JPH0664106B2

JPH0664106B2 - ノイズ計測プローブとノイズ計測方法

Info

Publication number: JPH0664106B2
Application number: JP1321243A
Authority: JP
Inventors: チャールズスミスダグラス
Original assignee: アメリカンテレフォンアンドテレグラフカムパニー
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPH02201174A; CA2001583C; CA2001583A1; US4879507A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電気計測装置に関し、特に所定の試験装置に
よるノイズ計測の精度を高めるプローブに関する。

［従来技術の説明］ノイズは、電子回路操作では迷惑な副産物である。特
に、ディジタル回路ならびにパワースイッチング回路に
おいては障害となる。完全にノイズを取り除くことは不
可能であるが、慎重に回路設計を行うことによって、特
殊な応用分野における十分な回路操作を妨げない程度に
ノイズ量を減少させることができる。ノイズを低レベル
に下げるほど経費が掛かるのは当然である。したがっ
て、回路、特にディジタルならびにパワースイッチング
回路を設計する際には、どの回路においてもノイズ発生
量を計測することが重要であり、さらに特定の応用分野
においては、最も効果的なノイズ削減ステップが実施で
きるよう回路中の主要なノイズ源を究明することが重要
である。その他の応用分野においては、ノイズマージ
ン、つまり回路操作が規定の作動目的に適合しなくなる
前に必ず増加するノイズ量を判定するために、テスト中
回路内へノイズを送り込むことが望ましい。このマージ
ンは、回路の操作環境に関するガイドラインを設定する
ことから、重要である。

従来のノイズ計測技術は、オシロスコープあるいはマル
チメーターのプローブ導線とテスト中回路間の直接接続
すなわち物理的接続に依存している。ノイズ信号の発信
もまた、信号生成器とテスト中回路の直接接続によって
達成された。この技術に伴う問題は、プローブの接地地
点によって計測結果が変化することである。さらに、ノ
イズ注入手段としてのプローブの直接接続が、回路操作
を妨げ計測を無意味にしてしまう可能性もある。以上の
ことから、ノイズ計測装置の改良は非常に望まれるとこ
ろである。

（発明の概要）従来技術におけるノイズ信号計測の変動は、計測プロー
ブの接地導線中の電流に起因する。さらに、テスト中回
路の操作変化もこの電流がその原因である。本発明にお
いては、ノイズ計測と、ノイズプローブとの物理的接続
なしでテスト中回路内へノイズを挿入することを可能と
するノイズプローブの使用により、従来技術の限界が克
服された。こうしてノイズプローブとテスト中回路間の
接続を無くすことで、エラー発生源である電流を削除で
きる。

本発明におけるノイズプローブは、少なくとも一つの導
体が信号を搬送し、そして他の一つの導体が接地してい
る複数個の導体を有している。これら導体の一端は、測
定装置あるいは信号生成装置に接続する構造を有し、他
の端は導体ループに接合する。同ループは、接地状態に
ある信号搬送導体と接地導体とを相互接続し、信号を誘
発するセグメントで形成される。実施例の一つにおいて
は、このセグメントは直線型であり、別の実施例におい
ては、ループセグメントはテスト中回路内の導体パスに
対応できるよう変形可能な構造に形成される。いずれの
実施例においても、セグメント端は、ループの残りの部
分と直角に接続するするのが望ましく、さらに、接地導
体が電界シールド提供のために全ループを覆っている。
あるいは、縦方向接地シールド電流用のローパスフィル
ターを形成するため、フェライトコアが導体に数回巻き
付けられる。

（実施例の説明）第１図において、従来技術によりテスト中回路の測定が
行われた場合、いかにして多くのエラーが発生するかを
図示する。オシロスコープ100は、回路101に接続し、プ
ローブチップ104に終端する同軸ケーブル103を経由して
接地シャーシー102内部に載置される。

