JPS60224332A - デジタル波形取り込み方法 - 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、高速サンプリング・ダートを含むサンプリン
グ装置に関する。

〔従来例及びその問題点〕

サンプリング・オシロスコープは、帯域幅又は立上シ時
間特性の限界によシ従来のオシロスコープでは応答でき
なかった小振幅高速信号に対応できるように２０年以上
前に開発された。サンプリングは、非常に短い期間、信
号路を開いて電気信号の瞬間的振幅値（電圧サンプル）
を通過させる現在では周知の技術である。この様に得た
各サンプルは電子回路によシ処理され、適当な各時間位
置で表示される。サンプルは陰極線管（以下ＣＲＴとい
う）に点として現われるので、波形を再生するために多
数のサンプルが必要である。一般に、電気信号の単−現
象又は信号の１周期間に必要なサンプルの全部を取込む
ことは、はとんどの場合不可能又は実施困難であるので
、電気信号が現実に繰シ返し信号であるならばサンプリ
ングは基本的に実行可能である。確かに、サンプリング
の実際上の利点の１つは少なくとも１個のサンプルが多
数の周期の各々から得られ、それらから波形が再生及び
表示されることである。

サンプリング・モードは、用いられるタイミング方法に
応じて特徴づけられる。連続サンプリングは、表示が非
常に順序圧しい等間隔ドツトで形成されるモードである
。ランダム・サンプリングは、ドツトが略正確な時間位
置で表示に挿入されるので再生波形が決定することは明
らかであるが、サンプリング・タイミング及び信号トリ
ガリングの間に相互関係がないので連続するドツトはで
たらめな水平位置で生じる可能性があるモードである。

実時間サンプリングは、電気信号が非常に遅いモードで
あシ、表示された波形が実際にサンプルされたものであ
るように全部のサンプルが１周期で取シ込める。

標準的サンシラとしてここで参照する従来のサンプリン
グ書システムは高速サンプリング・ゲートと、サンプリ
ング・キャパシタと、メモリ＠ダートと、メモリ・キャ
パシタと、サンプリング前置増幅器及びメモリ増幅器を
含む互いに関連する複数の増幅器と、メモリ増幅器出力
端子及びサンプリング前置増幅器入力端子間の帰還減衰
器とを含む。サンプリング・ループは入力端子から出力
端子への順方向利得及び出力端子から入力端子への帰還
減衰係数を有して、理想的にループ利得が１になるよう
に形成される。帰還減衰器の目的は最新の取シ込みサン
プル及び次の取シ込みサンプルの見積シ値（ｅｓｔｉｍ
ａｔｏｒ　）に等しい（ループ利得が１で）電圧をサン
プリングーキャノぐシタに充電することである。各サン
プルで、メモリ出力はサンプリング・ゲートの入出力間
の電圧を零に繰）返して減少させるようにする。入力電
圧がサンプルされる毎に等しければ、帰還はそれに釣υ
合い、各増幅段階での差及び大きさを実質上塔に減少さ
せる。サンプリング・オシロスコープが連続する２個の
サンプル間の電圧変化を正確に表示する機能はドツト過
渡応答として周知であシ、良好なドツト応答には１のル
ープ利得が必要である。

ループ利得が１でないことが望ましい場合がある。例え
ば、スムージングとして知られる処理、即ちランダム・
ノイズ又は表示のジッター現象を減少させる処理におい
て、ループ利得は１．１）も小さい成る値に設定される
。サンプリングφキャノｅシタに充電された見積シ値が
、取シ込まれようとしている新しいサンプルと異なシ得
る前のサンプルから得られるので、スムージングは劣化
シたドツト過渡応答となる。観測される再生波形は、低
域通過フィルタを通過して現われ、ノイズが表示波形上
で減少する一方、矩形波・ぐルスの立上シエツジは緩慢
になる。更Ｋ、信号ノイズは完全には除去されず、成る
状態で表示波形に沿ってスメアが現われる。ランダム・
サンプリングでスムージングすることは、サンプルがど
こで取り込まれるか予期できないので不可能である。

従来のサンプリング装置の他の問題は、サンプリング・
ループは常忙成る程度、開いていることによシ歪及び不
正確さがあること、何が実際のループ利得であるかの決
定が困難であること、キャノにシタ漏洩によるメモリ６
ドループ”、更に部品の導線の長さにしばしば、ばらつ
きがあることによりアナログ・システムの正確な部分の
作成が複雑であることである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、スラッシング、メモリ・ドループ、不
充分なドツト過渡応答及び信号の歪並び　□に誤差が無
く、波形を高速にデジタイズするサンプリング装置を提
供することである。

本発明の他の目的は、エツジのロール・オフ又は収差な
く、各点を比較的長い時間間隔でサンプルできるサンプ
リング装置を提供することである。

〔問題点を解決するだめの手段及び作用〕本発明におい
て、閉ループ−サンプリング・システムはアナログ・メ
モリ及びデジタル・メモリを伴った高速アナログ・サン
プリング−ｆ−）及び波形処理部を含む。サンプリング
・ループは、サンプリング・ｒ−トからデジタル・メモ
リへ順方向信号処理路と、デジタル・メモリからサンプ
リング・ゲートのアナログ・メモリへ次のサンプルの見
積り値を帰還するための帰還路を有する。

見積り値は、デジタル・メモリから選択されるので、正
確な波形再生ができるように、蓄積波形は少数回のルー
プの繰返しＫより入力波形に収束する。連続サンプリン
グ及び疑似ランダム・サンプリング両方の実施例を後述
する。これらの実施例は、サンプリングφダート両端の
電圧の関数としてループ利得を決定し、信号対ノイズ比
、サンプリング・ルーゾ内の適当なフィルタ動作及び信
号平均化動作を改良する。

〔実施例〕

第１図は、本発明によるサンプリング装置のブロック図
を示す。サンプリング装置は順方向信号処理部と、次に
取シ込まれるサンプルの見積シ値を帰還するだめの逆方
向即ち帰還部を含むループ状に構成される。サンプリン
グ装置への入力信号は、アナログ信号ＳＯ）であり、出
力信号はデジタル・データＭ　（ｊ）である。

