less.
  • Patent Document 1 discloses a technique for removing an offset included in an AC signal using a high-pass filter.
  • offset removal filter a filter for removing offsets
  • the offset contained in the AC signal can be removed.
  • the offset removal filter can detect the rising and falling portions of the signal where the change in the AC signal is steep, but cannot detect the portion where the change in the AC signal is gradual. For this reason, there existed a subject that distortion may arise in the waveform of the alternating current signal output from an offset removal filter.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and can restore the waveform of the AC signal before being input to the offset removal filter from the AC signal distorted as a result of the offset removal.
  • An object is to obtain a waveform restoration device and a waveform restoration method.
  • the waveform restoration apparatus uses an offset removal filter that removes an offset included in an AC signal and a time constant of the offset removal filter to remove an offset from the AC signal from which the offset has been removed by the offset removal filter. And a waveform restoration unit that restores the waveform of the AC signal before being input to the filter.
  • the waveform restoration device includes a time constant calculation unit that calculates a time constant of the offset removal filter from a change in the signal value of the AC signal from which the offset is removed by the offset removal filter, and the waveform restoration unit includes the time constant. Using the time constant calculated by the calculation unit, the waveform of the AC signal before being input to the offset removal filter is restored from the AC signal from which the offset is removed by the offset removal filter.
  • the waveform restoration device calculates an average value of a single waveform of an AC signal from which an offset has been removed by an offset removal filter, and subtracts the average value from the AC signal from which an offset has been removed by an offset removal filter, A signal correction unit that corrects the AC signal from which the offset has been removed by the offset removal filter and outputs the corrected AC signal is provided.
  • the waveform restoration unit inputs the AC signal output from the signal correction unit to the offset removal filter. The waveform of the AC signal before being restored is restored.
  • the offset removal filter is a high-pass filter or a first-order band-pass filter.
  • the offset removal filter removes the offset included in the AC signal
  • the waveform restoration unit uses the time constant of the offset removal filter to remove the offset by the offset removal filter.
  • the waveform of the AC signal before being input to the offset removal filter is restored from the AC signal.
  • the waveform distortion of the AC signal distorted by the offset removal by the offset removal filter is compensated.
  • the waveform of the AC signal before being input to the offset removal filter can be restored after removing the offset included in the AC signal.
  • FIG. Various AC signal V in of is a diagram showing an example of the waveform of the AC signal V com of the AC signal V out and a waveform-restoration which is the output signal of the high-pass filter 2 when it is input to the high pass filter 2.
  • Various AC signal V in of is a diagram showing an example of the waveform of the AC signal V com of the AC signal V out and a waveform-restoration which is the output signal of the high-pass filter 2 when it is input to the high pass filter 2.
  • 2 is a configuration diagram showing a first-order band-pass filter 5 used instead of the high-pass filter 2.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the waveform decompression
  • (A) is a block diagram which shows the time constant measurement circuit which measures the time constant (tau) of the high-pass filter 2
  • (b) is a block diagram which shows the time constant calculation part 31 in a time constant measurement circuit.
  • Various AC signal V in of is a diagram showing an example of the waveform of the AC signal V com of the AC signal V out and a waveform-restoration which is the output signal of the high-pass filter 2 when it is input to the high pass filter 2.
  • Various AC signal V in of is a diagram showing an example of the waveform of the AC signal V com of the AC signal V out and a waveform-restoration which is the output signal of the high-pass filter 2 when it is input to the high pass filter 2.
  • Various AC signal V in of is a diagram showing an example of the waveform of the AC signal V com of the AC signal V out and a waveform-restoration which is the output signal of the high-pass filter 2 when it is input to the high pass filter 2.
  • Various AC signal V in of is a diagram showing an example of the waveform of the AC signal V com of the AC signal V out and a waveform-restoration which is the output signal of the high-pass filter 2 when it is input to the high pass filter 2.
  • FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a waveform restoration apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the signal input terminal 1 is a terminal for inputting an AC signal V in, which includes an offset.
  • the high-pass filter 2 is an offset removal filter that removes the offset included in the AC signal Vin input from the signal input terminal 1 and outputs the AC signal Vout after the offset removal.
  • the high-pass filter 2 can detect the rising and falling portions of the signal where the change in the AC signal Vin is steep, but can detect the portion where the change in the AC signal Vin is slow. Can not. For this reason, distortion may occur in the waveform of the AC signal Vout output from the high-pass filter 2.
  • Waveform restoration unit 3 with a time constant ⁇ of the high-pass filter 2, from the AC signal V out which the offset has been removed by the high-pass filter 2, to restore the waveform of the AC signal V in prior to input to the high pass filter 2, a digital filter for outputting an AC signal V in the waveform-restoration as an AC signal V com.
  • the signal output terminal 4 is a terminal that outputs the AC signal Vcom output from the waveform restoration unit 3 to the outside.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the high-pass filter 2 of the waveform restoration apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the capacitor 11 has a capacitance value C, one end is connected to the signal input terminal 1, and the other end is connected to the waveform restoration unit 3.
  • the resistor 12 has a resistance value R, one end is connected to the other end of the capacitor 11 and the waveform restoring unit 3, and the other end is connected to the ground 13.
  • the time constant ⁇ of the high pass filter 2 is calculated from the capacitance value C of the capacitor 11 and the resistance value R of the resistor 12.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a waveform restoration method which is a processing content of the waveform restoration apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • High pass filter 2 when the AC signal V in from the signal input terminal 1 is input, to remove the offset contained in the AC signal V in, the output AC signal V out after the offset removal waveform restoration unit 3 (Step ST1 in FIG. 3).
  • the high-pass filter 2 passes only a frequency component higher than the cutoff frequency determined by the time constant ⁇ among the frequency components included in the AC signal Vin input from the signal input terminal 1, and is equal to or lower than the cutoff frequency. It is a filter which cuts off the frequency component of. Therefore, the high-pass filter 2, a frequency offset contained in the AC signal V in is equal to or less than the cut-off frequency, it is possible to remove the offset contained in the AC signal V in. Therefore, the capacitance value C of the capacitor 11 and the resistance value R of the resistor 12 that determine the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 are selected to be values that can remove the offset included in the AC signal Vin. . However, since the waveform of the AC signal Vout is distorted with the removal of the offset, the waveform of the AC signal Vout that is the output signal of the high-pass filter 2 is distorted.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing waveform distortion accompanying offset removal.
  • FIG. 4 shows an example in which the waveform of the AC signal Vin that is an input signal of the high-pass filter 2 is a pulse waveform. As shown in FIG. 4, but offset contained in the AC signal V in by the high-pass filter 2 is removed, the distortion waveform of the AC signal V out with the removal of the offset due to the high-pass filter 2, an AC signal V out It can be seen that the waveform is no longer a pulse waveform.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a waveform verification example of the high-pass filter 2 in which the gain A is 1, the sampling period ⁇ T is 0.01 (s), and the time constant ⁇ is 0.1 (s). In the example of FIG. 5, the waveform of the AC signal V in is the input signal of the high-pass filter 2 is a pulse waveform, the waveform of the AC signal V out is the output signal of the high-pass filter 2 is missing in a pulse waveform.
