JP4135953B2 - 波形測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気信号の波形を測定する装置およびその方法に関し、特にリンギングを含む波形の測定を行う装置および方法に関する。

種々の電子機器や電気機器のテストにおいて、電気信号の波形を測定することが一般的に行われる。この波形の測定において、リンギングと呼ばれる波形に対する測定が必要となる場合がある。リンギングとは、方形波などの急峻な変化をする信号が、回路網を通過したとき等に生じる波打った波形であり、配線のインダクタンスや、伝送帯域幅の不足などによって生じる。

図１０は、リンギングを含む波形の例を示す図である。
図１０に示すように、リンギングを含む波形は、エッジの部分でオーバーシュートやアンダーシュートが起こり、波形が波打っている。
さて、電気信号の波形の測定は、オシロスコープ等の測定器を用いて行われるが、この種の一般的な測定器は、信号のオーバーシュート（図１０のα）やアンダーシュートを測定することはできるが、リンギングにおけるピーク−ピーク幅（図１０のβ）の測定は行っていない（例えば、非特許文献１参照）。

ＴＤＳ３０００Ｂシリーズ ユーザ・マニュアル（Ｐ３−４４〜Ｐ３−４６）、［online］、Ｔｅｃｔｒｏｎｉｘ、［平成１７年１０月１９日検索］、インターネット＜http://www.tek.com/site/mn/mnfinder_detail/1,1096,,00.html?id=5455&pn=071096604＞

上述したように、電気信号の波形の測定において、リンギングに対する測定を行う場合、従来の測定器は、信号のオーバーシュートやアンダーシュートは測定できるが、リンギングのピーク−ピーク幅は測定できない。そのため、リンギングの発生原因を解析しようとする場合等、このリンギングのピーク−ピーク幅を測定したい場合であっても、従来の測定器では、かかる測定を行うことができない。

本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電気信号の波形の測定において、リンギングに関し、ピーク−ピーク幅を含む種々の測定を可能とすることにある。

上記の目的を達成する本発明は、次のように構成された波形測定装置として実現される。この装置は、入力信号から大振幅変化成分を取り除き小振幅のノイズ成分を残して出力するデジタル・フィルタと、この入力信号とデジタル・フィルタの出力信号との差分信号を入力し、この差分信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成するウィンドウ生成部と、デジタル・フィルタの出力信号のうち、ウィンドウ生成部により生成されたウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定するリンギング測定部とを備える。

また、この波形測定装置は、入力信号から大振幅変化成分を取り除き小振幅のノイズ成分を残して出力する第１のデジタル・フィルタと、入力信号から小振幅のノイズ成分を取り除き大振幅変化成分を残して出力する第２のデジタル・フィルタと、第２のデジタル・フィルタの出力信号を入力し、信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成するウィンドウ生成部と、第１のデジタル・フィルタの出力信号のうち、ウィンドウ生成部により生成されたウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定するリンギング測定部とを備える構成とすることもできる。

より詳細には、これらの波形測定装置において、第１のデジタル・フィルタは、異なる振幅の波形成分を含む信号から一定値を超える大きさの振幅を持つ成分を取り除き、この一定値以下の大きさの振幅を持つ成分を残して出力するεフィルタにより実現できる。第２のデジタル・フィルタは、異なる振幅の波形成分を含む信号から一定値以下の大きさの振幅を持つ成分を取り除き、一定値を超える大きさの振幅を持つ成分を残して出力するεフィルタにより実現できる。ウィンドウ生成部は、信号を２次微分し、得られた波形を所定の閾値で区切ってウィンドウを生成する。

また、上記の目的を達成する本発明は、上記のように構成された装置による波形測定方法としても把握される。さらに、上述した波形測定装置の内部コンピュータを制御して上記各構成要素の機能を実現するプログラムとしても実現される。このプログラムは、磁気ディスクや光ディスク、半導体メモリ、その他の記録媒体に格納して配布したり、ネットワークを介して配信したりすることにより、提供することができる。

