JP4204954B2 - 信号取込み装置、オシロスコープ及び信号取込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、信号取込み装置に関し、特に、絶縁された複数の入力チャネルを有する信号取込み装置及びオシロスコープ並びに信号取込み方法に関する。

最新の信号取込み装置は、典型的には、被取込み信号を受けるアナログ入力部分と、増幅器又はフィルタの如きアナログ処理器（プロセッサ）と、処理されたアナログ信号をデジタル化するデジタル化装置と、デジタル化された信号を蓄積するメモリとを具えている。例えば、１９９９年１１月１６日にEtheridge等に発行された米国特許第５９８６６３７号（特開平７−２９４５６０号公報に対応）は、かかる機能を有する高速デジタル蓄積オシロスコープ（ＤＳＯ）を記載している。

最新の信号取込み装置は、一般的に好結果を生むが、大きな接地ループがある切替モード電源から信号を取り込む場合や、小さな信号が大電圧に乗っている場合などのいくつかのアプリケーションにおいて問題がある。かかるアプリケーションにおいて、ユーザの接地を利用できるようにアナログ入力段を絶縁することは、有効である。しかし、ＡＣ電源ライン（交流電源）で駆動される信号取込み装置は、典型的には、安全のために入力ＡＣ電源ラインに対して電気的に接地しなければならず、適用される電気規約に従わなければならない。よって、ユーザの接地を基準として信号を取込むことと、取込んだ情報を信号取込み装置の残りの部分に伝送することとの間に矛盾が生じる。

取り込み絶縁された入力段が取込んだ情報をＡＣ電源で駆動されるシステムの残りの部分に伝送する１つの方法は、光、容量、及び／又は誘導の結合を用いることである。かかる結合は、アナログ情報を複数の接地にわたって伝送できるが、線形を維持するためにはしばしばこの結合器の利得帯域幅積が大きくなければならず、帰還機構が一般的には信頼できず、データ品質が不確定になるので、この伝送方法には問題がある。他の方法は、光、容量、及び／又は誘導結合を用いて、ユーザ接地を基準とするロジックからのデジタル化信号を、取込み装置の接地を基準とするロジックに結合している。しかし、この方法は、比較的高価且つ複雑であり、大電力を必要とする。

特開平７−２９４５６０号公報

したがって、ユーザの接地を基準とし絶縁された入力段が集めた情報を、取込み装置の接地を基準としたこの装置の残りの部分に結合する新たな技術が求められている。

本発明の信号取込み装置（１００／２００）は、第１接地（１１０／２１０）を基準とし、入力信号を受ける入力段（１０４／２０４）と；入力信号に関連した情報を蓄積するメモリ（１０８／２０８）と；第２接地（１３４／２３４）を基準とし、メモリからの情報を処理する測定用回路（１３０／２３０）と；入力段及びメモリの間に結合された第１スイッチ（１０６／２０６）、メモリ及び測定用回路の間に結合された第２スイッチ（１１２／２１２）、メモリに結合された第３スイッチ（１４０−１４２−１４４／２４０−２４２−２４４）を有するスイッチ回路とを具え；第３スイッチは、メモリが第１スイッチを介して入力段に接続される間に第１接地を基準として第１電源電圧をメモリに供給すると共に、メモリが第２スイッチを介して測定用回路に接続される間に第２接地を基準として第２電源電圧をメモリに供給し；第１接地及び第２接地が電気的に絶縁していることを特徴としている。
また、本発明のオシロスコープ（６００）は、第１接地（６０４）を基準とし、入力信号を受ける入力段（６０６）と；入力信号に関連した情報を蓄積するメモリ（６１０）と；第２接地（６１７）を基準とし、メモリからの情報を処理する測定用回路（６１８、６２２）と；この測定用回路の出力に応じて入力信号を表す波形を表示する表示器（６２６）と；入力段及びメモリの間に結合された第１スイッチ（６０８）、メモリ及び測定用回路の間に結合された第２スイッチ（６１５）、メモリに結合された第３スイッチ（６１２−６１３−６１４）を有するスイッチ回路とを具え；第３スイッチは、メモリが第１スイッチを介して入力段に接続される間に第１接地を基準として第１電源電圧をメモリに供給すると共に、メモリが第２スイッチを介して測定用回路に接続される間に第２接地を基準として第２電源電圧をメモリに供給し；第１接地及び第２接地が電気的に絶縁していることを特徴としている。
さらに、本発明の信号取込み方法は、第１接地を基準とする信号を受ける第１ステップと；第１接地を基準にすると共に、この第１接地から電気的に絶縁されている第２接地から絶縁して、受けた信号についての情報をメモリ（１０８／２０８／６１０）に蓄積する第２ステップと、メモリを第１接地から絶縁する第３ステップと；第２接地をメモリの基準にする第４ステップと；第２接地を基準にした装置回路にメモリを接続し、この装置回路を用いてメモリに蓄積された情報を処理する第５ステップとを具え；メモリは、第２ステップ期間中に第１接地を基準として第１電源電圧を受けると共に、第４及び第５ステップ期間中に第２接地を基準として第２電源電圧を受けることを特徴としている。

