JP4830431B2 - 波形測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定波形をサンプリングした波形データを、表示部の表示画面にリアルタイムに波形表示（例えば、ロールモードで波形表示）する波形測定装置に関するものであり、詳しくは、表示される波形データ数が多くとも、リアルタイムに波形表示および演算を行なうことができる波形測定装置に関するものである。

波形測定装置は、例えば、デジタルオシロスコープ等であり、被測定波形を測定してデジタル信号の波形データに変換し、記憶部であるメモリに格納する。そして、メモリに格納した波形データの演算や解析を行なうと共に、この演算結果、解析結果および波形データを表示処理部を介して表示部の表示画面に波形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、品質管理、保守作業等において広く使用されている。

このような波形測定装置は、被測定波形に適した表示を行なうため、表示部の表示画面に表示される波形の波形更新に２種類のモードが用意されている。一つ目は、更新モード（トリガモードとも呼ばれる）であり、トリガ信号を用いて所望の条件を満たす波形データのみをアクイジョンメモリに格納し、トリガ信号ごとに表示部の表示画面に表示される波形表示を更新する。

二つ目は、ロールモード（スクロールモードとも呼ばれる）であり、トリガ信号によって波形表示を更新するのでなく、新しい波形データを取得すると最も古い波形データを消し、波形が画面の右から左に流れるように表示する。そして、チャートレコーダが被測定波形を順次ロール紙に記録するように、被測定波形が表示部の表示画面上を流れるように表示される。従って、ロールモードは、リアルタイムで連続的に波形データを取り込みつつ演算、解析を行ない、波形、演算結果等を表示する（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

このロールモードにおける波形表示の更新周期は、表示画面の時間軸方向の表示分解能と、表示画面に表示される波形データの点数で定まる。例えば、表示画面の時間軸方向の分解能、すなわち表示できる点数が１０００点であり、表示する波形データ数も１０００点であれば、１点サンプリングされるごとに表示が更新される。

一方、表示できる分解能が上記同様に１０００点であり、表示する波形データ数が１００万点であれば、波形データは、横軸方向に圧縮して波形表示される。つまり、表示画面の横軸上の１点に１０００点（＝１００万点／１０００点）分の波形データが圧縮して表示されている。そして、波形表示の更新周期は１０００点ごとになる。

このようなロールモードは、チャートレコーダで観測されるような信号（例えば、繰返し周期の長い信号、変化の遅い信号等）を捕らえるのに有効である。また、トリガモードでは補足できない、不規則に発生するグリッチ（波形中の瞬間的な異常を示すパルス状の信号）のような異常波形を補足するのに有効である。

そして、近年の波形測定装置は、メモリの容量が飛躍的に増大したので、チャートレコーダと同等に、低速サンプリングで波形観測を長時間行なうことが可能となっている。さらに、紙に記録するチャートレコーダと異なり、デジタル化された波形データを用いて表示部に表示するので、波形解析、波形演算も詳細に行なうことができる。

特許第３１４７２０３号公報 特開２００５−１２１４５７号公報

続いて、ロールモードにおける演算の具体例として最大値、最小値の検索を説明する。表示部の表示画面に表示される波形データ点数が１０００点（表示分解能は１０００点
）とし、表示される１０００点の最大値、最小値を検索する場合、サンプリングされ波形の移動に伴って演算区間も移動するので、サンプリング１点ごとに１０００点のなかから最大値、最小値の検索を行なう。

また、表示画面に表示される波形データ点数が１００万点（表示分解能は１０００点
）とし、表示される１００万点の最大値、最小値を検索する場合、波形表示の更新周期に合せて、サンプリング１０００点が行なわれると、波形データ１００万点のなかから最大値、最小値の検索を行なう。

しかしながら、リアルタイムに波形表示を行ないつつ、演算も行なうロールモードでは、波形表示を中断しないために演算できる処理には限界がある。そのため、演算できるメモリ長、つまり、演算できる波形データ数に制限があるという問題があった。