以上のように構成された本発明によれば、電気信号の波形の測定において、信号からリンギング成分を抜き出し、そのピーク−ピーク幅を含む各種特性を測定することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による波形測定装置の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の波形測定装置は、この装置の信号入力手段により入力される測定対象の波形（入力信号）からリンギング成分を抽出するためのデジタル・フィルタ１０と、波形測定用のウィンドウを生成するウィンドウ生成部２０と、リンギングに対する測定を行うリンギング測定部３０とを備える。

デジタル・フィルタ１０は、信号から小振幅ランダム・ノイズ成分を分離するために用いられる非線形フィルタであり、例えば、特開２００２−２７８５８５号公報に記載されるようなεフィルタを用いることができる。このεフィルタは、入力信号から大振幅変化成分を取り除き小振幅ランダム・ノイズ成分を残して出力する特性を持っており、次式（１）で表される。

ｙ＝ｘ：−ε≦ｘ≦εのとき
ｙ＝０：ｘ＜−εおよびｘ＞εのとき ・・・（１）

なお、εの値は、抽出しようとする小振幅ランダム・ノイズ成分の振幅に応じて適宜設定することができる。

図２は、（１）式で表されるεフィルタの特性を示す図、図３は、図２のεフィルタを用いて波形中のリンギング成分を抽出する様子を示す図である。図３（Ａ）に示す信号は、方形波であって、エッジ部分にリンギング成分が含まれている。
（１）式で表されるεフィルタの特性は、図２に示すようになる。ここで、εの値は、方形波の変化幅よりも小さく、リンギング成分の振幅よりも大きい値である。このεフィルタで図３（Ａ）に示す信号を処理すると、図３（Ｂ）に示すように、方形波による急峻かつ大振幅の変化成分が消えて、リンギング成分のみが抽出される。

ウィンドウ生成部２０は、デジタル・フィルタ１０によって抽出された入力信号のリンギング成分のうち、１回のリンギングによる波形にフォーカスするためのウィンドウを生成する。上述したデジタル・フィルタ１０を経た信号の波形は、大振幅の変化成分は除かれているものの、その立ち上がりのときに発生したリンギングの波形と立ち下がりのときに発生したリンギングの波形とが混在し、繰り返されている。立ち上がりのときに発生したリンギングの波形と立ち下がりのときに発生したリンギングの波形とは、一般に相異なる。そのため、リンギングの波形についてピーク−ピーク幅の測定を行うには、このデジタル・フィルタ１０の出力信号から単一のリンギングの波形を抽出することが必要である。そこで、ウィンドウ生成部２０は、デジタル・フィルタ１０によって除かれた大振幅の変化成分を利用して、個々のリンギングが発生している場所を特定するためのウィンドウを生成する。具体的なウィンドウの生成方法は、次の通りである。

ウィンドウ生成部２０は、まず、入力信号とデジタル・フィルタ１０の出力信号との差分を入力し、この差分信号を２次微分する。上述したようにデジタル・フィルタ１０の出力信号は、入力信号から大振幅の変化成分を除いたリンギング成分であるため、これと入力信号との差分は、入力信号からリンギング成分が取り除かれた、本来の波形（図３の例では方形波）である。
図４は、方形波（図４（Ａ））を２次微分して得られる波形（図４（Ｂ））を示す図である。

