JPH04110669A - サンプリング式測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、被測定信号をサンプリング後、デイリ ジタル変換し、このディジタル値に演算を加えることで
被測定信号の値を測定するサンプリング式測定器に関す
るものである。

〈従来の技術〉 被測定信号である電圧や電流を一定の周期でサンプリン
グ後、これをディジタルに変換し、このディジタル値に
指数化平均演算を加えることで被測定信号の実効値や平
均値整流値や有効電力を測定できる指数化平均演算方式
のサンプリング式測定器がある。

この方式の動作原理を簡単に説明する。

まず、被測定信号である電圧や電流を一定の周期でサン
プリングしく瞬時値を取り出し）、これをディジタル値
に変換する。

そして、例えば、被測定信号の平均値整流値を測定する
場合、被測定信号のサンプリングディジタル値の絶対値
を　（１）式のｘ（Ｂとし、実効値を測定する場合、サ
ンプリングディジタル値の２乗値をＸｆｔ）とする、そ
して　（１）式のＸ（ｔ）に前記絶対値や２乗値を代入
演算し、サンプリング毎に（１）式の演算を繰り返して
いくと、ｙ（ｎ）は、平均値整流値や（実効値）２の真
値に近付く、従って、（１）式の演算を繰り返すことに
より目的とする測定値を得ることができる。

Ｙ（ｎ）＝Ｖ（ｎ−１）＋　（１／Ｇ）　　−（ｘ（ｔ
）−ｙ（ｎ−１））　　　［１）ｙ（ｎ）　：時刻ｔま
でに処理された指数化平均演算結果 ｙ（ｎ−１）　：時刻［ｔ−１）までに処理された指数
化平均演算結果 Ｘｆｔ）　：時刻ｔにおけるサンプリング値（１／Ｇ）
　　二指数比定数（１／Ｇ＜くｌである）なお、時刻ｔ
は、を回目のサンプリングの意味と同等である。

第２図は、（１）式のＸ（ｔ）が２乗された場合のｙ（
ｎ）の軌跡を示した図である。特性（ａ）は周波数１２
の、特性（ｂ）は周波数ｆ１の被測定信号をサンプリン
グした場合の（１）式のｙ（ｎ）の軌跡であり、どちら
も（１）式における指数化定数１／Ｇ　＝１／Ｇ１とし
ている。この図から明らかなように、サンプル数ｎ１に
て、どちらも真値Ｙ１に到達している。しかし、低い周
波数ｆ２　（（ｆｌ）の方は、ｙ（ｎ）の値に大きなリ
プルが含まれ、正確な真値Ｙ１を把握することが困難で
ある。

そこで、（１）式の１／Ｇ　＝　１／Ｇ２　（＜　１／
Ｇ１　）にして演算すると、第２図（Ｃ）のようにリプ
ルは小さくなるが、真値Ｙ１に到達するまで、多くのサ
ンプル数ｎ２が必要であることを示している。

また、上述の指数化演算方式により、電力を測定するこ
ともできる。この場合、時刻ｔにおける電圧の瞬時値（
サンプリング値）をｖ（Ｂとし、同じ時刻ｔにおける電
流の瞬時値を１（ｔ）とすると、（１）式において、 Ｘ（ｔ）＝Ｖ（ｔ）−１（ｔ） を代入すればよい。

〈発明が解決しようとする課題〉 以上は、指数化平均演算方式のサンプリング測定器の例
であるが、一般にどの方式のサンプリング測定器もサン
プリング周期は、一定である。その結果、広帯域にわた
り被測定信号を測定しようとすると、被測定信号が低帯
域である場合にはメモリ容量を増大しなければならない
課題がある。

これを説明する。サンプリング式測定器では、第２図に
示す如く、被測定信号の波形について、ある程度以上の
サンプルデータ数（例えば、１０００点）、またはある
程度以上のサイクル数にわたるデータを収集しないと、
被測定信号の真値Ｙ１を測定ができない、従って、長い
周期でサンプリングしたのでは、必要なデータ数を収集
するまでに時間がかかり、応答性のよい測定器を実現で
きない。

