JP5109448B2 - デジタルオシロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、エンベロープモードにおいてもＸＹ表示などのデータ処理を適切に行うことができるデジタルオシロスコープに関するものである。

図３にデジタルオシロスコープの構成を示す。図３において、測定信号はＡＤ変換器１０に入力されてデジタル値に変換され、このデジタル値はピーク検出部１１と間引き部１２に入力される。ピーク検出部１１は所定の区間の最大値、最小値を選択部１３に出力し、間引き部１２は入力されたデジタル値を一定間隔で間引いた値を選択部１３に出力する。

選択部１３にはモード信号が入力され、このモード信号がエンベロープモードのときはピーク検出部１１の出力を選択し、エンベロープモードでないときは間引き部１２の出力を選択して、この選択したデジタル値を波形メモリ１４に出力する。波形メモリ１４は選択部１３の出力を保存する。波形メモリ１４に保存されたデジタル値はデータ処理部１５によって読み出されて所定のデータ処理が行われ、その結果は表示部１６に表示される。

デジタルオシロスコープでは、横軸を時間、縦軸を電圧とした座標で波形を表示する。横軸にはグリッドと称される目盛が付されており、グリッドの幅の時間を指定することにより、横軸のスケールを設定する。通常、横軸全体には１０のグリッドが付されている。

グリッドの幅を１μＳに設定すると、横軸の時間幅は１０μＳ（１μＳ×１０）になる。測定信号を１ＧＨｚのサンプリング周波数でＡＤ変換すると、表示に必要なデータ数は１０，０００（１０μＳ／１ｎＳ）になる。少なくともこの数のデータが波形メモリ１４に格納される。

サンプリング周波数が同じであると、データ数はグリッド幅の設定時間（以下時間軸設定値と称する）に比例して増大する。例えば、時間軸設定値を１ｍＳにすると、データ数は１千万個（１０ｍＳ／１ｎＳ）になり、波形メモリ１４の容量が膨大な値になる。そのため、時間軸設定値によって、ＡＤ変換器１０の出力を間引いて波形メモリ１４に格納する。例えば、時間軸設定値を２μＳに設定すると１つおき、１０μＳに設定すると１０個おきにデータを間引いて波形メモリ１４に格納する。

しかし、このようにデータを間引くと、別の問題が発生する。デジタルオシロスコープの欠点の一つとしてエイリアジングがある。エイリアジングは、測定信号にナイキスト周波数（サンプリング周波数の１／２）より高い周波数成分が含まれていると、高い周波数成分がナイキスト周波数を中心にして折り返されて見える現象のことを言う。このエイリアジングが発生すると、波形を正確に表示することができなくなる。このことを、図４を用いて説明する。

図４は測定信号の波形の一例であり、白丸はサンプリング周波数１ＧＨｚにおけるサンプリング点を、数字はサンプリング番号を表す。グリッドの設定時間を２μＳにするとデータは１つおきに間引かれ、０、２、４、６・・・・番目のデータが波形メモリ１４に格納され、５番目のデータは格納されない。このときのサンプリング周波数は５００ＭＨｚ、ナイキスト周波数は２５０ＭＨｚになる。

５番目のデータが保存されないので最大値が小さくなり、波形が正確に表示されない。５番目の白丸の部分の周波数成分はナイキスト周波数（２５０ＭＨｚ）より高いので、この部分の周波数成分がナイキスト周波数で折り返されたように波形が表示される。時間軸設定値を１０μＳにすると０、１０、２０番目のデータしか保存されないのでナイキスト周波数が更に低くなり、実際より振幅が小さい波形が表示される。

この問題を解決するために、エンベロープモードを設けている。エンベロープモードは単に間引いたデータをそのまま表示するのではなく、波形のアウトラインを表示するモードである。