本発明の原理によれば、ユーザの接地を基準とし絶縁した入力段が取込んだ情報を、アース接地（典型的には、ＡＣ入力電源の接地ラインに接続されている）を基準としたシステム機器の残りの部分に結合するアーキテクチャ、装置及び方法を提供する。これらの原理を適用して、ユーザの接地を基準とし絶縁された入力段を用いて信号情報を取り込み、ユーザの接地を基準にしたフローティング電源が電力を供給する蓄積要素（メモリ）に取込んだ情報をアナログ形式又はデジタル形式で蓄積し、この蓄積要素をフローティング電源及びユーザ接地から非接続とし、アース接地を基準とする電源に蓄積要素を接続する。これらの速度及び高電圧の取り扱い能力のために、蓄積要素を接続したり非接続にするのに、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイッチは有用な素子である。

本発明の一実施例においては、デジタル・メモリ素子を用いている。また、他の実施例においては、ＦＩＳＯ（高速入力低速出力）メモリの如きアナログ・メモリを用いる。

添付図を参照した以下の詳細説明から本発明を容易に理解できよう。なお、理解を容易にするために、異なる図であっても、同様な素子は同様な参照符号で示す。本発明を、先ず一般的な信号取込み装置に関して説明した後、デジタル蓄積オシロスコープ（ＤＳＯ）について説明する。本発明は、ある接地を基準とした情報を取り込み、その情報を他の接地に切り替える多くの異なるシステムに有利に適用できることが当業者には理解できよう。

図１は、本発明の第１実施例による信号取込み装置１００のブロック図を示す。この信号取込み装置１００は、入力ポート１０２に、ユーザの接地（ユーザ接地：典型的には、信号取込み装置１００用のＡＣ入力電源の接地ラインとは異なる接地：第１接地）１１０を基準とした入力信号を受ける。アナログ回路（入力段）１０４は、この入力信号を増幅したり及び／又は他の処理（例えば、ろ波）を行う。アナログ回路１０４の出力は、閉じたスイッチ１０６を介して、デジタイザ（デジタル化回路）１０８に供給される。なお、このデジタイザ１０８は、メモリも具えている。デジタイザ及びメモリ（以下、単にデジタイザと呼ぶ）１０８は、ユーザ接地１１０を基準としたフローティング電源（図１では省略するが、図６ではかかる電源を示す）からの＋Ｆ電圧及び−Ｆ電圧を電源として受ける。

デジタイザ１０８は、スイッチ１０６からのアナログ処理された信号をデジタル値に変換し、これらデジタル値をそのメモリに蓄積する。この時点で、デジタイザ１０８の出力は、開放状態のスイッチ１１２（１個又は複数個）に供給される。信号取込み装置１００は、更に、スイッチ１１２に接続されてアース接地（典型的には、ＡＣ入力電源の接地ライン：第２接地）１３４を基準とするプロセッサ（接地基準プロセッサ）１３０と、アース接地１３４を基準とする表示器１３２とを具えている。なお、プロセッサ１３０が測定用回路を構成する。プロセッサ１３０及び表示器１３２は、アース接地を基準とする電源（図１では省略するが、図６では係る電源を示す）からの＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧を電源電圧として受ける。理解を容易にするために、＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧で常に駆動される総ての素子を、装置回路として包括的に示す。一実施例において、アース接地１３４は、ＡＣ入力電源の接地入力に接続される。