そこで、短い周期のサンプリングクロックを発生させて
被測定信号をサンプリングしている。

一方、サンプリングした電圧・電流値は、演算速度（例
えば前記指数化平均演算や２乗演算等）との関係上、−
旦メモリに蓄積し、一定量のデータを蓄積した後、上述
した各種演算を加えて測定値を算出する。

従って、短い周期のサンプリングクロックで、低周波の
被測定信号のデータを収集した場合、被測定信号の１周
期にとれるデータ数が多くなるのでメモリ容量がふえる
のである。これを第３図を参照して説明する。

第３図は、周波数ｆ３とｆ４の被測定信号を同一の周期
ｔ１でサンプリングした状態を示している。なお第３図
は、平均値を測定する時の例であり被測定信号ｆ３．　
ｆ４は絶対値で表している。

メモリに格納できるデータ数は、ｎ個であると仮定する
１周波数ｆ３については、１周期でサンプル数が１０個
（０１〜０１０）であり、ｎ個中に波形の数周期分にわ
たるデータを得ることができる。従って、このように得
られたデータより、周波数ｆ３の被測定信号の例えば平
均値を（１）式より算出できる。

一方、周波数ｆ４については、ｎ個のデータＲ１〜Ｒｎ
を蓄積しても、まだ波形の１周期分のデータにも満たな
いため（第３図参照）、このようなｎ個のデータＲ１〜
Ｒｎでは、被測定信号ｆ４の値を算出することができな
い、従って、波形の数周期分のデータを格納できる大容
量のメモリが必要となる。

本発明の目的は、大容量のメモリを必要とすることなく
低周波から高周波までの被測定信号を測定できるサンプ
リング式測定器を提供することである。

〈課Ｕを解決するための手段〉 本発明は、上記課題を解決するなめに 被測定信号をサンプリングして測定する装置において、 異なる周期のクロック信号を選択して出力することがで
きる手段（１２，１３）と、 この手段により加えられたクロック信号に同期して被測
定信号をサンプリングし、これをディジタル信号へ変換
するＡＤ変換手段（１，３）と、ＡＤ変換手段の出力デ
ータを格納するメモリと、メモリに格納されたデータを
読出して指数化平均演算を加え、被測定信号の値を算出
する演算器と、 からなる手段を講じたものである。

く作用〉 手段（１２，１３）は、異なる周期のクロック信号を選
択して出力することができる。

従って、被測定信号が低周波の場合、長い周期のクロッ
ク信号を選択して出力できる。その結果、ＡＤ変換手段
にてゆっくりとした間隔でサンプリングを行うので、低
周波の被測定信号の数周期にわたりサンプリングを行っ
ても、メモリに格納されるデータ数は、それ程増大しな
い。

また、被測定信号が高周波の場合、短い周期のクロック
信号を選択して出力できる。その結果、短時間に必要な
サンプル数のデータをメモリに格納することができ、直
ちに被測定信号の値を演算器により算出することができ
る。

〈実施例〉 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係るサンプリング式測定器の構成例を
示す図である。

本発明は、サンプリング式の測定器全般に適用すること
ができるが、第１図は電力計に適用した構成例である。

第１図装置の動作概要を説明する。第１図装置は、サン
プリング周波数（周期）が、低（長）。

中、高（短）の３種類のクロック信号を備えている。そ
して、低帯域の被測定信号を測定する場合、長い周期で
サンプリングし、中帯域では中間の周期で、高帯域では
短い周期でサンプリングするように選択することができ
る。

オペレータが低帯域を選択した場合、サンプリング周波
数は低い周波数ｆ［となる。そしてこの時サンプリング
されたｖ、ｉの瞬時値は、演算器１１に直接送られ、リ
アルタイムで、乗算（ｅ・１）と、（１）式の処理がな
される。即ちこの場合、サンプリング周期が長いため、
次のサンプリングデータ（ｖ、ｉの瞬時値）が演算器１
１へ加えられるまで、時間的余裕があるなめ、その期間
内で、送られてきたサンプリングデータごとに、乗算と
、（１）式の演算を行うことができメモリにサンプリン
グデータを蓄積する必要がないからである。