  • the waveform restoration process by the waveform restoration unit 3 will be specifically described.
  • the AC signal Vout that is the output signal of the high-pass filter 2 can be expressed as the following equation (1) by using a Laplace variable s that is a variable of Laplace transform.
  • I is a current flowing through the capacitor 11 and the resistor 12.
  • an AC signal V in input from the signal input terminal 1 the relationship between the AC signal V out is the output signal of the high-pass filter 2, by modifying the equation (1) in formula I, the formula I By substituting into the equation (2), it can be expressed as the following equation (3).
  • [Delta] T is the sampling period of the high-pass filter 2
  • high-pass filter 2 is a sampling period [Delta] T, sampling the AC signal V in input from the signal input terminal 1.
  • n and i are sampling numbers of the high-pass filter 2
  • the AC signal Vout in Equation (6) is an output signal of the high-pass filter 2 whose waveform is distorted along with the removal of the offset, and the AC signal Vin in Equation (6) is the high-pass filter 2 whose waveform is not distorted. Input signal. Further, CR in the equation (6) corresponds to the time constant ⁇ of the high pass filter 2. Therefore, waveform restoration unit 3, by substituting an AC signal V out is the output signal of the high-pass filter 2 in equation (6), carried out the digital inverse filter operation, waveform AC signal V in is a result of the operation The restored AC signal Vcom is output to the signal output terminal 4.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a waveform verification example of the AC signal V com after the waveform restoration by the waveform restoration unit 3. Also in the case of FIG. 6, the gain A of the high-pass filter 2 is 1, the sampling period ⁇ T is 0.01 (s), and the time constant ⁇ is 0.1 (s).
  • the waveform of the AC signal V com after waveform restoration shown in FIG. 6 is substantially the same as the waveform of the AC signal Vin that is the input signal of the high-pass filter 2 shown in FIG.
  • FIGS. 7A to 7C show examples in which the waveform of the AC signal Vin input to the high-pass filter 2 is a sine wave
  • FIGS. 8A to 8C show the high-pass filter 2.
  • An example is shown in which the waveform of the input AC signal Vin is a pulse waveform.
  • “single-shot input waveform” is a waveform of the AC signal V in input to the high pass filter 2
  • “HPF waveform” is a waveform of the AC signal V out output from the high pass filter 2.
  • the “restoration waveform” is a waveform of the AC signal V com after the waveform restoration by the waveform restoration unit 3.
  • FIGS. 7 (a) is 1000 (Hz)
  • FIG. 7 (b) is 500 (Hz)
  • FIG. 7 (c) is 333 (Hz)
  • FIG. 8 (a) is 1000 (Hz 8 (b) is 500 (Hz)
  • FIG. 8 (c) is 333 (Hz).
  • the offset contained in the AC signal V in is removed by the high-pass filter 2, the AC signal V waveform in the waveform restoration unit 3 before being input to the high pass filter 2 It is restored, the waveform of the AC signal V com of the waveform-restoration by waveform restoration unit 3 has nearly the same waveform as the waveform of the AC signal V in input to the high pass filter 2.
  • the high-pass filter 2 for removing the offset contained in the AC signal Vin input from the signal input terminal 1 and the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 are set. using, from the AC signal V out which the offset has been removed by the high-pass filter 2, since it is configured to include a waveform restoration unit 3 to restore the waveform of the AC signal V in prior to input to the high pass filter 2, high-pass The waveform distortion of the distorted AC signal Vout is compensated by removing the offset by the filter 2. As a result, after removing the offset contained in the AC signal V in, an advantage of being able to restore the waveform of the AC signal V in prior to input to the high-pass filter 2 is obtained.
  • the high-pass filter 2 removes the offset included in the AC signal Vin input from the signal input terminal 1
  • the offset removal filter that removes the offset is a high-pass filter.
  • the primary band pass filter 5 may be used.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a primary band-pass filter 5 used in place of the high-pass filter 2.
  • the capacitor 21 has a capacitance value C 1 and one end is connected to the signal input terminal 1.
  • the resistor 22 has a resistance value R 1 , one end is connected to the other end of the capacitor 21, and the other end is connected to the ground 13.
  • the resistor 23 has a resistance value R 2 , one end is connected to the other end of the capacitor 21, and the other end is connected to the waveform restoring unit 3.
  • the capacitor 24 has a capacitance value C 2 , one end is connected to the other end of the resistor 23 and the waveform restoring unit 3, and the other end is connected to the ground 13.
  • V in is expressed by the following equation (8). It is expressed as follows.
  • the waveform restoration unit 3 uses the time constant ⁇ of the band-pass filter 5 from the AC signal V out from which the offset is removed by the band-pass filter 5. to restore the waveform of the AC signal V in prior to input to the high pass filter 2. That is, waveform restoration unit 3, by substituting an AC signal V out is the output signal of the bandpass filter 5 to the equation (8), carried out the digital inverse filter operation, an AC signal V in is a result of the operation The signal is output to the signal output terminal 4 as the AC signal V com after waveform restoration.
  • V in (n) which is the input value of the n-th sampling
  • V out (n) the sampling data of V out (n)
  • FIG. 10 is a block diagram showing a waveform restoration apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the time constant calculation unit 6 calculates the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 from the change in the signal value of the AC signal V out from which the offset has been removed by the high-pass filter 2, and restores the waveform of the calculated time constant ⁇ of the high-pass filter 2. Output to part 3.
  • the operation will be described. Even if the time constant ⁇ of the high pass filter 2 is not calculated from the capacitance value C of the capacitor 11 and the resistance value R of the resistor 12, for example, if the time constant measuring circuit shown in FIG. A time constant ⁇ of 2 can be measured. However, even if the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 is measured using the time constant measuring circuit shown in FIG. 11A, for example, as shown in FIG. When the capacitor 11 included in the high-pass filter 2 generally deteriorates with age when it is actually connected and connected to the front stage of the unit 3, the error of the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 increases. It becomes like this.
  • the capacitor 11 is, for example, a temperature compensating ceramic capacitor or a film capacitor, aging degradation can be almost ignored.
  • the capacitance value C of the capacitor 11 is 1000. It is known to decrease by about -3% over time. For this reason, the measured time constant ⁇ of the high-pass filter 2 also increases as the capacitor 11 deteriorates over time, and the waveform restoration accuracy by the waveform restoration unit 3 decreases. Therefore, in order to set the waveform restoration accuracy by the waveform restoration unit 3 to an error within 1%, for example, the time constant measurement circuit shown in FIG. The time constant ⁇ needs to be measured again.
  • FIG. 11A is a configuration diagram showing a time constant measuring circuit for measuring the time constant ⁇ of the high-pass filter 2.
  • FIG. 11B is a configuration diagram showing the time constant calculation unit 31 in the time constant measurement circuit.
  • the operational amplifier 30 is an amplifier that amplifies the AC signal Vout from which the offset has been removed by the high-pass filter 2.