図１に示すように、スイッチ１４０を介して＋Ｆ電圧をデジタイザ１０８に供給し、スイッチ１４２を介して−Ｆ電圧をデジタイザ１０８に供給し、スイッチ４４を介してユーザ接地１１０をデジタイザ１０８に供給する。よって、図１において、デジタイザ１０８は、装置回路から電気的に絶縁している。入力ポート１０２は、ユーザ接地１１０を基準としているので、入力信号は、アース接地１３４に影響を与える接地ループ、高い電圧差、ノイズ、又は他の要因によって影響されない。例えば、アース接地１３４は、共通ＡＣ電源ラインによって電力を受ける他の装置と通常共通となり、これら装置が接地ループ電圧降下を発生して、アース接地１３４に現れる。スイッチ及びこれらスイッチを制御する回路がスイッチ回路となる。

図２は、図１の信号取込み装置の第２状態を示す。この図２に示すように、デジタイザ１０８がアナログ回路１０４からの信号をデジタル化した後、１組のスイッチの切替が生じる。個別には、スイッチ１０６が開いて、デジタイザ１０８をアナログ回路１０４と非接続にする。そして、スイッチ１４４がデジタイザ１０８をユーザ接地から切り離してアース接地１３４に接続し、スイッチ１４０及び１４２がデジタイザ１０８を＋Ｆ電圧及び−Ｆ電圧から切り離して、デジタイザ１０８を＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧に接続する。最後に、スイッチ１１２が閉じて、デジタイザ１０８をプロセッサ１３０に接続する。

図２に示すように、ユーザ接地１１０は、もはやデジタイザ１０８に接続されていない。ユーザ接地１１０からアース接地１３４への切替が、ユーザ接地及びアース接地の間の差による損傷を避けるように行われるので、入力段及び／又は信号源への損傷の可能性が避けられる一方、信号取込み装置１００には、共通のアース接地による保護が与えられる。

種々の実施例において、スイッチ１４０、１４２及び１４４は、ブレーク・ビフォア・メーク形式（break-before-make：以前の接続していた電極との切り離しを行った後に、目的の電極に接続する形式）で動作する点に留意されたい。さらに、図１及び図２に示すスイッチ１０６、１１２、１４０、１４２及び１４４は、機械スイッチであるが、実際には、バイポーラ・トランジスタ、ＦＥＴ、ダイオード又はその他の任意の非線形素子の如き高電圧アナログ・スイッチも有利である。例えば、図３は、包括的なＦＥＴスイッチ１６０〜１７４を示しており、これらスイッチは、ＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、Ｐチャネル、Ｎチャネルの如き任意の形式のＦＥＴでもよい。かかるＦＥＴスイッチは、機械スイッチよりも、高速で、信頼性があり、且つ安価である。また、ＦＥＴスイッチは適切な選択ではあるが、他の形式の素子を用いることもできる。図３に示す如く、スイッチ１６０及び１６２は、ユーザ接地１１０及びアース接地１３４を切り替え、スイッチ１６４及び１６６は、＋Ｆ及び＋Ｇを切り替え、スイッチ１６８及び１７０は、−Ｆ及び−Ｇを切り替え、スイッチ１７２は、メモリへのアナログ入力を切り替え、スイッチ１７４は、装置の残りの部分へのメモリの出力を切り替える。ＦＥＴスイッチの駆動は、プロセッサの如きロジックにより制御できる（図６にプロセッサによるスイッチの駆動を示す）。