次に、ウィンドウ生成部２０は、入力した差分信号を２次微分して得られた波形（以下、２次微分波形）から、この差分信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを算出する。
２次微分波形からウィンドウを生成する様子を示す図である図５を参照して、ウィンドウの算出方法を具体的に説明する。なお、差分信号は方形波であるものとする。
図５に示すように、ウィンドウ生成部２０は、生成した２次微分波形を所定の閾値ｔｈおよび−ｔｈで区切る。そして、閾値の信号点を基準としてその前後の信号点の様子に基づき、方形波の立ち上がりエッジの位置と立ち下がりエッジの位置とを識別する。具体的には、図５（Ａ）のように、ｔｈの点が２回、−ｔｈの点が２回現れ、各点での波形の向きが正、負、負、正である場合、これは立ち上がりエッジから得られた波形である。これに対し、図５（Ｂ）のように、−ｔｈの点が２回、ｔｈの点が２回現れ、各点での波形の向きが負、正、正、負である場合、これは立ち下がりエッジから得られた波形である。

以上のようにして、方形波の立ち上がりエッジ用のウィンドウと立ち下がりエッジ用のウィンドウが算出される。ウィンドウ生成部２０は、このようにして得られたウィンドウのサイズをリンギングの長さに合わせて適宜変更（拡大または縮小）することができる。図５（Ｂ）には、２次微分波形から得られたウィンドウのサイズが拡大されている様子が示されている。なお、図５には、方形波の立ち上がりと立ち下がりのエッジを示すウィンドウの波形が記載されているが、実際には、ウィンドウは波形として出力する必要はなく、単に情報（位置情報）としてウィンドウ生成部２０からリンギング測定部３０へ渡すようにしても良い。

リンギング測定部３０は、ウィンドウ生成部２０により生成されたウィンドウを用いて、デジタル・フィルタ１０の出力信号における単一のリンギングの波形にフォーカスし、その特性、すなわちピーク−ピーク幅、長さ、周期等を測定する。上述したように、信号の立ち上がりのときに発生したリンギングの波形と立ち下がりのときに発生したリンギングの波形とは、一般に相異なるため、それぞれのリンギングの波形を個別に抽出し、測定を行うことが好ましい。抽出された単一のリンギングの特性は、非特許文献１に示したような既存のオシロスコープ等の装置により測定することが可能である。

図６は、以上のように構成された本実施形態の波形測定装置によるリンギングの測定方法の全体的な流れを示すフローチャートである。
図６に示すように、まず入力信号がデジタル・フィルタ１０に入力され、入力信号の波形のリンギング成分が抽出される（ステップ６０１）。次に、入力信号とデジタル・フィルタ１０の出力信号（ステップ６０１で求めたリンギング成分）との差分がウィンドウ生成部２０に入力され、この差分信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウが生成される（ステップ６０２）。そして、リンギング測定部３０において、このウィンドウに基づいてデジタル・フィルタ１０の出力信号から単一のリンギング成分が抽出され（ステップ６０３）、波形の測定が行われる（ステップ６０４）。

ところで、上記の実施形態では、ウィンドウを生成するために入力信号からリンギング成分を取り除く手法として、入力信号とデジタル・フィルタ１０の出力信号との差分を取った。これに対し、デジタル・フィルタ１０に用いたものとは反対の、入力信号から大振幅変化成分を抽出する特性を持つεフィルタを用いることにより、入力信号からリンギング成分を直接取り除いた波形を得ることが可能である。そのような装置構成を下記において説明する。

図７は、本発明の他の実施形態による波形測定装置の構成を示す図である。
図７に示すように、本実施形態の波形測定装置は、この装置の信号入力手段により入力される測定対象の波形（入力信号）からリンギング成分を抽出するためのデジタル・フィルタ１０と、入力信号からリンギング成分を取り除き大振幅変化成分を抽出するためのデジタル・フィルタ４０と、波形測定用のウィンドウを生成するウィンドウ生成部２０と、リンギングに対する測定を行うリンギング測定部３０とを備える。

図７に示す構成において、デジタル・フィルタ１０、ウィンドウ生成部２０およびリンギング測定部３０は、図１に示した波形装置における各構成要素と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
デジタル・フィルタ４０は、上述したように、デジタル・フィルタ１０とは反対に、入力信号から小振幅ランダム・ノイズ成分を取り除き大振幅変化成分を残して出力する特性を持ったεフィルタで実現される。このデジタル・フィルタ４０（εフィルタ）の特性は、次式（２）で示される。

