(57)【要約】【課題】低次のフィルタにより、所定の周波数まで、入力信号との相対比が略１となるような振幅特性を実現するＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法を提供することにある。【解決手段】ΔΣ変調器２１と、Ｓｉｎｃ３フィルタ２２と、を含んで構成されたＡ／Ｄ変換器２０より出力される信号を、ＩＩＲフィルタ５１を用いて補正するＡ／Ｄ変換器２０のデジタル信号の振幅特性補正方法において、ＩＩＲフィルタ５１の伝達関数は、遮断周波数をｆｈとし、クオリティファクタをＱとした、ローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をｆｓとして双一次変換した式からなり、遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱを任意の値に設定し、所定の周波数まで、アナログ入力信号との相対比が略１となる振幅特性を有するように、デジタル信号を補正する。【選択図】図１
2009272733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ入力信号をデジタル信号に変換するΔΣ変調器と、
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたＡ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正するＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法において、
ＩＩＲフィルタを用い、
前記ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈ（ｚ）は、
遮断周波数をｆｈとし、クオリティファクタをＱとした、次式（１）のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をｆｓとして双一次変換した次式（２）からなり、
【数１】
2009272733.tif 000007
【数２】
2009272733.tif 000008
前記遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱを任意の値に設定し、前記Ａ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号を前記ＩＩＲフィルタに入力させることにより、当該ＩＩＲフィルタを通過したデジタル信号が所定の周波数まで、前記アナログ入力信号との相対比が略１となる振幅特性を有するように補正することを特徴とするＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法。
【請求項２】
アナログ入力信号を１ビットのデジタル信号に変換するΔΣ変調器と、
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、
ＩＩＲフィルタを備え、
前記ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈ（ｚ）は、
遮断周波数をｆｈとし、クオリティファクタをＱとした、次式（１）のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をｆｓとして双一次変換した次式（２）からなり、
【数３】
2009272733.tif 000009
【数４】
2009272733.tif 000010
前記遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱが任意の値に設定された前記ＩＩＲフィルタは、前記ＩＩＲフィルタを通過した前記Ａ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号が、３０Ｈｚ以上まで、前記アナログ入力信号との相対比が略１となる振幅特性を有するように補正することを特徴とする地震計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法及び地震計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地震計等においては、ΔΣ変調器及びデシメーションフィルタを備えたＡ／Ｄ変換器により、アナログの入力信号からユーザの所望するデジタルの出力信号を取得できることが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−２５８６３７号公報
【０００３】
しかし、上記のようなＡ／Ｄ変換器により出力されるデジタル信号は、入力信号との振幅の相対比が周波数の増加に伴い高い減衰率で低下するが、所定の周波数までの通過域において十分な振幅の平坦特性（入力信号と出力信号の振幅の相対比が略１となる特性）が得られず、ユーザの所望する正確な計測結果が得られないという問題があった。
【０００４】
上記問題について、例えば、デシメーションフィルタとしてＳｉｎｃフィルタが用いられている場合、Ａ／Ｄ変換器により出力されるデジタル信号を、Ｓｉｎｃフィルタと逆特性を備えるＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタに通過させることで補正する方法が知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＦＩＲフィルタを用いた場合、処理が高次となるので演算量が多く、十分な演算処理速度を得ることが出来ないという問題があり、また、高次のフィルタであるためフィルタの全体長も長くせざるを得ないという設計上の問題も伴うことになる。