  • the time constant calculation unit 31 includes N (N is an integer of 2 or more) power supply terminals 32-1 to 32-N, a multiplexer 33, and a resistor sensor 34.
  • the power supply terminals 32-1 to 32-N are terminals to which voltages Vcc1 to VccN are applied.
  • the multiplexer 33 is a switching device that switches the power supply terminal 32 connected to the resistor sensor 34 among the N power supply terminals 32-1 to 32-N in a stepwise manner. As a result, the voltage Vcc applied to the resistor sensor 34 is switched stepwise, for example, from the voltage Vcc1 to the voltage VccN.
  • One end of the resistor sensor 34 is connected to the input side of the multiplexer 33 and the high pass filter 2, and the other end is connected to the ground.
  • the resistor sensor 34 is a sensor called a photoconductive element whose resistance value is changed by infrared rays to be detected.
  • the resistor sensor 34 has a characteristic that the resistance value hardly changes in the state where the ambient temperature is in the range of 0 to 50 ° C.
  • the temperature until the time constant measurement of the resistor sensor 34 ends may be 18 ° C. to 28 ° C.
  • the time constant calculation unit 31 measures the waveform of the voltage signal output from the resistor sensor 34 while changing the voltage Vcc applied to the resistor sensor 34 stepwise by the multiplexer 33, and the measured voltage signal From this waveform, the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 is calculated.
  • FIGS. 12A to 12C show an example in which the waveform of the AC signal Vin input to the high-pass filter 2 is a sine wave.
  • FIGS. 13A to 13C show examples of the high-pass filter 2.
  • An example is shown in which the waveform of the input AC signal Vin is a pulse waveform.
  • 12 and 13 "single-shot input waveform” is a waveform of the AC signal V in input to the high pass filter 2
  • HPF waveform is a waveform of the AC signal V out output from the high pass filter 2.
  • the “restoration waveform” is a waveform of the AC signal V com after the waveform restoration by the waveform restoration unit 3.
  • the sampling period ⁇ T of the high-pass filter 2 is 2.50 ⁇ 10 ⁇ 6 (s) in FIG. 12A, 5.00 ⁇ 10 ⁇ 6 (s) in FIG. 12B, and 1 in FIG. 12C. .00 ⁇ 10 ⁇ 5 (s), FIG. 13 (a) is 5.00 ⁇ 10 ⁇ 6 (s), FIG. 13 (b) is 1.00 ⁇ 10 ⁇ 6 (s), and FIG.
  • FIG. 13 (c) 1.00 ⁇ 10 ⁇ 5 (s).
  • Frequency of the AC signal V in is FIG 12 (a) is 1000 (Hz), FIG. 12 (b) is 500 (Hz), FIG. 12 (c) is 333 (Hz), FIG. 13 (a) is 1000 (Hz 13 (b) is 500 (Hz), and FIG. 13 (c) is 333 (Hz).
  • the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 includes an error due to aging deterioration of the capacitor 11 included in the high-pass filter 2
  • the AC after waveform restoration by the waveform restoration unit 3 is performed.
  • the waveform of the signal V com are, we've shifted from the waveform of the AC signal V in to be input to the high-pass filter 2.
  • the waveform shift is noticeable.
  • the time constant calculation unit 6 uses a high-pass filter from a change in the signal value of the AC signal V out from which the offset is removed by the high-pass filter 2.
  • the time constant ⁇ of the filter 2 is calculated.
  • the time constant calculation unit 6 uses the time when the AC signal Vout from which the offset is removed by the high-pass filter 2 becomes the maximum value E as the measurement start point of the elapsed time t ⁇ , and the AC signal Vout is 1 with the maximum value E. Measure the elapsed time t ⁇ until it becomes a value of / e ( ⁇ 36.8% of E). Then, the time constant calculation unit 6 outputs the elapsed time t ⁇ to the waveform restoration unit 3 as the time constant ⁇ of the high pass filter 2.
  • the waveform restoration unit 3 receives the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 from the time constant calculation unit 6, the offset is removed by the high-pass filter 2 using the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 as in the first embodiment. from AC signal V out, to restore the waveform of the AC signal V in prior to input to the high pass filter 2, and outputs an AC signal V in the waveform-restoration as an AC signal V com to a signal output terminal 4.
  • 14 and 15 diagram the various AC signal V in of showing an example of the waveform of the AC signal V com after the AC signal V out and waveform restoration which is the output signal of the high-pass filter 2 when it is input to the high pass filter 2
  • FIGS. 15A to 15C show examples of the high-pass filter 2.
  • An example is shown in which the waveform of the input AC signal Vin is a pulse waveform.
  • “single-shot input waveform” is a waveform of the AC signal V in input to the high pass filter 2
  • “HPF waveform” is a waveform of the AC signal V out output from the high pass filter 2.
  • the “restoration waveform” is a waveform of the AC signal V com after the waveform restoration by the waveform restoration unit 3.
  • FIG. 14 and 15 the examples are common in that the gain A of the high-pass filter 2 is 1 and the time constant ⁇ is 0.000115 (s).
  • the sampling period ⁇ T of the high-pass filter 2 is 2.50 ⁇ 10 ⁇ 6 (s) in FIG. 14A, 5.00 ⁇ 10 ⁇ 6 (s) in FIG. 14B, and 1 in FIG. .00 ⁇ 10 ⁇ 5 (s), FIG. 15 (a) is 5.00 ⁇ 10 ⁇ 6 (s), FIG. 15 (b) is 1.00 ⁇ 10 ⁇ 6 (s), and FIG. 15 (c). 1.00 ⁇ 10 ⁇ 5 (s).
  • Frequency of the AC signal V in is FIG 14 (a) is 1000 (Hz), FIG. 14 (b) is 500 (Hz), FIG. 14 (c) is 333 (Hz), FIG. 15 (a) is 1000 (Hz 15 (b) is 500 (Hz), and FIG. 15 (c) is 333 (Hz).
  • the offset included in the AC signal Vin is removed by the high-pass filter 2, and the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 is calculated by the time-constant calculation unit 6, waveform of the AC signal V in before input is restored by the waveform restoration unit 3, the waveform of the AC signal V com of the waveform-restoration by waveform restoration unit 3, the AC signal V in input to the high pass filter 2
  • the waveform is almost the same as the waveform.
  • the time constant calculating unit 6 determines the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 from the change in the signal value of the AC signal V out from which the offset has been removed by the high-pass filter 2. Therefore, even when the capacitor 11 included in the high-pass filter 2 has deteriorated over time, the time constant ⁇ of the high-pass filter 2 can be accurately grasped. As a result, even if the capacitor 11 is deteriorated over time, an effect can be obtained in which a reduction in waveform restoration accuracy by the waveform restoration unit 3 can be prevented.
  • Embodiment 3 FIG.
  • the AC signal Vout that is the output signal of the high-pass filter 2 is a signal from which the offset included in the AC signal Vin is removed, but the offset remains in the AC signal Vout without being completely removed.