例えば、メモリ長が大きい場合、指定されたメモリ長の全波形データに対して演算を行なうのでなく、間引いた波形データに対して演算を行なっている。具体的には、リアルタイムに演算可能なメモリ長の限度は数［Ｍ］程度であり、数十［Ｍ］といったロングメモリでは全波形データに対する演算は、現状、実現できていない。従って、データを間引いて計算すると、データの抜けが生じるので、表示される波形と、演算結果に相違が生じる可能性があるという問題があった。

また、ロールモードで波形表示中にリアルタイム演算を行なっている場合、表示されている波形の状態に合わせて、表示される波形の演算区間（つまり、演算に用いる波形データの開始点、終了点、点数等）を変更する場合がある。演算区間を変更すると、変更された区間に合せて、変更された区間の全ての波形データを読み出し、再演算を行なう必要がある。従って、メモリ長が長くなると、区間変更した領域のメモリ長も当然長くなり、再演算時間が長くなり、リアルタイムに演算値を表示することができないという問題があった。

そこで本発明の目的は、表示される波形データ数が多くとも、リアルタイムに波形表示および演算を行なうことができる波形測定装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
被測定波形をサンプリングした波形データを、表示部の表示画面にリアルタイムに波形表示する波形測定装置において、
前記被測定波形が所定の点数サンプリングされるごとにタイミング信号を出力する計数手段と、
この計数手段のタイミング信号間でサンプリングされた波形データを用いて演算し、タイミング信号間それぞれの演算結果を中間データとして出力する第１の演算部と、
この第１の演算部の演算結果を中間データとして記憶する記憶部と、
この記憶部から設定された演算区間分に対応する中間データとしての演算結果を読み出しこれら読み出した中間データとしての演算結果を用いて前記第１の演算部と異なる演算式で演算を行なう第２の演算部とを設け、
表示される波形データ数が多くともリアルタイムに波形表示および演算を行なうことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記計数手段は、前記表示部の表示画面に表示される波形の更新周期に基づくタイミング信号を出力することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記第２の演算部は、演算区間が変更されると、変更された演算区間に対応した演算結果を前記記憶部から読み出し、演算を行なうことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜３によれば、第１の演算部が、計数手段からのタイミング信号間の波形データで演算し、所定の点数ごとに求めた演算結果を順次記憶部に格納する。そして、第２の演算部が、設定された演算区間に対応する演算結果を記憶部から読み出し、読み出した演算結果を用いて演算を行なうので、演算量が少なくなり高速に演算することができる。これにより、表示される波形データ数が多くとも、リアルタイムに波形表示および演算を行なうことができる。
請求項３によれば、第１の演算部が所定の波形データ数ごとに演算して演算結果を記憶部に格納する。そして、第２の演算部が演算区間に対応した演算結果を記憶部から読み出して演算を行なうので、演算区間が変更されても、変更された演算区間内の全波形データを再度読み出して演算する必要がなく、高速に演算することができる。これにより、表示される波形データ数が多くとも、リアルタイムに波形表示および演算を行なうことができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施例を示した構成図である。図１において、測定部１０は、１個または複数個設けられ、被測定波形の入力信号が入力される。なお、図１中では、測定部１０を２チャネル分図示し、その他のチャネルの図示は省略している。

測定部１０は、アンプ１１、Ａ／Ｄ変換器１２を有する。アンプ１１は、入力信号を増幅、減衰する。Ａ／Ｄ変換器１２は、アンプ１１からの信号を、デジタル信号の波形データに変換する。

メモリ２０は、記憶部であり、波形データや演算結果などを記憶する。サンプリング計数手段３０は、測定部１０のサンプリング点数を計数し、所定の点数のサンプリングが終了するごとに、タイミング信号を出力する。

演算部４０は、第１の演算部であり、測定部１０から波形データ、サンプリング計数手段３０からタイミング信号が入力され、計数手段３０からのタイミング信号間内でサンプリングされた波形データを用いて演算し、タイミング信号間それぞれの演算結果を出力する。