入力信号５（ｊ）は、入力端α〔を介してサンプリング
・ダートａｚに供給される。サンプリング・ダートａｚ
の目的は、信号電圧がダートを通る非常に短い期間（例
えば３５０ピコ秒）以外は、入力信号を遮断することで
ある。サンプリング・ダートは周知であり、代表的サン
プリング・ダートは非常に短い期間のストローブ・／ぞ
ルスによシ駆動する、ブリッジ状に配列された２乃至６
個の高速低蓄積ダイオードを含んでもよい。電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）　＠ゲートを同様に使用しても良
好である。

ここで、サンプリング・ゲートａｚはストローブ信号発
生器Ｉからのストローブ・、ｅルスによシ駆動される。

ストローブ信号発生器α４は好適には従来のプッシュプ
ル・ストローブ信号発生器であシ、第６図を参照して後
述するタイミング及び制御部からのサンプリング命令／
Ｒルスに応答してサンプリング・ｒ−）・ダイオード（
又は他の装置）に互いに逆極性の１対の幅の狭いノソル
スを供給する。

サンプリング・ｒ−トａ７Ｊを通過した信号電圧サンプ
ルは、サンプリング前置増幅器ａｅに供給される。サン
プリング前置増幅器αＧの入力端子には接地電位に対し
少量の漂遊キャ・ぞシタンスが存在して、第１図のサン
プリング増幅器ノぞシタａＢで表わされるアナログ・メ
モリを形成し、このキヤ・ぞシタンスはサンプリング・
ダートの入力側の電圧に部分的に充電される。ストロー
ブ・Ａルスが更に幅が広ければ（即ち、更に長い時間、
電圧サンゾルが存在すれば）キヤ／ｆシタは充分に充電
される。

サンプリング・ダートが非導通になると、低電圧がこの
キャパシタの両端に発生し、放電路が高抵抗であるので
この充電電圧は比較的長い時間、持続する。ＡＣ差動増
幅器でよいサンプリング増幅器（１６１は、入力信号Ｓ
　（ｊ）が安定状態でなければステップ信号であるサン
プル電圧に応答し、サンプリング前置増幅器αυの出力
は減衰器−を介してＡＣ増幅器段（２２１に供給される
。これまで説明した構成要素は従来の高速サンプリング
装置にも使用され、実際の回路構成は当業者には周知で
ある。減衰器（至）は、サンプリング−オシロスコープ
ＣＲＴ表示の垂直偏向率の選択を容易にするため複数の
選択可能減衰比を有する。ＡＣ増幅器（地は、好適には
システムの利得調整を可能にする可変利得増幅器であり
、従って、微調利得制御電圧は前面パネル制御部又はプ
ログラム可能即ちマイクロ・プロセッサによυ制御され
る信号源から可変利得増幅器に供給してもよい。サンプ
リング・ダートａ’ａ、サンプリング前置増幅器ｔｔｅ
及びサンプリング拳キャノぐシタαＩ（漂遊キャパシタ
又は物理的キャパシタでよい）で表わばれるアナログ・
メモリは、特定の立上９時間、インピーダンス及びオフ
セット電圧を有するサンプリング・ヘッドに含まれても
よく、入力信号源の特性に整合する他のサンプリング・
ヘッドと交換可能である。

ＤＣ増幅器よりも速い信号に良好に応答するＡＣ増幅器
は、サンプリング・ｒ−トを介したサンプルの高速過渡
特性のために、サンプリング入力部で使用される。しか
し、これは特定のサンプリング・システムでＤＣ増幅器
を使用できないことを意味するのではない。

ＡＣ増幅器（２２の出力は、ピーク検出器（至）に供給
される。ピーク検出器（２滲は好適にはその内部でキャ
パシタが急速に一方の極性のピーク電圧に充電され、急
速に放電する前に所定時間、電圧を維持する形式のもの
でよい。これによシ、サンプルを引き伸ばし、ピーク検
出器出力端子に接続されたアナログ・デジタル変換器（
以下ＡＤＣという）（２６）　、に、ピーク検出器ｒ２
４）がリセットされて、新しいすンプルが取シ込まれる
前に、アナログ電圧レベルをデジタル値に変換するため
の時間を与える。

ＡＤＣ（２Ｅ９からのデジタル−データは、タイミング
及び制御ユニット（イ）からの制御及びアドレス信号の
制御の下にラッチ及びシフト・レジスタ（ハ）とデジタ
ル加算器（７）とを介してデジタル拳メモリ国へ送られ
る。ＡＤＣ，ラッチ及びシフト・レジスタ、加算器及び
デジタル・メモリは市販の集積回路である。

デジタル・メモリ（３つからのデジタル・データＭ（ｊ
）は、システム出力端子から出力され、このデジタル・
データはラッチ（４〔及び（４２へも供給される。

ラッチ顛に一時的に蓄積されたデータは、回路動作が後
述されるとき明らかになる理由でラッチ及びシフト・レ
ジスタ（至）に一時的に蓄積されたデータに代数的に加
えられる。ランチ（４２１からのデータは、デジタル・
アナログ変換器（以下ＤＡＣという）（４滲に供給され
て、デジタル・データ値に相当するアナログ電圧レベル
を発生する。ＤＡＣ（４（イ）の出力は減衰器（４６）
により減衰され、アナログ加算器ｌ５（Ｉｔ及び安定化
抵抗器的を介してサンプリング前置増幅器（１６１の入
力端子に供給される。ＤＡＣ５４１により発生するオフ
セット電圧は、プログラム可能データ源カらアナログ加
算器５ｅに供給される。しかし、このオフセット電圧は
前面パネルの可変抵抗器から供給してもよい。オフセッ
ト電圧は正又は負の値のほかに零ボルトでもよく、オフ
セット電圧によシサンプリング前置増幅器化の入力を入
力信号源のＤＣレベルに設定して、ＤＣレベル上の信号
のみがサンプリング・ｆ−）を通過するようにする。

