JP5200053B2 - パルス発生器、パルス整形方法 - Google Patents

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Description

本発明は、波形の形状が規定されているパルスを発生させるパルス発生器と、波形を整形するパルス整形方法に関する。例えば、試験用のインパルス状の波形を生成するパルス発生器とパルス整形方法に関する。
いろいろな装置の電気的な試験を行う際に、試験項目の中にインパルス状の電圧を試験対象の装置に印加する試験が含まれることが多い。例えば、電気的高速過渡現象に対する電気および電子機器のイミュニティに関する試験技術および測定技術の技術標準として、非特許文献1がある。そして、インパルス状の電圧を生成するパルス発生器として、非特許文献1の図1に示された構成が知られている。図1は非特許文献1の図1に示されたパルス生成部(なお、非特許文献1の中では「バースト発生器」と呼ばれている)の構成を、図2は非特許文献1の図3に示されたパルス波形を示している。図1のパルス生成部900は、高圧電源910、充電抵抗920、エネルギー蓄積コンデンサ930、スイッチ940、インパルス幅成型抵抗950、インピーダンス整合抵抗960、直流阻止コンデンサ970で構成されており、出力同軸980が接続されている。非特許文献1には、パルス波形が満たさなければならない条件が示されており、例えば以下のような特性を満たさなければならない。
50Ω負荷での出力電圧領域は、少なくとも0.125kV〜2kV
立上り時間T=5ns±30%
パルスの時間幅T=50ns±30%
なお、立上り時間Tとは、パルスの瞬時値がまず10%(頭頂部の電圧の10%)に達し、その後90%(頭頂部の電圧の90%)に達する間の時間間隔である。パルスの時間幅Tとは、パルスの50%値の時間幅である。
非特許文献1のイミュニティに関する試験の場合、特に立上り時間Tは試験結果に大きく影響する。しかし、高精度にパルスを生成することが難しいこともあり、立上り時間Tには±30%もの誤差を許容されている。このため、非特許文献1の規格を満たすあるパルス発生器を用いたイミュニティ試験に合格した装置であっても、非特許文献1の規格を満たす他のパルス発生器を用いたイミュニティ試験では不合格となってしまうことがある。つまり、同じ技術標準に準拠した試験であるにもかかわらず、試験結果が異なるという不都合が生じてしまう。
本発明は、立上り時間Tの精度を向上したパルス発生器とパルス整形方法を提供することを目的とする。
本発明のパルス発生器は、パルス生成部とブリッジタップとを有する。パルス生成部は、立上りの範囲(規格などによって定められた立上り時間の範囲)に丸みを有したパルスを生成する。ブリッジタップは、一端が開放され、他端がパルス生成部からの出力が伝搬する線路に電気的に接続された分布定数線路である。そして、ブリッジタップは、パルス生成部が生成したパルスの立上り最初の部分もしくは最後の部分の丸みの部分の時間以上かつ瞬時値が100%に達する時間以下の遅延を生じさせる分布定数線路である。立上り最初の部分もしくは最後の部分とは、立上り全体の中の両端のどちらかという意味である。なお、立上り時間が5ns程度のパルスの場合であれば、分布定数線路には長さが10〜50cmの同軸コードを用いればよく、特に、20〜40cmの同軸コードが適している場合が多い。また、ブリッジタップは複数本としてもよい。さらに、コンデンサを有するブリッジタップを用いてもある程度の効果が得られる。
本発明のパルス整形方法は、パルス生成部が生成するパルスの立上りの範囲に丸みがある場合に、パルス発生部と負荷との間の線路に、一端が開放された分布定数線路の他端を電気的に接続する。
本発明のパルス発生器、パルス整形方法によれば、ブリッジタップによってパルスの一部を遅延させて合成することや、高周波成分を減衰させることで、立上りの範囲の丸みを直線状に整形できる。したがって、パルスの立上り時間の精度を向上できる。
非特許文献1の図1に示されたパルス生成部の構成を示す図。 非特許文献1の図3に示されたパルス波形を示す図。 従来のパルス発生器で生成したパルス波形を示す図。 実施例1のパルス発生器の構成例を示す図。 立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が10%に達する時間よりも長くかつ100%に達する時間よりも短くしたときの波形の変化を示す図。 立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が10%に達する時間にしたときの波形の変化を示す図。 立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が100%に達する時間にしたときの波形の変化を示す図。 立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が100%に達する時間よりも長くしたときの波形の変化を示す図。 立上りの範囲に丸みがあるパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が10%に達する時間よりも長くかつ100%に達する時間よりも短くしたときの波形の変化を示す図。 