特許 7407838 フィルタ回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-21

(45)【発行日】2024-01-04

(54)【発明の名称】フィルタ回路

(51)【国際特許分類】

   H03H 17/00 20060101AFI20231222BHJP

   H03H 17/02 20060101ALI20231222BHJP

【ＦＩ】

H03H17/00 621J

H03H17/02 671Z

H03H17/00 621K

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021562538

(86)(22)【出願日】2020-11-12

(86)【国際出願番号】 JP2020042228

(87)【国際公開番号】W WO2021111838

(87)【国際公開日】2021-06-10

【審査請求日】2022-05-25

(31)【優先権主張番号】P 2019219817

(32)【優先日】2019-12-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】山田 幸光

【審査官】竹内 亨

(56)【参考文献】

【文献】特開平９－３２２０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７１１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平３－１７５４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２３５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９５２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０５５４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２４４７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－２１６７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－１８１６０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ １７／００－１７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

信号が入力する入力部と、
前記信号の入力値に応じた出力値を出力する出力部と、
前記入力値及び前記出力値を記憶する第１記憶部と、
前記入力値と前記出力値とを比較する比較部と、
前記比較部の出力に応じて出力値を補正する補正部と
を含み、
前記比較部は、今回の入力値と前回の出力値との比較を行い、
前記補正部は、前記比較部における前記今回の入力値と前記前回の出力値との差分の絶対値が所定値よりも大きければ、前記今回の入力値及び前記前回の出力値に第１補正値を加算し、前記差分の絶対値が前記所定値以下であれば、前記今回の入力値及び前記前回の出力値に前記第１補正値よりも小さい第２補正値を加算し、
前記出力部は、前記第１補正値又は前記第２補正値が加算された今回の入力値及び前回の出力値に基づいて今回の出力値を計算する、フィルタ回路。

【請求項2】

前回の入力値を記憶する第２記憶部をさらに含み、
前記出力部は、前記第１補正値又は前記第２補正値が加算された今回の入力値及び前回の出力値と、前記第２記憶部に記憶された前記前回の入力値とに基づいて今回の出力値を計算する、請求項１記載のフィルタ回路。

【請求項3】

前記出力部は、前記出力値を計算する際に、前記前回の出力値の重みを前記今回の入力値の重みよりも大きくする、請求項１又は２記載のフィルタ回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フィルタ回路に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、乗算要素を有するデジタルフィルタにおいて、前記乗算要素のフィルタ定数を乗じる乗算手段と、前記乗算手段の乗算結果のうち、小数部に相当する下位バイトの値を、一回の乗算毎に積分する積分手段と、前記積分手段の演算結果で、±１以上に値がオーバフローしたことを検出し、オーバフローが発生した時のみ±１を出力し、それ以外の時には０を出力するオーバフロー検出手段と、前記乗算結果のうち、整数部に相当する上位バイトの値に、前記オーバフロー検出手段の出力を加算する加算手段を有することを特徴とするデジタルフィルタがある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平０７－０３０３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、カットオフ周波数における信号の減衰特性を良好にするためには、デジタルフィルタにおける演算量が増加する。

【0005】

従来のデジタルフィルタにおいて、カットオフ周波数での良好な減衰特性を得るためには、演算量の増加に対応するために、加算手段の出力を保持するバッファの多段化が必要になり、メモリ（バッファ）のサイズが増大する。

【0006】

そこで、演算量を低減しつつ良好な減衰特性が得られるフィルタ回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施の形態のフィルタ回路は、信号が入力する入力部と、前記信号の入力値に応じた出力値を出力する出力部と、前記入力値及び前記出力値を記憶する第１記憶部と、前記入力値と前記出力値とを比較する比較部と、前記比較部の出力に応じて出力値を補正する補正部とを含み、前記比較部は、今回の入力値と前回の出力値との比較を行い、前記補正部は、前記比較部における前記今回の入力値と前記前回の出力値との比較値が所定値よりも大きければ、前記今回の入力値及び前記前回の出力値に第１補正値を加算し、前記比較値が前記所定値以下であれば、前記今回の入力値及び前記前回の出力値に前記第１補正値よりも小さい第２補正値を加算し、前記出力部は、前記第１補正値又は前記第２補正値が加算された今回の入力値及び前回の出力値に基づいて今回の出力値を計算する。