ｙ＝ｘ：ｘ＜−εおよびｘ＞εのとき
ｙ＝０：−ε≦ｘ≦εのとき ・・・（２）

図８は、（２）式で表されるεフィルタの特性を示す図である。
デジタル・フィルタ４０を用いることで、入力信号からリンギング成分が取り除かれた本来の波形（例えば方形波）が直接得られ、ウィンドウ生成部２０に供給することが可能となる。敢えてデジタル・フィルタ１０とは別のεフィルタを用いることにより、例えば、入力信号にリンギング成分以外の小振幅（ただし、リンギング成分よりも大きい振幅）のノイズが重畳されている場合に、より正確にリンギング成分の測定が可能になる。すなわち、εの値を適当に選択することで、デジタル・フィルタ１０では入力信号のリンギング成分のみを抽出し、デジタル・フィルタ４０では入力信号から全てのノイズ成分を取り除いて本来の波形のみを残すことができる。したがって、デジタル・フィルタ４０の出力を入力するウィンドウ生成部２０は、他のノイズを含まない本来の波形からウィンドウを生成することができる。

図９は、図７に示したように構成された本実施形態の波形測定装置によるリンギングの測定方法の全体的な流れを示すフローチャートである。
図９に示すように、まず入力信号がデジタル・フィルタ１０に入力され、入力信号の波形のリンギング成分が抽出される（ステップ９０１）。一方、この入力信号がデジタル・フィルタ４０にも入力され、入力信号からリンギング成分を含む各種ノイズが取り除かれる（ステップ９０２）。そして、このデジタル・フィルタ４０の出力信号（ノイズが除去された信号）がウィンドウ生成部２０に入力され、この信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウが算出される（ステップ９０３）。最後に、リンギング測定部３０において、このウィンドウに基づいてデジタル・フィルタ１０の出力信号から単一のリンギング成分が抽出され（ステップ９０４）、波形の測定が行われる（ステップ９０５）。
なお、図９には、デジタル・フィルタ１０による信号処理とデジタル・フィルタ４０による信号処理とが順次行われるようにステップを分けて記載されているが、これらの処理は独立しており、どちらが先に実行されても良いし、並列に行われても構わない。

本発明の一実施形態による波形測定装置の構成を示す図である。 本実施形態で用いられるεフィルタの特性を示す図である。 図２のεフィルタを用いて波形中のリンギング成分を抽出する様子を示す図である。 方形波を２次微分して得られる波形を示す図である。 ２次微分波形から本実施形態で用いられるウィンドウを生成する様子を示す図である。 本実施形態の波形測定装置によるリンギングの測定方法の全体的な流れを示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態による波形測定装置の構成を示す図である。 本実施形態で用いられる第２のεフィルタの特性を示す図である。 本実施形態の波形測定装置によるリンギングの測定方法の全体的な流れを示すフローチャートである。 リンギングを含む波形の例を示す図である。

符号の説明

１０、４０…デジタル・フィルタ、２０…ウィンドウ生成部、３０…リンギング測定部

Claims (12)