  • the waveform restoration unit 3 integrates the AC signals V out (i) at the time of sampling as shown in Expression (6). Process. For this reason, even if the offset remaining in the AC signal V out (i) at the time of each sampling is not completely removed, the remaining offset is integrated, whereby the output of the waveform restoration unit 3 is obtained.
  • the AC signal V com that is a signal may include a large error.
  • an example will be described in which an offset remaining in the AC signal Vout is removed without being completely removed.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a waveform restoring apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • Signal correcting unit 7 calculates an average value V ave of single waveform of the AC signal V out which the offset has been removed by the high-pass filter 2, subtracting the average value V ave from the AC signal V out which the offset has been removed by the high-pass filter 2
  • the AC signal Vout from which the offset is removed by the high-pass filter 2 is corrected, and the corrected AC signal Vout-H is output.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram showing the offset remaining in the AC signal Vout .
  • an offset may remain in the AC signal V out that is the output signal of the high-pass filter 2 as shown in FIG. .
  • the offset remaining in the AC signal Vout without being completely removed is caused by the bias current of the operational amplifier 30 (see FIG. 11A) connected to the signal output terminal 4, for example. That is, since the bias current of the operational amplifier 30 flows into the resistor 12 of the high-pass filter 2, an offset that remains in the AC signal Vout is generated.
  • the signal correction unit 7 When the signal correction unit 7 receives the AC signal Vout that is the output signal of the high-pass filter 2, the signal correction unit 7 calculates an average value Vave of the single waveform of the AC signal Vout .
  • the offset due to the bias current of the operational amplifier 30 does not occur, the integral amount of the positive voltage and the integral amount of the negative voltage in the single waveform of the AC signal Vout are the same, so the single signal of the AC signal Vout The average value V ave of the waveform is zero.
  • an offset due to the bias current of the operational amplifier 30 is generated, there is a difference between the integration amount of the positive voltage and the integration amount of the negative voltage in the single waveform of the AC signal Vout by the offset.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram showing an average value V ave of single waveform of the AC signal V out corresponding to the offset remaining in the AC signal V out.
  • the signal correction unit 7 in order to remove the offset remaining in the AC signal V out, from the AC signal V out is the output signal of the high-pass filter 2, subtracting the average value V ave corresponding to the offset subtraction
  • the subsequent AC signal V out-H is output to the waveform restoration unit 3 as a corrected AC signal.
  • the AC signal V out-H after the subtraction corresponds to the AC signal V out from which the remaining offset is removed.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram showing a waveform restoration result by the waveform restoration unit 3.
  • 19 (a) shows a waveform restoration result of waveform restoration unit 3 in the case where the AC signal V out by the signal correcting section 7 is not corrected
  • FIG. 19 (b) AC signal V out is corrected by the signal correcting section 7
  • the waveform restoration result of the waveform restoration part 3 in the case of being done is shown.
  • “input” represented by a solid line represents the waveform of the AC signal V in
  • “restoration” represented by a dotted line represents the waveform of the AC signal V com after waveform restoration.
  • the waveform of the AC signal Vcom after the waveform restoration by the waveform restoration unit 3 remains in the AC signal Vout as shown in FIG. under the influence of are offset is different from the waveform of the AC signal V in input to the high pass filter 2.
  • the waveform of the AC signal V com after the waveform restoration by the waveform restoration unit 3 is the AC inputted to the high-pass filter 2, as shown in FIG. It is substantially the same waveform as the waveform of the signal V in.
  • the signal correction unit 7 calculates the average value V ave of the single waveform of the AC signal V out from which the offset has been removed by the high pass filter 2, and the high pass filter 2 by by subtracting the average value V ave from the AC signal V out which the offset has been removed, since it is configured so as to correct the AC signal V out which the offset has been removed by the high-pass filter 2, remains in the AC signal V out
  • the effect of offset is eliminated.
  • an effect that the waveform restoration accuracy of the waveform restoration unit 3 can be improved as compared with the first and second embodiments is obtained.