立上りの範囲に丸みがあるパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの丸みがなくなる時間にしたときの波形の変化を示す図。 ブリッジタップの長さが20cmの図4のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 ブリッジタップの長さが25cmの図4のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 ブリッジタップの長さが30cmの図4のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 ブリッジタップの長さが40cmの図4のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 ブリッジタップの長さが50cmの図4のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 ブリッジタップの長さが30cmの図4のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に−2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 出力同軸の長さ、ブリッジタップの長さ、極性を変更しながら立上り時間を測定した結果を示す図。 実施例2のパルス発生器の構成例を示す図。 図1のパルス生成部900に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 コンデンサの容量が27pFの図18のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 コンデンサの容量が33pFの図18のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 コンデンサの容量が42pFの図18のパルス発生器に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図。 コンデンサの有無、コンデンサの容量、発生させる電圧、極性を変更しながら立上り時間を測定した結果を示す図。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
分析
本発明の目標は、立上り時間Tの精度を向上することであるが、まず、立上り時間Tの精度が悪い原因について検討する。図3は、従来のパルス発生器で生成したパルス波形を示している。図3から、パルスの90%値のあたりも含んで、パルスの頂点付近の波形が丸くなっていることが分かる。この丸みの大きさが変化すると立上り時間Tが大きく変化することになる。そこで、本発明では、立上り時間Tの精度を向上するために、立上り時間の対象となる範囲(立上りの範囲)である瞬時値が10%から90%の範囲で波形がより直線的なパルスを生成する。
構成
図4に本発明のパルス発生器の構成例を示す。パルス発生器100は、パルス生成部900とブリッジタップ110とを有する。パルス生成部900は、例えば図1に示した構成とすればよく、出力同軸980によって生成されたパルスは装置(負荷)に供給される。パルス生成部900は、図3のように、立上りの範囲(規格などによって定められた立上り時間の範囲)に丸みを有したパルスを生成する。非特許文献1の規格の場合であれば、立ち上がりの範囲とは、パルスの瞬時値が10%に達し、その後90%に達する範囲である。
ブリッジタップ110は、一端が開放され、他端がパルス生成部900からの出力が伝搬する線路(例えば、出力同軸980)に電気的に接続された分布定数線路である。そして、ブリッジタップ110は、パルス生成部900が生成したパルスの立上り最初の部分もしくは最後の部分の丸みの部分の時間以上かつ瞬時値が100%に達する時間以下の遅延を生じさせる分布定数線路である。立上り最初の部分もしくは最後の部分とは、立上り全体の中の両端のどちらかという意味である。ブリッジタップ110は、このような遅延を与えることで、パルス生成部900が生成したパルスの立上りの範囲の丸みを直線状に整形する。例えば、特性インピーダンスが50オームの同軸コードの場合、パルスの速度は5ns/mなので、同軸コードに流れ込んだパルスは、開放端で反射されて戻るまでに、同軸コードの長さ(m)×10(ns/m)だけ遅れることになる。非特許文献1のように、立上り時間が5ns程度のパルスの場合であれば、分布定数線路には長さが10〜50cmの同軸コードを用いればよく、特に、20〜40cmの同軸コードが適している場合が多いと考えられる。
また、本発明のパルス整形方法は、パルス生成部900が生成するパルスの立上りの範囲に丸みがある場合に、パルス生成部900と負荷(図示していないが、出力同軸980に接続される装置)との間の線路(例えば、出力同軸980)に、一端が開放されたブリッジタップ110(例えば、同軸コードなどの分布定数線路)の他端を電気的に接続する。
原理
次に、本発明のパルス発生器やパルス生成方法が、なぜ立上りの範囲を直線状に整形できるのかを説明する。この説明では、まず立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合について説明する。その後、立上りの範囲に丸みがあるパルスに本発明を適用した場合について説明する。
