JP2015040858A - プローブ及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アース・グラウンドから直流的にアイソレートした上で、ＤＭＭやＤＶＭのような測定機能を従来のオシロスコープ電圧プローブに組み合わせる。
【解決手段】プローブ２００には、ＡＤＣ２０６を有し、被試験デバイス１０２からの信号を測定し、信号のデジタル測定値を求めるＤＭＭ又はＤＶＭ１０４がある。コントローラ２０８は、ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４からのデジタル測定値を受ける。デジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０は、コントローラ２０８と双方向通信が可能となっている。デジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０は、コミュニケーション・リンク１１０及び第２コントローラ１０６を介して試験測定装置に接続され、デジタル測定値が試験測定装置の表示装置上で表示される。
【選択図】図２

Description

本発明は、好ましくは、デジタル・マルチメータ、デジタル・ボルトメータも含めた、オシロスコープのような試験測定装置の如き機器に用いられ、アース・グラウンドから直流的にアイソレートされた測定値を提供可能なプローブ及び試験測定システムに関する。

デジタル・マルチメータ（ＤＭＭ）及びデジタル・ボルトメータ（ＤＶＭ）は、試験測定装置、プローブ、アクセサリと共に、広く使用されている。試験測定装置は、例えば、オシロスコープとしても良い。オシロスコープは、回路がどのように動作しているかについて、時間を単位とする視覚的イメージを提供する。従来、オシロスコープでは、電圧測定の精度と分解能（垂直分解能は、典型的には８ビット〜９ビット程度）に限界があり、また、電圧測定は、典型的にはグラウンドを基準とする測定である。一方、ＤＭＭ及びＤＶＭは、アース・グラウンドから直流的にアイソレート（フローティングとも呼ばれる）された、極めて正確で、高分解能の測定値を提供できる。例えば、米国ケースレーインスツルメンツ社は、２８ビットのアナログ・デジタル・コンバータを採用して８.５桁の測定を行い、測定値をデジタルの数値で表示する２００２型デジタル・マルチメータを販売している（非特許文献３）。

特開２０１０−１３３７９８号公報

「絶縁 (電気)」の記事、Wikipedia（日本版）、特に英語のinsulationとisolationの違いについて、［オンライン］、［２０１４年８月８日検索］、インターネット<http://ja.wikipedia.org/wiki/絶縁 (電気)> 「DMM（デジタル・マルチメータ）」のサイト、ケースレーインスツルメンツ社、［オンライン］、［２０１４年８月８日検索］、インターネット<http://www.keithley.jp/products/dcac/dmm> 「2002型高性能8-1/2桁デジタルマルチメータ」のサイト、ケースレーインスツルメンツ社、［オンライン］、［２０１４年８月８日検索］、インターネット<http://www.keithley.jp/products/dcac/dmm/highper/?mn=2002>

ＤＭＭ及びＤＶＭによる測定機能をオシロスコープに取込み、正確な電圧測定値を得ようする試みが行われてきている。しかし、こうした試みは、次のような制限があった。即ち、被測定デバイスに接続された追加のプローブ・セットを用意するか、又は、ＤＶＭ機能をオシロスコープ自身に組み込む必要があり、また、グラウンド基準の測定しか行えず、よって、プローブのＤＣ性能（ノイズ、オフセット）の面で限界があり、そして、オシロスコープでは測定の分解能が十分ではなかった。

アース・グラウンドから直流的にアイソレートした上で、ＤＭＭやＤＶＭのような測定機能を従来のオシロスコープ電圧プローブに組み合わせることができれば、過去の試みの限界を克服した使いやすい解決法を提供できるであろう。これは、特に、グラウンドを基準としない（つまり、フローティング）電圧測定を行うユーザにとって有益なものとなろう。

本発明の１つの実施形態としては、試験測定装置と共に用いるプローブが挙げられる。このプローブには、被試験デバイスからの信号を測定し、この信号のデジタル測定値を定めるアナログ・デジタル・コンバータを有するデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータと、このデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータに接続され、デジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータからのデジタル測定値を受けるコントローラと、このコントローラに接続され、コントローラと通信するデジタル・コミュニケーション・インタフェースと、このデジタル・コミュニケーション・インタフェースに接続され、試験測定装置と通信するためのコミュニケーション・リンクとを有している。

