JP2019158512A - サンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オートスケール処理に要する処理時間を短縮する。【解決手段】サンプリングオシロスコープ１は、被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するものであり、光信号の消光比を設定する消光比設定手段２と、光信号を電気信号に変換する光電変換器３と、光電変換器３に流れる電流値を検出する電流検出手段７と、電流検出手段７にて検出された電流値から光信号の平均値を算出し、算出した平均値と消光比設定手段２にて設定された消光比に基づいて消光比の比率を示すＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを算出するパラメータ算出手段８と、パラメータ算出手段８にて算出された光信号の平均値、Ｏｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルに基づいて表示画面の縦軸をスケーリング調整する表示制御手段１０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定信号としての光信号をサンプリングして波形を表示するサンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法に関する。

オシロスコープは、従来より研究開発（Ｒ＆Ｄ）から製造工程と広く用いられている。そして、オシロスコープの機能の一つであるオートスケール処理は、特に評価波形を適切なスケール表示に自動的に設定する機能として非常に高頻度で用いられる。

ところで、オートスケール処理は、機能としてあらゆるケースを想定して実装されていることが多く、計測器内部で複数のケースを想定した処理が施されることがあり、一般論として計算コストが多い処理である。そのため、ユーザとしては、理想的にはオートスケール処理を実行せずに測定を行なうことで処理時間の短縮を図りたいという要求がある。特にタクトタイムが重要視される工程では、オートスケール処理を実行しないことで多くの処理時間が短縮できる恩恵は大きい。

しかしながら、オシロスコープのうち特にサンプリングオシロスコープは、解析において画像に対する統計処理を用いるため、スケールが適切かどうかが測定精度に影響を与えること、また特に光モジュール製造においては、ＤＵＴから発光される光出力パワーは同一品名であっても大きな幅を持つことから、オートスケール処理を全く実行せずに固定スケールで製造検査を行うことにはリスクがある。

そのため、高速に適切なスケーリングを実現するオートスケール処理は、特にサンプリングオシロスコープにおいて機器の性能の一つとして重要な指標となり、各社高速化に努めている。

ところで、一般的にオートスケール処理を行なうためには、被測定信号の最大値、最小値および平均値から設定すべき縦軸（Ｙ軸）のスケール値を求めることが多い。例えば下記特許文献１には、サンプルの最大値と最小値とを決定するためのピーク検出手段を備えたデジタル・オシロスコープが開示されている。

そして、オートスケール処理において、被測定信号の最大値、最小値および平均値を求めるためには実際に被測定信号をサンプリングする必要がある。このため、機器内部のサンプラ回路を駆動し、一定期間だけ波形をサンプリングし、サンプリングしたデータに対してピークサーチおよび平均計算を行って被測定信号の最大値、最小値、平均値を求める。しかし、これだけでは縦軸（Ｙ軸）のスケール情報しか得られない。このため、その後、さらに追加サンプリングを行い、波形の形を含めて横軸（Ｘ軸）のスケール情報および位相オフセットを求め、オートスケール処理を完了する。

特開平０５−１９６６４７号公報

しかしながら、上述したオートスケール処理において、最初の縦軸（Ｙ軸）のスケール値を求めるためには、サンプラ回路を適切な状態で駆動する必要がある。例えばＩＦ回路のゲインを適切な設定に変更する必要がある。このため、ハードウェアの状態を振りながら測定するといった処理が必要であり、処理に時間がかかるという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、従来よりもオートスケール処理に要する処理時間を短縮することができるサンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載されたサンプリングオシロスコープは、被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ１において、
前記光信号の消光比を設定する消光比設定手段２と、
前記光信号を電気信号に変換する光電変換器３と、
前記光電変換器に流れる電流値を検出する電流検出手段７と、
前記電流検出手段にて検出された電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比設定手段にて設定された消光比に基づいて該消光比の比率を示すＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを算出するパラメータ算出手段８と、
前記パラメータ算出手段にて算出された前記光信号の平均値、Ｏｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整する表示制御手段１０とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載されたサンプリングオシロスコープを用いた自動スケール方法は、被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ１を用いた自動スケール方法において、
前記光信号の消光比を設定するステップと、
前記光信号を光電変換器にて電気信号に変換するステップと、
前記光電変換器に流れる電流値を検出するステップと、
前記電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比に基づいて該消光比の比率を示すＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを算出するステップと、
前記光信号の平均値、Ｏｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整するステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、オートスケール処理において表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整に要する処理時間を短縮することができる。