中、高帯域を選択した場合、サンプリング周波数は、中
間の周波数ｆｏまたは高周波ｆｈとなる。この時の■、
ｉの瞬時値は、メモリ６．７に蓄積される。即ちこの場
合、サンプリング周期が短いため、次のサンプリングデ
ータが演算器１１へ加えられるまでに、前に送られてき
たサンプリングデータにつき、乗算と、（１）式の演算
を行う時間的余裕がないからである。そして設定された
数Ｎの蓄積が終了すると、そのデータを演算器１１に取
り込み、乗算と、（１）式の演算処理を行って、有効電
力を算出する。

以下、詳細な動作説明を行う、第１図において、被測定
信号であるアナログ入力電圧■は、端子Ｐ１に加えられ
、同じく被測定信号であるアナログ入力を流ｉは、端子
Ｐ２に加えられる。本発明の装置は、電圧Ｖと電流１が
、低周波から数１００　ＫＨｚ程の高周波の信号であっ
ても、メモリ容量を特別に増大させることなくその有効
電力・電圧値・電流値を測定できる。

端子Ｐ１に加えられたアナログ入力電圧■は、サンプル
・ホールド回路（以下、単にＳ／Ｈ回路と記す）１に導
かれる。　Ｓ／Ｈ回路１は、セレクタ１３を介してクロ
ック信号ＳＣが加えられるたびに、その時点のアナログ
入力電圧Ｖの瞬時値Ｖ（ｔ）をサンプリングし、前のサ
ンプリングで取り込んでいた値に代わり、新しく取り込
んだ値を出力するものである。

アナログ・ディジタル変換器（以下、単に八〇Ｃと記す
）３は、Ｓ／Ｈ回路１からサンプリング電圧Ｖ（ｔ）が
出力される毎にこれをディジタル信号Ｄｅへ変換（この
ような変換を以下、単にＡＤ変換と記す）すると共に、
このＡＤ変換毎に、ＥＯＣ（Ｅｎｄ　Ｏｆ　Ｃｏｎｖｅ
ｒｓｉｏｎ）信号を出力する。

以上のような機能のＡＤＣ３は、市販されており、容易
に入手することができる。特許請求の範囲に記したＡＤ
変換手段とは１、このＳ／Ｈ回路と、八〇Ｃで構成され
る。

メモリ６は、、　ＡＤＣ３の出力データＯｅを導入し、
アドレスカウンタ８から加えられる信号＾Ｄ１で指示さ
れるアドレスに、この出力データＤｅを格納する。即ち
、メモリ６には、端子Ｐ１に加えられた電圧■をサンプ
リングしたデータが格納される。

アドレスカウンタ８は、例えば、ＣＰｔ１１２から加え
られた設定信号Ｓ＾により１．予め数値Ｎが設定される
。そして前記ＥＯＣ信号が加えられるたびに、この数値
Ｎから１を減算する動作を行う。従って１、ＥＯＣ信号
かに発出力されると、アドレスカウンタ８の出力は（ト
に）となり、メモリ６の（トに）番地にその時のデータ
Ｄｅを格納する。

端子Ｐ２にも、端子Ｐ１に接続された構成素子と全く同
じ素子が接続される。即ち、端子Ｐ２に接続されるＳ／
Ｈ回路２は、Ｓ／Ｈ回Ｆ＃１１に相当し、Ｓ／Ｈ回路２
に接続されるＡＤＣ４は、ＡＤＣ３に相当し、ＡＤＣ４
の出力データＤ：を導入するメモリ７は、メモリ６に相
当し、アドレスカウンタ９は、アドレスカウンタ８に相
当する。

なお、アナログ入力を流１は、通常、電圧信号Ｖ］へ変
換されてＳ／Ｈ回ＦＩ＃Ｉ２へ加えられる。これについ
て説明を加える。抵抗値が既知のシャント抵抗Ｒ３（図
示せず）へアナログ入力電流１を流すと、電圧Ｖｉ＝Ｒ
３−ｉが発生する。この電圧Ｖｉは、抵抗値Ｒ３が既知
であるなめ、電圧Ｖｉを測定することで１＝Ｖｉ／Ｒ８
より、アナログ入力電流を測定したことになる。本明細
書では、このようにアナログ入力電流ｉを変換した電圧
信号ｖ１をアナログ入力電流１と秤している。