メモリコントローラ５０は、測定部１０からの波形データ、演算部４０からの演算結果が入力され、メモリ２０への入出力を行なう。

再演算部６０は、第２の演算部であり、メモリコントローラ５０を介してメモリ２０から演算部４０の演算結果を読み出し、演算を行なう。

表示処理部７０は、メモリコントローラ５０を介してメモリ２０から波形データを読み出し、再演算部６０からの演算結果とともに、表示部８０に波形や演算結果等を表示する。圧縮手段７１は、読み出した波形データを、表示部８０の分解能にあわせて圧縮する。表示コントローラ７２は、圧縮手段７１で圧縮された波形データ、再演算部６０からの演算結果が入力され、表示部８０に波形表示、演算結果の表示をする。

このような装置の動作を説明する。
操作部（図示せず）から、測定部１０のサンプリングレート、横軸（時間軸）や縦軸（振幅）のレンジ、表示部８０の表示画面に表示する波形データ数、演算を行なう演算区間等があらかじめ設定される。そして、測定部１０のアンプ１１が、入力される被測定波形の振幅を適当なゲインで増幅、減衰して正規化する。さらに、Ａ／Ｄ変換器１２が、アンプ１１からのアナログ信号をデジタル化し、デジタル化した波形データを演算部４０とメモリコントローラ５０に出力する。メモリコントローラ５０が、メモリ２０の適切な領域に各チャネルの測定部１０で測定された波形データを格納する。

一方、サンプリング計数手段３０が、測定部１０のサンプリング回数を計数し、あらかじめ設定されたサンプリング回数ごとに、演算部４０にタイミング信号を出力する。このタイミング信号によって、設定されたサンプリング回数、つまり設定された波形データ数で各チャネルの演算を行ない、演算結果をメモリコントローラ５０に出力する。メモリコントローラ５０が、メモリ２０の適切な領域に各チャネルの演算結果を格納する。

そして、表示処理部７０が、メモリ２０に格納された波形データを、メモリコントローラ５０を介して読み出す。さらに、圧縮手段７１が、表示部８０の表示画面の時間軸方向の分解能にあわせて、読み出した波形データを、波形表示用の波形データに圧縮し、表示コントローラ７２に出力する。

一方、再演算部６０が、メモリ２０に格納された演算結果を、メモリコントローラ５０を介して読み出し、読み出した演算結果を用いて再演算を行ない、演算結果の演算値データを表示コントローラ７２に出力する。

そして、表示コントローラ７２が、圧縮手段７１からの圧縮された波形データ、再演算部６０の演算結果を表示部８０の表示画面に表示する。

次に、演算に関する詳細な動作を具体例を挙げて説明する。まず、演算部４０に関する動作を説明する。ここで、図２は、測定部１０、計数手段３０、演算部４０に関する動作のタイミングを示した図である。ここで、図２は、上段から測定部１０のサンプリングのタイミング、計数手段３０のカウント値、計数手段３０がタイミング信号を出力するタイミング、測定部１０からの波形データ（１チャネル分のみ図示）、演算部４０の演算例（peak-to-peak（以下、ｐ−ｐ）演算）、演算部４０のその他の演算例（実効値演算）を示している。もちろん、図２に図示される前後のタイミングでも、サンプリング、演算等は行なわれている。

なお、演算の一例として、表示部８０の表示画面の時間軸方向の分解能は１０００点とし、表示画面に表示される波形データ数は１００万点とし、演算区間は表示画面に表示される全データすなわち１００万点とする。従って、表示部８０の表示画面が更新される周期は、波形データが１０００点サンプリングされるごとである。そして、計数手段３０が、演算区間のデータ数、分解能から、タイミング信号のタイミングを設定するが、タイミング周期の回数は、更新周期と同じ点数（１０００点）に設定するとよい。

図２に示すように、サンプリング周期Ｔで測定部１０のＡ／Ｄ変換器１２が、被測定波形のサンプリングを行なう。ここで、時刻ｔ０において、計数手段３０がタイミング信号を出力したとする。これにより、計数手段３０が内部に保持するカウント値をリセットし、時刻ｔ０でのサンプリングのカウント値を”１”にカウントする。そして、測定部１０がサンプリングをするごとに、カウント値を”１”だけインクリメントしていく。すなわち、時刻ｔ１でのサンプリングによって、カウント値を”２”にする。以下同様にサンプリングされるたびに、カウント値をインクリメントし、カウント値が”１０００”となった次の時刻ｔ１０００にて、タイミング信号を演算部４０に出力し、カウント値をリセットし”１”にする。このように計数手段３０が、サンプリング１０００回に１回、タイミング信号を演算部４０に出力する。