本発明に係るサンプリングオシロスコープの概略構成を示すブロック図である。 図１におけるトリガ生成回路の内部構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整後のアイ波形の一例を示す図、（ｂ），（ｃ）表示画面の横軸（Ｘ軸）方向の位相を調整するためのクロッシング座標の測定に関する説明図、（ｄ）表示画面の縦軸（Ｙ軸）および横軸（Ｘ軸）のスケーリング調整後のアイ波形の一例を示す図である。 本発明に係るサンプリングオシロスコープの自動スケール方法のフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

［本発明の概要について］
被測定信号が光信号の場合、光電変換器のフォトダイオードに流れる電流値を測定することにより、入力光信号の平均値をサンプラ回路を用いないで測定が可能である。

また、被測定信号が製造検査で用いられることを想定すると、被測定信号に想定される消光比パラメータが設計値として存在するはずである。消光比は、Ｏｎｅ／Ｚｅｒｏレベルの比率で表現される。このため、既に光電変換器のフォトダイオードに流れる電流値から既知となった被測定信号の平均値と消光比が与えられれば、一般的に製造装置では被測定信号のマーク率が１／２であるため、Ｏｎｅ／Ｚｅｒｏレベルといった縦軸（Ｙ軸）のスケールを測定推定することができる。

そこで、本発明では、被測定信号としての光信号に想定される消光比を設定し、光電変換器のフォトダイオードに流れる電流値を測定することにより、被測定信号の平均値、Ｏｎｅ／Ｚｅｒｏレベルを算出して光信号のオートスケール処理における縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整時間の短縮を実現する。

［サンプリングオシロスコープの構成について］
図１に示すように、本実施の形態のサンプリングオシロスコープ１は、被測定信号としての光信号の波形を表示するものであり、表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整に要する処理時間の短縮を図ったオートスケール処理を実現するため、消光比設定手段２、光電変換器（Ｏ／Ｅ）３、トリガ生成回路４、サンプラ５、クロッシング座標測定手段６、電流検出手段７、パラメータ算出手段８、切替手段９、表示制御手段１０、表示手段１１を備えて概略構成される。

消光比設定手段２は、被測定信号としての光信号のＯｎｅレベル（１レベル）とＺｅｒｏレベル（０レベル）の比率として表現される消光比を設定する。

光電変換器（Ｏ／Ｅ）３は、例えば光検出器としてのフォトダイオードを備え、外部から入力される被測定信号としての光信号を電気信号に変換する。

トリガ生成回路４は、サンプラ５が動作するサンプリングタイミングとして用いられるストローブ信号を生成する。

さらに説明すると、トリガ生成回路４は、図２に示すように、例えば、周波数変換部２１、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（以下、ＤＤＳと略称する）２２、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと略称する）２３、増幅器２４、可変分周器２５を含んで構成される。

周波数変換部２１は、トリガ生成回路４の初段に位置し、可変分周器２１ａと周波数逓倍回路２１ｂを備え、次段に位置するＤＤＳ２２が動作可能な入力周波数範囲（１．２５ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚのオクターブ（２倍）の範囲）に外部から供給されるトリガクロック（例えば矩形波や正弦波）の周波数を変換する。

尚、周波数変換部２１は、ＤＤＳ２２の動作周波数範囲がオクターブ（２倍）の範囲であれば、可変分周器２１ａの分周比及び周波数逓倍回路２１ｂの逓倍比が２のべき乗で対応可能となる。また、周波数変換部２１は、ＤＤＳ２２が動作可能な入力周波数範囲のトリガクロックが外部から入力される場合には省略することができる。この場合、外部からトリガクロックがＤＤＳ２２に直接入力される。

