JP2007271580A - デジタルオシロスコープ、信号表示方法及び信号表示プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】表示画面に表示されるノイズの量を減少し、入力信号の品質を容易に評価することができる波形をデジタルオシロスコープにて表示する。
【解決手段】測定値処理回路４は、Ａ／Ｄ変換器２により変換された所定数の繰り返しパターンの測定値を測定値メモリ５に記録する。演算部６は、前記所定数の繰り返しパターンにおいて、対応する所定間隔のサンプル時刻における測定値の標準偏差を演算する（ステップ００７）。波形処理部９は、演算部６により求められた標準偏差を用いて、入力信号に対応する波形を生成する（ステップ００９）。表示制御部１０は、波形処理部９より生成された波形を表示部１０１に表示する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、デジタルオシロスコープに関し、詳細にはノイズ成分を部分的に除去して入力信号波形を表示する技術に関する。

デジタルオシロスコープは、アナログ測定波形をデジタル信号に変換して波形データとしてメモリに取りこむと共に、波形データを表示処理部を介して表示部に表示するように構成されたものであり、各種分野の研究開発や品質管理や保守差号における波形測定表示手段として広く使用されている。

従来のデジタル信号では、一般にＨ（Hight）レベルとＬ（Low）レベルのレベル差が大きかったので、測定器等から混入したノイズが波形観測に与える影響は殆ど無かった。しかし、最近の数ＧＨｚに及ぶ高速差動信号においては、ＨレベルとＬレベルの差が例えば１５０ｍＶ程度と小さく、測定器のノイズ及び信号観測点で発生しているノイズが重畳した波形が表示され、何を測定しているか分からなくなってしまうこともある。

入力信号に平均化処理を施すと、このようなノイズ成分が除去された波形が表示される。下記特許文献１は、平均化処理の処理時間を短縮し、高速に波形の平均化処理ができるリアルタイム加算回路及び測定波形の平均化装置を開示している。
特開２００５−６９９０４号公報

従来のように、入力信号を平均化した信号では、入力信号の良し悪し、つまり入力信号の信号品質を評価することができない。

従って本発明は、表示画面に表示されるノイズの量を減少し、入力信号の品質を容易に評価することができる波形を表示することを目的としている。

本発明の１実施形態に係るデジタルオシロスコープは、繰り返しパターンの入力信号をサンプルしてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段２と、前記Ａ／Ｄ変換手段により変換された所定数の繰り返しパターンの測定値を記録する手段４と、前記所定数の繰り返しパターンにおいて、対応する所定間隔のサンプル時刻における測定値の標準偏差を演算する演算手段６と、前記演算手段により求められた各サンプル時刻における標準偏差を用いて、前記入力信号に対応する波形を生成する生成手段９、００９と、前記生成手段により生成された波形を表示する表示手段１０とを具備する。

表示画面に表示されるノイズの量を減少し、入力信号波形の良し悪しを容易に評価することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明が適用されるデジタルオシロスコープ１００を用いた評価システムの構成を示す。

回路基板３０は、ＰＣＢ(printed circuit board)にＣＰＵ及びメモリ等のＬＳＩ、抵抗、コンデンサ等の電子回路部品が搭載された電子回路ユニットである。オシロスコープ１００には、ケーブル１０２を介して、ＰＣＢの信号線３１とグランドパターン３２間の電圧が供給される。信号線３１にはＣＰＵ等の信号源３３から繰り返し波形の信号Ｖｉが供給される。

図２はオシロスコープ１００の概略構成を示すブロック図である。

入力信号Ｖｉは、入力アンプ１で増幅され、電圧、振幅が調整され、Ａ／Ｄ変換器２に導かれ、所定のサンプルレートで電圧レベルがデジタル値Ｖｄに変換される。測定値処理回路４は、トリガ回路３からのトリガ条件成立信号ＴＲに応答して、デジタル値Ｖｄを時間軸設定にあったサンプルレートで測定値メモリ５に書き込む。本発明に係る演算部６は、測定値メモリ５に書き込まれたデータに基づいて、例えば平均値、σ（標準偏差）の値を算出し、σに基づく表示電圧範囲データが各サンプル時刻について求められる。この演算部６の詳細動作は後述される。

表示電圧範囲データは、波形処理部９により波形データに変換された後、表示制御回路１０に転送される。表示制御回路１０は、入力された波形データを表示メモリ１１に記憶し、このデータに基づいて液晶などの表示装置１１を駆動して、表示装置１１に統計処理された波形が表示される。