プローブチップ104は、それぞれがセンター導体および
同軸ケーブルの接地シールドに接続する信号導体105な
らびに接地導体106を有する。導体105ならびに106は、
テスト中回路に共に接続される。矢印107で示されると
おり、これらの接続により、ノイズ電流がテスト中の回
路とスコープシャーシー間を接地接続部分沿いに流れ
る。このノイズ電流は、回路とオシロスコープ間の接地
パスを流れるため、ノイズ電圧がプローブの接地導線お
よび同軸ケーブルのシールド内で誘発される。その結
果、オシロスコープはオシロスコープから伸びる閉鎖ル
ープ周辺の電圧量を表示する。このループは、同軸ケー
ブルと信号導体105のセンター導体、導体105と106の端
子間の測定用電圧差108、接地導体106および同軸ケーブ
ルの接地シールドの直列接続によって規定される。同軸
ケーブルの接地シールド中の電流は、接地シールド中の
電圧差を生成し、また相互インダクタンスによって、接
地シールド中の電圧を相殺する同軸ケーブルのセンター
導体内に電圧差を誘発する。同軸ケーブルのセンター導
体と接地シールドは確実に結合されているため、十分な
電圧相殺が行なわれる。しかし接地導体106の電圧ドロ
ップは相殺されず、測定される電圧差108に加算される
ノイズ電圧として現れる。この負荷的な電圧ドロップ
は、実質的に電圧差108を超え、その結果、この電位差
が現れないため特に問題となる。

このエラーを克服するため、本発明では、ノイズプロー
ブはテスト中の回路接続を不要にする誘導性ピックアッ
プループを利用する。

説明を進める前に、基本的な回路論理を説明する。周知
の通り、相互インダクタンス、あるいは変圧器現象は、
互いに極めて接近した２本のワイヤー間に発生する。例
えば、非常に接近した第一ワイヤーと第二ワイヤーにつ
いて、第一ワイヤーに時変電流ｉ（ｔ）が流れると、ｅ（ｔ）＝Ｍ（di（ｔ）／dt）（１）で表示される第二ワイヤー中に誘導される電圧ドロップ
がある。ここにおいてdi（ｔ）／dtは電流の時間微分、
Ｍはワイヤー間の相互インダクタンスで、によって与えられ、L1およびL2はそれぞれ第一および第
二ワイヤーの単位長あたりのインダクタンスであり、ワ
イヤー間の係合係数Ｋは０以上、１以下である。

L1、L2およびＫは、一定であるから、Ｍも一定である。
従って、第二ワイヤー中の単位長あたりの誘導電圧ｅ
（ｔ）は、第一ワイヤーと同じ波型を有する。さらに、
L1＝L2の場合は、第二ワイヤー中の誘導電圧量は、第一
ワイヤーの単位長ごとの電圧ドロップ量以下となる。

第２図において、ｅ（ｔ）の値を最大にするためには、
信号伝送ワイヤーにできる限り接近したプローブのピッ
クアップループを配置することが必要である。１／８イ
ンチくらいの僅かな分離でも実質的にループ応答を減少
させる。ピックアップループの形もまた重要である。第
２図においては、信号伝送ワイヤー200に非常に接近し
た３本のピックアップループ201、202、203が図示され
ている。どの様なループサイズにもかかわらず、ワイヤ
ー200中の電流からのループ中の誘導電圧を最大にし、
同時に正確に誘導電圧の単位長を規定するループ型が最
も望ましい。ループ202のような正方形または長方形
は、ループ201、203の曲線型とは比較して最も望ましい
型である。四角型ループの幅204は、計測される回路導
線からの磁場を十分包囲できる大きさであることが必要
である。計測されるワイヤーから離れるとこの磁場は急
速に消滅するため、１インチ四方のループが典型的な電
子応用分野においてうまく機能することが発見された。
コーナー205および206における屈折角度が適切であれ
ば、電圧が誘導されるループ202の部位が効果的に規定
され、特に、電圧は辺207でのみ誘導される。辺208並び
に209は、ワイヤー200に対し、電圧が誘導されないよう
な角度を有し、辺210は、ワイヤー200からなんらかの信
号を誘導されないようワイヤー200から十分遠くに位置
している。その結果、辺207の直線型は、直線導体の計
測に対し誘導電圧値を最大にする。

