株式会社エヌエフ回路設計ブロック
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技術情報:計測講座 

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    信号のひずみとは

 

     1. ひずみの原因と影響
アナログ信号を扱う中で、信号のひずみが問題になります。
オーディオではひずみにより再現される音が変わってしまい、聴覚上でもその違いが問題になります。無線通信では、送信系·受信系ともに問題となります。送信系では、ひずみによって所望の周波数以外の帯域に不要な信号を生じさせ通信を妨害します。また、受信系では、所望の帯域外の信号からのひずみが、所望な帯域にくることで通信の妨害をします。
こういった問題があるため、ひずみはアナログ信号処理の一つの性能指標となっています。
ひずみの原因は、電気回路で用いられる素子自体の特性が線形でないためで、ひずみの生じやすさは部品によって異なります。アナログ信号処理での信号増幅など、低ひずみが要求される増幅器などでは、負帰還によってひずみを小さくする手法などがとられています。

 

     2. ひずみの指標
部品や回路に入力した信号の周波数を基本波と呼びます。現実の部品や回路の出力信号には基本波以外に、基本波の2倍、3倍、4倍、... n倍の周波数の高調波が含まれます。
この基本波と高調波の比をトータルハーモニックディストーション(以下、THD)といい、ひずみを表す指標になります。THDが小さいほど、ひずみが小さくなります。THDは全高調波ひずみ率とも呼ばれます。THDの単位としてはdBcが使われることが一般的です。
図1に正弦波とひずんだ信号の時間軸での波形およびその高速フーリエ変換(以下、FFT)結果を示します。

 

図1 ひずんだ波形とFFTの結果

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FFT結果の縦軸の値は、基本波成分が1になるように規格化しています。基本波成分が4番目のビンになるようにFFTしていますので、正弦波、ひずんだ波形ともに4番目のビンが1となっています。ひずんだ波形は3次、5次、7次の成分が含まれていることがわかります。時間軸波形はひずんでいることはわかりますが、どの程度ひずんでいるかを表すことができません。一方FFTした結果を見ると、ひずみの原因となっている高調波成分がどの程度含まれているのかがよくわかります。
THDの測定ですが、100kHz程度までは優れたひずみ率計やオーディオアナライザが市販されており、それらを用いれば、-100dBcから-120dBcの測定が可能です。
ひずみ率計やオーディオアナライザが対応していない100kHz以上のTHDは、発振器とスペクトラムアナライザを使用することで測定できます。測定系を図2に示します。                     

 

図2 ひずみ測定系

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発振器から部品や回路などの被測定物(以下、DUT)に正弦波(周波数f0)を印加し,DUTの出力をスペクトラムアナライザで測定します。この時の基本波(f0)の成分と高調波 (2f0,3f0,... nf0)の成分の比を計算することで、THDが求まります。
またDUTがA/D変換器のようなディジタルデータの場合は、データをFFTすることで、各周波数成分を求めることができるので、同様に基本波成分と高調波成分の比を計算しTHDを求めることができます。                     

 

 

 

   

部品や回路を通過する際に発生するひずみの計測(THD測定)

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