入力端子（１０１からデジタル・・メモリ６）の出力端
子への全システム利得は、ループ利得（Ｌ）として定義
され、順方向利得（ＦＧ）と逆方向利得（ＲＧ）との積
となる。順方向利得は、サンプリング前置増幅器（１６
）、減衰器（至）及びＡＣ増幅器（２ｚの利得と、ピー
ク検出器及びＡＤＣ段の信号の僅かな損失とのほかに、
サンプリング・ダートが導通するときダートを通過する
信号電圧の百分率として定義されるサンプリング効率に
よシ決まる。ラッチ及びシフト・レジスタ（至）も、ラ
ッチ・データのシフトによりデータを除算し明らかに利
得を減少させるので、順方向利得に影響を及ぼす。逆方
向利得は、デジタル・メモリ（３湯からサンプリング前
置増幅器Ｕの入力端子に帰還する利得であり、たとえ逆
方向利得が１よシ小さくでも、利得として表わされる帰
還減衰量を有する減衰器（４６１により主に決定される
。

従来のサンプリング装置と同様にループ利得りは１であ
ることが望ましいが特定のサンプリング動作では必須で
はない。ループ利得をこれらの動作のい（つかと関連さ
せて説明する。

連続サンプリング動作 連続サンプリング動作では、ストローブ信号発生器Ｉは
等時間間隔及び所定の繰シ返し速度で短期間ストローブ
・パルスをサンプリング・ｆ−）（１２１に供給する。

タイミング及び制御ユニット（至）は、ストローブ・ノ
ぞルスに同期してサンプリング・ループの周囲の異なる
構成要素の動作を制御し、各サンプルは新しいサンプル
が取勺込まれる前にシステムで処理される。初めに、特
定の波形がサンプルされる前に、デジタル・メモリ０２
の全部のアドレス可能位置、ラッチ（４１及び（４２１
の内容は好適には零にリセットされ、最適なダイナミッ
ク拳レンジを確定する。第１サンプルが点ｊ＝１で取り
込まれる直前にｊ＝１に対応するメモリ位置がメモリｃ
ｚ内でアドレス指定され、ラッチ（４渇にラッチされ、
ＤＡＣ（４４）によレアナログ電圧（この場合では零ボ
ルト）に変換され、減衰され、サンプリング電圧の見積
シ値としてサンプリングφキャパシタ（ｌｆｊに供給さ
れる。その彼、Ｊ＝１でサンプルが取シ込まれると、サ
ンプリング前置増幅器（１ｅの出力はサンプル電圧及び
見積り値の差を表わす。この差電圧はピーク検出器（２
４（極性符号が付けられている）　′に蓄積され、ＡＤ
Ｃ（２６１は変換を開始する。一度、差電圧がピーク検
出器（２滲に蓄積されると、メモリ０りは次の見積り値
を得るためにｊ＋１（この場合ｊ＝２）の位置にアドレ
ス指定され、この見積り値はラッチ（４２にラッチされ
、アナログ値に変換され。

サンシリングｅキャノぐシタに充電され、ｊ＝２のサン
プルが取υ込まれる前のセットリング・タイムを充分長
くする。しばらくの間、ＡＤＣ（１）の出力はラッチ四
にラッチされる。それから、ラッチ弼及び−の内容（依
然ｊ＝１の見積）値を含む）は、デジタル加算器（至）
によシ加算され、ｊ＝ｘの位置でデジタル・メモリ（３
３１１Ｃ記憶される。ピーク検出器■滲がリセットされ
るとすぐに、安定状態で別のストローブ・）にルスがサ
ンプリング・？　−）　ｔｌ’Ｊに供給され、波形上の
ｊ＝２点がサンプルされる。この工程は、波形上の全部
の点ｊ＝（０，１，２，３，・・・・・・）がサンプル
され、対応する値がメモリ（３２内の適切なアドレス位
置に記憶されるまで繰り返される。

波形の通過の間（波形全体の最初のサンプリング期間）
、サンプリング・キャパシタに充電される全ての見積シ
値は零に等しい。しかし、１回の通過後、メモリに記憶
された波形は、順方向利得ＦＧで乗算された入力信号で
あり、サンプリング・ダートの非直線性又は、順方向利
得に悪影響を及ぼす他の要因によシ、順方向利得が１で
なく又は不明であると、波形は必らずしも所望の信号レ
ベルと社ならない。しかし、入力信号が繰り返し信号で
あシ、同一点でトリガされていれば、メモリに記憶され
た波形は一点毎に見積り値が得られる。

例えば、１２１点が到来波形上で再びサンプルされれば
、前のｊ＝１の値がメモリから呼び出され、アーナロダ
値に変換され、減衰され、サンプリング・キャ／Ｒシタ
に供給される。差は、利得増幅され、ピーク検出され、
デジタル値に変換され、メモリに蓄積された見積シ値に
加えられる。更に、波形の通過が必要であればこの新し
い値を見積シ値として続いて使用してもよい。

第１図のシステムを表わす差分方程式は、である。

ここで、ｋは点ｊがサンプルされた回数であり、Ｍ（ｊ
　、ｋ）はシステムが波形を繰シ返しに回サンプルした
後、波形上の点ｊで波形を表わすメモリ内に記憶された
値である。ループ利得が１であるなら、式の第２項は除
去され、１回の通過後、メモリは縮小係数１／ＲＧを乗
算した入力信号８（ｊ）を含む。これは、ＦＧ＝Ｌ／Ｒ
Ｇであるので上述の説明と一致している。また、式（１
）はｊではなくｋの項の差分方程式である。これは、メ
モリに記憶された波形社入力信号の正確な値に収束し、
全体として閉ループ−システムを形成することを意味す
る。

次の弐に従って、ステップ関数入力信号に関して差分方
程式（１）を解く。

・・・・・・・・・・・・（２） ここで、Ｍ　（ｊ、ｏ）はメモリの初期状態である。

上述の様に、Ｌ＝１であると上式の２項は除去される。

更には、たとえループ利得が１ではなく、Ｏ及び２の間
（０＜Ｌ＜２）の値であっても、システムは通過回数ｋ
が無限に近づくにつれ、Ｓ　（ｊ　）／ＲＧに収束する
。この様に、本発明のシステムによシ正確に入力信号を
測定でき、ループ利得が減少するとき、ステップ波形の
立上シエツジにロールオフが生じない。