Ｓ／Ｈ回路２は、Ｓ／Ｈ回路１ど同じクロック信号ＳＣ
が加えられているので、　Ｓ／Ｈ回路１のサンプリング
時と、同一時刻にアナログ入力電流ｉをサンプリングし
ている。

セレクタ１３は、クロック発生器１５．１６．１７から
異なる周波数ｆｈ、　ｆｉ、　ｆｌ−のクロック信号を
導入し、ＣＰＵ　１２からの制御信号Ｓ２により、どれ
か１つの周波数のクロック信号を選択してＡＤ変換手段
に出力する。ここでは、ｆＬ＜　ｆｎ＜　ｆｈ　　の関
係があるとする。

なお、各クロック発生器１５〜１７は、アドレスカウン
タ９から加えられる終了信号Ｓ１により、クロック信号
の出力がストップされる。メモリ７には、端子Ｐ２に加
えられた電流１をサンプリングしたデー・夕が格納され
る。

演算器１１は、掛算器と指数化平均演算器（図示せず）
を内蔵している。そして終了信号Ｓ１を受けて、メモリ
６と７に格納されたデータから、同一時刻にサンプリン
グされた２つのデータを読出し、掛算器を用いて、この
データ同士を乗算して瞬時電力値を算出する。更に、指
数化平均演算器を用いて、この瞬時電力値に、既述しな
（１）式等の演算を加え、端子Ｐ１．　Ｐ２に加えられ
た電圧Ｖとｔ流ｌの有効電力（平均電力とも言う）を算
出する。

なお、以上のような掛算器と指数化平均演算器の機能を
備えた演算器１１は、例えばシグナルプロセッサを用い
実現することができる。

このように演算器１１で得られた有効電力は、中央処理
装置であるＣＰＵ　１２へ送信され、表示器１８に表示
される。

ＣＰＵ　１２は、第１図装置のオペレータにより指示さ
れた周波数のタロツク信号が選択されるように制御信号
Ｓ２をセレクタ１３に加える。また、ＣＰＩＩ　１２は
、第１図装置の全般的な制御も行う。

このように構成された第１図装置の動作を説明する。

一般に第１図装置のオペレータは、被測定信号ｖ、ｌの
周波数が、商用周波なのか（低周波）、１にＨｚ位なの
か（申開周波）　、　１００　ＫＨｚ位なのか（高周波
）は、予め知ることができる。今、端子Ｐｌ、　Ｐ２に
加えられる入力電圧■と入力電流１の周波数は、１ＫＨ
ｚ位（中間周波）であるとする。

この場合、オペレータは、中間の周波数（中間の周期）
　ｆｉのクロック信号をＣＰＵ　１２に指示する。

これを受けてＣＰＵ　１２は、信号Ｓ２をセレクタ１３
へ加え、クロック発生器１６から出力される周波数Ｉｌ
のクロック信号がセレクタ１３で選択されて２つの＾Ｄ
変換手段に加えられる。

Ｓ／Ｈ回路１，２は、クロック発生器１６からのクロッ
ク信号ＳＣが発生するごとにアナログ入力電圧Ｖと入力
電流１を同一時刻にサンプリングする。

このサンプリングされた電圧ｖ、を流１は、ＡＤＣ３，
４に加えられ、次々とディジタルデータＤｅ。

Ｄ；へ変換される。

アドレスカウンタ８，９には、設定信号ＳＡ、　ＳＢに
より予め設定数Ｎが置数される０通常、２つのカウンタ
８，９に設定される数Ｎは同じ値である。

ＡＤＣ３、４は、Ｓ／Ｈ回路１，２からの信号をディジ
タルデータＤｅ、　Ｄｉへ変換するごとに、ＥＯＣ信号
を出力する。アドレスカウンタ８，９は、ＥＯＣ信号が
加えられる毎に、Ｎから１ずつ減算した値を出力する。