本発明の別の実施形態としては、試験測定システムが挙げられる。このシステムにはプローブがあり、このプローブには、被試験デバイスからの信号を測定し、この信号のデジタル測定値を定めるアナログ・デジタル・コンバータを有するデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータと、このデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータに接続され、デジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータからのデジタル測定値を受けるコントローラと、このコントローラに接続され、コントローラと通信するデジタル・コミュニケーション・インタフェースと、このデジタル・コミュニケーション・インタフェースに接続されたコミュニケーション・リンクとを有している。システムには、更に、コミュニケーション・リンクとオシロスコープに接続された第２コントローラもあり、このとき、オシロスコープは、第２コントローラとコミュニケーション・リンクを介してプローブに接続されている。

本発明の更に別の実施形態としては、オシロスコープと共にプローブを使用する方法が挙げられる。この方法には、被試験デバイスからの信号をプローブで測定する処理と、プローブ内に設けられたアナログ・デジタル・コンバータを有するデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータを用いて信号のデジタル測定値を定める処理と、プローブ内の第１コントローラで上記デジタル測定値を受ける処理と、第１コントローラからの上記デジタル測定値をプローブ内のデジタル・コミュニケーション・インタフェースへと送る処理と、デジタル・コミュニケーション・インタフェースからの上記デジタル測定値をコミュニケーション・リンクを介して第２コントローラへと送る処理とがある。

本発明の概念１は、試験測定装置と共に用いるプローブであって、
アナログ・デジタル・コンバータを有し、被試験デバイスから信号を受けて、該信号からデジタル測定値を定めるデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータと、
上記デジタル・マルチメータ又は上記デジタル・ボルトメータに接続され、上記デジタル・マルチメータ又は上記デジタル・ボルトメータからの上記デジタル測定値を受けるコントローラと、
上記コントローラに接続されて上記コントローラと通信を行うデジタル・コミュニケーション・インタフェースと、
上記デジタル・コミュニケーション・インタフェースに接続され、上記試験測定装置と通信するためのコミュニケーション・リンクと
を具えている。

本発明の概念２は、上記概念１のプローブであって、
上記被試験デバイスに接続され、上記被試験デバイスからの上記信号を受けて処理する高帯域幅回路と、
上記高帯域幅回路及び上記コミュニケーション・リンクに接続されるアナログ信号インタフェースと
を更に具えている。

本発明の概念３は、上記概念１のプローブであって、このとき、上記コミュニケーション・リンクが光ファイバ、導体、無線コミュニケーション・リンク又はＲＦ（無線周波数）コミュニケーション・リンクであることを特徴としている。

本発明の概念４は、上記概念３のプローブであって、このとき、上記コミュニケーション・リンクが光ファイバであることを特徴としている。

本発明の概念５は、上記概念１のプローブであって、上記コントローラとコミュニケーション・リンクが双方向通信可能なことを特徴としている。

本発明の概念６は、上記概念１のプローブであって、上記プローブがセンサ又はトランスデューサであることを特徴としている。

本発明の概念７は、試験測定システムであって、
上記概念１〜６のいずれかに記載のプローブと、
上記コミュニケーション・リンクに接続された第２コントローラとを具え、
上記試験測定装置（例えば、オシロスコープ）が上記コミュニケーション・リンクを通して上記第２コントローラに接続されている。

本発明の概念８は、上記概念７の試験測定システムであって、
上記第２コントローラは、上記デジタル・コミュニケーション・インタフェースと通信して上記デジタル測定値を受けると共に、上記アナログ信号インタフェースと通信して上記高帯域幅回路からのアナログ信号を受けることを特徴としている。

本発明の概念９は、プローブを試験測定装置と共に使用する方法であって、
上記プローブ内に配置されたアナログ・デジタル・コンバータを有するデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータを用いて被試験デバイスからの信号のデジタル測定値を定める処理と、
上記プローブ内の第１コントローラで上記デジタル測定値を受ける処理と、
上記第１コントローラから上記プローブ内のデジタル・コミュニケーション・インタフェースへ上記デジタル測定値を送る処理と、
上記デジタル・コミュニケーション・インタフェースからコミュニケーション・リンクを介して第２コントローラへ上記デジタル測定値を送る処理と
を具えている。