  • the signal correction unit 7 may be applied to the waveform restoration device in FIG. 1, but the signal correction unit 7 may be applied to the waveform restoration device in FIG. 10.
  • the signal correction unit 7 may correct the AC signal V out that is the output signal of the band pass filter 5.
  • the content of the present invention has been described based on the embodiment.
  • the content of the present invention is not limited only to the content of the embodiment, but within the content described in the claims and the equivalent scope thereof. Of course, it can be changed.

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Abstract

信号入力端子（１）から入力された交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去するハイパスフィルタ（２）と、ハイパスフィルタ（２）の時定数τを用いて、ハイパスフィルタ（２）によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから、ハイパスフィルタ（２）に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元する波形復元部（３）とを備えるように構成する。これにより、ハイパスフィルタ（２）によりオフセットが除去されることで歪んでいる交流信号Ｖｏｕｔの波形歪みが補償される。その結果、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去した上で、ハイパスフィルタ（２）に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元することができる。

Description

波形復元装置及び波形復元方法
　この発明は、交流信号に含まれているオフセットを除去する波形復元装置及び波形復元方法に関するものである。
　交流信号を増幅する際には、例えば、オペアンプを用いることができる。
　ただし、オペアンプの入力側に接続されている素子の特性等の影響で、交流信号にオフセットが含まれている場合、交流信号の信号成分と一緒にオフセットもオペアンプのゲインに比例して大きくなるため、オペアンプの出力信号は、交流信号に含まれているオフセットの影響を受ける。
　オフセットの影響は、交流信号の信号成分が小さい程、大きくなるため、オペアンプが交流信号を増幅する前に、オフセットが除去されていることが望ましい。
　一般的には、例えば、交流信号の電圧振幅がミリボルト（ｍＶ）オーダーであれば、交流信号に含まれているオフセットの電圧はマイクロボルト（μＶ）オーダー以下であることが求められる。
　以下の特許文献１には、ハイパスフィルタを用いて、交流信号に含まれているオフセットを除去する技術が開示されている。
特開２００３－１３３９８１号公報
　ハイパスフィルタやバンドパスフィルタなどのオフセットを除去するフィルタ（以下、「オフセット除去フィルタ」という）を用いれば、交流信号に含まれているオフセットを除去することができる。しかし、オフセット除去フィルタは、交流信号の変化が急峻な部分である信号の立上り部分及び立下り部分については検出することができるが、交流信号の変化が緩やかな部分については検出することができない。このため、オフセット除去フィルタから出力される交流信号の波形に歪みが生じてしまうことがあるという課題があった。
　この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、オフセットの除去に伴って歪んでいる交流信号から、オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元することができる波形復元装置及び波形復元方法を得ることを目的とする。
　この発明に係る波形復元装置は、交流信号に含まれているオフセットを除去するオフセット除去フィルタと、オフセット除去フィルタの時定数を用いて、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から、オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元する波形復元部とを備えるようにしたものである。
　この発明に係る波形復元装置は、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号の信号値の変化から、オフセット除去フィルタの時定数を算出する時定数算出部を備え、波形復元部が、時定数算出部により算出された時定数を用いて、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から、オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元するようにしたものである。
　この発明に係る波形復元装置は、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号の単発波形の平均値を算出し、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から平均値を減算することで、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号を補正し、補正後の交流信号を出力する信号補正部を備え、波形復元部が、信号補正部から出力された交流信号から、オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元するようにしたものである。
　この発明に係る波形復元装置は、オフセット除去フィルタが、ハイパスフィルタ、あるいは、１次のバンドパスフィルタであるようにしたものである。
　この発明に係る波形復元方法は、オフセット除去フィルタが、交流信号に含まれているオフセットを除去し、波形復元部が、オフセット除去フィルタの時定数を用いて、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から、オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元するようにしたものである。
　この発明によれば、オフセット除去フィルタによりオフセットが除去されることで歪んでいる交流信号の波形歪みが補償される。その結果、交流信号に含まれているオフセットを除去した上で、オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元することができる効果がある。
この発明の実施の形態１による波形復元装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による波形復元装置のハイパスフィルタ２を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による波形復元装置の処理内容である波形復元方法を示すフローチャートである。 オフセットの除去に伴う波形の歪みを示す説明図である。 ゲインＡが１、サンプリング周期ΔＴが０．０１（ｓ）、時定数τが０．１（ｓ）であるハイパスフィルタ２の波形検証例を示す説明図である。 波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形検証例を示す説明図である。 各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。 各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。 ハイパスフィルタ２の代わりに用いる１次のバンドパスフィルタ５を示す構成図である。 この発明の実施の形態２による波形復元装置を示す構成図である。 （ａ）はハイパスフィルタ２の時定数τを計測する時定数計測回路を示す構成図、（ｂ）は時定数計測回路における時定数算出部３１を示す構成図である。 各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。 各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。 各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。 各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。 この発明の実施の形態３による波形復元装置を示す構成図である。 交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットを示す説明図である。 交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットに相当する交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅを示す説明図である。 波形復元部３による波形復元結果を示す説明図である。
　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。
実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１による波形復元装置を示す構成図である。
　図１において、信号入力端子１はオフセットが含まれている交流信号Ｖｉｎを入力する端子である。
　ハイパスフィルタ２は信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去し、オフセット除去後の交流信号Ｖｏｕｔを出力するオフセット除去フィルタである。
　ハイパスフィルタ２は、交流信号Ｖｉｎの変化が急峻な部分である信号の立上り部分及び立下り部分については検出することができるが、交流信号Ｖｉｎの変化が緩やかな部分については検出することができない。このため、ハイパスフィルタ２から出力される交流信号Ｖｏｕｔの波形に歪みが生じてしまうことがある。
　波形復元部３はハイパスフィルタ２の時定数τを用いて、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元し、波形復元後の交流信号Ｖｉｎを交流信号Ｖｃｏｍとして出力するデジタルフィルタである。
　信号出力端子４は波形復元部３から出力された交流信号Ｖｃｏｍを外部出力する端子である。
　図２はこの発明の実施の形態１による波形復元装置のハイパスフィルタ２を示す構成図である。