ピックアップループは、できれば同軸ケーブル全体に亘
ってスコープあるいはその他の計測装置と接続する必要
がある。さらに、どの様なケーブル特性を有するインピ
ーダンスに対しても、同軸ケーブルはそのケーブルの特
性インピーダンスを具備する要素内で終端させる。ケー
ブル長がテスト中の回路内に生じる最小ノイズ信号波長
の１／10以上の長さになった場合に、適切に終端させる
ことが必要である。また、同軸ケーブルの長さがテスト
中の回路内に生じるノイズ信号波長の１／10以下になっ
た場合には、この終端は同軸ケーブルのキャパシタンス
ならびにピックアップループのインダクタンスからなる
同調回路のＱを減少させる。例えば、100pFのキャパシ
タンスを具備する数フィートの50ohm同軸ケーブルと約8
0nHのインダクタンスを具備する１インチ四方のループ
については、共振周波数はおよそ60MHzとなる。上記の
ようなループでの計測の大部分は、このレンジ以上の周
波数成分を有する。50ohmの終端が行われない場合に
は、ループ内に誘導される個々のインパルスが減衰共鳴
応答を起こし、同ループでの計測が無意味となる。

第３図および第４図において、本発明のノイズプローブ
の２つの実施例を示す。第３図において、ピックアップ
ループ300は同軸ケーブル301のセンター導体から伸びる
四角型で同一平面上にあるワイヤー一巻からなる。巻数
を増加させることは可能であり、センター導体は同軸ケ
ーブルの接地シールドに結合される前に多巻コイルを形
成する。多巻コイルを使用することにより、ループが収
集する電圧が増加する。いずれの場合も、ループは同軸
ケーブル301のセンター導体から形成され、同ケーブル
の接地シールド302への接地点と同じ位置から伸びてい
る。この実施例においては、接地シールドはワイヤール
ープが露出するよう切除されている。これとは対照的
に、第４図においては接地シールドも延長され、僅かな
ギャップ401を除いてループを形成するセンター導体の
すべてが接地シールドで覆われている。上記のギャップ
401は、同軸ケーブルの接地シールドが短絡巻を形成す
ることを避けるために必要である。こうした差異を除け
ば、第３図と第４図の実施例は同一である。第４図の実
施例におけるセンター導体のシールドは、特に強い電界
を有する応用分野において効果的である。第４図中の接
地シールドカバーがない場合には、こうした強い電界
が、磁場形成誘発に匹敵するほどの大きさの電圧をセン
ター導体内へ誘導する可能性があり、重大な計測エラー
を引起こす。しかしながら、前記カバーの欠点として、
ループ状のセンター導体がテスト中の回路からかなり離
れているため、ループ内に誘導される電圧が減少するこ
とがあげられる。

第３図および第４図のいずれの実施例においても、同軸
ケーブルはフェライトコアによって包まれることが望ま
しい。こうして同軸ケーブルを包むことにより、縦方向
信号にたいするローパスフィルターが形成される。この
縦方向信号とは、つまり電界ピックアップから発生する
信号のように同方向に流れ、新たな計測エラー源となる
同軸ケーブル導体内へ誘導される信号である。

第５図において、本発明におけるノイズプローブの他の
実施例の透視図を示す。ピックアップループのみ、ある
いはこのループとそれを包むフェライトコアは、非伝導
ハウジング501内に収納される。このハウジングは端部5
02で先細になることが望ましく、これによってこの端部
502は構成要素が具備されている回路ボード上の電気導
体の非常に近くまで接近できる。さらに、このハウジン
グは柔軟性材料で形成されており、端部502は点線503に
よって示されるように、変形させることができ、ループ
の辺207はモニターされているテスト中の回路内にある
導体パスに適合する。テスト中継続されるこの変形は柔
軟性があり、反復して異なる変形を辺207に行うことが
できる。辺207の変形はフレキシブルなハウジングがな
くとも可能であるが、こうしたハウジングを有すること
によってループに構造的剛性を与え、ループ破損を避け
るための変形量の制御が有効にできる。。

