JPH05126856A - オシロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 同期操作の煩わしさから観測者を解放し、高
速で誤りが少なく、メモリ容量も少なくてすむオシロス
コープの提供。 【構成】 被観測信号に含まれる主要な周期成分を抽出
する同期信号用フィルタ・レベル比較器１３と、各周期
成分についてその波形およびその波形がどの周期成分に
同期しているかの情報をＣＲＴ１９の画面上にサイクリ
ックに表示するとともに、操作部２０からの入力により
表示画面を固定したり戻したりするＣＰＵ１６、メモリ
１７、表示回路１８等を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、不特定の電気信号を観
測するオシロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、不特定の電気信号を観測する計
測器においては、使用者が観測したい波形の特徴を自ら
分析して、同期信号の選択、成分分離、波形成形条件、
タイミング合わせなど、すべての操作を手動で行なう必
要があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この同
期操作はかなりの知識を必要とするものであり、また或
る種の矛盾をもつものであった。すなわち電気信号の観
測が必要な場合というものは、観測されるであろう信号
が予測できない場合もあるので、これについて予め同期
条件を推察、決定するということはそれ自身で矛盾して
おり、初心者にとっては著しく困難な問題となるばかり
でなく、誤った操作で測定することにより判断に妥当性
を欠くことになりかねない。このため、最近の測定器の
中には、操作設定の完了した状態を操作パネルから読み
取り、記憶装置にデータとして保存するものも現れてお
り、次回に同じ操作を設定すればよい場合には、記憶装
置からそのデータを取り出して、電子的に自動設定する
ことができるように設計されているものもある。しかし
ながら、元来、様々な不特定多数の電気現象を観測する
測定器としては、限られた数の条件記憶では実際にほと
んど役にたたないという問題があった。

【０００４】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、同期操作の煩わしさから観測者を解放
し、高速で誤りが少なく、メモリ容量も少なくてすむ優
れたオシロスコープを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、被観測信号に含まれる主要な周期成分を
抽出する手段と、抽出された各周期成分についてその波
形およびその波形がどの周期成分に同期しているかの情
報を画面上にサイクリックに表示する手段と、操作部か
らの入力により表示画面を固定したり戻したりする手段
とを備えたものである。

【０００６】

【作用】本発明は、上記構成によって、被観測信号の中
の種々の周期成分を自動的に抽出してサイクリックに表
示することができるので、不特定の電気信号に対する同
期設定を容易に行なうことができる。また、その処理を
基本的にハードウエアで行なうことができるので、高速
で誤りが少なく、ＣＰＵやプログラムソフトが簡便とな
り、メモリ容量もすくなくてすむという優れた効果を有
する。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の一実施例の構成を示すもの
である。図１において、１はＣＨ１入力、２はＣＨ１Ａ
ＴＴ、３はＣＨ１チャネル増幅器、４はＣＨ２入力、５
はＣＨ２ＡＴＴ、６はＣＨ２チャネル増幅器、７は外部
同期信号入力、８は外部同期信号ＡＴＴ、９は外部同期
信号増幅器、１０はＣＨ１，ＣＨ２選択／加算回路・信
号増幅器・Ａ／Ｄ変換器、１１はＣＨ１，ＣＨ２同期信
号増幅器・同期信号選択回路、１２は同期レベル電圧発
生用ＤＡＣ、１３は同期信号用フィルタ・レベル比較
器、１４は同期信号選択／同期パルス発生回路・同期タ
イミングデータ抽出回路、１５はバス、１６はＣＰＵ、
１７はメモリ、１８は表示回路、１９はＣＲＴ、２０は
操作部、２１はサンプリングクロック発生回路である。