　図２において、コンデンサ１１は容量値Ｃを有しており、一端が信号入力端子１と接続され、他端が波形復元部３と接続されている。
　抵抗１２は抵抗値Ｒを有しており、一端がコンデンサ１１の他端及び波形復元部３と接続され、他端がグランド１３と接続されている。
　ハイパスフィルタ２の時定数τは、コンデンサ１１の容量値Ｃと、抵抗１２の抵抗値Ｒとから算出される。算出式はτ＝Ｃ×Ｒである。
　この実施の形態１では、ハイパスフィルタ２の時定数τは算出済みであるものとする。
　次に動作について説明する。
　図３はこの発明の実施の形態１による波形復元装置の処理内容である波形復元方法を示すフローチャートである。
　ハイパスフィルタ２は、信号入力端子１から交流信号Ｖｉｎが入力されると、その交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去し、オフセット除去後の交流信号Ｖｏｕｔを波形復元部３に出力する（図３のステップＳＴ１）。
　ハイパスフィルタ２は、信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎに含まれている周波数成分のうち、時定数τで決まるカットオフ周波数よりも高い周波数成分だけを通過させて、カットオフ周波数以下の周波数成分を遮断するフィルタである。
　このため、ハイパスフィルタ２は、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットの周波数がカットオフ周波数以下であれば、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去することができる。
　したがって、ハイパスフィルタ２の時定数τを決めるコンデンサ１１の容量値Ｃ及び抵抗１２の抵抗値Ｒは、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去することができるような値に選定されている。
　ただし、オフセットの除去に伴って交流信号Ｖｏｕｔの波形が歪むため、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔは波形が歪んでいる。
　図４はオフセットの除去に伴う波形の歪みを示す説明図である。
　図４では、ハイパスフィルタ２の入力信号である交流信号Ｖｉｎの波形がパルス波形である例を示している。
　図４に示すように、ハイパスフィルタ２によって交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットが除去されるが、ハイパスフィルタ２によるオフセットの除去に伴って交流信号Ｖｏｕｔの波形が歪み、交流信号Ｖｏｕｔの波形がパルス波形でなくなっていることが分かる。
　図５はゲインＡが１、サンプリング周期ΔＴが０．０１（ｓ）、時定数τが０．１（ｓ）であるハイパスフィルタ２の波形検証例を示す説明図である。
　図５の例では、ハイパスフィルタ２の入力信号である交流信号Ｖｉｎの波形がパルス波形であり、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔの波形がパルス波形でなくなっている。
　波形復元部３は、ハイパスフィルタ２からオフセット除去後の交流信号Ｖｏｕｔを受けると、ハイパスフィルタ２の算出済みの時定数τ＝Ｃ×Ｒを用いて、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元し、波形復元後の交流信号Ｖｉｎを交流信号Ｖｃｏｍとして信号出力端子４に出力する（図３のステップＳＴ２）。
　即ち、波形復元部３は、ハイパスフィルタ２の算出済みの時定数τ＝Ｃ×Ｒを用いるデジタル逆フィルタ演算を実施することで、オフセットの除去に伴って歪んでいる交流信号Ｖｏｕｔに対する波形復元処理を行う。
　以下、波形復元部３による波形復元処理を具体的に説明する。
　ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔは、ラプラス変換の変数であるラプラス変数ｓを用いれば、以下の式（１）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 式（１）において、Ｉはコンデンサ１１及び抵抗１２を流れる電流である。
　信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎと、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔとの関係は、以下の式（２）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎと、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔとの関係は、式（１）をＩの式に変形して、Ｉの式を式（２）に代入すれば、以下の式（３）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎは、式（３）を変形することで、以下の式（４）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　また、信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎは、式（４）をラプラス逆変換することで、以下の式（５）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 式（５）において、ｔは時刻である。
　さらに、信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎは、式（５）を後退差分で展開することで、式（５）を以下の式（６）のように近似することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　式（６）において、ΔＴはハイパスフィルタ２のサンプリング周期であり、ハイパスフィルタ２はサンプリング周期ΔＴで、信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎをサンプリングする。
　また、ｎ，ｉはハイパスフィルタ２のサンプリング番号、Ｉは任意に設定される値であり、例えば、Ｉ＝１００である。
　式（６）における交流信号Ｖｏｕｔは、オフセットの除去に伴って波形が歪んでいるハイパスフィルタ２の出力信号であり、式（６）における交流信号Ｖｉｎは、波形が歪んでいないハイパスフィルタ２の入力信号である。また、式（６）におけるＣＲは、ハイパスフィルタ２の時定数τに相当する。
　そこで、波形復元部３は、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔを式（６）に代入することで、デジタル逆フィルタ演算を実施し、その演算結果である交流信号Ｖｉｎを波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍとして信号出力端子４に出力する。
　図６は波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形検証例を示す説明図である。
　図６の場合も、ハイパスフィルタ２のゲインＡが１、サンプリング周期ΔＴが０．０１（ｓ）、時定数τが０．１（ｓ）である。図６に示している波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形は、図５に示しているハイパスフィルタ２の入力信号である交流信号Ｖｉｎの波形とほぼ同様の波形になっている。
　図７及び図８は各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。
　図７（ａ）～図７（ｃ）はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形がｓｉｎ波である例を示し、図８（ａ）～図８（ｃ）はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形がパルス波形である例を示している。
　図７及び図８において、「単発入力波形」はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形、「ＨＰＦ波形」はハイパスフィルタ２から出力された交流信号Ｖｏｕｔの波形である。
　また、「復元波形」は波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形である。
　図７及び図８では、どの例も、ハイパスフィルタ２のゲインＡが１、時定数τが０．０００１１５（ｓ）で共通している。
　ハイパスフィルタ２のサンプリング周期ΔＴは、図７（ａ）が２．５０×１０－６（ｓ）、図７（ｂ）が５．００×１０－６（ｓ）、図７（ｃ）が１．００×１０－５（ｓ）、図８（ａ）が５．００×１０－６（ｓ）、図８（ｂ）が１．００×１０－６（ｓ）、図８（ｃ）が１．００×１０－５（ｓ）である。
　交流信号Ｖｉｎの周波数は、図７（ａ）が１０００（Ｈｚ）、図７（ｂ）が５００（Ｈｚ）、図７（ｃ）が３３３（Ｈｚ）、図８（ａ）が１０００（Ｈｚ）、図８（ｂ）が５００（Ｈｚ）、図８（ｃ）が３３３（Ｈｚ）である。
　図７及び図８から明らかなように、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットがハイパスフィルタ２によって除去され、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形が波形復元部３によって復元されており、波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形が、ハイパスフィルタ２に入力される交流信号Ｖｉｎの波形とほぼ同様の波形になっている。
　以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去するハイパスフィルタ２と、ハイパスフィルタ２の時定数τを用いて、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元する波形復元部３とを備えるように構成したので、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去されることで歪んでいる交流信号Ｖｏｕｔの波形歪みが補償される。その結果、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去した上で、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元することができる効果が得られる。
　この実施の形態１では、ハイパスフィルタ２が、信号入力端子１から入力された交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去する例を示したが、オフセットを除去するオフセット除去フィルタは、ハイパスフィルタ２に限るものではなく、例えば、１次のバンドパスフィルタ５であってもよい。
　図９はハイパスフィルタ２の代わりに用いる１次のバンドパスフィルタ５を示す構成図であり、図９において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　コンデンサ２１は容量値Ｃ１を有しており、一端が信号入力端子１と接続されている。
　抵抗２２は抵抗値Ｒ１を有しており、一端がコンデンサ２１の他端と接続され、他端がグランド１３と接続されている。