本発明のノイズプローブはノイズ電圧の測定に利用さ
れ、ノイズマージンを決定し、ノイズ電流を追跡でき
る。テスト中の回路に対し電気接続が全く行われず、ま
たループ内へのエネルギーの磁気結合が小さい為、回路
操作に影響を与えないことから、このプローブの利用は
回路操作を妨害しない。

回路上の導線に誘導されるより低い範囲のノイズ電圧
は、ループをテスト中の導線上に配置することによって
計測できる。ノイズプローブが接続するスコープは、テ
スト中の導線の単位長あたりのノイズ電圧を表示し、そ
の長さはテスト中の導線に平行でかつ最も接近したピッ
クアップループの辺の長さである。多巻ループについて
は、単位長あたりのノイズ電圧は、ピックアップループ
中で形成される巻数でオシロスコープ示数を割ることに
よって得られる。

相互インダクタンスは、２本のワイヤーが離れると急速
に低下し、その結果、本発明のノイズプローブはテスト
中の回路内の一束の導線がノイズ信号を含有するよう選
択される。このノイズプローブは、ピックアップループ
直下の導線からの最大振幅の信号を表示する。

オシロスコーププローブでのどのような計測について
も、表示波形が真の波形であることを確認することが効
果的である。つまりこれはノイズプローブ下の回路パス
内の電流のためであり、容量性結合信号が、非シールド
ループによって収集される可能性がある。これが発生し
たか否か判断するために、ノイズプローブを、その一端
と回路導線との距離を一定に保ったまま180度回転させ
る必要がある。もしスコープ上の表示波形が実際に磁気
的にプローブ内の誘導されたものであれば、その波形は
プローブの回転に伴い回転する。

また静電放電のような強力なソースから発生する浮遊磁
場は、信号をピックアップループ内に誘導する可能性が
ある。これは、ループをテスト中の回路から単純に引き
離すことによって解決できる。数インチ離すことで、表
示信号はほとんどあるいは全く現れなくなる。

本発明のノイズプローブは、回路中のノイズ源を究明す
るためにも使用される。この応用分野においては、２個
のノイズプローブが、個々に露出ピックアップループと
結合しながら用いられる。二重トレーススコープが利用
され、個々のループが別々のトレース上に表示される。
第一ループはテスト中の回路内のノイズ収集に使用さ
れ、同回路に対し一定の位置に固定され、第二ループは
同回路上をゆっくりと移動する。この第一ループは安定
した誘発源として機能し、フェーズおよび量的情報は第
二ループから得られる。個々のノイズプローブ上のピッ
クアップループが同一であるとすると、個々のプローブ
の表示数は、プローブが相互接近した場合には実質的に
同じとなる。第二プローブが第一プローブから離れると
第二プローブの表示示数は変化し、ノイズ源に接近する
につれ表示波形はしばしば０を指し、ノイズ源ではフェ
ーズ反転を表わす。またその他のテスト方法において
は、信号生成器に接続されたノイズプローブが回路内へ
のノイズ注入に使用される。十分な回路操作が中止され
るノイズ注入レベルをモニターすることによって、ノイ
ズマージンが決定される。さらに、第一プローブがテス
ト中の回路内にノイズを注入し、計測装置に接続された
第二プローブが回路上を移動することによって、注入ノ
イズのたどったパスが決定される。