本発明の概念１０は、上記概念９の方法であって、
上記プローブ内の高帯域幅回路により、被試験デバイスからの信号を処理する処理と、
処理された上記信号を上記プローブ内のアナログ信号インタフェースで受ける処理と
を更に具えている。

本発明の概念１１は、上記概念１０の方法であって、
上記デジタル測定値又は処理された上記信号をコミュニケーション・リンク及び上記第２コントローラを介して上記試験測定装置に送る処理と、
上記デジタル測定値又は処理された上記信号を上記試験測定装置の表示装置上で表示する処理と
を更に具えている。

本発明の概念１２は、上記概念１０の方法であって、このとき、上記コミュニケーション・リンクが光ファイバ、導体、無線コミュニケーション・リンク又はＲＦ（無線周波数）コミュニケーション・リンクであることを特徴としている。

本発明の上述及びその他の目的、効果及び他の新規な点は、以下の本発明の実施形態の詳細な説明を添付の特許請求の範囲及び図面とともに読むことによって明らかとなろう。

図１は、試験測定システムのハイレベル・ブロック図である。 図２は、本発明の実施形態によるプローブのブロック図である。 図３は、本発明の別の実施形態によるプローブのブロック図である。

以下の図面では、類似又は対応する要素には、同じ符号を付して説明する。なお、これら図面は、必ずしも同じ縮尺ではない。

図１は、プローブ１００を用いた試験測定システムのハイレベルブロック図である。プローブ１００内には、ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４が組み込まれている。最初に、プローブ１００が被試験デバイス（ＤＵＴ）１０２からの信号を受け、これがＤＭＭ又はＤＶＭ１０４によって測定される。ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４による測定値は、続いて、コミュニケーション・リンク１１０を介してコントローラ１０６に送られる（詳しくは後述）。最後に、コントローラ１０６が、オシロスコープ１０８に接続され、オシロスコープ１０８の表示装置（図示せず）上で測定値を表示する。単一のプローブを用いて、高精度デジタル測定値をオシロスコープ上で表示することもできるし、従来のアナログ測定を表示することもできる。これに代えて、表示されるアナログ測定をアクティブに補償するのに高精度デジタル測定値を利用しても良い。プローブ１００は、後述するプローブ２００又はプローブ３００としても良い。

図２は、プローブ２００の構成要素を示し、これは、実施形態にもよるが、最終的には、オシロスコープ１０８のような試験測定装置に接続される。図２に示すように、プローブ２００には２つのパスがある。第１パスは、ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４を通過する、高精度で、低速なデジタル・パスである。第２パスは、高帯域幅回路２０２を通過する高帯域幅パスであり、従来同様にオシロスコープに測定値を提供する。

プローブ２００が信号２０４を受けると、この信号は、高精度デジタル・パスのＤＭＭ又はＤＶＭ１０４と、高帯域幅パスの高帯域幅回路２０２の両方で検知される。これらパスについては、後ほど、更に詳しく説明する。信号２０４は、差動信号としても良い。

高精度デジタル・パスから説明すると、ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４が信号２０４を受けて処理する。ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４は、適切な信号調整回路（図示せず）と、これに続くアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）２０６とを有している。信号２０４は、ＡＤＣ２０６によってデジタル信号に変換される前に、信号調整回路を通過する。信号調整回路は、例えば、差動増幅器を含んでいても良い。デジタル化測定値は、次にコントローラ２０８へと送られる。

コントローラ２０８は、ＡＤＣ２０６に加えて、デジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０とも通信する。デジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０は、コミュニケーション・リンク１１０を介して、コントローラ２０８とコントローラ１０６との間のインタフェースとして機能する。ＡＤＣ２０６は、デジタル化測定値をコントローラ２０８へ送る。コントローラ２０８は、デジタル化測定値をデジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０へ送る。

次に高帯域幅パスを説明すると、ＤＵＴ１０２からの信号２０４は、高帯域幅回路２０２に入る。高帯域幅回路２０２の出力信号は、アナログ信号インタフェース２１２へと送られ、これは、コミュニケーション・リンク１１０を介してコントローラ１０６に接続される。高帯域幅回路２０２は、例えば、差動増幅器を含んでいても良い。差動増幅器は、差動の関係にある１対の入力信号線からの１対の信号２０４を受けて、これら１対の信号２０４がそれぞれ含むコモン・モード電圧がキャンセルされたアナログ信号を生成する処理を行う。よって、これら１対の信号２０４のコモン・モード・電圧上に重畳している信号成分のみがアナログ出力信号として得られる。