【発明の効果】

【0008】

演算量を低減しつつ良好な減衰特性が得られるフィルタ回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態のフィルタ回路１００を示す図である。

【図2】比較計算部１５０が実行する処理を表すフローチャートである。

【図3A】ローパスフィルタの応答を示す図である。

【図3B】ローパスフィルタの応答を示す図である。

【図4】フィルタ回路１００の周波数の追従性を示す図である。

【図5】ローパスフィルタの出力波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明のフィルタ回路を適用した実施の形態について説明する。

【0011】

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態のフィルタ回路１００を示す図である。フィルタ回路１００は、入力部１１０、バッファ１２０、１３０、１４０、比較計算部１５０、出力計算部１６０、及び出力部１７０を含む。

【0012】

フィルタ回路１００は、一例として、８ビット又は１６ビットのマイクロコンピュータによって実現されるデジタルフィルタである。ここでは、フィルタ回路１００が所定のセンサに接続され、センサで検出される信号が入力される形態について説明する。センサで検出される信号は、高周波ノイズを含む。

【0013】

フィルタ回路１００は、入力される信号（入力信号）のうちのカットオフ周波数以上の成分を遮断し、カットオフ周波数よりも低い成分のみを出力するローパスフィルタである。

【0014】

入力部１１０は、フィルタ回路１００に接続され、センサで検出される入力信号Inputが入力される入力端子である。入力部１１０は、フィルタ回路１００の内部では、バッファ１２０の入力端子に接続されている。入力部１１０は、フィルタ回路１００を実現するマイクロコンピュータの入力端子である。

【0015】

バッファ１２０は、入力部１１０に接続される入力端子と、バッファ１４０及び比較計算部１５０に接続される出力端子とを有し、入力部１１０から入力される入力信号Inputをバッファ１４０及び比較計算部１５０に出力する。

【0016】

バッファ１３０は、出力計算部１６０に接続される入力端子と、比較計算部１５０に接続される出力端子とを有する。バッファ１３０は、出力計算部１６０から出力される出力値Outputを保持し、次の制御周期において前回の出力値（前回出力値）preOutputとして比較計算部１５０に出力する。

【0017】

バッファ１４０は、バッファ１２０に接続される入力端子と、比較計算部１５０に接続される出力端子とを有する。バッファ１４０は、バッファ１２０から入力される入力信号Inputを保持し、次の制御周期において前回の入力信号（前回入力信号）preInputとして出力する。

【0018】

比較計算部１５０は、比較部１５１と補正部１５２を有する。比較計算部１５０は、バッファ１２０、１３０、１４０に接続される入力端子と、出力計算部１６０に接続される出力端子とを有する。

【0019】

比較部１５１は、バッファ１２０から入力される入力信号Inputと、バッファ１３０から入力される前回出力値preOutputとを比較する。補正部１５２は、比較部１５１の比較結果に応じて、バッファ１２０から入力される入力信号Inputと、バッファ１３０から出力される前回出力値preOutputと、バッファ１４０から入力される前回入力信号preInputとを補正して出力計算部１６０に出力する。

【0020】

出力計算部１６０は、比較計算部１５０に接続される入力端子と、出力部１７０及びバッファ１３０に接続される出力端子とを有する。出力計算部１６０は、比較計算部１５０から出力される補正済みの入力信号Input、前回出力値preOutput、及び前回入力信号preInputに対して所定の重み付けをして和を取る計算を行うことで、出力値Outputを出力する。

【0021】

出力計算部１６０は、次式に従って、重み付けを行うとともに和を取ることで出力値Outputを計算し、出力する。
Output= preOutput/2 + preOutput/4 + preOutput/32 + preOutput/16 + Input/8 + PreInput/32

【0022】

出力計算部１６０は、上式の右辺の各項（preOutput/2、preOutput/4、preOutput/32、preOutput/16、Input/8、PreInput/32）について、小数点以下を切り捨てた整数値を求め、各項の整数値の和を計算する。上式の右辺の６個の項に付けられる重みは、それぞれ、１／２、１／４、１／３２、１／１６、１／８、１／３２である。

【0023】

高周波ノイズは、信号レベルの変化が大きい。高周波ノイズを除去可能なローパスフィルタを実現にするために、出力計算部１６０は、前回出力値preOutputの重みを大きくし、入力信号Inputと前回入力信号preInputについての重みを小さくしている。