連続サンプリング動作の具体例を第２Ａ図に示し、メモ
リ内の波形Ｍ（ｊ、ｋ）は説明の都合上、任意に０．５
に設定したループ利得０．５によシ、単位ステップ入力
信号５（ｊ）に収束する。式（２）は、ｊ＞ＯでＭ　（
ｊ　、ｋ）　＝　１−０．５に、ｊ≦ＯでＭ（ｊ、ｋ）
＝Ｏである。メモ！７Ｍ（ｊ、ｏ）の初期値は説明の都
合上、０である。

ｋに数値（１，２，３・・・・・・）を代入すると、通
過回数ｋが増加するにつれ、波形に沿った各点に関し、
正確な値に振幅が収束することが数学的及び図式的に解
るはずである。ｋ＝７で、メモリに記憶された振幅は単
位ステップ入力信号の９９．２１％であシ、ループ利得
０．５のシステムに関し、７回のみの通過で正確な値の
１％以内に振幅が収束することを表わしている。第２Ａ
図から、測定信号が常に正確な形状であシ、縮小係数の
みにより違いがあり、更には波形の前エツジでロールオ
フは生じない。

第２Ａ図の波形を、従来のサンプル装置内でループ利得
０．５のロールオフを示す第２Ｂ図の波形と比較すると
理解し易いであろう。ここで、波形上のｊ−１の点はｊ
番目の点のための見積シ値として使用される。この様に
、第１図のシステム内では波形は、ループ利得が１でな
ければ立上シエツジ歪がなく低ドツト密度で再生される
。完全な波形を得るために、サンプルを取シ過ぎる必要
はない。例えば、従来のサンプリング装置が必要とした
１０００個のサンプルに代わって水平軸に沿って１００
個のみを取シ込むことによシ、波形を適切にサンプルす
ることができる。ひとつの利点は、記録するサンプル数
が少ないので、波形取り込みを完了する時間が短いこと
である。更に、取シ込み波形がデジタル形式であるので
、補間によシ表示ドツトを繋げる様な波形の再生及び整
形のために従来のデジタル・オシロスコープ技術を使用
してもよい。

ループ利得は、サンプリング・ｆ−）の両端間の電圧に
関し、まだ非直線的である。しかし、出力波形は入力信
号に収束するので、サンプリング壷ダートの両端間の電
圧は前のサンプルがどこで取シ込まれたかにかかわらず
波形上の全ての点に関して最終的に零に収束しなければ
ならない。これは、システムが充分に閉ループであシ、
非直線性による波形上の電位型が除去され、このシステ
ムによシ更に正確な信号再生が行われることを意味する
。

ループ利得の決定 閉ループ・サンプリングＱデジタイプの動作において、
ループ利得又は少なくともループ利得に関する情報を得
るために、関連するマイクロ・プロセツーサについて知
ることは重要でアル。ループ利得情報は、サンプリング
・デジタイザに特定の平均化機能を行わせ、正確な出力
波形に敏速に収束させ、更にランダム・サンプリング・
システムが構成されるように使用できる。

このシステムでは、ループ利得はサンプリング壷ダート
の両端電圧の関数として決定できる。逆方向利得（ＲＧ
）が既知であると仮定すれば、ＤＡＣ（４４）及び減衰
器（４６）のみがＲＧに影響を与えるのでループ利得中
の全誤差は実質的に順方向利得ＦＧに現われる。順方向
利得が主としてストローブ幅、電源インピーダンス、前
置増幅器入力キャパシタンス及び入力信号振幅の関数で
ある上述のサンプリング効率係数を含む。他の仮定はル
ープ利得が１に近ければ、メモリ内の波形は少数回の通
過で入力信号に敏速に収束する。サンプリング・キャｉ
ｅシタに充電された見積シ値は、取シ込まれたサンプル
に等しく、従ってサンプリング・ダートが導通するとき
その両端に電圧は存在しない。この点において、一定値
を見積り値に加算又は減算することで、この一定値はサ
ンプリング・ｅ−）が導通するとき、ダートの両端に現
われる。この値はサンプリング・ループの順方向部を介
して処理され、ラッチ弼に蓄積されるとき、順方向利得
ＦＧの定数倍に等しい。この値を前記定数で除算すると
、ＦＧが決まり、ＲＧが既知であるのでループ利得が決
まる。利得誤差は信号振幅と共に変化し。

数個の差分値の定数はこれらの値についてループ利得を
決めるために使用され又は数個の差分値についてサンプ
リング・ダートの両端電圧のＦＧ倍の平均測定ができ得
る。

ループ利得を決定するため、第１図のシステムは第３図
に示す様に変更してもよい。ここで、加算器（６Ｇはデ
ジタル・メモリ（至）の出力端子及びラッチ（４Ｂの間
に間挿される。マルチプレクサ（ＭＵＸ）ｆｉりは、デ
ータを加算器−に供給し、マイクロプロセッサ（μｐ）
（へ）の制御によシ零又は所定の定数のいずれかがメモ
リ０りからのデータに加算できるようにする。通常の動
作状態で見積シ値をサンプリング・キャパシタに供給す
るときにデータを変更することは望ましくないので、当
然零がデータに加算されるようにマルチプレクサ報によ
シ選択される。しかし、ループ利得を決定する必要があ
るときは、コンピュータにより発生される定数がマルチ
プレクサｔＥ、′！Ｊによシ選択され、加算器−によシ
データに加算又は減算される。回路は、ループ利得の計
算のためマイクロプロセッサ（（ト）がラッチ及びシフ
ト・レジスタ（（支）の内容を直読できるように構成し
てもよい。