例えば、ＥＯＣ信号かに発出力されると２つのアドレス
カウンタ８．９は、同じ値である（トに）のアドレス信
号ＡＤ１を出力する。

そして、メモリ６．７は、このアドレス信号ＡＤ１で示
されたアドレス（Ｎ−Ｋ）に、ｋ番目のデータＤｅ（ｋ
）　、　Ｄｉｆｋ）を格納する。このようにして、メモ
リ６．７にデータを書き込み続けると、ついにはアドレ
スカウンタ６．７の出力は、００・・・０となる。この
ようにその内容がオールゼロになると、アドレスカウン
タ６．７は、終了信号Ｓ１を出力することができる。

即ち、この終了信号Ｓ１は、予め設定された数Ｎだけメ
モリ６．７へ入力電圧Ｖと入力電流１のサンプリングデ
ータを取り込んだことを意味している。第１図では、こ
の終了信号Ｓ１でクロック信号ＳＣの発生を停止させて
いる。そして、アドレスカウンタ８．９の内容は、どち
らも同じであるため、２つのアドレスカウンタ８，９の
終了信号は同時刻に発生する。従って、どちらのアドレ
スカウンタ８，９の終了信号をクロック発生器１５〜１
７に加えてもよいが、第１図では、アドレスカウンタ９
の終了信号Ｓ１を加えている。

各クロック発生器１５〜１７は、この終了信号Ｓ１の発
生を起点としてクロック信号の出力をストップするので
、八〇〇　３゜４から出力される新たなデータは停止す
る。従って、アドレスカウンタ８，９の計数値は、前の
オールゼロ（ＯＯ・・・０）のままであり、またメモリ
６．７の内容は、上述した一連のデータを保持している
。

このようにまず、第１図装！では、同一時刻における入
力電圧の値と入力電流の値を指定されたサンプリング周
期（Ｔｍ＝　１　／　ｆｍ）で、必要なデータ数Ｎだけ
メモリに取り込む。

一連のデータ取り込み動作が終了すると、演算器１１は
、終了信号Ｓ１を受けて、メモリ６．７に格納されたデ
ータの中から同一時刻にサンプリングされた２つのデー
タを読出す、同一時刻にサンプリングされた２つのデー
タを読み出す作業は簡単である。即ち、演算器１１は、
メモリ６．７の同一アドレスから同一タイミングでデー
タを読み出せばよい。

そして演算器口は、掛算器を動作させて、読出した１組
のデータ毎に Ｘ（ｔ）＝ｖ　　−ｉ　ｔ　　　　　　　　　　　　　
（２）↑ の演算を行い瞬時電力値を算出する。なお、（２）式の
Ｘ（ｔ）、　ｖ　　、　　ｉ　　は、時刻ｔにおける瞬
時型力値、瞬時電圧値、瞬時電流値である。このような
演算を例えばメモリ６．７から読出したＮ組のデータに
ついて行い、これを指数化平均演算器へ加える。そして
、ここで上記（１）式の演算を多数回繰り返すと、（１
）式のｙ（ｎ）は、平均電力、即ち、有効電力値Ｗに漸
近する。つまり、 工６ ｙ（ｎ）＝　Ｗ　＝　　Σ（ｖ　　−ｉ　　）　　を算
出する。

乞い、１　　１ また、演算器１１として、２乗演算器と指数化平均演算
器と開平演算器を備えると、被測定信号の実効値を測定
できる。また、演算器１１として、絶対値演算器と指数
化平均演算器を備えると、被測定信号の平均値整流値を
測定できる。このように電圧または電流測定の場合は、
第１図において、Ｓ／８回路と八〇〇とメモリとアドレ
スカウンタの１組を備えればよく、第１図装置のように
２組備える必要はない。

例えば電圧Ｖの実効値を測定する場合、メモリ６に蓄積
された上記瞬時値（例えば、ｖＢを読出し、２乗演算し
てＸ（ｔ）＝　Ｖｔ２を得る。そして、このＸ（ｔ）の
値を（１）式に代入し、指数化平均演算をとができる。