このため、ピーク検出部１１により所定区間の最大値と最小値を求め、この最大値／最小値データを所定区間の代表値として波形メモリ１４に格納する。データ処理部１５でこの最大値／最小値データから測定信号の波形を再生して、この波形を表示部１６に表示する。例えば、グリッドを１０μＳに設定した場合、０〜１９番目の最大値、最小値、２０〜３９番目の最大値、最小値の順にデータを波形メモリ１４に格納する。このようにすると、図４の５番目の最大値、１７番目の最小値を保存でき、より正確な波形を表示することができる。波形の細かい情報は失われるが、表示部１６の分解能に起因する制限のために元々表示できないので、実用上支障をきたすことはない。

デジタルオシロスコープの波形表示では、データに種々の処理を施してその結果を表示することも行われている。このようなデータ処理には、ＸＹ表示、ＦＦＴ、データ補間などがある。これらのデータ処理のためには等時間間隔で採取した間引きデータが必要である。エンベロープモードで保存した最大値／最小値データは、最大値、最小値の時間が決まっていないので、このようなデータ処理を行うことができない。また、近年のオシロスコープでは採取した波形データを重ね書きして頻度情報を生成し、輝度や色の階調を付けて表示するものがあるが、エンベロープモードで保存した最大値／最小値データでは、元の波形の特性を再現することができない。

頻度情報による階調表示は、表示器の１画素に複数ビットのメモリを割り当てたメモリアレイ（ビットマップ）に採取したデータを重ね描きして２次元の頻度情報を生成し、この頻度情報に応じて、輝度や色を変調して波形表示を行う表示手法である。図５に間引きデータを用いて階調表示した表示例と、最大値／最小値データを用いて階調表示した表示例を示す。図５（Ａ）は間引きデータを用いて階調表示した表示例であり、ノイズで観測しにくくなった波形の特徴を良く再現している。同図（Ｂ）は最大値／最小値データで階調表示した表示例である。線幅が太くなり、波形の特長を再現することが難しい。

さらに、デジタルオシロスコープでは振幅、実効値、立ち上がり時間、周期、パルスカウント等波形のパラメータ算出を行うことがある。このうち実効値は、１周期間の測定値の２乗和の時間平均である。この実効値を計算するためには測定信号を２乗した信号を積分しなければならず、等時間間隔で測定した間引きデータが必要であり、最大値／最小値データだけでは正確な値を計算することができない。例えば、矩形波の実効値はおよそ振幅×デューティ比になる。サンプリング周波数と測定信号の周波数が同期していないと、矩形波の山をサンプリングする確率はデューティ比に依存する。従って、間引きデータを用いるとほぼ正確に実効値を計算できる。しかし、最大値／最小値データでは矩形波の山と谷がほぼ等しく表れるので、デューティ比に関わらず、０．４〜０．５×振幅になる。

ＸＹ表示は、同じ時間に測定した２つの測定値の一方をＸ座標、他方をＹ座標として、ＸＹ平面に表示する表示手法である。この表示を、図６を用いて説明する。図６（Ａ）は位相が９０度ずれた振幅一定の２つの正弦波信号であり、白丸は等時間間隔で測定した測定値（間引きデータ）、黒丸は最大値／最小値データを表す。白丸の間引きデータをＸＹ表示すると（Ｂ）のように円になるが、黒丸は最大値、最小値の２点のみであり、（Ｃ）に示すように円にならない。

ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)は時間領域のデータを周波数領域のデータに変換するデータ処理である。よく知られているように、ＦＦＴを実行するためには等時間間隔で測定した間引きデータが必要である。データ補間には種々の手法があるが、いずれも補間を実行する近傍の測定値の挙動データが必要であり、最大値／最小値データだけでは補間を行うことができない。

一方、パルスカウントは時間当たりのパルスの数である。間引きデータではパルスの山を見逃す可能性があるが、最大値／最小値データでは確実にパルスの山と谷を検出することができるので、最大値／最小値データの方が適している。