信号対雑音比の改良 新しい波形のサンプリングに先立って、デジタル・メモ
リ０渇は新しい入力信号に全く無関係かもしれないデー
タを含み、従って第１回目の通過に関してサンプリング
・キャパシタ（１８に供給された見積シ値は誤差が大き
い。この様に、サンプリング前置増幅器舖の出力端子で
大きな誤差電圧を予測することは無理であり、ＡＣ増幅
器（ハ）での信号のクリッピング歪を防止するため、減
衰器艶は、それを通過する電圧サンプルの振幅を適当に
減少させる必要がある。しかし、連続する通過では、メ
モリ０′Ｊによシ供給される見積シ値が入力信号レベル
に近づく程、固有チャンネル雑音レベルよシ上の処理サ
ンプルの振幅を持続する様に減衰がほとんどないことが
要求される。マイクロプロセッサ−は、ラッチ（ハ）の
内容を監視し、制御信号を減衰器■に送シ、好適には２
Ｎの係数だけ減衰量を動的に減少させる。それからアナ
ログ・デジタル変換がＡＤＣ（至）で行われるとき、ラ
ッチ及びシフト・レジスタ（至）に蓄積された相当する
２進ワードは左にＮ桁だけシフトされ、従ってデジタル
会データを２Ｎで割る。例えば、減衰量が２４（係数１
６だけ増加された信号レペルンだけ減少させられたとき
、２進ワードはデータを１６で割るため、左に４位置数
シフトされる。この技術はチャンネル雑音を最小にする
間、ループ利得を一定に維持することができ、信号対雑
音比を改良できる。

信号平均及び雑音ろ波 第１図のシステムは、数個の波形を取シ込み、取り込み
回数で割ることにより、波形に沿った各データ点の平均
を得るように、使用してもよい。

この様にこのシステムは入力信号上の雑音及び不規則に
起きる過渡現象を減少させ、システムの非直線性の影響
を除去することにも使用できる。ここで、雑音はサンプ
リング・ループ内のものである。上述から解るように、
ループ利得はサンプリング・ｆｆ−）（Ｌｍの両端電圧
の関数として決定してもよい。サンプリング・ループの
順方向利得ＦＧは手動又は自動で減衰器■の減衰量を変
化させ、ＡＣ前置増幅器（２鴎の利得を制御することに
よシ調節される。更に、ラッチ及びシフト・レジスタ（
至）の２進ワードをシフトしてもよい。逆方向利得器が
既知であるから、サンプリング拳ループ利得りはいかな
る値、例えばｌに決定され、正確に調整されてもよい。

前に定義した様に、差分方程式（１）祉第１図のシステ
ムを表わす。瞬間的に入力信号上に起きる不規則発生雑
音スノｅインＸに関して、差分方程式の解は、 である。

ここで、ｋ＝０は、雑音ス・ぐインが最初に発生する第
１回目の通過である。１（＝Ｑであれば波形上の雑音の
影響がループ利得りによシ減少（又は増加）することが
解るであろう。１（＝Ｑの場合が第４Ａ図に示される。

雑音スパイクはサンプルされる点で発生し、従来のサン
プリング装置であった様に波形に沿ってスメアされるも
のではない。雑音ス・ぞインはサンプルされる点に残る
が、波形に応じてではなく通過の回数又は掃引の回数に
大ｌ−丁曽畜峰入　す（Ｑ）禍五ム　鳩姦ｉ神１礒を橘
自ｎ斗るよシ、むしろｋが増加すると減衰する。この現
象は、ｋ＝１及びに＝２で夫々第４Ｂ及び４０図に見ら
れる。もちろん、５（ｊ）の値は成る一定しペルに図示
されるが、出力ＭＯ）は雑音スＡインが減少する程、各
通過で入力信号に収束する。

従来のサンプリング装置は、雑音を減少させるスムージ
ングと呼ばれる技術を使用しておシ、この技術は物理的
にループ利得を減少させるので、ドツト過渡応答が影響
を受け、ステップ関数入力波形は、前エツジがロールオ
フされた歪んだ形状で表示器に表われる。上述した様に
、第１図のシステムは雑音が平均化技術によシ減しられ
た方法で動作できる。次に、波形を効率的に取シ込み、
平均化する方法を説明する。

ループ利得りを制御することｋよシ、ループ・ｒインが
波形の各通過ｋについて新しい値に設定できるようにな
シ、Ｌｍ１からＬｍＯに減衰させると、ＭＯ）の表示が
すぐに雑音信号を含んで現われ、その後測定信号をその
ままＫして雑音は消滅する。

一点毎に平均が行われるので−ｍ刑Ｉ−ｔｃｖ九ｆｒス
歪もない。平均化フィルタとして第１図のシステムを表
わす差分方程式は、 ここで、Ｃは重み付は係数であり、Ｌ＝ｃ／（ｋ＋ｃ）
の関係にある。・ｃ＝ｌに選んだ次の例は、平均化技術
を表わす。第１回目の通過では、メモリ国の内容は未知
であり、平均化の目的のためメモリの内容に零の重みを
与え、入力信号に重みの全部を与えることが望ましい。

これは、Ｌ＝　１／　（０＋１　）＝　１にすることに
よシできる。第１回目の通過の後、メモＩＪ（：ｌ：”
入力信号”＋６信号上の雑音”＋１サンプリング装置内
で発生される雑音”＋６サンプリング装置からの非直線
誤差”を含む。次の通過では、ループ利得は１／２にな
シ、入力信号及びメモリが等しく重み付けされる。この
様に、信号が通過１（＝ｌについてはメモリ内に留まる
が、雑音は半分だけ減少する。次の通過に＝２、Ｌ＝１
／３では、メモリは２Ａで重み付けされ、−ガム力信号
はＩＡで重み付けされる。この工程は、ループ利得りが
零になるまで繰シ返えされ、従って雑音が減衰する。こ
の様に、ｋが大きくなる程このことは認識でき、入力信
号は記憶波形にほとんど影響しないが、結果的にメモリ
に記憶された略全部は測定された入力信号となる。真の
平均値が各データ点で得られるので、このシステムは真
のフィルタとして働く。更に、各データ点は他の点から
完全に分離されているので、選択されたデータ点は、特
定の測定状態、例えば立上り時間測定において、全体波
形を取り込まずに平均化してもよい。