ＤＤＳ２２は、周波数変換部２１の次段に接続され、リファレンスクロック発生器、位相アキュムレータ、波形データを記憶するＲＯＭ、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）を備えて構成される。

ＤＤＳ２２は、周波数変換部２１にて動作周波数範囲に入力周波数が調整され、周波数変換部２１にて周波数変換されたトリガクロックから、任意の波形や周波数（出力周波数）をデジタル的に生成する。

ＢＰＦ２３は、ＤＤＳ２２の次段に接続され、スプリアスを除去するため、ＤＤＳ２２から出力されるトリガクロックの通過帯域を制限する。

増幅器２４は、ローノイズアンプで構成され、ＢＰＦ２３にて帯域制限されたトリガクロックの振幅を増幅する。

可変分周器２５は、増幅器２４の次段に接続され、分周比が可変設定可能（例えば２〜１／２³¹）であり、サンプラ５のサンプリングタイミングを生成するためにトリガ回路３の最終段に設けられる。可変分周器２５は、ＢＰＦ２３を通過して増幅器２４にて増幅されたトリガクロックの周波数を、サンプラ５が動作可能な周波数範囲に調整する。

ここで、サンプラ５が駆動可能なサンプリングタイミングの周期（ストローブ周期）は一般的にｋＨｚオーダとなり、ＤＤＳ２２とＢＰＦ２３の出力周波数にてサンプラ５を直接駆動することは現実的ではない。そのため、最終段の可変分周器２５は、ＢＰＦ２３を通過したトリガクロックをサンプラ５が駆動可能な周波数まで周波数を分周し、サンプラ５のサンプリングタイミングとなるストローブ信号を出力する。

サンプラ５は、トリガ生成回路４にて生成されるストローブ信号をサンプリングタイミングとして例えば数百ｋＨｚでスイッチング動作（閉状態：例えば１０〜１００ｐｓｅｃ）し、光電変換器３にて電気信号に変換された被測定信号をサンプリングする。

クロッシング座標測定手段６は、横軸（Ｘ軸）方向の位相を調整するためのクロッシング座標を測定する。測定したクロッシング座標は、切替手段９を介して表示制御手段１０に出力される。

電流検出手段７は、光電変換器３の後段に設けられ、光電変換器３が備えるフォトダイオードに流れる電流値を検出する。

パラメータ算出手段８は、縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整を行うために必要なパラメータとして、被測定信号の平均値、Ｏｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルを算出する。算出した被測定信号のＯｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベル、平均値は、切替手段９を介して表示制御手段１０に出力される。

さらに説明すると、パラメータ算出手段８は、電流検出手段７にて検出した電流値（Ａ／Ｄ変換した値）から被測定信号の平均値を算出する。また、パラメータ算出手段８は、算出した平均値と消光比設定手段２にて設定された消光比に基づいてＯｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルを算出する。具体的には、マーク率＝１／２として、消光比＝Ｏｎｅ／Ｚｅｒｏ…式（１）と、平均値＝（Ｏｎｅ＋Ｚｅｒｏ）×１／２…式（２）との連立方程式からＯｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルを算出する。

切替手段９は、表示手段１１の表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整を行なうときに、パラメータ算出手段８と表示制御手段１０を接続するように切替制御される。また、切替手段９は、表示手段１１の表示画面の横軸（Ｘ軸）のスケーリング調整および縦軸（Ｙ軸）の微調整を行なうときに、クロッシング座標測定手段６と表示制御手段１０を接続するように切替制御される。

表示制御手段１０は、サンプラ５からのサンプルデータに基づく被測定信号の波形を表示するように表示手段１１を制御する。

また、表示制御手段１０は、オートスケール処理として、パラメータ算出手段８にて算出した被測定信号のＯｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベル、平均値に基づいて表示手段１１の表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整を行なう。