図７に波形メモリ１４のデータ配置の一例を示す。前述したように、ＡＤ変換器１０は１ＧＨｚ程度のサンプリング周波数（サンプリング周期１ｎＳ）で測定信号をデジタル値に変換する。この変換したデジタル値をそのまま波形メモリ１４に格納しようとすると、高速なメモリが必要になる。そのため、図７に示すように、波形メモリ１４に同時にアクセスできる単位（ワード）に４つのデータを格納する。例えば、１ワード目には０〜３番目の測定値、２ワード目には４〜７番目の測定値を格納する。このようにすることにより、波形メモリ１４として比較的アクセス時間が長い安価なメモリを使用することができる。

しかしながら、このようなデジタルオシロスコープには次のような課題があった。前述したように、エンベロープモードでは所定期間内の測定値の最大値、最小値のみ波形メモリに保存する。そのため、実効値測定、ＸＹ表示、ＦＦＴ、データ補間等のデータ処理を伴う処理を適切に行うことができなかったという課題があった。

デジタルオシロスコープがアナログオシロスコープに比して優位な点の１つは、波形表示だけでなく、データ処理を用いて種々の測定を行うことができる点であるが、エンベロープモードで測定するとデータ処理を適切に行うことができないので、デジタルオシロスコープの優位点が大きく低下してしまうという課題もあった。

従って本発明の目的は、最大値／最小値データと間引きデータを同時に保存することにより、正確な波形を表示でき、かつデータ処理を適切に行うことができるデジタルオシロスコープを提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
所定のサンプリング周波数で測定信号をサンプリングし、デジタル値に変換するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換器が変換したデジタル値が入力され、このデジタル値のうち、時間軸設定値で定まる時間範囲に取得したデータの最大値と最小値である最大値／最小値データを出力するピーク検出部と、
前記ＡＤ変換器が変換したデジタル値が入力され、時間軸設定値で定まる間隔で入力されたデジタル値を間引いた間引きデータを出力する間引き部と、
前記最大値／最小値データおよび前記間引きデータを保存する波形メモリと、
前記波形メモリに保存されたデータを読み出し、波形表示を行うときは前記最大値／最小値データから波形データを生成して出力し、実効値表示、ＸＹ表示、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)、データ補間を行うときに、前記間引きデータを用いてデータ処理を行い、その結果を出力するデータ処理部と、
前記データ処理部の出力が入力され、この出力を表示する表示部と、
を具備したものである。波形を正確に表示でき、かつＸＹ表示、ＦＦＴなどのデータ処理を適切に行うことができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記波形メモリは、一度にアクセスできる１ワード中に前記最大値／最小値データと前記間引きデータの両方を格納するようにしたものである。波形メモリとして、比較的低速のメモリを用いることができる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１および２の発明によれば、最大値／最小値のデータと間引きデータの両方を波形メモリに格納し、波形表示を行うときは最大値／最小値データを用い、ＸＹ表示やＦＦＴなどのデータ処理を行うときは間引きデータを用いるようにした。

波形表示には最大値／最小値データを用い、等時間間隔のデータが必要なＸＹ表示やＦＦＴなどのデータ処理には間引きデータを用いることができるので、エイリアジングが発生しない波形表示ができ、かつ種々のデータ処理を適切に行うことができるという効果がある。

また、間引きデータから頻度情報を作成して表示し、またデータ補間を行うことにより、従来エンベロープモードで行うことができなかった頻度情報の表示や、時間拡大時のデータ補間を行うことができるという効果もある。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るデジタルオシロスコープの一実施例を示す構成図である。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、測定信号はＡＤ変換器１０でデジタル値に変換される。ＡＤ変換器１０は、例えばサンプリング周波数１ＧＨｚで測定信号をデジタル値に変換する。