ＣＰＵ７はＲＡＭ７ａを作業エリアとして使用し、ＲＯＭｂに格納された各種制御プログラムに従って、本装置を総合的を制御する。操作部８はオペレータとオシロスコープ１００とのインターフェースを行う。ＣＰＵ７は、操作部８、測定値処理回路８、表示制御回路９と、制御バス１３を介して通信を行う。尚、測定値処理回路４、演算部６、波形処理部９、表示制御回路１０は、個別電子回路を用いてハードウェアとして構成されるが、プログラムのステップを用いてソフトウェアとして構成することもできる。

図３は、図１の回路基板３０の電源をＯＦＦ状態とし、入力信号波形を表示した様子を示す。このように信号線３１に全く信号が供給されていない場合でも、信号線には３０ｍＶ程度のノイズが表示されている。例えば振幅が１５０ｍＶのデジタル信号にこのようなノイズが混入すると、正確な信号波形の観測が困難となる。本発明では、このようなノイズがオシロスコープ１００の表示画面１０１に表示されるのを抑え、正確な信号波形観測あるいは他の波形との比較を容易とするものである。

図４は、デジタル信号として出力された２進７ビットデータの繰り返し信号波形を入力信号Ｖｉとしてサンプルした例を示す。縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は時間（秒）である。この図では全体で周期１５ｎｓの波形が示されている。

説明を簡単にするために、図４の繰り返し波形を、時間軸を拡大して初期波形のみを示すと図５（ａ）のような波形となる。パターンＰ１は最初に測定された波形、パターンＰ２は２番目に測定された波形、パターンＰｎはｎ番目に測定された波形である。ここでは、入力信号Ｖｉはサンプリング周期Δｔでサンプルされている。

次に、本発明の１実施例に係るオシロスコープ１００の動作を詳細に説明する。図６はオシロスコープ１００の動作を示すフローチャートである。

先ず、オペレータから操作部８を介して、σの数ｙ（後述される）が入力され、演算部６に供給される（ステップ００１）。このσの数ｙは演算部６の演算において、表示される波形の幅を決定する際に用いられる。

ステップ００２のように、測定値処理回路４により繰り返し波形のＭパターンが採取される。このとき測定値処理回路４は、Ａ／Ｄ変換器２からサンプリング周期Δｔで供給される測定値を図７のようにパターン毎に測定値メモリ５に格納する。図７では、説明を簡単にするため、各パターンの振幅を電圧値（Ｖ）で示している。

演算部６は、測定値メモリ５に格納された測定値を基にして、各サンプリング時刻ｔｎにおける測定値の分散を以下のように算出する。

図８のように、サンプリング時刻ｔ１におけるパターンｐ１の振幅をＶ（ｐ１、ｔ１）、サンプリング時刻ｔ２におけるパターンｐ１の振幅をＶ（ｐ１、ｔ２）とする。以下同様に、サンプリング時刻ｔｎにおけるパターンｐｍの振幅をＶ（ｐｍ、ｔｎ）とする。

ステップ００３のように演算部６は、サンプリング番号ｎに１を代入し、パターン番号ｍに１を代入する。演算部６は、サンプリング番号ｎがサンプリング番号最大値Ｎより大きいか判断し（ステップ００４）、小さい場合（ＮＯの場合）パターン番号ｍがパターン番号最大値Ｍより大きいか判断する（ステップ００５）。

パターン番号ｍが最大値Ｍより小さい場合（ステップ００５のＮＯ）、以下のステップ００７〜０１０の処理が繰り返され、サンプリング時刻ｔ１における標準偏差σ等が後述するように、サンプル値（測定値）Ｖ（ｐ１，ｔ１）〜Ｖ（ｐＭ，ｔ１）を用いて算出される。

パターン番号ｍが最大値Ｍより大きい場合（ステップ００５のＹＥＳ）、サンプリング番号ｎにｎ＋１が代入され、パターン番号ｍに１が代入される（ステップ００６）。ステップ００４が再び実行され、サンプリング番号ｎがサンプリング番号最大値Ｎより小さい場合（ＮＯの場合）、ステップ００５が再び実行される。ステップ００５において、パターン番号ｍが最大値Ｍより小さい場合（ＮＯの場合）、以下のステップ００７〜０１０の処理が繰り返され、サンプリング時刻ｔ２における標準偏差σ等が、サンプル値（ｐ１，ｔ２）〜Ｖ（ｐＭ，ｔ２）を用いて算出される。このようにステップ００７〜０１０にて、サンプリング時刻ｔｎにおける標準偏差σ等が、サンプル値Ｖ（ｐ１，ｔｎ）〜Ｖ（ｐＭ，ｔｎ）を用いて算出される。