【０００６】
本発明の課題は、低次のフィルタにより、所定の周波数まで、入力信号との相対比が略１となるような振幅特性を実現するＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法及び地震計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載のＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法は、
アナログ入力信号をデジタル信号に変換するΔΣ変調器と、
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたＡ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正するＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法において、
ＩＩＲフィルタを用い、
前記ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈ（ｚ）は、
遮断周波数をｆｈとし、クオリティファクタをＱとした、式（１）のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をｆｓとして双一次変換した式（２）からなり、  
前記遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱを任意の値に設定し、前記Ａ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号を前記ＩＩＲフィルタに入力させることにより、当該ＩＩＲフィルタを通過したデジタル信号が所定の周波数まで、前記アナログ入力信号との相対比が略１となる振幅特性を有するように補正することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、地震計において、
アナログ入力信号を１ビットのデジタル信号に変換するΔΣ変調器と、
前記ΔΣ変調器により変換されたデジタル信号を所定のデシメーションレートで間引くデシメーションフィルタと、を含んで構成されたＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号の振幅特性を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、
ＩＩＲフィルタを備え、
前記ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈ（ｚ）は、
遮断周波数をｆｈとし、クオリティファクタをＱとした、式（１）のローパスフィルタの伝達関数を、プリワーピング処理し、サンプリング周波数をｆｓとして双一次変換した式（２）からなり、  
前記遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱが任意の値に設定された前記ＩＩＲフィルタは、前記ＩＩＲフィルタを通過した前記Ａ／Ｄ変換器より出力されるデジタル信号が、３０Ｈｚ以上まで、前記アナログ入力信号との相対比が略１となる振幅特性を有するように補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、式（２）の伝達関数において、遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱを任意の値に設定することにより、その伝達関数からなるＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを通過した、Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、所定の周波数まで入力信号との相対比が略１となる振幅特性を実現できる。
すなわち、式（２）の伝達関数からなるＩＩＲフィルタによりＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号が補正されるので、ユーザは遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱの値を調整することにより、所望する周波数帯域における出力信号の振幅の平坦特性を容易に実現することが出来る。
さらに、式（２）に示すように低次のフィルタであるため演算量が少なくて済み、演算処理の高速化が図れる。
したがって、本発明は、低次のフィルタにより、所定の周波数まで、入力信号との相対比が略１となるような振幅特性を実現するＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法といえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図１を参照して本発明に係るＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法及び地震計について説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
【００１１】