２０はピーク検出部であり、ＡＤ変換器１０が変換したデジタル値が入力され、このデジタル値の所定期間内の最大値と最小値を検出して出力する。２１は間引き部であり、ＡＤ変換器１０が変換したデジタル値が入力され、所定の間隔でこのデジタル値を間引き、この間引いたデータを出力する。

２２は波形メモリであり、ピーク検出部２０が検出した最大値と最小値、および間引き部２１が間引いたデータを保存する。２３はデータ処理部であり、波形メモリ２２に保存されたデータを読み出し、このデータを処理する。このデータ処理部２３が処理した結果は表示部１６に表示される。

ピーク検出部２０と間引き部２１には、エンベロープモードであるかどうかを表すモード信号と、１グリッドの時間幅を表す時間軸設定値が入力される。ピーク検出部２０と間引き部２１はこれらに信号に基づいて最大、最小値を求める区間、あるいは間引き間隔を決定する。

次にこの実施例の動作を説明する。なお、ＡＤ変換器１０のサンプリング周波数を１ＧＨｚとし、波形メモリ２２に格納できるデータの数を２０，０００とする。また、エンベロープモードに設定されているとする。

表示部１６の横方向の表示幅が２０μＳ（グリッドの数を１０とすると、時間軸設定値２μＳ）以下のときは、ＡＤ変換器１０の出力の全てを波形メモリ２２に格納することができる。ピーク検出部２０は最大値、最小値を出力せず、間引き部２１は間引きを行わないで、入力された全データを波形メモリ２２に出力する。波形メモリ２２はこのデータを格納する。

表示部１６の表示幅が２０μＳを越えると、ピーク検出部２０は最大値、最小値を出力し、間引き部２１は間引きを実行する。表示幅が５０μＳのときは、ピーク検出部２０は１０データ毎の最大値、最小値を求め、この値（最大値／最小値データ）を出力する。すなわち、０〜９番目のデータの最大値、最小値、１０〜１９番目の最大値、最小値の順に出力する。５０μＳの幅を表示するための最大値／最小値データの個数は、５０μＳ／１ｎＳ／１０×２＝１０，０００個になる。間引き部２１は５データ毎にデータを間引いて出力する（間引きデータ）。すなわち、０番目、５番目、１０番目の順にデータを出力する。５０μＳの幅を表示するためのデータの個数は、５０μＳ／１ｎＳ／５＝１０，０００個になる。データの個数は合わせて２０，０００個になり、波形メモリ２２に格納することができる。

表示幅が５０μＳを越える場合も同様にしてピーク検出と間引きを行う。表示幅をｗ（秒）、ＡＤ変換器１０のサンプリング周期をｓｔ（秒）、波形メモリ２２に格納できるデータ数をｎｄとすると、ピーク検出部２０は２×ｗ／ｓｔ／（ｎｄ／２）データ毎に最大値、最小値を求め、間引き部２１はｗ／ｓｔ／（ｎｄ／２）毎にデータを間引いて出力する。

データ処理部２３は、波形メモリ２２に保存されたデータの中で、波形表示、最大値／最小値表示、パルスカウントを行うときは最大値／最小値データを用い、実効値表示、ＸＹ表示、ＦＦＴ、データ補間、平均値表示、標準偏差等データの同時性あるいは等時間間隔性が要求されるときは間引きデータを用いる。このようにすることにより、エンベロープモードのときでも適切なデータ処理を行うことができる。

図２に波形メモリ２２にデータを格納する形式の一例を示す。この実施例でも図７と同じように、波形メモリ２２に同時にアクセスできる単位（ワード）に４つのデータを格納するようにする。すなわち、前半の２つに間引きデータを、後半の２つに最大値／最小値データを格納する。この実施例は表示幅を５０μＳに設定した例であり、５データ毎に間引きを行い、また１０データ毎の最大値、最小値を保存している。