サンプリング時刻ｔ１〜ｔＮまでの標準偏差σ等の演算処理が終了すると（ステップ００４のＹＥＳ）、フローはステップ００２に戻り、繰り返し波形の新たなＭパターンが採取され、演算部６により前述したステップ００３〜０１０の処理が繰り返される。

次に、上記ステップ００７〜０１０のループ処理について詳細に説明する。ステップ００７で、演算部６はサンプル時刻ｔｎでの標準偏差σを計算する。すなわち演算部６は、パターンｐ１〜ｐｍにおけるサンプル時刻ｔｎでのサンプル値Ｖ（ｐ１，ｔｎ）〜Ｖ（ｐｍ，ｔｎ）から、標準偏差σを以下のように計算する。

図９は、サンプル時刻ｔｎでのサンプル値の分布（正規分布曲線）を示す図である。サンプル数ｎが大きいほど、分布はこの正規分曲線に近づく。このように、サンプル値全体の約６８パーセントが平均値μ±σの間にあり、約９５パーセントが平均値μ±２σの間に存在する。尚、このステップ００７を最初に実行する場合、標準偏差σはサンプル値そのものとなる。

次に演算部６は、ステップ００７で算出されたσと、ステップ００１で入力された数ｙを掛け、ｙσを計算する（ステップ００８）。図５（ｂ）に示す電圧範囲ΔＶｎ（ｎ＝１、２、…）は、図５（ａ）の波形値を用いて、上記した演算を行って求めたｙσの例を示す。

波形処理部はステップ００９のように、算出された平均値及びｙσ等から波形表示データを生成し、この波形表示データを統計処理された波形として提供する。この統計処理された波形は、図５（ｂ）の実線で示すように、電圧範囲ΔＶｎの曲線Ｗ１のような波形となる。表示制御回路１０は、波形処理部９から提供される統計処理された波形を表示メモリ１１に記憶すると共に、表示部１０１に曲線Ｗ１を表示する。

このように入力信号を統計処理して、細かなノイズを含まない波形を表示することができる。ノイズが少ないデジタルオシロスコープとしては、サンプリングオシロ(周期のある波形を、一定時間で電圧をサンプルして表示させるオシロスコープ)があるが、これと同様にノイズの少ない波形を、リアルタイムオシロスコープ（本願が適用されるオシロスコープ）でも実現することができる。尚、ステップ００２のように、次のＭパターンを採取して統計処理を行う場合、以前に求めたσを計算に入れて処理することにより、表示される波形の連続性が維持される。

表示制御回路１０は、波形重ね合わせ回路１０ａを有している。波形重ね合わせ回路１０ａは、互いに異なる入力繰り返し波形を前述したように統計処理して得られる２つの波形を表示メモリ１１に記憶すると共に、２つの波形を重ねて表示部１１に表示する。

図１０は波形重ね合わせ回路１０ａにより、重ねて表示された２つの統計処理された波形Ｗ２及びＷ３の例を示す。このように統計処理された波形を重ねることにより、２つの波形の測定値分布の違いが明確となる。

また表示制御回路１０は、度数分布表示部１０ｂを有している。度数分布表示部１０ｂは、測定値の度数（頻度）に応じて色を変えて表示する。例えば図９に示すように、平均値μを中心としてσの範囲を赤、σ〜２σの範囲を緑、２σ〜４σの範囲を青で表示する。このように表示することで、測定値の分布がより分かりやすくなる。尚、σ、２σ等の値（電圧範囲）は演算部６の演算により求められる値である。

更に表示制御回路１０は、Ｅｙｅパターン表示部１０ｃを有している。Ｅｙｅパターン表示部１０ｃは、波形処理部９から提供される統計処理した波形をＥｙｅパターン表示する。図４に示したような波形信号をＥｙｅパターン表示した例を図１１に示す。このようにＥｙｅパターン表示する場合でも、前述のように統計処理した波形を用いることで、測定値の分布を明確に表すことができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、測定した繰り返し信号に関して、３σや６σの範囲を表示することにより、ノイズの表示が抑えられ、波形の善し悪しが容易に判断できるようになる。また、互いに異なる複数の信号波形を見比べ、その違いを容易に判断することができる。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができる。