1. 入力信号から大振幅変化成分を取り除き小振幅のノイズ成分を残して出力するデジタル・フィルタと、
   前記入力信号と前記デジタル・フィルタの出力信号との差分信号を生成する差分信号生成手段と、
   前記差分信号を入力し、当該差分信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成するウィンドウ生成部と、
   前記デジタル・フィルタの出力信号のうち、前記ウィンドウ生成部により生成されたウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定するリンギング測定部と
   を備える、波形測定装置。
2. 前記デジタル・フィルタが、異なる振幅の波形成分を含む信号から一定値を超える大きさの振幅を持つ成分を取り除き、当該一定値以下の大きさの振幅を持つ成分を残して出力するεフィルタである、請求項１に記載の波形測定装置。
3. 前記ウィンドウ生成部は、信号を２次微分し、得られた波形を所定の閾値で区切って前記ウィンドウを生成する、請求項１に記載の波形測定装置。
4. 入力信号から大振幅変化成分を取り除き小振幅のノイズ成分を残して出力する第１のデジタル・フィルタと、
   前記入力信号から小振幅のノイズ成分を取り除き大振幅変化成分を残して出力する第２のデジタル・フィルタと、
   前記第２のデジタル・フィルタの出力信号を入力し、当該信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成するウィンドウ生成部と、
   前記第１のデジタル・フィルタの出力信号のうち、前記ウィンドウ生成部により生成されたウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定するリンギング測定部と
   を備える、波形測定装置。
5. 前記第１のデジタル・フィルタが、異なる振幅の波形成分を含む信号から一定値を超える大きさの振幅を持つ成分を取り除き、当該一定値以下の大きさの振幅を持つ成分を残して出力するεフィルタであり、
   前記第２のデジタル・フィルタが、異なる振幅の波形成分を含む信号から一定値以下の大きさの振幅を持つ成分を取り除き、当該一定値を超える大きさの振幅を持つ成分を残して出力するεフィルタである、
   請求項４に記載の波形測定装置。
6. 前記ウィンドウ生成部は、信号を２次微分し、得られた波形を所定の閾値で区切って前記ウィンドウを生成する、請求項４に記載の波形測定装置。
7. 処理対象である信号の波形から小振幅のノイズ成分を抽出するステップと、
   処理対象の前記信号と当該信号から抽出された前記小振幅のノイズ成分との差分信号を生成するステップと、
   前記差分信号を入力し、当該差分信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成するステップと、
   処理対象の前記信号から抽出された前記小振幅のノイズ成分のうち、前記ウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定するステップと
   を含む、波形測定方法。
8. 前記ウィンドウを生成するステップは、
   前記差分信号を２次微分するステップと、
   ２次微分により得られた波形を所定の閾値で区切って前記ウィンドウを生成するステップと
   を含む、請求項７に記載の波形測定方法。
9. 処理対象である信号の波形から小振幅のノイズ成分を抽出するステップと、
   前記信号から小振幅のノイズ成分を取り除き、当該小振幅のノイズ成分が除かれた信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成するステップと、
   処理対象の前記信号から抽出された前記小振幅のノイズ成分のうち、前記ウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定するステップと
   を含む、波形測定方法。
10. 前記ウィンドウを生成するステップは、
    前記小振幅のノイズ成分が除かれた信号を２次微分するステップと、
    ２次微分により得られた波形を所定の閾値で区切って前記ウィンドウを生成するステップと
    を含む、請求項９に記載の波形測定方法。
11. 信号の波形を測定する測定装置の内部コンピュータを、
    前記測定装置の入力手段により入力された信号から小振幅のノイズ成分を抽出する手段と、
    処理対象の前記信号と当該信号から抽出された前記小振幅のノイズ成分との差分信号を入力し、当該差分信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成する手段と、
    処理対象の前記信号から抽出された前記小振幅のノイズ成分のうち、前記ウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定する手段として
    機能させる、プログラム。
12. 信号の波形を測定する測定装置の内部コンピュータを、
    前記測定装置の入力手段により入力された入力信号から小振幅のノイズ成分を抽出する手段と、
    前記入力信号から小振幅のノイズ成分を取り除く手段と、
    前記小振幅のノイズ成分が除かれた信号のエッジ部分の位置を示すウィンドウを生成する手段と、
    処理対象の前記信号から抽出された前記小振幅のノイズ成分のうち、前記ウィンドウで示される部分を抽出し、抽出した波形の少なくともピーク−ピーク幅を測定する手段として
    機能させる、プログラム。

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