真の平均値への近似が、シフトΦレジスタ（ハ）のみを
用いてループ利得を制御することにより、得られる。又
、他の型のフィルタは重み付は関数を制御することで簡
単に形成される。

ランダム・サンプリング動作 ランダム・サンプリングでは、サンプルが波形に沿って
いかなる特定の瞬間に取り込まれるか予測できない。即
ち、全体の波形が取り込まれるが、サンプル点は不規則
な順序で取シ込まれる。取ｐ込まれたサンプルが正確な
メモリ舎アドレスに記憶され、正確な時間位置で表示さ
れるように、各サンプル点の位置はトリガ点に関して測
定される。

第５図は、ランダム・サンプリング・モードの動作用に
変更した本発明のサンプリング装置のブロック図を示す
。第１図で説明した構成要素は、第５図でも同一の機能
を果し、従って同一の参照符号を付す。即ち、変更した
部分は、サンプラのデジタル部分なので、アナログ部を
構成するサジプリング・ｙ−トａａ、前置増幅器（１６
１、減衰器（２１、ＡＣ増幅器（２）、ピーク検出器（
２４）及び帰還減衰器（４６）をサンプラ入力部（至）
として示す。

ランダム・サンプリングの基本的性質はサンプルが成る
瞬間で取り込まれる波形上の点ｊが予測できないことで
あるので、サンプリング・ループの帰還部により供給さ
れるサンプルの実際の見積り値は、ランダム確率に基づ
き、偶然のみによシ生じる。この様に、このシステムは
開ループを多数回伝搬する。しかし、後述で明らかにな
る様に正確なアドレス位置でデジタル・メモリ（３りに
記憶されている、前に記憶された波形情報は成る制限の
もとてランダム・サンプリング用の見積シ値として用い
ることができる。まず第１Ｋ、入力信号は繰シ返し信号
であると仮定する。第２に、大きな誤差を生じさせずに
サンプルを取シ込むためにループ利得りは１でなければ
ならない。各見積ｐ値が既知のメモリ・アドレスから読
み出されるので、許容範囲が見積シ値について計算され
る。それから、サンプルが取り込まれ、それが所定の範
囲内にあれば特定のアドレスに見積り値を戻すようにメ
モリに記憶される。取）込まれたサンプルが所定範囲外
であれば、それは単純に捨てられる。

結局、各メモリ・アドレスに記憶された情報は、正確な
波形値に収束する。

連続的サンプリング動作について上述した様に、デシタ
ル・メモリ０々からのデジタル・データＭＯ）はシステ
ム出力端子に供給され、更に次に敗シ込まれるサンプル
の見積ｐ値としてラッチ回路顛及び（４２に供給される
。しかし、ランダム・サンシリングについて、関連する
時間ペースは所望の点ｊであるか否かサンプリングされ
る波形に沿った点ｊｎを擬似ランダム的に選択する。ラ
ッチ回路弼からのデジタイズされたサンプルＦＧＳ（Ｉ
ｎ）−ＬＭ（ｊ。

ｋ−１）は、ラッチ回路（４１からの見積シ値Ｍ（ｊ、
に−１）と加算器（至）で加算し、次式（５）で表わす
サンプルを得る。

ｍ　（ｊｎ　、に−１）　＝　ＰＧ　Ｓ　（ｊｎ）＋　
（１−Ｌ）　Ｍ　（Ｊ　、に−１）　・・−（５）この
サンプルは、ラッチ及びシフト・レジスタ＠邊にラッチ
され、次にメモリＣ２にデジタル加算器（財）を介して
供給されｊｎメモリーアドレスに記憶される。Ｌ＝１で
あれば、ｍ（ｊｎ、に−１）＝ＦＧＳ（ｊｎ）であるこ
とに留意されたい。実際問題として、開ループ動作状態
のため、Ｌを正確に１に設定することは難かしく、従っ
て成る程度の誤差が生じる。しかし、成る程度の誤差は
あっても、ｍ（ｊｎ＋に−１）は入力信号５（ｊ）の近
似値となる。サンプル”　（Ｊ　ｎ　ｅ　ｋ−１）は、
ラッチ回路■にもラッチされる。デジタル減算器（至）
はラッチ＋４１の内容からラッチ（へ）の内容を減算し
、次の式（６）で表わす誤差信号を発生する。

Ｅ＝Ｍ（ｊ、ｋ　１）　ｍ（Ｊｎｅｋ　１）　−−・・
”・・（６）誤差信号Ｅはデジタル比較器（至）に供給
され、限界がマイクロプロセッサ−により計算される最
大許容値と比較される。当然のことながら、所望の状態
は見積シ値Ｍ（ｊ、に−１）が正確であったこと、取り
込みサンプル”（Ｊｎ＋に１）が有効であることを示す
Ｅ＝０である。しかし、誤差信号Ｅが所定の範囲内であ
れば、成る程度の誤差は許され、デジタル比較器（イ）
の出力は、ｍ（Ｊｎｅｋ　１）がｊｎ番目の位置に記憶
され、Ｍ（ｊｎ）になることをシステムに知らせる。誤
差信号Ｅが大きすぎると、取シ込まれたサンプルｍ（ｊ
ｎ、に−１）は捨てられる。マイクロプロセッサにより
計算されたＥの範囲は、連続する通路ｋに関し減少し、
各点ｊｖｃついてＭ（ｊ）はＳＯ）に収束する。

ラッチ回路ｕ２及びＤＡＣ（４４１を介してサンシラ入
力部（イ）Ｋ供給された見積シ値Ｍ（ｊ、に−１）に相
当する点ｊは、誤差信号Ｅが限定された範囲内にある限
り、実際にサンプルされた点ｊｎと同一である必要はな
いことに留意されたい。ランダム嗜サンプリング動作に
関し、たとえ異なる点ｊからであっても所望の振幅の見
積シ値を使用することは完全に無理である。例えば、波
形の平坦（変化しない）部分については、サンプル点ｊ
全ては同じ振幅値を有し、同一であればそれらのうちど
れを使用するかは問題ではない。