図１及び図２は、取込んだ信号をデジタル化した後にユーザ接地１１０をアース接地１３４に切り替えることを示しているが、この構成でなくてもよい場合もある。アナログ信号の切り替えも可能である。例えば、図４は、本発明の第２実施例による信号取込み装置２００のブロック図を示す。信号取込み装置２００は、ユーザ接地（第１接地）２１０を基準とした入力信号を入力ポート２０２に受ける。この入力信号は、アナログ回路（入力段）２０４により、増幅され、及び／又は他の処理が行われる。アナログ回路２０４の出力は、閉じたスイッチ２０６を介してアナログの高速入力低速出力（ＦＩＳＯ：fast-in-slow-out）メモリ２０８に供給される。

図４に示すように、アナログＦＩＳＯメモリ２０８は、ユーザ接地２１０を基準としたフローティング電源（図４には示さないが、図６には示す）からの＋Ｆ電圧及び−Ｆ電圧により電力が供給される。ユーザ接地２１０は、入力ポート２０２にも接続されている。ＦＩＳＯメモリ２０８は、アナログ形式の入力信号の保持する。ＦＩＳＯメモリ２０８の出力は、開いたスイッチ２１２に供給される。信号取込み装置２００は、アース接地基準のプロセッサ２３０も含んでおり、このプロセッサ２３０は、スイッチ２１２及び表示器２３２に接続されている。なお、プロセッサ２３０が測定用回路を構成する。アース接地を基準としたプロセッサ２３０及び表示器２３２は、アース接地（第２接地）２３４に接続され、アース接地の電源（図４には示さないが、図６には示す）からの＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧により電力を受ける。＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧に継続的に接続された回路（ブロック）を装置回路という。

図４に示すように、＋Ｆ電圧は、スイッチ２４０を介してＦＩＳＯメモリ２０８に供給され、−Ｆ電圧は、スイッチ２４２を介してＦＩＳＯメモリ２０８に供給され、ユーザ接地２１０は、スイッチ２４４を介してＦＩＳＯメモリ２０８に接続される。よって、図４において、ＦＩＳＯメモリ２０８は、アース接地を基準としたプロセッサ２３０及び表示器２３２から電気的に絶縁される。入力ポート２０２のアナログ信号入力は、ユーザ接地２１０を基準としているので、この入力信号は、アース接地２３４に影響する接地ループ、高電圧差、ノイズ又は他の要因に影響されない。これらスイッチと、スイッチを制御する回路とが、スイッチ回路となる。

図５に示すように、ＦＩＳＯメモリ２０８がアナログ回路２０４からの信号を補足した（取込んだ）後、これら１組のスイッチの切替が生じる。特に、スイッチ２０６が開き、ＦＩＳＯメモリ２０８をアナログ回路２０４から切り離す。さらに、スイッチ２４４は、ＦＩＳＯメモリ２０８をユーザ接地２１０からアース接地２３４に切り替える。同時に、スイッチ２４０及び２４２は、ＦＩＳＯメモリ２０８を＋Ｆ電圧及び−Ｆ電圧から＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧に切り替える。最後に、スイッチ２１２が閉じて、ＦＩＳＯメモリ２０８をアース接地を基準としたプロセッサ２３０に接続する。

図１及び図２に示した実施例と同様に、スイッチ２４０、２４２及び２４４は、ブレーク・ビフォア・メーク形式で動作し、総てのスイッチは、好適には、高電圧アナログ（ＦＥＴ）スイッチ（図３を参照）である。バイポーラ・トランジスタ・スイッチを用いた場合、ＤＣレベルの変化を補正する必要がある。