【0024】

前回出力値preOutputの重みを大きくするのは、出力値Outputが前回出力値preOutputから大きく変化しないようにするためである。また、前回入力信号preInputの重みを１／８にすることで、入力信号Inputの信号レベルを出力値Outputに加えつつ、前回出力値preOutputから大きく変化しないようにしている。また、前回入力信号preInputの重みを入力信号Inputの重みよりも小さくすることで、前回入力信号preInputの信号レベルを出力値Outputに加えつつ、出力値Outputへの影響を最小限にしている。

【0025】

出力計算部１６０がこのような重み付けを行うことで、ローパスフィルタを実現している。

【0026】

出力部１７０は、出力計算部１６０の出力値Outputを出力する。出力部１７０は、例えば、フィルタ回路１００が接続される所定のセンサの検出結果を利用する機器等に接続される。

【0027】

以上のようなフィルタ回路１００は、入力信号Inputのうちのカットオフ周波数以上の成分を遮断した出力値Outputを出力する処理を所定の制御周期で繰り返し実行する。

【0028】

図２は、比較計算部１５０が実行する処理を表すフローチャートである。比較計算部１５０は、図２に示すスタートからエンドまでの処理を所定の制御周期で繰り返し実行する。

【0029】

比較部１５１は、バッファ１２０から入力される入力信号Inputと、バッファ１３０から入力される前回出力値preOutputとの差分の絶対値(Abs(preOutput - Input))を求め、絶対値が４以上であるかどうかを判定する（ステップＳ１）。

【0030】

ステップＳ１の処理は、比較部１５１が、バッファ１２０から入力される入力信号Inputと、バッファ１３０から入力される前回出力値preOutputとを比較する処理である。

【0031】

比較部１５１によって差分の絶対値が４以上である（Ｓ１：ＹＥＳ）と判定されると、補正部１５２は、入力信号Input、前回出力値preOutput、前回入力信号preInputに大きな補正値を用いて補正する（ステップＳ２）。具体的には、補正部１５２は、入力信号Input、前回出力値preOutput、前回入力信号preInputに４を加算する補正を行う。

【0032】

比較部１５１によって差分の絶対値が４以上ではない（Ｓ１：ＮＯ）と判定されると、補正部１５２は、入力信号Inputと、前回出力値preOutputと、前回入力信号preInputに小さな補正値を用いて補正する（ステップＳ３）。具体的には、補正部１５２は、入力信号Input、前回出力値preOutput、前回入力信号preInputに２を加算する補正を行う。

【0033】

比較部１５１によって求められる差分の絶対値が４以上である場合は、入力信号Inputと前回出力値preOutputとの差分が比較的大きい場合であり、前回出力値preOutputに対して入力信号Inputが比較的大きく変化している場合である。

【0034】

出力計算部１６０が出力値Outputを計算する際には、重みを付けた各項の小数点以下を切り捨てるため、切り捨てによる丸め誤差が生じる。このような丸め誤差を小さくするために、補正部１５２は、入力信号Inputの変化が大きなときは、より大きな値にして遮断されやすくするために大きな値を加算し、入力信号Inputの変化が小さなときは、遮断されにくくするために小さな値を加算するようにしている。

【0035】

なお、ステップＳ２における補正値は４に限られず、ステップＳ３における補正値よりも大きければよい。また、ステップＳ３における補正は２に限られず、ステップＳ２における補正値よりも小さければよい。

【0036】

図３Ａ及び図３Ｂは、ローパスフィルタの応答を示す図である。図３Ａにはフィルタ回路１００の応答（破線の特性）を示し、図３Ｂには比較用にフィルタ回路１００から比較計算部１５０を取り除いたローパスフィルタの応答（破線の特性）を示す。図３Ａ、図３Ｂにおいて横軸は時間（ミリ秒（ｍｓ））、縦軸は信号レベル（単位なし）である。

【0037】

図３Ａ、図３Ｂにおいて、実線はステップ入力の波形を示し、破線はローパスフィルタの出力値Outputの応答を示し、一点鎖線は多段化されたバッファを有する従来のローパスフィルタにおいて小数点以下も考慮して求めた出力値の応答を示す。図３Ａ、図３Ｂに示す実線のステップ入力の波形、及び、一点鎖線の応答は同一のものである。