【０００８】次に上記実施例の動作について説明する。
被観測信号はＣＨ１入力１またはＣＨ２入力４に加えら
れ、所望の振幅になるようにＣＨ１ＡＴＴ２またはＣＨ
２ＡＴＴ５における減衰器で調節される。その出力はそ
れぞれＣＨ１チャネル増幅器３またはＣＨ２チャネル増
幅器６に加えられ、必要な増幅が行なわれた後、ＣＨ
１，ＣＨ２選択／加算回路・信号増幅器・Ａ／Ｄ変換器
１０に送られ、選択または合成された結果がＡ／Ｄ変換
器１０ａでディジタル信号となってバス１５を通してＣ
ＰＵ１６に送られ、メモリ１７に格納される。他方、各
チャネルＣＨ１，ＣＨ２入力１，４または外部同期信号
入力７から得た同期信号は、ＣＨ１，ＣＨ２同期信号増
幅器・同期信号選択回路１１において選択された後、同
期信号用フィルタ・レベル比較器１３に供給される。レ
ベル比較器１３ｂの比較用信号入力端子には、同期レベ
ル電圧発生用ＤＡＣ１２から比較電圧が供給され、同期
信号に含まれているすべての同期的特徴が、同期信号用
フィルタ１３ａを通した後、比較電圧を信号振幅全体の
間で変化させることにより抽出される。レベル比較器１
３ｂの出力は、高速の同期信号選択／同期パルス発生回
路・同期タイミングデータ抽出回路１４において同期の
タイミング情報を把握され、バス１５を通してデータと
してＣＰＵ１６に送られ、メモリ１７に格納される。メ
モリ１７に格納された波形データは、ＣＰＵ１６の指示
に従って表示回路１８に供給され、抽出された周期成分
の波形がＣＲＴ（ブラウン管）１９の画面上にサイクリ
ックに表示されるとともに、表示された波形がどの周期
成分に同期しているかを示す同期条件および掃引時間の
情報も表示される。また、表示された波形または少し前
に表示された波形が観測者が欲しているものであるとき
は、ＣＰＵ１６は、観測者の操作部２０からのキー入力
により、表示回路１８に指示してＣＲＴ１９上の表示画
面を固定したり戻したりする。

【０００９】次に本発明の要部の一つである被観測信号
に含まれる主要な周期成分を抽出する手段である同期信
号用フィルタ１３ａおよびレベル比較器１３ｂについて
説明する。まず初めにレベル比較器１３ｂによる周期成
分の抽出について説明する。オシロスコープの同期操作
では、同期信号に含まれている周期的特徴を抽出するこ
とが最も必要な作業である。図２は、信号の持つ周期性
が、レベル比較器の比較電圧を変えることにより異なる
ことをテレビジョン信号を例に用いて示したものであ
る。いま同期信号の大きさは、図２のように電圧レベル
ＶｕとＶ_L の間に収まると考えられる。この同期信号を
図３のような一対のトランジスタ群からなる電圧比較器
（レベル比較器）の一方の入力端子Ａに加え、比較用の
同期レベル電圧を他の入力端子Ｂに加える。このときの
出力をトランジスタＱ２のコレクタに接続された出力端
子Ｃから取り出すとすると、比較用の電圧レベルを図２
のようにＶａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅ，Ｖｆ，Ｖｇと
変えるにつれて、それぞれ図２の下に対応して示したａ
ｔ，ｂｔ，ｃｔ，ｄｔ，ｅｔ，ｆｔ，ｇｔの位置に示す
ような波形の信号が得られる。比較電圧レベルがＶａ，
Ｖｂ，Ｖｇである出力は、パルス幅は異なるがはっきり
と同一周期を有するものであることが分かる。Ｖｃ，Ｖ
ｄ，Ｖｅ，Ｖｆに対応する出力には、カラーバースト信
号に対する応答が含まれており、より複雑になってい
る。したがって、図２に示す範囲では、比較電圧レベル
をＶａ，Ｖｂ，Ｖｇのいずれかに設定すれば、図３に示
す比較器の出力から同期に適した周期成分を取り出せる
ことが分かる。

【００１０】ところで、図２はテレビジョン信号の１画
面すべてを包含したものではない。したがって、この図
だけでは、テレビジョン信号の持つ周期性信号の全貌を
つかめない。図４はテレビジョン信号の２画面分を示し
たもので、ひとつの画面が約３３ミリ秒の幅であること
が分かる。すなわち、画面の繰り返し周波数は約３０ヘ
ルツである。このひとつの画面は飛び越し走査方式を用
いているので、２つのフィールドから成り立っている。
したがって、フィールドとしての繰り返し周波数は約６
０ヘルツとなる。このひとつの画面は５２５本のライン
で構成されているので、ラインの繰り返し周波数は約１
５７５０ヘルツとなり、その周期は約６３．５マイクロ
秒になる。図２はこのライン信号を５本分の範囲で示し
たものである。この１本のラインのなかにカラー信号を
制御するためのカラーバースト信号が付加されているの
で、部分的最高周波数成分はカラーバースト信号の周波
数である約３．５８メガヘルツである。すなわち、その
周期は約２８０ナノ秒である。

【００１１】このように、近年の通信信号は非常に複雑
になっており、このような信号を観測する場合に、予め
同期条件を設定することはよほどの知識がなければでき
ないことである。例えば図３に示した比較器のレベル電
圧Ｖａ，Ｖｂに対するこのテレビジョン信号の比較出力
は、図２中のａｔ，ｂｔに示した特徴だけではなく、図
４に見られる第１フィールドと第２フィールドとの間に
存在するテレビジョン走査信号の帰線期間に幅の長いパ
ルスを発生することになる。その状態を示したのが図５
である。