図１〜図５は、本発明を用いた包括的な信号取込み装置１００及び２００を示したが、多くの異なるシステムで多くの目的に本発明を用いることができる。しかし、かかる信号取込み装置は、特に、オシロスコープに有用である。例えば、図６は、本発明の原理を用いたオシロスコープ６００のブロック図を示す。図示の如く、オシロスコープ６００は、ユーザ接地（第１接地）６０４を基準とする入力ポート６０２を有する。この入力ポート６０２の信号は、取込みシステム（入力段）６０６に供給される。この取込みシステム６０６は、ユーザが選択可能な利得増幅器と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）とを含んでいる。取込みシステム６０６のＡＤＣは、増幅された信号をサンプルし、量子化（デジタル化）して、取り込んだ情報を、閉じたスイッチ６０８を介して取り込みメモリ６１０に供給する。取込みシステム６０６では、入力信号のアナログ形式でＦＩＳＯメモリに蓄積することも可能である。しかし、好適には、オシロスコープ６００がＡＤＣ及びデジタル・メモリを用いるとする。データ取込み期間中は、図６に示すように、取込みメモリ６１０は、ユーザ接地６０４を基準とするフローティング電源６１１からの＋Ｆ及び−Ｆ電圧により電力が供給される。このフローティング電源６１１は、交流電圧を受けるトランスの１次側（図の左側）がアース接地（第２接地）６１７に接続されているが、トランスの２次側（図の右側）がフローティングの整流平滑回路に接続されてフローティングされた＋Ｆ電圧及び−Ｆ電圧を発生する。これら＋Ｆ電圧及び−Ｆ電圧は、夫々スイッチ６１２及び６１３を介して供給され、ユーザ接地６０４は、スイッチ６１４を介して接続される。取り込みシステム６０６は、フローティング電源６１１により直接的に電力が供給され、ユーザ接地６０４に直接結線されていることが理解できよう。取込みメモリ６１０の出力は、スイッチ６１５に供給される。このスイッチ６１５は、データ取込み期間中、開いている。

データ取込みが完了した後、プロセッサ（ＰＲＯＣ）６１８は、スイッチ６０８を開き、スイッチ６１５を閉じる。同時に、プロセッサ６１８は、スイッチ６１２、６１３及び６１４を切り替えて、取込みメモリ６１０が、アース接地６１７を基準とする電源６１９からの＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧により電力を供給され、取込みメモリ６１０は、アース接地６１７に接続される。この電源６１９は、交流電圧を受けるトランスの１次側（図の右側）がアース接地され、トランスの２次側（図の左側）がアース接地の整流平滑回路に接続されて、＋Ｇ電圧及び−Ｇ電圧を発生する。スイッチと、これらスイッチを制御するプロセッサ６１８とが、スイッチ回路となる。

スイッチ６１５が閉じて、取込みメモリ６１０の出力が表示メモリ６２２に供給される。この表示メモリ６２２は、取込みメモリ６１０の出力を蓄積する。表示メモリ６２２の内容を用いて、ラスタ走査型表示器６２６に波形表示を行う。プロセッサ６１８は、表示のために、増幅係数及び波形タイムベースなどの付加情報を表示メモリ６２２に供給する。これらプロセッサ６１８及び表示メモリ６２２が測定用回路を構成する。表示メモリ６２２が取込みメモリ６１０の出力を蓄積した後に、プロセッサ６１８は、スイッチ６１５を開き、スイッチ６０８を閉じる。さらに、プロセッサ６１８は、スイッチ６１２、６１３及び６１４により、取込みメモリ６１０をフローティング電源６１１の＋Ｆ電圧及び−Ｆ電圧並びにユーザ接地６０４に接続する。アース接地された電源６１９が、表示器６２６、プロセッサ６１８及び表示メモリ６２２に電力を供給することが理解できよう。さらに、プロセッサ６１８は、種々のスイッチをブレーク・ビフォア・メーク形式で切り替える。この実施例においても、機械スイッチを用いる代わりに、高電圧ＦＥＴスイッチを用いる（図３参照）。アース接地の電源６１９及びアース接地６１７に直接接続された総ての装置（ブロック）が包括的に装置回路となる。

本発明の好適実施例について上述したが、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変更変形が可能である。

本発明の第１実施例による信号取込み装置のブロック図であり、信号取込み装置が第１状態にある。 図１の信号取込み装置のブロック図であり、信号取込み装置が第２状態にある。 ＦＥＴスイッチを使用状態を示す図である。 本発明の第２実施例による信号取込み装置のブロック図であり、信号取込み装置が第１状態にある。 図４の信号取込み装置のブロック図であり、信号取込み装置が第２状態にある。 本発明の原理を用いたオシロスコープのブロック図である。

