エンベデッドシステムスペシャリスト 2017年午前2 問04

問題文

PWM信号を用いて音声を出力するとき、次の図のaに該当するものはどれか。

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ア：A/D変換器

イ：D/A変換器

ウ：ハイパスフィルタ

エ：ローパスフィルタ（正解）

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PWM信号は、一定周期のパルス幅を変えることで、信号の平均電圧を表します。ただし、そのままではパルス状の信号なので、音声として利用するには高周波成分を取り除いて滑らかなアナログ信号にする必要があります。

この役割を担うのがローパスフィルタです。したがって、図の「a」に当てはまるのはエのローパスフィルタです。PWM信号をローパスフィルタに通すことで、アナログ音声信号を取り出してオーディオアンプへ送ります。

ア：A/D変換器
アナログ信号をデジタル信号に変換する装置です。今回はPWM信号からアナログ音声信号を得るため、変換の向きが逆です。
イ：D/A変換器
デジタル信号をアナログ信号に変換する装置です。機能の方向は合っていますが、図ではPWM信号を平滑化する具体的な回路要素を問われています。該当するのはローパスフィルタです。
ウ：ハイパスフィルタ
高周波成分を通しやすく、低周波成分を通しにくいフィルタです。PWM信号の高周波成分を取り除いて音声信号を得る用途には適しません。
エ：ローパスフィルタ
低周波成分を通し、高周波成分を抑えます。PWM信号を平滑化してアナログ音声信号を取り出せるため、正解です。

PWM信号は、そのままアナログ音声信号として使えると思う
PWMはパルス状の信号です。音声として利用するには、フィルタで高周波成分を抑える必要があります。
D/A変換器とローパスフィルタを同じものだと考える
D/A変換はデジタル値をアナログ値にする機能を指します。一方、この図ではPWM信号を平滑化する回路としてローパスフィルタを選びます。
ローパスフィルタは低周波を除去すると思う
ローパスフィルタは低周波を通しやすく、高周波を通しにくくするフィルタです。

PWMでは、パルスの周期を一定に保ちながら、パルス幅（デューティ比）を変化させます。デューティ比が大きいほど、一定時間内の平均電圧は大きくなります。ローパスフィルタは、この平均電圧の変化を滑らかな波形として取り出す役割を持ちます。

Q. PWM信号のデューティ比とは何ですか？
A. 1周期に占める、信号がオンになっている時間の割合です。デューティ比を変えることで、信号の平均電圧を変化させられます。

Q. ローパスフィルタは、なぜPWM信号の平滑化に使われるのですか？
A. PWM信号に含まれる高周波のパルス成分を抑え、音声信号として利用できる波形を取り出せるためです。

関連キーワード: PWM、デューティ比、ローパスフィルタ、D/A変換、平滑化

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