　抵抗２３は抵抗値Ｒ２を有しており、一端がコンデンサ２１の他端と接続され、他端が波形復元部３と接続されている。
　コンデンサ２４は容量値Ｃ２を有しており、一端が抵抗２３の他端及び波形復元部３と接続され、他端がグランド１３と接続されている。
　図９に示すバンドパスフィルタ５の伝達関数は、以下の式（７）のように表され、式（７）に含まれているＶｉｎについて解くと、Ｖｉｎは以下の式（８）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　波形復元部３は、ハイパスフィルタ２の代わりにバンドパスフィルタ５を用いている場合、バンドパスフィルタ５の時定数τを用いて、バンドパスフィルタ５によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元する。
　即ち、波形復元部３は、バンドパスフィルタ５の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔを式（８）に代入することで、デジタル逆フィルタ演算を実施し、その演算結果である交流信号Ｖｉｎを波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍとして信号出力端子４に出力する。
　式（８）に示すように、ｎ番目のサンプリングの入力値であるＶｉｎ（ｎ）をＶｏｕｔ（ｎ）のサンプリングデータのみで表わすことができるため、波形の復元処理が可能である。
　したがって、バンドパスフィルタ５を用いる場合でも、バンドパスフィルタ５に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元することができる効果が得られる。
実施の形態２．
　この実施の形態２では、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔの信号値の変化から、ハイパスフィルタ２の時定数τを算出する例を説明する。
　図１０はこの発明の実施の形態２による波形復元装置を示す構成図である。図１０において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　時定数算出部６はハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔの信号値の変化から、ハイパスフィルタ２の時定数τを算出し、その算出したハイパスフィルタ２の時定数τを波形復元部３に出力する。
　次に動作について説明する。
　ハイパスフィルタ２の時定数τは、コンデンサ１１の容量値Ｃと、抵抗１２の抵抗値Ｒとから算出しなくても、例えば、図１１（ａ）に示す時定数計測回路を用いれば、ハイパスフィルタ２の時定数τを計測することができる。
　ただし、図１１（ａ）に示す時定数計測回路を用いて、ハイパスフィルタ２の時定数τを計測しても、例えば、図１に示すように、時定数計測済みのハイパスフィルタ２を波形復元部３の前段に接続して実際に使用を開始すると、ハイパスフィルタ２に含まれているコンデンサ１１は、一般的に経年劣化を生じるため、ハイパスフィルタ２の時定数τの誤差が増加していくようになる。
　即ち、コンデンサ１１が、例えば、温度補償用セラミックコンデンサ又はフィルムコンデンサであれば、経年劣化をほとんど無視することができるが、コンデンサ１１がＢ特性のコンデンサである場合、コンデンサ１１の容量値Ｃは１０００時間で約－３％減少することが知られている。
　このため、計測済みのハイパスフィルタ２の時定数τについても、コンデンサ１１の経年劣化に伴って誤差が増加し、波形復元部３による波形の復元精度が低下する。
　したがって、波形復元部３による波形の復元精度を例えば１％以内の誤差にするには、約１００時間毎に、例えば、図１１（ａ）に示す時定数計測回路を用いて、ハイパスフィルタ２の時定数τを計測し直す必要がある。
　なお、図１１（ａ）に示す時定数計測回路を用いて、ハイパスフィルタ２の時定数τを再計測する場合、一旦、ハイパスフィルタ２と波形復元部３の接続を解除して、ハイパスフィルタ２を図１１（ａ）に示す時定数計測回路に組み込む必要がある。
　図１１（ａ）はハイパスフィルタ２の時定数τを計測する時定数計測回路を示す構成図である。
　図１１（ｂ）は時定数計測回路における時定数算出部３１を示す構成図である。
　図１１（ａ）及び図１１（ｂ）において、オペアンプ３０はハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔを増幅する増幅器である。
　時定数算出部３１はＮ（Ｎは２以上の整数）個の電源端子３２－１～３２－Ｎと、マルチプレクサ３３と、抵抗体センサ３４とを備えている。
　電源端子３２－１～３２－Ｎは電圧Ｖｃｃ１～ＶｃｃＮが印加される端子である。
　マルチプレクサ３３はＮ個の電源端子３２－１～３２－Ｎのうち、抵抗体センサ３４と接続される電源端子３２を段階的に切り換える切換器である。これにより、抵抗体センサ３４に印加される電圧Ｖｃｃは、例えば、電圧Ｖｃｃ１から電圧ＶｃｃＮになるまで段階的に切り換えられる。
　抵抗体センサ３４は一端がマルチプレクサ３３及びハイパスフィルタ２の入力側と接続され、他端がグランドと接続されている。
　抵抗体センサ３４は検知する赤外線によって抵抗値が変化する光導電素子と呼ばれるセンサである。抵抗体センサ３４は周囲温度が０～５０℃の範囲で抵抗体センサ３４の変動温度が±５℃以内となる状態で、入力光がない状態では、抵抗値がほとんど変化しない特性を有している。従って、例えば、周囲温度２３℃で抵抗体センサ３４の時定数計測を行う場合、抵抗体センサ３４の時定数計測が終わるまでの温度が１８℃～２８℃であればよい。
　時定数算出部３１は、マルチプレクサ３３によって、抵抗体センサ３４に印加される電圧Ｖｃｃを段階的に変化させながら、抵抗体センサ３４から出力される電圧信号の波形を計測し、それぞれ計測した電圧信号の波形から、ハイパスフィルタ２の時定数τを算出する。
　図１２及び図１３は各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。
　図１２（ａ）～図１２（ｃ）はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形がｓｉｎ波である例を示し、図１３（ａ）～図１３（ｃ）はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形がパルス波形である例を示している。
　図１２及び図１３において、「単発入力波形」はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形、「ＨＰＦ波形」はハイパスフィルタ２から出力された交流信号Ｖｏｕｔの波形である。
　また、「復元波形」は波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形である。
　図１２及び図１３では、どの例も、ハイパスフィルタ２のゲインＡが１、時定数τが０．０００１（ｓ）で共通している。ただし、この時定数τ（＝０．０００１（ｓ））は誤差を含んでいるために、真の時定数τ（＝０．０００１１５（ｓ））と相違しているものとする。
　ハイパスフィルタ２のサンプリング周期ΔＴは、図１２（ａ）が２．５０×１０－６（ｓ）、図１２（ｂ）が５．００×１０－６（ｓ）、図１２（ｃ）が１．００×１０－５（ｓ）、図１３（ａ）が５．００×１０－６（ｓ）、図１３（ｂ）が１．００×１０－６（ｓ）、図１３（ｃ）が１．００×１０－５（ｓ）である。
　交流信号Ｖｉｎの周波数は、図１２（ａ）が１０００（Ｈｚ）、図１２（ｂ）が５００（Ｈｚ）、図１２（ｃ）が３３３（Ｈｚ）、図１３（ａ）が１０００（Ｈｚ）、図１３（ｂ）が５００（Ｈｚ）、図１３（ｃ）が３３３（Ｈｚ）である。
　図１２及び図１３の例では、ハイパスフィルタ２に含まれているコンデンサ１１の経年劣化等によりハイパスフィルタ２の時定数τが誤差を含んでいるために、波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形が、ハイパスフィルタ２に入力される交流信号Ｖｉｎの波形とずれてしまっている。特に、図１２（ｃ）、図１３（ａ）～（ｃ）は、波形のずれが顕著に表れている。
　この実施の形態２では、図１１（ａ）に示す時定数計測回路を用いて、時定数算出部６が、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔの信号値の変化から、ハイパスフィルタ２の時定数τを算出するようにする。
　即ち、時定数算出部６は、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔが最大値Ｅとなる時刻を経過時間ｔτの計測開始点として、交流信号Ｖｏｕｔが最大値Ｅの１／ｅ（≒Ｅの３６．８％）の値になるまでの経過時間ｔτを計測する。
　そして、時定数算出部６は、経過時間ｔτをハイパスフィルタ２の時定数τとして、波形復元部３に出力する。
　波形復元部３は、時定数算出部６からハイパスフィルタ２の時定数τを受け取ると、上記実施の形態１と同様に、ハイパスフィルタ２の時定数τを用いて、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形を復元し、波形復元後の交流信号Ｖｉｎを交流信号Ｖｃｏｍとして信号出力端子４に出力する。
　図１４及び図１５は各種の交流信号Ｖｉｎがハイパスフィルタ２に入力された場合のハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔ及び波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形例を示す説明図である。
　図１４（ａ）～図１４（ｃ）はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形がｓｉｎ波である例を示し、図１５（ａ）～図１５（ｃ）はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形がパルス波形である例を示している。
　図１４及び図１５において、「単発入力波形」はハイパスフィルタ２に入力された交流信号Ｖｉｎの波形、「ＨＰＦ波形」はハイパスフィルタ２から出力された交流信号Ｖｏｕｔの波形である。
　また、「復元波形」は波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形である。
　図１４及び図１５では、どの例も、ハイパスフィルタ２のゲインＡが１、時定数τが０．０００１１５（ｓ）で共通している。
　ハイパスフィルタ２のサンプリング周期ΔＴは、図１４（ａ）が２．５０×１０－６（ｓ）、図１４（ｂ）が５．００×１０－６（ｓ）、図１４（ｃ）が１．００×１０－５（ｓ）、図１５（ａ）が５．００×１０－６（ｓ）、図１５（ｂ）が１．００×１０－６（ｓ）、図１５（ｃ）が１．００×１０－５（ｓ）である。
　交流信号Ｖｉｎの周波数は、図１４（ａ）が１０００（Ｈｚ）、図１４（ｂ）が５００（Ｈｚ）、図１４（ｃ）が３３３（Ｈｚ）、図１５（ａ）が１０００（Ｈｚ）、図１５（ｂ）が５００（Ｈｚ）、図１５（ｃ）が３３３（Ｈｚ）である。
　図１４及び図１５から明らかなように、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットはハイパスフィルタ２によって除去され、ハイパスフィルタ２の時定数τは時定数算出部６によって算出され、ハイパスフィルタ２に入力される前の交流信号Ｖｉｎの波形は波形復元部３によって復元されており、波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形が、ハイパスフィルタ２に入力される交流信号Ｖｉｎの波形とほぼ同様の波形になっている。