図１は、地震計１の内部構成を示すブロック図である。地震計１は、例えば、地震による振動をアナログ信号として検出する振動検出器５と、振動検出器５により検出されたアナログ信号を、アナログ入力信号１０として入力し、デジタル信号４０に変換するＡ／Ｄ変換器２０と、フィルタリング処理により、Ａ／Ｄ変換器２０から出力されるデジタル信号４０を補正し、補正されたデジタル信号６０を生成するＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）としてのＦＰＧＡ(Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）５０と、所定の制御プログラム等を備えて地震計１の処理を制御する制御部７０と、ユーザによる地震計１の入力操作を実行するための入力部８０と、地震計１の計測結果等を表示する表示部９０と、等を備えて構成される。
【００１２】
振動検出器５は、例えば、サーボ型振動検出器から構成されており、内部に備えられた振り子の中立位置からのずれを、駆動コイルを用いた電流量制御によって中立位置へ戻し、その時駆動コイルに流れた電流を測定することで、各方向の加速度を検出することが出来る。
【００１３】
Ａ／Ｄ変換器２０は、ΔΣ変調器２１と、デシメーションフィルタとしてのＳｉｎｃ３フィルタ２２と、等を備えて構成され、振動検出器５から検出されるアナログ信号をアナログ入力信号１０として入力し、デジタル信号４０に変換する処理を行う。
【００１４】
ΔΣ変調器２１は、図示しない量子化器や積分器等を備えて構成されており、アナログ入力信号１０をデジタル信号に変換する。
このΔΣ変調器２１は、オーバーサンプリングを行うことにより量子化誤差を少なくし、ノイズシェービングを行うことによりノイズの発生を抑止している。
【００１５】
Ｓｉｎｃ３フィルタ２２は、ΔΣ変調器２１によりオーバーサンプリングされたデジタル信号を所定のデシメーションレートＮに基づいて間引くデシメーションフィルタとして機能しており、次式（３）の伝達関数にて表される３次のＳｉｎｃフィルタである。
【数１】
2009272733.tif 000003
【００１６】
ＦＰＧＡ５０は、格子状に配置された複数の論理回路から構成されており、ユーザが独自の論理回路を書き込むことが出来るため、ＩＩＲフィルタ５１の実装が可能となる。そして、ＩＩＲフィルタ５１は、フィルタリング処理を実行することが可能なので、Ａ／Ｄ変換器２０より出力されるデジタル信号４０を補正し、補正されたデジタル信号６０を出力することが出来る。かかるＦＰＧＡ５０は、補正手段として機能する。
なお、ＩＩＲフィルタ５１を実装可能なものであれば、ＦＰＧＡ５０に限られるものではなく、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）のような１チップマイクロプロセッサーであっても良い。
【００１７】
ＩＩＲフィルタ５１は、無限インパルスの応答特性を備える信号処理フィルタの一つであり、アナログフィルタとしてもデジタルフィルタとしても実装されるが、本発明では、デジタル信号の振幅特性を変化させるデジタルのＩＩＲフィルタとして機能している。
このＩＩＲフィルタ５１の伝達関数は、遮断周波数をｆｈとし、クオリティファクタをＱとした、次式（４）のアナログのローパスフィルタの伝達関数に基づいて設計される。
【数２】
2009272733.tif 000004
そして、上記伝達関数にプリワーピング処理を施し、サンプリング周波数をｆｓとして次式（５）に基づく双一次近似により双一次変換すると、次式（６）の伝達関数が導出される。
【数３】
2009272733.tif 000005
【数４】
2009272733.tif 000006
この式（６）の伝達関数と、式（４）の伝達関数の積により得られる関数において、遮断周波数ｆｈとクオリティファクタＱに任意の値を入力することにより、Ａ／Ｄ変換器２０の出力信号の振幅特性が決定される。
【００１８】
制御部７０は、例えば、各種プログラム等を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）や、各種プログラムを格納したＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）や、各種データを一時格納するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などを含んで構成され、補正されたデジタル信号６０を地震動データ（加速度データ）に変換してデータ処理し、表示部９０を介して出力表示の制御等を行う。
【００１９】
入力部８０は、例えば、入力キーや入力ボタンなどから構成されており、ユーザの地震計１の入力操作に応じて、所定の入力操作信号を制御部７０に対して出力している。
【００２０】
表示部９０は、例えば、液晶ディスプレイなどから構成されており、制御部７０でデータ処理される地震動データに基づいて、地震計１の振動計測の結果等を表示する。
【００２１】
（振幅特性の補正処理）
以下に、例として、本発明に係るＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法を、地震計１に用いた場合の振幅特性の補正処理について、図２〜図４を用いて説明する。
【００２２】
まず、地震計１の振動検出器５より検出されたアナログ入力信号１０が、Ａ／Ｄ変換器２０のΔΣ変調器２１によりオーバーサンプリングされ、サンプリング周波数が１２５０００Ｈｚであるとする。そして、上記サンプリング周波数は、デシメーションレートＮを６２５として、Ｓｉｎｃ３フィルタ２２によって間引かれるものとする。
【００２３】