なお、この実施例ではエンベロープモードのときに間引きデータと最大値／最小値データを同時に保存するようにしたが、エンベロープモードでないときも同じように最大値／最小値と間引きデータの両方を保存するようにしてもよい。このようにすると、常にエイリアジングの影響を受けない波形を表示することができ、かつ種々のデータ処理を行うことができる。すなわち、モードを意識しなくてもよいので、操作性を向上させることができる。

また、エンベロープモードでないときに最大値／最小値を保存しないようにすると、間引き率を半分にすることができ、より正確にデータ処理を行うことができる。

最近のデジタルオシロスコープでは、オーバーサンプリングしたデータをビットマップ上に重ね書きし、重ね書きの頻度に応じて輝度や色を変えて表示する機能を具備したものがある。アナログオシロスコープでは、重ね書きの頻度が高い部分は輝度が高くなるので、デジタルオシロスコープでも同じような機能を実現して、頻度が高い部分が一目でわかるようにしたものである。しかし、頻度情報は間引きデータからのみ作ることができ、最大値／最小値データから作ることはできないので、従来のデジタルオシロスコープではエンベロープモードに設定するとこのような機能を実現することができなかった。

本発明ではエンベロープモードでも最大値／最小値データと間引きデータの両方を保存しているので、間引きデータから頻度情報を求め、最大値／最小値データから生成した波形にこの頻度情報を重ね書きすることにより、頻度の高い部分を一目で見分けることができる表示を簡単に実現することができる。

またデジタルオシロスコープには、新たにデータを取り込まないで、波形メモリに格納されているデータを用いて時間軸を拡大表示する機能を有しているものが多い。時間軸を拡大すると測定データの間隔が広くなり波形が見難くなるので、ｓｉｎ補間法を用いて測定データの間を埋めるようにしている。ｓｉｎ補間するためには間引きデータが必要なので、従来のデジタルオシロスコープではエンベロープモードにすると、時間軸を拡大表示する際にデータ補間を行うことができなかった。

本発明ではエンベロープモードでも最大値／最小値データと間引きデータの両方を保存しており、間引きデータを用いてｓｉｎ補間を実行することができるので、モードに関わらず時間軸の拡大表示の際にデータ補間を行うことができる。なお、ｓｉｎ補間以外の補間手法を使用することもできる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 波形メモリのデータ配置の一例を示す図である。 従来のデジタルオシロスコープの構成図である。 データ取得の手法を説明するための図である。 頻度情報による階調表示を説明する図である。 ＸＹ表示を説明する図である。 従来の波形メモリのデータ配置を示す図である。

符号の説明

１０ ＡＤ変換器
１６ 表示部
２０ ピーク検出部
２１ 間引き部
２２ 波形メモリ
２３ データ処理部

Claims (2)

1. 所定のサンプリング周波数で測定信号をサンプリングし、デジタル値に変換するＡＤ変換器と、
   前記ＡＤ変換器が変換したデジタル値が入力され、このデジタル値のうち、時間軸設定値で定まる時間範囲に取得したデータの最大値と最小値である最大値／最小値データを出力するピーク検出部と、
   前記ＡＤ変換器が変換したデジタル値が入力され、時間軸設定値で定まる間隔で入力されたデジタル値を間引いた間引きデータを出力する間引き部と、
   前記最大値／最小値データおよび前記間引きデータを保存する波形メモリと、
   前記波形メモリに保存されたデータを読み出し、波形表示を行うときは前記最大値／最小値データから波形データを生成して出力し、実効値表示、ＸＹ表示、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)、データ補間を行うときに、前記間引きデータを用いてデータ処理を行い、その結果を出力するデータ処理部と、
   前記データ処理部の出力が入力され、この出力を表示する表示部と、
   を具備したことを特長とするデジタルオシロスコープ。
2. 前記波形メモリは、一度にアクセスできる１ワード中に前記最大値／最小値データと前記間引きデータの両方を格納するようにしたことを特長とする請求項１に記載のデジタルオシロスコープ。

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