図5は、立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が10%に達する時間よりも長くかつ100%に達する時間よりも短くしたときの波形の変化を示す図である。一点鎖線はパルス生成部900からの出力電圧(オリジナルパルス111)を示している。オリジナルパルス111は、出力同軸980とブリッジタップ110とに分割される。間隔の広い点線は出力同軸980側に伝搬した第1分割パルス122を示しており、間隔の狭い点線はブリッジタップ110側に伝搬し、ブリッジタップ110の開放端側で反射された後に出力同軸980に伝搬した第2分割パルス123を示している。実線は、第1分割パルス122と第2分割パルス123とが合成された整形後パルス121を示している。図中のDは第2分割パルス123がブリッジタップ110によって遅れる遅延時間を示しており、Tr1はオリジナルパルス111の立上り時間、Tr2は整形後パルス121の立上り時間、AはTr1とTr2の差を示している。また、tはオリジナルパルス111が発生した時刻、tはオリジナルパルス111の瞬時値が10%に達する時刻、tは第1分割パルス122の瞬時値が10%に達する時刻、tは第2分割パルス123が出力同軸980に入った時刻、tはオリジナルパルス111の瞬時値が90%に達する時刻、tはオリジナルパルス111の瞬時値が100%に達する時刻、tは整形後パルス121の瞬時値が90%に達する時刻、tは整形後パルス121の瞬時値が100%に達する時刻を示している。
図5のCの部分の傾きは緩やかになっていることが分かる。つまり、パルス生成部900が生成するパルスが図5のオリジナルパルス111のように立上りの範囲に丸みがないパルスの場合、遅延時間がオリジナルパルス111の瞬時値が10%に達する時間よりも長くかつ100%に達する時間よりも短くなるように本発明を適用すると、立上りの範囲に丸みを与えてしまうことになる。このことから、一般にブリッジタップは性能を劣化させるものとして知られている。
図6は、立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が10%に達する時間にしたときの波形の変化を示す図である。この場合は、tとtとが同じ時刻となり、tとtとが同じ時刻となる。そして、傾きが緩やかな部分は瞬時値が0〜10%の範囲と90〜100%の範囲だけとなり、立上りの範囲の波形はオリジナルパルス111も整形後パルス121も同じである。つまり、パルスの瞬時値が10%に達する時間以下の遅延を与えても、立上りの範囲の波形は変わらず、Tr1とTr2は等しいままである。
図7は、立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が100%に達する時間にしたときの波形の変化を示す図である。この場合は、整形後パルス121の傾きはオリジナルパルス111の半分(Tr2はTr1の2倍)となるが、整形後パルス121の立上りの範囲も直線状である。
図8は、立上りの範囲に丸みがないパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が100%に達する時間よりも長くしたときの波形の変化を示す図である。この場合は、図中のBに示すように平らな部分が発生してしまう。したがって、遅延時間をパルスの瞬時値が100%に達する時間よりも長くするべきではないことが分かる。
図9は、立上りの範囲に丸みがあるパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの瞬時値が10%に達する時間よりも長くかつ100%に達する時間よりも短くしたときの波形の変化を示す図である。この図では、丸みがオリジナルパルス111の瞬時値が0〜25%と75〜100%の範囲にある例を示している。図中のCはオリジナルパルス111の丸みの部分であり、Cは整形後パルス121の丸みの部分である。オリジナルパルス111はブリッジタップ110によって分割されるので、丸みの部分Cも分割されることになる。分割された丸みの部分が合成されないように遅延時間Dを設定すれば、整形後パルス121の丸みの部分Cは、整形後パルス121の瞬時値が0〜12.5%と87.5〜100%の範囲となる。つまり、オリジナルパルス111では立上りの範囲のうち瞬時値が10〜25%と75〜90%に丸みがあったが、整形後パルス121では立上りの範囲のうち瞬時値が10〜12.5%と87.5〜90%と50%の付近に丸みがあるだけになる。さらに、整形後パルス121の丸み以外の部分の傾きも緩やかになるので、丸みが目立たなくなる。したがって、立上りの範囲全体で波形を直線状にできることが分かる。
図10は、立上りの範囲に丸みがあるパルスに本発明を適用した場合であって、遅延時間をパルスの丸みがなくなる時間にしたときの波形の変化を示す図である。この図では、丸みがオリジナルパルス111の瞬時値が0〜15%と85〜100%の範囲にある例を示している。この場合も、オリジナルパルス111では立上りの範囲のうち瞬時値が10〜15%と85〜90%に丸みがあったが、整形後パルス121では立上りの範囲のうち瞬時値が50%の付近に丸みがあるだけになる。さらに、整形後パルス121の丸み以外の部分の傾きも緩やかになるので、丸みが目立たなくなる。したがって、立上りの範囲全体で波形を直線状にできることが分かる。