そして、演算部４０が、タイミング信号間、すなわち、時刻ｔ０〜ｔ９９９でサンプリングされた１０００点の波形データを用いて演算を行なう。ｐ−ｐ演算では、タイミング信号間の１０００点の波形データから最大値、最小値の検索を行なう。また、実効値演算では、波形データが取得されるごとに波形データを二乗し、前サンプリングまでの二乗和データに加算する。さらに、時刻ｔ０〜ｔ９９９でサンプリングされた１０００個の波形データの二乗和データ求める。そして、時刻ｔ１０００のタイミング信号で、求めた最大値、最小値、二乗和データをメモリコントローラ５０に出力する。

以下同様に、演算部４０が、時刻ｔ１０００のタイミング信号から次のタイミング信号までの間にサンプリングされた１０００点の波形データを用いて演算し、演算結果をメモリコントローラ５０に出力する。

このように、演算部４０の演算開始点と終了点はタイミング信号であり、計数手段３０からのタイミング信号間（時刻ｔ０〜時刻ｔ９９９）の１０００点の波形データごとに、１０００点の波形データを用いて演算した演算結果が順次メモリコントローラ５０に出力される。なお、演算部４０によって演算された演算結果を中間データとよぶ。

図３は、メモリ２０に波形データ、中間データが書き込まれた状態の一例を示した図である。メモリ２０の先頭アドレス側から、１チャネル目の測定部１０で測定された波形データ、２チャネル目の測定部１０の波形データ、３チャネル目の測定部１０の波形データ、以下同様に各チャネルの波形データが書き込まれる。そして、全チャネルの波形データを書き込む領域の次から、１チャネル目の測定部１０の波形データを演算した中間データ、２チャネル目の測定部１０の中間データ、３チャネル目の測定部１０の中間データ、以下同様に各チャネルの中間データが書き込まれる。

次に、再演算部６０の動作を説明する。
上述のように、表示部８０の表示画面に表示される波形データ数が１００万点であり、中間データは、１０００点の波形データから演算されている。従って、表示される波形データ１００万点に対し、中間データは１０００個存在する。ここで、図４は、表示部８０の表示画面に表示される表示データ（圧縮された波形データ）、中間データ、再演算部６０の演算結果の関係を示した図である。

波形表示と同時に、表示される波形全体にわたる演算値を表示する場合、つまり、リアルタイムに演算値も表示する場合は、再演算部６０が、演算区間に対応した１０００個の中間データを、メモリコントローラ５０を介してメモリ２０から読み出す。そして、読み出した中間データを用いて再演算を行い、波形全体の演算結果を求める。例えば、ｐ−ｐ演算であれば、各タイミング信号間で求めた中間データの１０００組の最大値、最小値のなかから、さらに最大値、最小値を演算によって求め、求めた最大値、最小値からピーク間の振幅を求める。

また、実効値演算であれば、１０００個の中間データそれぞれの二乗和全てを加算し、全データ数（１００万点）で除算し、平方根をとり実効値を求める。そして、再演算部６０で求めた最終的な演算結果を表示コントローラ７２に出力する。これにより、再演算部６０で演算された演算結果の数値データが表示部８０に表示される。

このように、演算部４０が、計数手段３０からのタイミング信号間の波形データで演算し、所定の点数ごとに求めた中間データを順次メモリ２０に格納する。そして、再演算部６０が、設定された演算区間分に対応する中間データをメモリ２０から読み出し、中間データを用いて演算を行なうので、例えば、設定された演算区間が１００万点であっても、再演算部６０が実際に行なうのは１０００個の中間データですむ。これにより、波形全体に対して演算を行なう場合であっても、波形データ全点をメモリ２０から読み出して１波形データずつ演算する必要がなく、高速にリアルタイムで演算結果を表示することができる。上記の例では、全点を演算する場合に比べ、演算量は１／１０００に圧縮されている。従って、表示される波形データ数が多くとも、リアルタイムに波形表示および演算を行なうことができる。また、波形データを間引かずに演算を行なうことができ、表示波形と演算結果に相違が生じない。