さらに、表示制御手段１０は、オートスケール処理として、クロッシング座標測定手段６にて測定したクロッシング座標に基づいて表示手段１１の表示画面の横軸（Ｘ軸）のスケーリング調整を行なう。また、表示手段１１の表示画面に表示される画像よりヒストグラムを用いて統計的にＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを算出し、算出したＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを用いて表示画面の縦軸（Ｙ軸）の微調整を行なう。

表示手段１１は、例えば液晶表示器などで構成される。表示手段１１は、表示制御手段１０の制御により、サンプラ５にて得られるサンプルデータに基づく被測定信号の波形を表示画面上に表示する。

また、表示手段１１は、オートスケール処理として、表示制御手段１０の制御により、表示画面の縦軸（Ｙ軸）がスケーリング調整された後、横軸（Ｘ）がスケーリング調整される。また、必要に応じて表示画面の縦軸（Ｙ軸）が微調整される。

次に、上記のように構成されるサンプリングオシロスコープ１のオートスケール処理について図４を参照しながら説明する。

オートスケール処理を実行するにあたっては、消光比設定手段２にて消光比が予め設定される（ＳＴ１）。また、パラメータ算出手段８と表示制御手段１０を接続するように切替手段９を切替制御する。

そして、被測定信号としての光信号が光電変換器３に入力されると、光信号は光電変換器３にて電気信号に変換された後、トリガ生成回路４にて生成されたストローブ信号をサンプリングタイミングとしてサンプラ５にてサンプリングされる（ＳＴ２）。

その際、光電変換器３が備えるフォトダイオードに流れる電流値が電流検出手段７にて検出される（ＳＴ３）。また、パラメータ算出手段８は、電流検出手段７にて検出した電流値から被測定信号の平均値を算出し、算出した平均値と消光比設定手段２にて設定された消光比に基づいてＯｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルを算出する（ＳＴ４）。

そして、表示制御手段１０は、パラメータ算出手段８にて算出した被測定信号のＯｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベル、平均値に基づいて表示手段１１の表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整を行なう（ＳＴ５）。

この表示手段１１の表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整では、算出した被測定信号の平均値が縦軸（Ｙ軸）スケールのオフセットとなり、表示手段１１の表示画面の縦軸の中央値に設定される。また、算出したＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルの差分が観測信号の振幅となる。

具体的に、例えば図３（ａ）に示すように、表示手段１１の表示画面のフルスケールを１０マス全部の振幅とし、１０マス中５マスを用いて波形を描画する場合、観測信号の振幅はフルスケール／２となる。

したがって、フルスケール＝１０マス×１マス当たりの振幅値（Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）となるので、観測信号の振幅は（１０×Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）／２となる。これにより、１マス当たりの振幅値（Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）は、観測信号の振幅／５に設定される。なお、この縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整を終えた段階では、表示手段１１の表示画面の横軸（Ｘ軸）方向の位相がずれている。

そこで、表示手段１１の表示画面の横軸（Ｘ軸）のスケーリング調整を行なうため、クロッシング座標測定手段６と表示制御手段１０を接続するように切替手段９を切替制御する。

そして、クロッシング座標測定手段６は、横軸（Ｘ軸）方向の位相を調整するためのクロッシング座標を測定する。具体的には、最初に表示手段１１の表示画面左端の中央付近にサンプルデータが存在するか否かを確認する。そして、図３（ｂ）に示すように、表示画面左端にサンプルデータが存在しない場合は、表示画面左端から表示画面中央までの範囲（図３（ｂ）の点線で示す範囲）のヒストグラムの平均値によりクロッシング座標を測定する。これに対し、図３（ｃ）に示すように、表示画面左端にサンプルデータが存在する場合は、表示画面中央（図３（ｃ）の点線で示す２５〜７５％の範囲）のヒストグラムの平均値によりクロッシング座標を測定する（ＳＴ６）。

そして、表示制御手段１０は、クロッシング座標測定手段６にて測定したクロッシング座標に基づいて表示手段１１の表示画面の横軸（Ｘ軸）のスケーリング調整を行なう（ＳＴ７）。