符号の説明

１００ 信号取込み装置
１０２ 入力ポート
１０４ アナログ回路（入力段）
１０６、１１２、１４０、１４２、１４４ スイッチ
１０８ デジタイザ及びメモリ
１１０ ユーザ接地（第１接地）
１３０ プロセッサ（測定用回路）
１３２ 表示器
１３４ アース接地（第２接地）
１６０〜１７４ ＦＥＴ
２００ 信号取込み装置
２０２ 入力ポート
２０４ アナログ回路（入力段）
２０６、２１２、２４０、２４２、２４４ スイッチ
２０８ ＦＩＳＯメモリ
２１０ ユーザ接地（第１接地）
２３０ プロセッサ（測定用回路）
２３２ 表示器
２３４ アース接地（第２接地）
６００ オシロスコープ
６０２ 入力ポート
６０４ ユーザ接地（第１接地）
６０６ 取込みシステム（入力段）
６０８、６１３、６１４、６１５ スイッチ
６１０ 取込みメモリ
６１１ フローティング電源
６１７ アース接地（第２接地）
６１８ プロセッサ（測定用回路）
６１９ アース接地された電源
６２２ 表示メモリ（測定用回路）
６２６ 表示器

Claims (3)

1. 第１接地を基準とし、入力信号を受ける入力段と、
   上記入力信号に関連した情報を蓄積するメモリと、
   第２接地を基準とし、上記メモリからの情報を処理する測定用回路と、
   上記入力段及び上記メモリの間に結合された第１スイッチ、上記メモリ及び上記測定用回路の間に結合された第２スイッチ、上記メモリに結合された第３スイッチを有するスイッチ回路とを具え、
   上記第３スイッチは、上記メモリが上記第１スイッチを介して上記入力段に接続される間に上記第１接地を基準として第１電源電圧を上記メモリに供給すると共に、上記メモリが上記第２スイッチを介して上記測定用回路に接続される間に上記第２接地を基準として第２電源電圧を上記メモリに供給し、
   上記第１接地及び上記第２接地が電気的に絶縁していることを特徴とする信号取込み装置。
2. 第１接地を基準とし、入力信号を受ける入力段と、
   上記入力信号に関連した情報を蓄積するメモリと、
   第２接地を基準とし、上記メモリからの情報を処理する測定用回路と、
   該測定用回路の出力に応じて上記入力信号を表す波形を表示する表示器と、
   上記入力段及び上記メモリの間に結合された第１スイッチ、上記メモリ及び上記測定用回路の間に結合された第２スイッチ、上記メモリに結合された第３スイッチを有するスイッチ回路とを具え、
   上記第３スイッチは、上記メモリが上記第１スイッチを介して上記入力段に接続される間に上記第１接地を基準として第１電源電圧を上記メモリに供給すると共に、上記メモリが上記第２スイッチを介して上記測定用回路に接続される間に上記第２接地を基準として第２電源電圧を上記メモリに供給し、
   上記第１接地及び上記第２接地が電気的に絶縁していることを特徴とするオシロスコープ。
3. 第１接地を基準とする信号を受ける第1ステップと、
   上記第１接地を基準にすると共に、上記第１接地から電気的に絶縁されている第２接地から絶縁して、上記受けた信号についての情報をメモリに蓄積する第２ステップと、
   上記メモリを上記第１接地から絶縁する第３ステップと、
   上記第２接地を上記メモリの基準にする第４ステップと、
   上記第２接地を基準にした装置回路に上記メモリを接続し、上記装置回路を用いて上記メモリに蓄積された上記情報を処理する第５ステップとを具え、
   上記メモリは、上記第２ステップ期間中に上記第１接地を基準として第１電源電圧を受けると共に、上記第４及び第５ステップ期間中に上記第２接地を基準として第２電源電圧を受けることを特徴とする信号取込み方法。