次に、図示しない操作部によって、演算を行なう演算区間等が変更された場合を説明する。ここでは、演算区間が、１００万点の波形データから、５０万点の波形データに変更された場合で説明する。なお、演算区間は、計数手段３０がタイミング信号を出すサンプリング数の整数倍に設定するとよい。ここで、図５は、演算区間が変更された場合の、表示部８０の表示画面に表示される表示データ（圧縮された波形データ）、中間データ、再演算部６０の演算結果の関係を示した図である。

まず、操作部から演算区間の開始点、終了点が入力され、演算区間が変更される。そして、演算部４０が、１０００点ごとに波形データを演算し、中間データをメモリ２０に格納する。さらに、再演算部６０が、操作部からの開始点、終了点を参照し、変更された演算区間に対応する中間データをメモリ２０から読み出す。そして、読み出した５００個の中間データを用いて再演算を行い、５０万点分の波形データの演算結果を求める。

このように、演算部４０が中間データを求め、再演算部が演算区間に対応した中間データをメモリ２０から読み出して演算を行なうので、演算区間が変更されても、変更された演算区間内の全波形データを再度読み出して演算する必要がなく、高速に演算することができる。これにより、表示される波形データ数が多くとも、リアルタイムに波形表示および演算を行なうことができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
表示部８０の表示画面の更新周期にあわせたサンプリング点数で、計数手段３０がタイミング信号を出力し、演算部４０が演算を行なう構成を示したが、計数手段３０がタイミング信号を出力するタイミングは、更新周期にあわせたサンプリング点数の約数（例えば、更新周期のサンプリング点数が１０００点ならば、５００点、２５０点、１００点等）でもよい。

また、表示部８０の表示画面の分解能を１０００点とし、表示する波形データを１００万点とする構成を示したが、それぞれ何点でもよい。

また、演算部４０、再演算部６０の演算例としてｐ−ｐ演算、実効値演算を例に挙げたら、その他の演算、例えば、平均値演算、積分値演算等のように、どのような演算でもよい。そして、演算種類に応じて、複数の演算結果をチャネルごとにメモリ２０に格納し、再演算部６０が、必要に応じてそれらの中間データを選択して読み出し、再演算してもよい。

本発明の一実施例を示した構成図である。 図１に示す装置の動作を説明した図である。 メモリ２０に波形データ、中間データが書き込まれた状態の一例を示した図である。 表示部８０の表示画面に表示される表示データ（圧縮された波形データ）、中間データ、再演算部６０の演算結果の関係を示した図である。 演算区間が変更された場合の、表示部８０の表示画面に表示される表示データ（圧縮された波形データ）、中間データ、再演算部６０の演算結果の関係を示した図である。

符号の説明

２０ メモリ
３０ サンプリング計数手段
４０ 演算部
６０ 再演算部
８０ 表示部

Claims (3)

1. 被測定波形をサンプリングした波形データを、表示部の表示画面にリアルタイムに波形表示する波形測定装置において、
   前記被測定波形が所定の点数サンプリングされるごとにタイミング信号を出力する計数手段と、
   この計数手段のタイミング信号間でサンプリングされた波形データを用いて演算し、タイミング信号間それぞれの演算結果を中間データとして出力する第１の演算部と、
   この第１の演算部の演算結果を中間データとして記憶する記憶部と、
   この記憶部から設定された演算区間分に対応する中間データとしての演算結果を読み出しこれら読み出した中間データとしての演算結果を用いて前記第１の演算部と異なる演算式で演算を行なう第２の演算部とを設け、
   表示される波形データ数が多くともリアルタイムに波形表示および演算を行なうことを特徴とする波形測定装置。
2. 前記計数手段は、前記表示部の表示画面に表示される波形の更新周期に基づくタイミング信号を出力することを特徴とする請求項１記載の波形測定装置。
3. 前記第２の演算部は、演算区間が変更されると、変更された演算区間に対応した演算結果を前記記憶部から読み出し、演算を行なうことを特徴とする請求項１記載の波形測定装置。

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