この表示手段１１の表示画面の横軸（Ｘ軸）のスケーリング調整では、アイ波形のクロッシング座標が表示画面の特定エリア（２ＵＩの場合は、横軸（Ｘ軸）方向で２５％、７５％にクロッシングが来るのが適正）に来るので、測定したクロッシング座標が上記２５％または７５％の座標に来るように横軸（Ｘ軸）のオフセットを設定する（例えば図３（ｄ）の状態）。なお、アイ波形を表示する場合は、表示画面のＸ座標を２ＵＩ固定としてもよい。

また、表示手段１１の表示画面の縦軸（Ｙ軸）の微調整に関しては、アイ波形の場合、クロッシング＋０．５ＵＩがアイの開口中心と考えられるので、例えばアイの開口中心において、画像からヒストグラムを用いて統計的にＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを算出し、算出したＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルの差分を観測信号の振幅とする。そして、前述したように、表示手段１１の表示画面のフルスケールを１０マス全部の振幅とし、１０マス中５マスを用いて波形を描画する場合には、１マス当たりの振幅値（Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）を観測信号の振幅／５に設定して縦軸（Ｙ軸）を微調整する。

このように、本実施の形態によれば、サンプリングオシロスコープにおいて最も高頻度で用いられるオートスケール処理において表示画面の縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整に要する処理時間を短縮することができる。具体的に、例えばオートスケール処理全体で約２秒の処理のうち、縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整で４００ミリ秒程度の時間が短縮可能となり、従来より２０％程度処理の高速化が図れる。

また、測定対象物（ＤＵＴ）によってばらつくことが懸念される光出力パワーは、サンプリングオシロスコープ１で測定した上でスケーリング調整を行なうので、ユーザが固定スケールで実施した場合の懸念点も解消できる。

ところで、上述した実施の形態では、１チャネルの被測定信号をサンプリングして波形表示する場合のオートスケール処理を例にとって説明したが、複数チャネルの被測定信号をサンプリングし、それぞれの波形を同時表示又は切替表示する際のオートスケール処理に適用することもできる。この場合、チャネル数が増加するほど縦軸（Ｙ軸）のスケーリング調整に要する処理時間を短縮でき、オートスケール処理全体の高速化を図ることができる。

以上、本発明に係るサンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

１ サンプリングオシロスコープ
２ 消光比設定手段
３ 光電変換器（Ｏ／Ｅ）
４ トリガ生成回路
５ サンプラ
６ クロッシング座標測定手段
７ 電流検出手段
８ パラメータ算出手段
９ 切替手段
１０ 表示制御手段
１１ 表示手段
２１ 周波数変換部
２１ａ 可変分周器
２１ｂ 周波数逓倍回路
２２ ＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザ）
２３ ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
２４ 増幅器
２５ 可変分周器

Claims (2)

1. 被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ（１）において、
   前記光信号の消光比を設定する消光比設定手段（２）と、
   前記光信号を電気信号に変換する光電変換器（３）と、
   前記光電変換器に流れる電流値を検出する電流検出手段（７）と、
   前記電流検出手段にて検出された電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比設定手段にて設定された消光比に基づいて該消光比の比率を示すＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを算出するパラメータ算出手段（８）と、
   前記パラメータ算出手段にて算出された前記光信号の平均値、Ｏｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整する表示制御手段（１０）とを備えたことを特徴とするサンプリングオシロスコープ。
2. 被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ（１）を用いた自動スケール方法において、
   前記光信号の消光比を設定するステップと、
   前記光信号を光電変換器にて電気信号に変換するステップと、
   前記光電変換器に流れる電流値を検出するステップと、
   前記電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比に基づいて該消光比の比率を示すＯｎｅレベルとＺｅｒｏレベルを算出するステップと、
   前記光信号の平均値、Ｏｎｅレベル、Ｚｅｒｏレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整するステップとを含むことを特徴とするサンプリングオシロスコープを用いた自動スケール方法。