システムの非直線誤差及び雑音は技術的に減少できる。

デジタル加算器（至）からの取り込みサンプルｍ（ｊｐ
、に−１）は、ラッチ及びシフトΦレジスタ＠邊及び加
算器（至）を介してメモリ（３７Ｊに送られ、アドレス
ｊでメモリｃ１３に記憶され、上述した様にＭ（ｊｎ。

ｋ−１）になる。記憶されたサンプルＭ（ｊｎ、ｋ　１
）は、ラッチ回路（ハ）にもラッチされ、シフト・レジ
スタ（財）にも供給される。シフト・レジスタ（イ）及
び−の両方にあるデータは、左にＮ桁分だけずれて２進
データの数値を２Ｎで割る。この様に、ラッチ及びシフ
ト・レジスタ（財）の出力がＱｍ（ｊｎ、ｋ　ｉ）であ
り、シフト・レジスタ（財）の出力がＱＭ　（ｊｎ　、
に−１）である様に、係数をＱ　＝　１７２　Ｎに定義
してもよい。シフト・レジスタ（９滲の出力は、デジタ
ル減算器−によりラッチ軸の内容から減算され、Ｍ　（
ｊｎ、に−１）　（１−Ｑ）が生じる。この値杜デジタ
ル加算器（８４）によりラッチ及びシフト・レジスタ＠
邊内のデータに加算され、Ｍ（ｊｎ、ｋ）＝ＱＦＧＳ（
ｊｎ）＋Ｑ（１−Ｌ）Ｍ（ｊｎ、ｋ　１．）＋　Ｍ　（
ｊｎ　、ｋ　１　）　（１−Ｑ）　・・・・・・−・−
（７）を生じる。この値は次のサンプルの見積り値とし
て使用するためにメモリ位置（ｊｎ、ｋ）に戻される。

Ｌ＝１であれば、式（７）の第２項が削除され式（５）
と同様の式が残る。

デジタル減算器（財）により発生され、式（６）により
定義された誤差信号Ｅは、信号が記憶され、捨てられる
ことを決定するために使用される。Ｅに関して、式（７
）を書き換えると、次の弐になる。

Ｍ（ｊｎ、ｋ）　＝Ｍ（ｊｎ、ｋ　１）　（１−ＱＬ）
＋ＱＦＧＳ（ｊｎ）＋Ａ（１−Ｌ）Ｅ　・・・・・・・
・・・・・（８）この式は、第５図のシステムを限定す
る差分方程式である。Ｑ（１−Ｌ）　Ｅ＝０であれば、
差分方程式は連続サンプリングについて説明した型のも
のであり、実際には上述した分析に従って正確に働く。

これが真でなくなる即ちＱ（１−Ｌ）Ｅ）０の程度まで
測定信号に加算されそれを歪ませる誤差項となろう。項
Ｑ（１−Ｌ）Ｅは、Ｌを１に等しくすることにより、零
に等しくしてもよいが、これはしばしば困難であシ、Ｆ
Ｇが非直線関数であるので近似させることだけはできる
。項Ｑ（１−Ｌ）Ｅは、Ｅを零に等しくすることにより
、零に等しくしてもよい。

Ｅは強制的に零にできないが、デジタル比較器−は、記
録命令を発生させる際、Ｅの零値のみに反応するように
してもよい。言い換えれば、ＥＮＯであればサンプルは
記録されない。Ｅ＝０であれば、ｊｎは正確な波形点即
ち点ｊｎと同じ電圧を有する点であったのでサンプルは
記録される。いずれＫしろ、システムは略閉ループで動
作する。しかし、Ｅは実質的な改良を達成するために正
確に零である必要はない。１個のサンプルが記録される
前に多数のサンプルが捨てられるので、時間は因数とな
る。しかし、非直線性を軽減するか又は精度を噴善する
ことを一考慮すれば、平均化は完全な波形を取り込むの
に時間をかけるｌ１１ｉ埴がある。

更に、ＦＧは非直線関数であるので、Ｅが小さな値にな
るとＦＧは更に近似して予測され、従って（１−Ｌ）は
零に近似されてもよい。この様に、Ｑ（１−Ｌ）Ｅを零
に近似させる際に、２重の効果が得られる。

タイミング及び制御システム 第６図はサンプリング・システムを動作させるための例
示的タイミング及び制御システムのブロック図である。

この図において、システムはサンプリング・システム（
１００）及びデジタル・メモリ（１０２）　を含む。マ
イクロプロセッサ（１０６）と関連して動作するプログ
ラム可能制御及びタイミング論理ユニット（１０４）は
、サンプリング・システムを介して種々のラッチ回路及
びシフト・レジスタを動作させるための制御信号及びタ
イミング信号を供給する。論理ユニット（１０４）から
リセット信号及びクロック信号を受け取るアドレス・カ
ウンタ（１０８）は、２進データ形式の連続カウント出
力を発生し、この出力はマルチプレクサ（１１０）を介
してアドレス・データとしてデジタル・メモリ（１０２
）に供給される。アドレス串カウンタ（１０８）の連続
カウント出力は、アドレス・カウント信号に１を加算す
るデジタル加算器（１１２）　Ｋも供給される。

連続サンプリング・モードでは、アドレス・カウンタ（
１０８）は今サンプルされている点ｊのメモリ・アドレ
スを含む。アドレス・カウンタ（１０８）の内容に１を
加算し、次に新しく取り込まれたサンプルがデジタル・
ワードに変換されるが、記憶はされないサンプリング処
理のパイプラインができるメモリ（１０２）のメモリ会
アドレス・ラインにこれら２個のアドレスをマルチプレ
クシングすることにより１点（ｊ＋１）Ｋ対する見積り
値はメモリから呼び出され、サンプリング・キャパシタ
に充電される。従って、点ｊに相当する２進ワードは点
ｊに相当する適当なアドレスでメモリに書き込むことが
できる。