【００１２】図５において、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，
Ｖｅ，Ｖｆ，Ｖｇは図２で用いた電圧比較器比較用の電
圧と全く同じもので、下に対応して示したａｔ，ｂｔ，
ｃｔ，ｄｔ，ｅｔ，ｆｔ，ｇｔも全く同一条件の出力を
示している。この図から分かる通り比較電圧レベルをＶ
ａ，Ｖｂのいずれかに設定すれば、その出力は単純なパ
ルス列となり、かつフィールドの切り替わりの期間にパ
ルス変化を生じないものとなる。そこで、この出力をロ
ーパスフィルタに通してやるとフィールドの繰り返し周
期を示す信号成分を得ることができる。反対に同期信号
を比較器に加える前にハイパスフィルタに通すと、カラ
ーバースト信号の成分を取り出すことができ、この信号
を比較器で成形すればその周期を測定することが可能に
なる。したがって、本実施例では、図３に示した電圧比
較器と同じ構成のレベル比較器１３ｂにおいて、同期レ
ベル電圧発生用ＤＡＣ１２からの同期レベル電圧を信号
幅全体の間で変化させることにより、被観測信号の中か
ら主要な周期成分を抽出するようにしたものである。

【００１３】次に、このようにレベル比較器１３ｂによ
り抽出される周期成分を、被観測信号の異なる帯域から
抽出するための同期信号用フィルタ１３ａの詳細につい
て説明する。図６は同期信号用フィルタ１３ａの構成を
示すものである。図１に示したＣＨ１，ＣＨ２同期信号
増幅器・同期信号選択回路１１の出力を入力とする同期
信号用フィルタ１３ａは、通常は４種類の周波数特性を
選択できる増幅器の一種として実現されている。同期信
号入力はＴＲＩＧ ＩＮ＋およびＴＲＩＧ ＩＮ−とし
て差動信号の形で耐雑音性を確保しながら差動型のフィ
ルタ回路に加えられる。トランジスタＱ１，Ｑ２は緩衝
増幅器としてエミッタフォロワでフィルタ回路の入力イ
ンピーダンス低下をドライブする。トランジスタＱ３，
Ｑ４はエミッタ間の帰還回路が抵抗のみで形成されたエ
ミッタ接地型増幅器、トランジスタＱ５，Ｑ６はエミッ
タ間の帰還回路が大容量のコンデンサと抵抗で形成され
たエミッタ接地型増幅器、トランジスタＱ７，Ｑ８はエ
ミッタ間の帰還回路が小容量のコンデンサと抵抗で形成
されたエミッタ接地型増幅器、トランジスタＱ９，Ｑ１
０はエミッタ間の帰還回路がインダクタンスと抵抗で形
成されたエミッタ接地型増幅器である。それぞれの差動
型エミッタ接地増幅器は、トランジスタＱ１５，Ｑ１
６，Ｑ１７，Ｑ１８，Ｑ１９，Ｑ２０，Ｑ２１のいずれ
かがＣＰＵ１６などの制御系の指示によりレジスタＵ１
の出力ポートで一組だけ導通状態になることにより増幅
機能を与えられるようにしてある。

【００１４】トランジスタＱ１５の導通によりトランジ
スタＱ３，Ｑ４が動作状態になった場合は、エミッタ間
の帰還回路が抵抗のみで形成されたエミッタ接地型増幅
器であるため、直流帯域からの広帯域にわたって増幅作
用を持つものとなる。トランジスタＱ１６，Ｑ１７の導
通によりトランジスタＱ５，Ｑ６が動作状態になった場
合は、エミッタ間の帰還回路が大容量のコンデンサと抵
抗で形成されたエミッタ接地型増幅器であるため、直流
信号はカットされるが非常に低い周波数から広帯域にわ
たって増幅作用を持つものとなる。トランジスタＱ１
８，Ｑ１９の導通によりトランジスタＱ７，Ｑ８が動作
状態になった場合は、エミッタ間の帰還回路が小容量の
コンデンサと抵抗で形成されたエミッタ接地型増幅器で
あるため、直流信号はカットされるとともにかなり高い
周波数以上のみでの増幅作用を持つものとなる。トラン
ジスタＱ２０，Ｑ２１の導通によりトランジスタＱ９，
Ｑ１０が動作状態になった場合は、エミッタ間の帰還回
路がインダクタンスと抵抗で形成されたエミッタ接地型
増幅器であるため、直流帯域からある程度の周波数まで
の増幅作用を持つものとなる。

