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超音波信号の可聴化回路の製作

 

その2

 
(執筆:吉澤 清)



     本稿では、エレラボドットコムの「超音波受信モジュール」を用いて、人間の耳には聴こえない音(超音波)を可聴域の信号に変換するする回路を製作します。
    その2では、信号をどのように取り出すのかを説明します。

     

    実際の処理プロセス

     本機のシステム図を以下(図6)に示します。



     その1で、動作原理について説明しましたが、実際の信号のスペクトルの変化は以下(図7)のようになります。




     ここでは、超音波信号が40KHzである場合を例に説明を進めます。

    dsPICは120KHzのサンプリング周波数で動作しており、60KHz迄の周波数の信号の取り扱いが可能です。

    40KHzの入力信号に、dsPIC内部で発生させた38KHzの正弦波を掛け合わせると、2KHz(40KHz−38KHz)と78KHz(40KHz+38KHz)の信号成分(各々の振幅は1/2となる)が現れます。

    但し、120KHzサンプリングで動作している回路では、最大で60KHz迄の信号しか表現できないので、本来78KHzとなる成分は実際には42KHz(120KHz−78KHz)に折り返すことになります。

    ここでは、このようにして得られた2KHzと42KHzの混合信号から、低い周波数の2KHzの成分のみを取り出したいので、図9に示すような特性を持つLPFを通過させます。

    その結果、2KHzの信号のみが取り出されることになります。

     

    使用するLPFについて

     本機では、LPFとして、ディジタル信号処理の分野で一般的な、FIRフィルタを使用しています。

    FIRフィルタは図8に示すように、n個の連続したサンプリング・データに、フィルタ係数と呼ばれる数(複数)を掛けて、その結果を全て足し上げることにより実現される回路です(ここでは原理説明は省略します)。




    ここで使用するFIRフィルタ(LPF特性)は以下(図9)ような特性を持ちます。



     

    このLPFは4KHz迄は±0.01dBという平坦なゲインを持ちます。アナログ・フィルタ的に−3dB点迄を通過域とすると、15.4KHz迄がこのフィルタの通過域となります。

    また33.4KHz以上は阻止域となり、60dB(1/1000)以上の減衰量が得られます。

    結果として、このフィルタにより2KHzの信号はほぼそのまま通過され、42KHzの信号は約1000分の一に迄減衰されることになります。

     



     

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