従来のサンプリング技術では、例示したシステムにおい
て、サンプリング・ダート用のストローブΦＡルスは高
速傾斜信号を低速傾斜信号と比較することにより発生さ
れる。低速傾斜信号はアドレス・データをラッチ及びシ
フト・レジスタ（１１４）に供給し、ＤＡＣ（１１６）
でこれらのデータをアナログ信号に変換することによシ
低速傾斜信号が発生する。

ラッチ及びシフト書しゾスタ（１１４）に供給されたア
ドレス争データは下位アドレス・ビットにはデジタル加
算器（１１２）からの（ｊ＋１）データ、上位アドレス
ｅビットにはマイクロコンピュータ（１０６）からのア
ドレス・データを含む。この構成によシ、マイクロコン
ピュータ（１０６）は”サンプル・ウィンドウ”が特定
の波形に沿って発生し、それにより特定波形の選択され
た点のサンプルが容易になる。ラッチ及びシフト・レジ
スタ（１１４）のシフト−レジスタ部でデータをシフト
させることは、サンプリング点間の時間間隔を伸ばす効
果があシ、したがって関係するオシロスコープの水平時
間スケールが変化する。

高速傾斜信号は、一定電流により充電させられるキャパ
シタの様な高速アナログ回路を含む高速傾斜波発生器に
よシ従来の方法で発生される。高速傾斜波発生器（１１
Ｂ）は、マイクロコンピュータ（１０６）からのアドレ
スデータによシ選択できるデジタル遅延回路に供給され
、特定波形の選択された部分のサンプリングが容易にな
る。当然のことナカラ、マイクロコンピュータ（１０６
）はラッチ及びシフト・レジスタ（１１４）を制御し、
サンプリング−ウィンドが正確に選択されるようにし、
使用される拡大掃引の様なタイミング効果を生じさせる
。

高速傾斜波発生器（１１８）からの高速傾斜波信号は、
比較器（１２０）でＤＡＣ（１１６）からの低速傾斜信
号と比較され、従来の方法でストローブ・・ぞルスを発
生する。

デジタル遅延及び高速傾斜波発生器（１１８）の動作は
、オシロスコープで普通使用される形式のトリガ発生器
（１２２）からの信号によシ開始され、又−は高速傾斜
波発生器（１１８）は非安定モードで動作し、連続サン
プリングに要求されるように低速傾斜波が上昇するにつ
れて多数の高速傾斜波を発生する。トリが発生器（１２
２）は、好適には電気信号を選択可能なレベルと比較し
、信号上のトリガ点を決定する比較器を含む。ランダム
−サンプリングでは、各連続したフレームについて、同
時基準を確立させるように選択された点でサンプルされ
る信号上でトリガすることが望ましい。この点について
、トリガ点及びサンプリング点間の時間は各フレームに
ついて正確に測定され、測定された時間間隔に相当する
アドレスは正確なメモリ位置に取シ込みサンプルを正確
に記憶させるように発生される。これは、トリガ信号及
びサンプリングφストローブを受け取シ、これらの時間
差に比例したアナログ電圧を発生させる時間間隔測定器
及びこのアナログ電圧を対応するｌ′デジタル・メモリ
アドレスに変換するＡＤＣ（１２６）によシ行ってもよ
い。

ＡＤＣ（１２６）からのアドレスは、アドレスＭＵＸ（
１１０）によシ多重変換され、メモリ（１０２）に送ら
れる。

マルチプレクサ（ＭＵＸ）　（１３０）は、サンプリン
グ・システム（１００）　、マイクロコンピュータ（１
０６）　又はメモリ自身からメモリ（１０２）に記憶さ
れるデータの選択が可能にするために設けてもよい。

以上、本発明による高速アナログ・サンプリング・ダー
トを含むサンプリング装置の好適な実施例について述べ
たが本発明の要旨を逸脱することなく種々の変更及び変
形をしうることは当業者には明らかであろう。

〔発明の効果〕

本発明によシ、スラッシング、メモリ・ドループ、不充
分なドツト過渡応答及び信号歪等がない高速サンプリン
グ装置が得られる。又サンプリング・ルーズの閉ループ
の場合の繰シ返し信号に関しては記憶波形は略入力信号
に収束する。各サンプル点は他のサンプル点から独立し
ておシ、各サンプルは独自のメモリ・アドレスを有する
。これにより、各点間を比較的長い時間間隔でエツジの
ロールオフ又は収差な（サンゾルできる。更に、雑音ス
ノｅインは表示波形に沿ってスメアされるよりはむしろ
、実質的に減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による高速サンプリング・ｒ−トを含
むサンプリング装置のブロック図、第２Ａ及び２Ｂ図は
従来のサンシラと比較して本発明の装置に対する単位ス
テップ応答を示す波形図、第３図はループ利得を決定す
るための第１図の装置の変更したブロック図、第４Ａ、
４Ｂ及び４Ｃは本発明の装置における雑音ろ波の作用を
示す線図、第５図はランダム拳サンプリング動作用に変
更された本発明の装置のブロック図、第６図は本発明の
装置に関するタイミング及び制御装置のブロック図であ
る。 図中において、鱈は入力端、任ｚはサンプリング・加算
器、Ｏ３はデジタル・メモリ、（４Ｇ及び（４２は夫々
ラッチ回路、（４滲はデジタル・アナログ変換器である
。 ５互Ｅ３Ｂ−’

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 繰シ返し入力波形の振幅を所定のタイミングで取シ込む
   サンプリング手段と、該サンプリング手段のサンプル値
   をデジタル値に変換するアナログ１デジタル変換手段と
   、上記デジタル値を上記所定のタイミングに応じたアド
   レスに記憶する記憶手段と、上記繰り返し入力波形の次
   の取シ込み周期の上記所定タイミングで上記記憶手段の
   内容をアナログ値に変換し、上記サンプリング手段に供
   給するデジタル・アナログ変換手段とを具え、上記アナ
   ログ−デジタル変換手段及び上記記憶手段の出力を加算
   し、上記記憶手段の所定アドレスに記憶することを特徴
   とするサンプリング装置。