本発明にもとることなく、その他の構成例も実施可能な
ことは当業者に自明である。

例えば、本実施例では、同軸ケーブルを使用したが、こ
れは測定精度を上げるのに役立つ。複数の導体は同軸ケ
ーブルとして動作する。そのうち１本は測定用として動
作し、他の１本は接地用として動作する。ピックアップ
ループは、別個に形成され、プローブ導体を延長する代
わりに、同軸ケーブルや導体に接続されてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明におけるノイズ測定精度改善方法を示
す図、第２図は、本発明における作動中のループの形状効果を
示す図、第３図は、本発明の一実施例を示す図第４図は、本発明の他の実施例を示す図第５図は、本発明のさらに別の実施例を示す透視図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気計測装置とともに使用されるノイズ計
測プローブにおいて、前記プローブの端部と前記電気計測装置との間で信号を
伝送する信号伝送導体と、前記プローブ端部と前記電気
計測装置とを接地する接地導体とを含む複数の導体（30
0,302）と、前記プローブ端部に形成され、導電性材料からなり、前
記信号伝送導体と接地導体とを接続し、磁気誘導によっ
てテスト中の回路から信号を収集すると同時にテスト中
回路内のどの導体がノイズ信号を伝導しているかを決定
することができるよう十分に長さの短い直線状の部位を
有する少なくとも１個のループとからなることを特徴と
するノイズ計測プローブ。
【請求項２】前記複数の導体がそれぞれ同軸ケーブルの
センター導体と接地シールドとを有することを特徴とす
る請求項１のプローブ。
【請求項３】前記ループが、前記センター導体から形成
されることを特徴とする請求項２のプローブ。
【請求項４】前記直線的部位の両端がそれぞれ90度の角
度をなしていることを特徴とする請求項１のプローブ。
【請求項５】前記ループが長方形であることを特徴とす
る請求項４のプローブ。
【請求項６】前記ループが正方形であることを特徴とす
る請求項４のプローブ。
【請求項７】前記ループが、実質的に前記接地導体の接
地シールドによって被覆されることを特徴とする請求項
１のプローブ。
【請求項８】前記複数の導体がそれぞれ一巻以上フェラ
イトコア（305）によって被覆されていることを特徴と
する請求項１のプローブ。
【請求項９】プローブの端部と電気計測装置との間で信
号を伝送する信号伝送導体と、前記プローブ端部と前記
電気計測装置とを接地する接地導体とを含む複数の導体
と、導電性材料からなり前記信号伝送導体と接地導体と
を接続し直線状の部位を有し平面状である少なくとも１
個のループとを有するプローブを前記電気計測装置に接
続するステップと、前記プローブが、前記ループの含まれる平面がテスト中
の回路に対して垂直となるように、かつ、その回路に非
常に接近するが接触はしないように、前記プローブをテ
スト中回路に対して配置するステップとからなることを
特徴とするノイズ計測方法。
【請求項１０】前記電気計測装置が信号生成器であり、
前記接続ステップにおいて、前記プローブが前記回路内
へノイズ信号を注入することを特徴とする請求項９の方
法。
【請求項１１】前記接続ステップにおいて、前記プロー
ブが前記回路からノイズ信号を収集することを特徴とす
る請求項９の方法。
【請求項１２】電気計測装置とともに使用されるノイズ
計測プローブにおいて、前記プローブの端部と前記電気計測装置との間で信号を
伝送する信号伝送導体と、前記プローブ端部と前記電気
計測装置とを接地する接地導体とを含む複数の導体（30
0,302）と、前記プローブ端部に形成され、導電性材料からなり、前
記信号伝送導体と接地導体とを接続し、平面状であり、
その平面内で、計測される回路内の導体に対応して変形
可能な部位を有する少なくとも１個のループとからなる
ことを特徴とするノイズ計測プローブ。
【請求項１３】フレキシブルハウジング（501）が前記
変形可能部位を収納することを特徴とする請求項12のル
ープ。
【請求項１４】プローブの端部と電気計測装置との間で
信号を伝送する信号伝送導体と、前記プローブ端部と前
記電気計測装置とを接地する接地導体とを含む複数の導
体と、導電性材料からなり前記信号伝送導体と接地導体
とを接続し平面状であり計測される回路内の導体に対応
して変形可能な部位を有する少なくとも１個のループと
を有するプローブを前記電気計測装置に接続するステッ
プと、前記プローブが、前記ループの含まれる平面がテスト中
の回路に対して垂直となるように、かつ、その回路に非
常に接近するが接触はしないように、前記プローブをテ
スト中回路に対して配置するステップとからなることを
特徴とするノイズ計測方法。