平均値整流値を測定する場合、メモリに蓄積された上記
瞬時値νｔを読出し、この絶対値Ｘ１ｔ）＝　ｌ　Ｖｔ
　ｌを得る。そして、この×（ｔ）の値を（１）式に代
入し、指数化平均演算を繰り返すと、被が得られる。

このようにして得られた、有効電力、実効値、平均値な
どの測定値は、ＣＰＵ　１２に送られ、表示器１８にて
測定値として表示される。

なお、端子Ｐｉ、　Ｐ２に加えられる入力電圧■と入力
１流ｉの周波数が、１００ＫＨｚ位（高周波）の場合、
オペレータは、高い周波数（短い周期＞　ｆｈのタロツ
ク信号をＣＰｔ１１２に指示する。これを受けてＣＰＩ
Ｉ　１２は、信号＄２をセレクタ１３へ加え、クロック
発生器７５から出力される周波数ｆｈのタロツク信号が
セレクタ１３で選択されて２つのＡＤ変換手段に加えら
れる。その後の動作は、サンプリング周波数ｆｎの場合
と同様であるなめ、その説明を省略する。

Ｎ個のデータをメモリに蓄積して測定が終了した後、再
び測定を開始する場合、ＣＰｔ１１２からアドレスカウ
ンタ８，９ヘブリセット信号（図示せず）を加える。そ
して再び、その内容を設定信号ＳＡ。

ＳＢで指定された数値Ｎとして上述と同じ動作を繰り返
す。

また、端子Ｐｉ、　Ｐ２に加えられる被測定信号の周波
数が低周波の場合、オペレータは、低い周波数ｆ［のク
ロック信号を指示する。この場合、上述と異なり、サン
プリングされたｖ、１の瞬時値は、演算器１１に直接送
られ、リアルタイムで乗算と、（１）式の処理がなされ
る。この場合、サンプリングデータをメモリに蓄積しな
い理由は既述した。

なお、この低周波の場合に、メモリへサンプリングデー
タを蓄積するようにしてもデータ数は少ないため、メモ
リを増設せずに蓄積でき、上述と同様に、電力値、実効
値、平均値などの測定を行うことができる。

上述では、３種類のサンプリング周波数を備えた例で説
明したが、この数値に限定するものではない。

また、アドレスカウンタ８．９に置数するＮは、サンプ
リングに必要十分な数値であることは言うまでもない。

く本発明の効果〉 以上述べたように本発明によれば、被測定信号が低周波
の場合、長い周期のタロツク信号を選択して出力できる
。その結果、ゆっくとした間隔でサンプリングを行うの
で、低周波の被測定信号の数周期にわたりサンプリング
を行っても・メモリに蓄積されるデータ数は、増大しな
い。

なお、この場合、低周波の被測定信号の数周期にわたり
サンプリングを行うので測定に時間が掛かるが、短い周
期のクロック信号（例えばクロック周波数ｆｈ）でサン
プリングを行っても、正しい測定値を得るためには被測
定信号の数周期にわたるサンプリングデータを蓄積しな
ければならない。

従って、本発明により特に測定時間が増大したことには
ならない。

このようにメモリ容量を増加させることなく低周波の被
測定信号を測定できるため、製品の小形化、低価格化を
実現できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係るサンプリング式測定器の構成例を
示す図、第２図と第３図は指数化平均演算方式の動作を
説明する図である。 １．２・・・Ｓ／８回路、３．４・・・八〇Ｃ１６，７
・・・メモリ、８，９・・・アドレスカウンタ、１１・
・・演算器、１２・・・ＣＰＵ　、１３・・・セレクタ
、１５〜１７・・・クロック発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　被測定信号をサンプリングして測定する装置において
   、異なる周期のクロック信号を選択して出力することが
   できる手段（１２、１３）と、この手段により加えられ
   たクロック信号に同期して被測定信号をサンプリングし
   、これをディジタル信号へ変換するＡＤ変換手段（１、
   ３）と、ＡＤ変換手段の出力データを格納するメモリと
   、メモリに格納されたデータを読出して指数化平均演算
   を加え、被測定信号の値を算出する演算器と、を備えた
   サンプリング式測定器。