【0038】

図３Ａに示すように、ステップ入力の波形に対して、フィルタ回路１００の出力値Outputは、約１０ｍｓで立ち上がっており、入力の１００に対して約９７の信号レベルが得られている。従来のローパスフィルタ（一点鎖線）と比べると、応答が速いことが分かる。

【0039】

また、図３Ｂに示すように、ステップ入力の波形に対して、比較用のフィルタ回路１００の出力値Outputは、約１５ｍｓで立ち上がり、入力の１００に対して約７８の信号レベルであった。従来のローパスフィルタ（一点鎖線）よりは応答が速いが、フィルタ回路１００よりも応答が遅く、かつ、信号レベルが小さいことが分かる。

【0040】

このように、フィルタ回路１００は、応答が速く、入力への追従性が良いことが確認できた。

【0041】

図４は、フィルタ回路１００の周波数の追従性を示す図である。図４に示す特性は、シミュレーションで得たものである。図４において、横軸は時間（ミリ秒）、縦軸は信号レベル（単位なし）である。また、濃い色の線で示す特性は入力信号の特性であり、薄い色の線で示す特性は出力値Outputの特性である。図４では、時間の経過に従って、入力信号の周波数を徐々に高くしており、具体的には、１０Ｈｚから１０ｋＨｚまで連続的に上昇させている。

【0042】

出力値Outputは、入力信号の周波数が低いうちは入力信号の信号レベルよりも少し小さい（振幅が小さい）程度であるが、入力信号の周波数が高くなると、振幅が約１／１０に減衰している。また、周波数の増大に対して滑らかに追従していることが分かる。

【0043】

このように、高周波側で減衰率が大きくなっていることから、高周波ノイズを除去できるローパスフィルタが得られていることが分かる。

【0044】

図５は、ローパスフィルタの出力波形を示す図である。図５に示す特性は、実験で得た特性である。図５において、横軸は時間（ミリ秒）、縦軸は信号レベル（単位なし）を示す。

【0045】

図５において、最も濃い色の特性は入力信号Inputであり、中間の濃さの特性はフィルタ回路１００の出力値Outputであり、最も薄い色の特性は、多段化された８個のバッファを有する従来のローパスフィルタにおいて小数点以下も考慮して求めた出力値である。

【0046】

図５では、図４と同様に、時間の経過に従って、入力信号の周波数を徐々に高くしており、具体的には、１０Ｈｚから１０ｋＨｚまで連続的に上昇させている。

【0047】

入力信号Inputに対して、フィルタ回路１００、及び、従来のローパスフィルタの出力は減衰しており、フィルタ回路１００の出力値Outputは、従来のローパスフィルタの出力値よりも減衰率が大きい（より小さい振幅になっている）ことが分かる。

【0048】

以上のように、フィルタ回路１００は、応答が速く、多段化したバッファを有する従来のローパスフィルタよりも大きい減衰率が得られる。フィルタ回路１００は、バッファ（１２０、１３０、１４０）の数が３個であり、比較計算部１５０の比較部１５１での差分の計算、補正部１５２での補正値の加算、及び、出力計算部１６０における重み付け和の計算だけで出力値Outputが得られる。

【0049】

したがって、演算量を低減しつつ良好な減衰特性が得られるフィルタ回路１００を提供することができる。フィルタ回路１００は、８ビットや１６ビット程度のマイクロコンピュータで実現可能である。

【0050】

なお、以上では、フィルタ回路１００がバッファ１４０を含む形態について説明したが、バッファ１４０を含まなくてもよい。この場合には、出力計算部１５０の出力には、補正された前回入力信号preInputは含まれないことになり、出力計算部１６０は前回入力信号preInputを含めずに出力値Outputを計算することになる。

【0051】

以上、本発明の例示的な実施の形態のフィルタ回路について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【0052】

尚、本国際出願は、２０１９年１２月４日に出願した日本国特許出願２０１９－２１９８１７号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。

【符号の説明】

【0053】

１００ フィルタ回路
１１０ 入力部
１２０、１３０、１４０ バッファ
１５０ 比較計算部
１５１ 比較部
１５２ 補正部
１６０ 出力計算部
１７０ 出力部

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】