　以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、時定数算出部６が、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔの信号値の変化から、ハイパスフィルタ２の時定数τを算出するように構成したので、ハイパスフィルタ２に含まれているコンデンサ１１が経年劣化を生じても、ハイパスフィルタ２の時定数τを正確に把握することが可能になる。その結果、コンデンサ１１が経年劣化を生じても、波形復元部３による波形の復元精度の低下を防止することができる効果が得られる。
実施の形態３．
　ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔは、交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットが除去された信号であるが、交流信号Ｖｏｕｔにオフセットが完全に除去されずに残存していることがある。
　波形復元部３は、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔの波形を復元する際、式（６）に示すように、複数のサンプリング時の交流信号Ｖｏｕｔ（ｉ）を積算する処理を行う。このため、完全に除去されずに、各サンプリング時の交流信号Ｖｏｕｔ（ｉ）に残存しているオフセットが僅かであっても、残存するオフセットが積算されることにより、波形復元部３の出力信号である交流信号Ｖｃｏｍが大きな誤差を含んでしまうことがある。
　この実施の形態３では、完全に除去されずに、交流信号Ｖｏｕｔに残存しているオフセットを除去する例を説明する。
　図１６はこの発明の実施の形態３による波形復元装置を示す構成図である。図１６において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　信号補正部７はハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅを算出し、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから平均値Ｖａｖｅを減算することで、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔを補正し、補正後の交流信号Ｖｏｕｔ－Ｈを出力する。
　次に動作について説明する。
　図１７は交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットを示す説明図である。
　ハイパスフィルタ２が交流信号Ｖｉｎに含まれているオフセットを除去する処理を実施しても、図１７に示すように、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔにオフセットが残ることがある。
　完全に除去されずに、交流信号Ｖｏｕｔに残存するオフセットは、例えば、信号出力端子４に接続されるオペアンプ３０（図１１（ａ）を参照）のバイアス電流に起因するものである。
　即ち、オペアンプ３０のバイアス電流がハイパスフィルタ２の抵抗１２に流れ込むために、交流信号Ｖｏｕｔに残存するオフセットが発生する。
　信号補正部７は、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔを受けると、交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅを算出する。
　オペアンプ３０のバイアス電流に起因するオフセットが発生していない場合、交流信号Ｖｏｕｔの単発波形における正の電圧の積分量と負の電圧の積分量とが同じになるため、交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅは０になる。
　一方、オペアンプ３０のバイアス電流に起因するオフセットが発生している場合、オフセットの分だけ、交流信号Ｖｏｕｔの単発波形における正の電圧の積分量と負の電圧の積分量との間に差分が生じ、その差分は、交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅに相当する。このため、交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅは、交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットに相当する。
　図１８は交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットに相当する交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅを示す説明図である。
　次に、信号補正部７は、交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットを除去するため、ハイパスフィルタ２の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔから、オフセットに相当する平均値Ｖａｖｅを減算し、減算後の交流信号Ｖｏｕｔ－Ｈを補正後の交流信号として波形復元部３に出力する。
　減算後の交流信号Ｖｏｕｔ－Ｈは、残っているオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔに相当する。
　図１９は波形復元部３による波形復元結果を示す説明図である。
　図１９（ａ）は信号補正部７により交流信号Ｖｏｕｔが補正されていない場合の波形復元部３の波形復元結果を示し、図１９（ｂ）は信号補正部７により交流信号Ｖｏｕｔが補正されてた場合の波形復元部３の波形復元結果を示している。
　図１９において、実線で表される「入力」は交流信号Ｖｉｎの波形を示し、点線で表される「復元」は波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形を示している。
　信号補正部７により交流信号Ｖｏｕｔが補正されていない場合、図１９（ａ）に示すように、波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形は、交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットの影響で、ハイパスフィルタ２に入力される交流信号Ｖｉｎの波形と相違している。
　信号補正部７により交流信号Ｖｏｕｔが補正された場合、図１９（ｂ）に示すように、波形復元部３による波形復元後の交流信号Ｖｃｏｍの波形は、ハイパスフィルタ２に入力される交流信号Ｖｉｎの波形とほぼ同様の波形になっている。
　以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、信号補正部７が、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔの単発波形の平均値Ｖａｖｅを算出し、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔから平均値Ｖａｖｅを減算することで、ハイパスフィルタ２によりオフセットが除去された交流信号Ｖｏｕｔを補正するように構成したので、交流信号Ｖｏｕｔに残っているオフセットの影響が除去される。その結果、上記実施の形態１，２よりも、波形復元部３の波形復元精度を高めることができる効果が得られる。
　この実施の形態３では、信号補正部７が図１の波形復元装置に適用される例を示しているが、図１０の波形復元装置に適用されるものであってもよい。
　また、ハイパスフィルタ２の代わりに、バンドパスフィルタ５が用いられている場合、信号補正部７が、バンドパスフィルタ５の出力信号である交流信号Ｖｏｕｔを補正するようにしてもよい。
　以上のように、本発明の内容を実施形態に基づいて説明したが、本発明の内容は実施形態の内容のみに限定されるものではなく、請求項に記載された内容及びその均等の範囲内において、変更可能であることはもちろんである。
　１　信号入力端子、２　ハイパスフィルタ（オフセット除去フィルタ）、３　波形復元部、４　信号出力端子、５　バンドパスフィルタ（オフセット除去フィルタ）、６　時定数算出部、７　信号補正部、１１　コンデンサ、１２　抵抗、１３　グランド、２１，２４　コンデンサ、２２，２３　抵抗、３０　オペアンプ、３１　時定数算出部、３２－１～３２－Ｎ　電源端子、３３　マルチプレクサ、３４　抵抗体センサ。

Claims (5)

  1. 　交流信号に含まれているオフセットを除去するオフセット除去フィルタと、
    　前記オフセット除去フィルタの時定数を用いて、前記オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から、前記オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元する波形復元部と
    　を備えた波形復元装置。
  2. 　前記オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号の信号値の変化から、前記オフセット除去フィルタの時定数を算出する時定数算出部を備え、
    　前記波形復元部は、前記時定数算出部により算出された時定数を用いて、前記オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から、前記オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元することを特徴とする請求項１記載の波形復元装置。
  3. 　前記オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号の単発波形の平均値を算出し、前記オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から前記平均値を減算することで、前記オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号を補正し、補正後の交流信号を出力する信号補正部を備え、
    　前記波形復元部は、前記オフセット除去フィルタの時定数を用いて、前記信号補正部から出力された補正後の交流信号から、前記オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元することを特徴とする請求項１記載の波形復元装置。
  4. 　前記オフセット除去フィルタは、ハイパスフィルタ、あるいは、１次のバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１記載の波形復元装置。
  5. 　オフセット除去フィルタが、交流信号に含まれているオフセットを除去し、
    　波形復元部が、前記オフセット除去フィルタの時定数を用いて、前記オフセット除去フィルタによりオフセットが除去された交流信号から、前記オフセット除去フィルタに入力される前の交流信号の波形を復元する
    　波形復元方法。
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