本発明が適用されるデジタルオシロスコープ１００を用いた評価システムの構成を示す図である。 オシロスコープ１００の概略構成を示すブロック図である。 図１の回路基板３０の電源をＯＦＦ状態とし、入力信号波形を表示した様子を示す図である。 デジタル信号として出力された２進７ビットデータの繰り返し信号波形を、入力信号Ｖｉとしてサンプルした例を示す図である。 図５（ａ）は図４の繰り返し波形を、時間軸を拡大して初期波形のみを示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）の波形に基づいて、本発明の１実施形態に係る統計処理を行って得られる波形の例を示す図である。 本発明の１実施形態に係るオシロスコープ１００の動作を示すフローチャートである。 図５（ａ）のような波形をサンプルして求めた測定値の例を示す図である。 標準偏差を求める処理を説明するための図である。 サンプル時刻ｔｎでのサンプル値の分布（正規分布曲線）を示す図である。 波形重ね合わせ回路１０ａにより、重ねて表示された２つの統計処理された波形Ｗ２及びＷ３の例を示す図である。 図４に示したような波形信号をＥｙｅパターン表示した例を示す図である。

符号の説明

１…入力アンプ、２…アナログ・デジタル変換回路、３…トリガ回路、４…測定値処理回路、５…測定値メモリ、６…演算部、７…ＣＰＵ、８…操作部、９…波形処理部、１０…表示制御回路、１１…表示メモリ、１２…表示部。

Claims (11)

1. 繰り返しパターンの入力信号をサンプルしてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、
   前記Ａ／Ｄ変換手段により変換された所定数の繰り返しパターンの測定値を記録する手段と、
   前記所定数の繰り返しパターンにおいて、対応する所定間隔のサンプル時刻における測定値の標準偏差を演算する演算手段と、
   前記演算手段により求められた各サンプル時刻における標準偏差を用いて、前記入力信号に対応する波形を生成する生成手段と、
   前記生成手段により生成された波形を表示する表示手段と、
   を具備することを特徴とするデジタルオシロスコープ。
2. 前記生成手段は、前記演算手段により演算された標準偏差をσとすると、前記所定間隔のサンプル時刻における前記測定値の平均値を中心にして、σに基づく電圧幅を有する曲線を、前記入力信号を統計処理した波形として提供することを特徴とする請求項1記載のデジタルオシロスコープ。
3. 前記表示手段は、前記生成手段により提供される前記統計処理した波形を記憶し、互いに異なる時間に記憶した２つの波形を重ねて表示することを特徴とする請求項２記載のデジタルオシロスコープ。
4. 前記表示手段は、前記生成手段により提供される前記統計処理した波形をＥｙｅパターン表示する手段を有することを特徴とする請求項２記載のデジタルオシロスコープ。
5. 前記演算手段は前記サンプル時刻における測定値の少なくとも２つの度数分布範囲を示す信号を提供し、
   生成手段は、前記２つの度数分布範囲を示す波形を生成し、
   前記表示手段は、前記２つの度数分布範囲を示す波形を互いに異なる色で表示する。
6. 繰り返しパターンの入力信号をサンプルしてＡ／Ｄ変換するステップと、
   前記Ａ／Ｄ変換された所定数の繰り返しパターンの測定値を記録するステップと、
   前記所定数の繰り返しパターンにおいて、対応する所定間隔のサンプル時刻における測定値の標準偏差を演算するステップと、
   各サンプル時刻における前記標準偏差を用いて、前記入力信号に対応する波形を生成するステップと、
   前記生成された波形を表示するステップと、
   を具備することを特徴とする信号表示方法。
7. 前記生成するステップは、前記演算された標準偏差をσとすると、前記所定間隔のサンプル時刻における前記測定値の平均値を中心にして、σに基づく電圧幅を有する曲線を、前記入力信号を統計処理した波形として提供することを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記表示するステップは、前記統計処理した波形を記憶し、互いに異なる時間に記憶した２つの波形を重ねて表示することを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 繰り返しパターンの入力信号をサンプルしてＡ／Ｄ変換するステップと、
   前記Ａ／Ｄ変換された所定数の繰り返しパターンの測定値を記録するステップと、
   前記所定数の繰り返しパターンにおいて、対応する所定間隔のサンプル時刻における測定値の標準偏差を演算するステップと、
   各サンプル時刻における前記標準偏差を用いて、前記入力信号に対応する波形を生成するステップと、
   前記生成された波形を表示するステップと、
   を具備することを特徴とする信号表示プログラム。
10. 前記生成するステップは、前記演算された標準偏差をσとすると、前記所定間隔のサンプル時刻における前記測定値の平均値を中心にして、σに基づく電圧幅を有する曲線を、前記入力信号を統計処理した波形として提供することを特徴とする請求項６記載のプログラム。
11. 前記表示するステップは、前記統計処理した波形を記憶し、互いに異なる時間に記憶した２つの波形を重ねて表示することを特徴とする請求項１０記載のプログラム。

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