コントローラ１０６は、オシロスコープに接続され、高精度デジタル・パスからのデジタル測定値又は高帯域幅パスからのアナログ信号がオシロスコープに供給され、オシロスコープの表示装置上でそれぞれに適切な形で表示される。即ち、例えば、デジタル測定値は数値として表示され、アナログ信号はサンプリングされて波形として表示されても良い。当業者には周知のように、オシロスコープ１０８には入力ボタン（図示せず）があり、これによって、デジタル測定値やアナログ信号を適切な形で表示するための所望のパラメータを指定できる。

コントローラ１０６は、デジタル出力端子２１４からデジタル測定値をオシロスコープ１０８に送るか、又は、アナログ出力端子２１６からアナログ信号をオシロスコープ１０８に送る。また、コントローラ１０６は、オシロスコープでユーザが入力した設定レンジ及びパラメータに応じて、出力信号の振幅などを調整できる。

プローブ１００〜３００によれば、ＤＵＴ１０２に対して１つのプローブを使うだけで、高精度デジタル・パスを通してデジタル化した高精度測定値を受けたり、高帯域幅パスを通してアナログ信号を受けることができる。ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４がプローブ内に配置され、コントローラ２０８によって直接制御されると共に、コントローラ１０６によって間接的に制御されているため、プローブのＤＭＭ又はＤＶＭ１０４の機能は、オシロスコープとアース・グラウンドから直流的にアイソレート（フローティング）されている。

コミュニケーション・リンク１１０は、導体、又は、好ましくは、光ファイバとしても良い。また、コミュニケーション・リンク１１０は、無線又は無線周波数（ＲＦ）のコミュニケーション・リンクとしても良い。光ファイバ・コミュニケーション・リンクによれば、接続されている試験測定装置に対して完全な直流アイソレーションを実現でき、結果として、アース・グラウンドからの完全な直流アイソレーションも実現できる。更に、光ファイバ・コミュニケーション・リンク１１０の長さを長くするほど、アース・グラウンドから見て更に高くしたコモン・モード電圧にプローブ２００を接続可能となる。

他の実施形態としては、図３に示すプローブ３００のように、コントローラ１０６及びアース・グラウンドから直流的にアイソレートされた高精度デジタル・パスだけを有するとしても良い。例えば、図３では、ＤＵＴ１０２からの信号３０２が測定されるときには、ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４によって信号３０２が検知される。ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４は、図２に関して説明したものと同じ機能を有している。例えば、ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４によって信号３０２が検知されると、ＤＭＭ又はＤＶＭ１０４及びＡＤＣ２０６によって信号３０２が処理され、デジタル化測定値が生成される。デジタル化測定値は、デジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０と相互に通信を行うコントローラ２０８へと送られる。

図２に示した実施形態と同様に、デジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０は、コントローラ２０８と双方向通信可能となっており、図２に示した実施形態で説明したものと同じ機能を提供する。デジタル・コミュニケーション・インタフェース２１０は、コミュニケーション・リンク１１０及びコントローラ１０６にも接続される。コントローラ１０６からの出力信号は、図２に関して説明したように、オシロスコープのような試験測定装置へ送られる。

当業者には明かなように、プローブ１００〜３００は、どのような形式のプローブ、センサー、又はトランスデューサ（transducer：変換器、電圧変換器など）でも良い。上述したプローブでは、スタンドアロン（単独型）デバイスを示したが、プローブ１００〜３００は、他のデバイスへと組み込んだものでも良い。

本発明によるプローブは、プローブと、プローブに接続されたオシロスコープのような試験装置間の完全な直流アイソレーションを実現できる。光ファイバ・コミュニケーション・リンクをアイソレーション・バリアとして利用すれば、このバリア間を跨いだ結合は大変小さくなり、直流（ＤＣ）から非常に高い帯域幅まで、高い同相分除去（common-mode rejection）を実現可能となる。これによって、ユーザは、グラウンドを基準としない測定が可能となり、また、測定の精度と信号忠実度を悪化させるグラウンド・ループの形成を進展させる循環電流が生じる可能性をなくすことができる。本発明によるプローブによれば、大きなコモン・モード電圧の上に乗った信号を測定できる。