【００１５】トランジスタＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ
１４はエミッタを共通にしてベースおよびコレクタを相
手同士につないであり、ベースの制御信号ＰＯＬ＋とＰ
ＯＬ−に相反した電位を加えることにより出力の極性を
逆転できるようにしたものである。この回路により同期
パルスの発生する位置を同期信号の上昇勾配で行なう
か、下降勾配で行なうかを選択することができる。トラ
ンジスタＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のコレクタ側
にあるコンデンサＣ_F1，Ｃ_F2およびダイオードＣＲ_F1，
ＣＲ_F2，ＣＲ_F3，ＣＲ_F4は、トランジスタＱ２２の導通
によりトランジスタＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４の
コレクタ間をコンデンサＣ_F1，Ｃ_F2で高周波領域で短絡
させることになり、一種の高域阻止フィルタになる。こ
のフィルタは同期回路系だけではなく、図１のＣＨ１，
ＣＨ２選択／加算回路・信号増幅器・Ａ／Ｄ変換器１０
の内部にも付加することが多く、一般に高い周波数領域
の雑音を取り除いて観測したい場合に用いるものであ
る。こうして得られた出力は、トランジスタＱ２３，Ｑ
２４に加えられ、オペレーショナル増幅器Ｕ２の帰還作
用で動作点を一定に保ちながら次段へ出力を供給する。

【００１６】図７はこのフィルタ回路の周波数特性の代
表的な例を示したもので、トランジスタＱ３，Ｑ４が動
作状態になった場合の直流帯域からの広帯域にわたって
増幅作用を持つものの例として、１００ＭＨｚまでの増
幅器になる場合を示したものであり、直流帯域まで増幅
するので一般にＤＣ結合と呼んでいる。トランジスタＱ
５，Ｑ６が動作状態になった場合の直流信号はカットさ
れるが非常に低い周波数から広帯域にわたって増幅作用
を持つものとしては、低域は１０Ｈｚから高域は１００
ＭＨｚまでの増幅器になる場合の例を示したものであ
り、交流成分のほとんどすべてを通すという意味でＡＣ
結合と呼ばれる。トランジスタＱ７，Ｑ８が動作状態に
なった場合の直流信号はカットされるとともにかなり高
い周波数以上のみでの増幅作用を持つものとしては、低
域が５０ｋＨｚからで高域が１００ＭＨｚまでの増幅器
になる場合の例を示したものであり、高域の周波数しか
通さないという意味でＨＦ結合と呼んでいる。トランジ
スタＱ９，Ｑ１０が動作状態になった場合の直流帯域か
らある程度の周波数までの増幅作用を持つものとして
は、高域が５０ｋＨｚまでの例を示しており、低域の周
波数しか通さないという意味でＬＦ結合と呼んでいる。

【００１７】図８は上記のフィルタ回路に、振幅は一定
であるが周期の異なった信号（パルストレインとも呼ば
れる。）を通した場合の応答の違いを示したものであ
る。ＤＣ結合では忠実に信号が伝送されるが、ＨＦ結合
では微分的作用を受けて変化点の何れかが最大値を呈
し、他方、ＬＦ結合では積分的作用を受けて平坦部の終
わり付近で最大値を示す形になる。このことにより、入
力信号をこのフィルタ回路に通すことにより、信号に隠
れた周期性をすべての周波数帯域において引き出すこと
ができる。

【００１８】図９および図１０はこれらを用いてスペク
トルの抽出を具体的に実現する手段について示したもの
であり、フィルタ回路の出力をサンプリングクロックで
読み取り、読み取った時系列データに簡単な演算を施す
ことにより周期性を抽出できることを示したものであ
る。ＤＣ結合の例では、ｆ（ｔ）の時系列サンプリング
データを１パルス分遅らせてこれをｆ（ｔ−ｔ_clk ）と
すると、この２つのデータの差からは変化点の極性（勾
配）が分かり、排他的論理和からは最大、最小の位置が
分かり、大小比較からは周期をあらわすポイントが分か
る。これらの図から明らかなように、非常に明確に各種
の周期成分を把握することができる。

【００１９】図１１はこのようにして得られたスペクト
ルの例であり、テレビジョン信号のスペクトル周波数を
示したものである。また図１２は楽器や音声に代表され
る自然界の信号波形を模式化した図であり、高域スペク
トルのすべてが基本となる繰り返し周波数の倍音で形成
されている例を示すものである。したがって、最低の繰
り返し周波数を把握することが非常に大切なことが分か
る。