上記の場合において、図２では、式（３）を用いて、ＩＩＲフィルタ５１を介さずにＡ／Ｄ変換器２０より出力した時のデジタル信号の振幅特性、即ち、周波数（Ｈｚ）ごとの、アナログ入力信号１０に対するデジタル信号４０の振幅の相対比が示されている。
一般に地震計においては、周波数が少なくとも３０Ｈｚまでは、相対比が１の平坦領域を形成することが望ましいとされているが、図２に示すように、ＩＩＲフィルタ５１等の補正フィルタを介さずにデジタル信号を出力すると、相対比は、周波数が１０Ｈｚ近傍より落ち始めており、周波数が３０Ｈｚの時点においては、相対比は１０％近くも低下していることがわかる。
そのため、このままのデジタル信号４０によっては、実際の振動計測値より低い値が出力されることになるため、ユーザは正確な振動計測値を把握することができない。
【００２４】
次いで、図３には、式（６）の伝達関数により、遮断周波数ｆｈを５２Ｈｚとし、クオリティファクタＱを１．０５５とした場合における本発明に係るＩＩＲフィルタ５１の振幅特性が示されている。
この図３により、遮断周波数ｆｈより低周波数の領域において、相対比が１を超えているため、ＩＩＲフィルタ５１を通過させることにより、図２に示す相対比を向上させる補正が可能であることがわかる。
【００２５】
次いで、図４には、図２のＩＩＲフィルタ５１を介さないで出力されたデジタル信号４０の振幅特性（曲線Ａ）と、図３のＩＩＲフィルタ５１の振幅特性（曲線Ｂ）と、式（２）と式（３）の積をとり、デジタル信号４０をＩＩＲフィルタ５１に通過させることで得られる補正したデジタル信号６０の振幅特性（曲線Ｃ）が示されている。
曲線Ｃより、周波数が４０Ｈｚ程度までは相対比が略１となっており、ＩＩＲフィルタ５１の補正機能により、地震計１において所望される平坦領域が形成されていることがわかる。さらに、曲線Ｃは曲線Ａと比較すると、周波数が４０Ｈｚ以上の領域において、相対比が急落しているため、余分な高周波ノイズの出力を好適に遮断することが可能になっている。
したがって、ユーザは所定の周波数までの、正確な振動計測値の把握が可能となる。
【００２６】
以上のように、本発明に係る振幅特性補正方法によると、式（６）の伝達関数において、遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱを任意の値に設定することにより、その伝達関数からなるＩＩＲフィルタ５１を通過した、Ａ／Ｄ変換器２０から出力される補正されたデジタル信号６０は、所定の周波数まで、アナログ入力信号との相対比が略１となる振幅特性を実現できる。
すなわち、式（６）の伝達関数からなるＩＩＲフィルタ５１によりＡ／Ｄ変換器２０から出力されるデジタル信号４０が補正されるので、ユーザは遮断周波数ｆｈ、及び、クオリティファクタＱの値を調整することにより、所望する周波数帯域において、補正されたデジタル出力信号６０の振幅の平坦特性を容易に実現することが出来る。
さらに、式（６）に示すように低次のフィルタであるため演算量が少なくて済み、演算処理の高速化が図れる。
したがって、本発明は、低次のフィルタにより、所定の周波数まで、入力信号との相対比が略１となるような振幅特性を実現するＡ／Ｄ変換器の出力信号の振幅特性補正方法といえる。
【００２７】
また、デシメーションフィルタとしてＳｉｎｃ３フィルタ２２を用いた上記振幅特性補正方法を備える地震計１において、遮断周波数ｆｈを５２Ｈｚとし、クオリティファクタＱを１．０５５とすることにより、ＩＩＲフィルタ５１を通過したＡ／Ｄ変換器２０より出力される補正されたデジタル信号６０は、周波数が少なくとも３０Ｈｚ以上までは、アナログ入力信号との相対比が略１となる振幅特性を実現している。
すなわち、周波数が少なくとも３０Ｈｚ以上までは、振幅の（相対比が１の）平坦領域を形成することが望ましいとされている地震計において、上記機器構成及び数値設定を行うことによって、周波数が３０Ｈｚ以上までの振幅の平坦領域を形成することが出来るので、地震計としての好適な出力が実現できるといえる。
【００２８】
なお、本発明にかかるデシメーションフィルタは、Ｓｉｎｃ３フィルタに限定されるものではなく、オーバーサンプリングされたデジタル信号を間引くことの出来る他のフィルタであってもよい。
また、本実施形態においては、遮断周波数ｆｈとクオリティファクタＱをユーザが任意に入力することにより、所望する周波数帯域における出力信号の振幅の平坦特性が取得できることとしたが、例えば、上記所望する周波数帯域を、入力部８０等を介して予め設定しておき、制御部７０の処理により、上記所望する周波数帯域が得られるまで、ｆｈ、Ｑの値を自動的に変化させて、好適なｆｈ、Ｑの値を検索又は設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明にかかる地震計の要部構成を示すブロック図である。
【図２】ＩＩＲフィルタを介さないＡ／Ｄ変換器の振幅特性図である。
【図３】本発明を適用したＩＩＲフィルタの振幅特性図である。
【図４】本発明を適用したＩＩＲフィルタを通過したＡ／Ｄ変換器の振幅特性図である。
【符号の説明】
【００３０】
１        地震計
１０      アナログ入力信号
２０      Ａ／Ｄ変換器
２１      ΔΣ変調器
２２      Ｓｉｎｃ３フィルタ（デシメーションフィルタ）
５０      ＦＰＧＡ（補正手段）
５１      ＩＩＲフィルタ
６０      補正されたデジタル出力信号（デジタル信号）
【図１】
2009272733.tif 000011
【図２】
2009272733.tif 000012
【図３】
2009272733.tif 000013
【図４】
2009272733.tif 000014