好ましい実施形態を参照しながら本発明の原理を説明及び図示してきたが、こうした原理から離れることなく、図示した実施形態の構成や詳細を変更したり、望ましい形態に組み合わせても良いことが理解できよう。例えば、オシロスコープの如き試験測定装置から、コントローラ１０６やコミュニケーション・リンク１１０を介して、プローブに電力を供給することによって、図示したプローブ内の回路を動作させるようにしても良い。

１００ プローブ
１０２ 被測定デバイス（ＤＵＴ）
１０４ ＤＭＭ又はＤＶＭ
１０６ コントローラ
１０８ オシロスコープ
１１０ コミュニケーション・リンク
２００ プローブ
２０２ 高帯域幅回路
２０４ ＤＵＴからの信号
２０６ ＡＤＣ
２０８ コントローラ
２１０ デジタル・コミュニケーション・インタフェース
２１４ デジタル出力端子
２１６ アナログ出力端子
３００ プローブ
３０２ ＤＵＴからの信号

Claims (7)

1. 試験測定装置と共に用いるプローブであって、
   アナログ・デジタル・コンバータを有し、被試験デバイスから信号を受けて、該信号のデジタル測定値を定めるデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータと、
   上記デジタル・マルチメータ又は上記デジタル・ボルトメータに接続され、上記デジタル・マルチメータ又は上記デジタル・ボルトメータからの上記デジタル測定値を受けるコントローラと、
   上記コントローラに接続されて上記コントローラと通信を行うデジタル・コミュニケーション・インタフェースと、
   上記デジタル・コミュニケーション・インタフェースに接続され、上記試験測定装置と通信するためのコミュニケーション・リンクと
   を具えるプローブ。
2. 上記被試験デバイスに接続され、上記被試験デバイスからの上記信号を受けて処理する高帯域幅回路と、
   上記高帯域幅回路及び上記コミュニケーション・リンクに接続されるアナログ信号インタフェースと
   を更に具える請求項１記載のプローブ。
3. 請求項１又は２記載のプローブと、
   上記コミュニケーション・リンクに接続された第２コントローラとを具え、
   上記試験測定装置が上記第２コントローラ及び上記コミュニケーション・リンクを通して上記プローブに接続される試験測定システム。
4. 請求項２記載のプローブと、
   上記コミュニケーション・リンクに接続された第２コントローラとを具え、
   上記第２コントローラは、上記デジタル・コミュニケーション・インタフェースと通信して上記デジタル測定値を受けると共に上記アナログ信号インタフェースと通信して上記高帯域幅回路からのアナログ信号を受け、
   上記試験測定装置が上記第２コントローラ及び上記コミュニケーション・リンクを通して上記プローブに接続される試験測定システム。
5. プローブを試験測定装置と共に使用する方法であって、
   被試験デバイスからの信号をプローブで受ける処理と、
   上記プローブ内に配置されたアナログ・デジタル・コンバータを有するデジタル・マルチメータ又はデジタル・ボルトメータを用いて上記信号のデジタル測定値を定める処理と、
   上記プローブ内の第１コントローラで上記デジタル測定値を受ける処理と、
   上記第１コントローラから上記プローブ内のデジタル・コミュニケーション・インタフェースへ上記デジタル測定値を送る処理と、
   上記デジタル・コミュニケーション・インタフェースからコミュニケーション・リンクを介して第２コントローラへ上記デジタル測定値を送る処理と
   を具える方法。
6. 上記プローブ内の高帯域幅回路で上記被試験デバイスからの上記信号を受けて、上記被試験デバイスからの上記信号を処理する処理と、
   処理された上記信号を上記プローブ内のアナログ信号インタフェースで受ける処理と
   を更に具える請求項５記載の方法。
7. 上記デジタル測定値又は処理された上記信号をコミュニケーション・リンク及び上記第２コントローラを介して上記試験測定装置に送る処理と、
   上記デジタル測定値又は処理された上記信号を上記試験測定装置の表示装置上で表示する処理と
   を更に具える請求項６記載の方法。

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