【００２０】本実施例では、このようにして同期信号用
フィルタ１３ａおよびレベル比較器１３ｂにより抽出さ
れた基本となる繰り返し周波数を含めた主要な周期成分
について、その波形と掃引時間と同期条件をＣＲＴ画面
上にサイクリックに表示するとともに、表示画面を固定
したり戻したりして観測者が最も欲している波形を任意
に選択できるようにしたものである。図１３は本実施例
における画面表示例のいくつかを示しており、それぞれ
の波形について掃引時間（時間軸）および繰り返し周波
数の値（同期条件）が示されており、これらは１組のデ
ータとしてメモリ１７内に管理されている。観測者は図
１３のいずれもが正しい波形であることは当然理解する
が、最も必要なことは観測者が欲している画面のみを表
示できるようにすることである。したがって観測者は、
機械が自動的にサイクリックに表示する観測波形を見
て、意に沿う波形がでてきたときに操作部２０からの指
示によりその画面を固定したり、少し前の画面に戻した
りする。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、上記実施例から明らかなよう
に、被観測信号に含まれる主要な周期成分を抽出する手
段と、抽出された周期成分についてその波形およびその
波形がどの周期成分に同期しているかの情報を画面上に
サイクリックに表示する手段と、操作部からの入力によ
り表示画面を固定したり戻したりする手段とを備えてい
るので、同期操作の煩わしさから観測者を解放すること
ができるとともに操作が容易であり、特定信号に囚われ
ない普遍性の高いオシロスコープを実現することができ
る。また、その処理を基本的にハードウエアで行なうの
で、高速で誤りが少なく、ＣＰＵやプログラムソフトが
簡便となり、メモリ容量もすくなくてすむという優れた
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すオシロスコープのブロ
ック図

【図２】本発明の一実施例における同期レベル電圧の違
いによる同期パルスの発生の違いを示す信号波形図

【図３】本発明の一実施例における周期成分を取り出す
ためのレベル比較器に相当する電圧比較器のブロック図

【図４】本発明の一実施例におけるテレビジョン信号に
見る周期成分の複雑さを示す信号波形図

【図５】本発明の一実施例におけるテレビジョン信号を
広範囲に見た場合の同期レベルの違いに対応する同期パ
ルスの発生の違いを示す信号波形図

【図６】本発明の一実施例における同期信号用フィルタ
のブロック図

【図７】本発明の一実施例における同期信号用フィルタ
の周波数特性図

【図８】本発明の一実施例における同期信号用フィルタ
の結合種類による応答の違いを示す信号波形図

【図９】本発明の一実施例における同期信号用フィルタ
の結合種類による応答の違いからサンプリングしたデー
タおよび演算結果の違いを示す信号データ図

【図１０】本発明の一実施例における同期信号用フィル
タの結合種類による応答の違いからサンプリングしたデ
ータおよび演算結果の違いを示す信号データ図

【図１１】本発明の一実施例における同期信号用フィル
タにより得られる同期信号に含まれるスペクトル周波数
の例を示す周波数特性図

【図１２】本発明の一実施例における楽器などに見られ
る自然界の周期性信号の波形とスペクトルの例を示す周
波数特性図

【図１３】本発明の一実施例におけるＣＲＴ表示画面の
例を示す表示画面図

【符号の説明】

１ ＣＨ１入力 ２ ＣＨ１ＡＴＴ ３ ＣＨ１チャネル増幅器 ４ ＣＨ２入力 ５ ＣＨ２ＡＴＴ ６ ＣＨ２チャネル増幅器 ７ 外部同期信号入力 ８ 外部同期信号ＡＴＴ ９ 外部同期信号増幅器 １０ ＣＨ１，ＣＨ２選択／加算回路・信号増幅器・Ａ
／Ｄ変換器 １１ ＣＨ１，ＣＨ２同期信号増幅器・同期信号選択回
路 １２ 同期レベル電圧発生用ＤＡＣ １３ 同期信号用フィルタ・レベル比較器 １３ａ 同期信号用フィルタ １３ｂ レベル比較器 １４ 同期信号選択／同期パルス発生回路・同期タイミ
ングデータ抽出回路 １５ バス １６ ＣＰＵ １７ メモリ １８ 表示回路 １９ ＣＲＴ ２０ 操作部 ２１ サンプリングクロック発生回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被観測信号に含まれる主要な周期成分を
   抽出する手段と、抽出された各周期成分についてその波
   形およびその波形がどの周期成分に同期しているかの情
   報を画面上にサイクリックに表示する手段と、操作部か
   らの入力により表示画面を固定したり戻したりする手段
   とを備えたオシロスコープ。