図5を用いて説明したように、一般にブリッジタップは性能を劣化させるものとして知られている。しかし、図9や図10を用いて説明したように、立上りの範囲に丸みを有するパルスに対して本発明を適用すれば、丸みを低減できる。したがって、立上り時間の対象となる範囲(立上りの範囲)である10%から90%よりも広い範囲で波形がより直線的なパルスに整形できる。つまり、パルスの立上り時間の精度を向上できる。なお、上述の説明では、立ち上がりの範囲をパルスの瞬時値が10%から90%としたが、他の範囲でも本発明が適用できる。
例えば、同軸コードでのパルスの速度が5ns/mの場合であれば、同軸コードを往復する時間が遅延時間になるので、同軸コードの長さ(m)×10(ns/m)だけ遅れることになる。立上り時間Tが5nsの場合、丸みがないときならば瞬時値が10%となるまでの時間は0.5ns程度なので、丸みによって傾きが半分になったと仮定すれば1ns程度で瞬時値が10%となる。1ns程度の遅延を与えるとすれば、同軸コードの長さは10cmとなる。また、5ns以上の遅延を与えると、遅延時間が瞬時値が100%に達する時間よりも長くなり、図8で説明したような平らな部分が生じる可能性があるので、理論上は50cmよりも同軸コードを長くすべきではない。
なお、上述の説明ではブリッジタップとして用いる同軸コードは1本であったが、複数本用いてもよい。例えばN本の同軸コードを用いれば、パルス生成部900で生成されたパルスはN+1分割され、同軸コードで反射されて合成されるので、同様の効果が得られる。また、各同軸コードの長さを個別に調整できるので、立ち上がりの範囲の丸みをさらに低減できる。ただし、ブリッジタップの本数を増やせば、調整の自由度が増す一方、調整が煩雑になるという問題もある。したがって、同軸コードの本数は、パルス発生器に求められる立上りの精度などから適宜決定すればよい。
実験
図11〜15は、図4のパルス発生器100に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図である。出力同軸980の長さは30cmとした。ブリッジタップ110の長さは、図11は20cm、図12は25cm、図13は30cm、図14は40cm、図15は50cmである。図16は、図4のパルス発生器100に50Ω負荷を接続し、負荷に−2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図である。出力同軸980の長さは30cm、ブリッジタップ110の長さは30cmである。図3に示したブリッジタップがない場合の波形よりも、立上りの最初の部分と頭頂部の丸みが小さくなったことがわかる。また、ブリッジタップを50cmにした場合には、図15のEの部分から分かるように、傾きが緩やかな部分が立上りの範囲の真ん中付近に生じている。立上り時間が5nsの例では、同軸コードの長さは10〜50cmで本発明の効果が生じることが分かる。また、特に20〜40cmでより良い効果が得られることが分かる。
図17は、出力同軸の長さ、ブリッジタップの長さ、極性を変更しながら立上り時間を測定した結果を示している。立上り時間の単位はnsである。この図から、ブリッジタップの長さによって、立上り時間が調整できることが分かる。また、出力同軸の長さは遅延時間には影響していないことが分かる。極性の違いによる立上り時間の差は、パルス生成部900の特性の影響も含まれている。したがって、ブリッジタップの長さを調整すれば、パルス生成部900の内部の調整をしなくても、規格が定める立上り時間となるように調整できることが分かる。
図18に、本発明の第2の実施例を示す。パルス発生器200は、パルス生成部900とブリッジタップ210とを有する。パルス発生器200とパルス発生器100との違いは、ブリッジタップ210としてコンデンサを用いていることである。
図19は、図1のパルス生成部900に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図である。図20〜22は、図18のパルス発生器200に50Ω負荷を接続し、負荷に2kVが印加するようにパルスを発生させたときの電圧の変化を示す図である。出力同軸980の長さは30cmとした。ブリッジタップ210のコンデンサの容量は、図20は27pF、図21は33pF、図22は42pFである。なお、特性インピーダンス50Ωの30cmの同軸コードは、約30pFの静電容量を有していることから、このような容量を選択した。
図23は、コンデンサの有無、コンデンサの容量、発生させる電圧、極性を変更しながら立上り時間を測定した結果を示している。ブリッジタップなしの場合に、電圧と極性が異なることで立上り時間が異なるのは、パルス生成部900の特性と考えられる。同じ電圧と極性であれば、容量が大きくなると立上り時間が長くなる傾向である。これは、コンデンサによって高周波成分が減衰したことによると考えられる。したがって、ブリッジタップにコンデンサを含め、コンデンサの容量を調整することで立上り時間が調整できることが分かる。
本発明は、試験用のパルスのように波形の形状が規定されているパルスを発生させるパルス発生器や、規定に適合するパルスになるよう波形を整形する方法に利用できる。
100、200 パルス発生器
110、210 ブリッジタップ
900 パルス生成部
980 出力同軸

Claims (8)

  1. パルスを生成するパルス生成部と、
    一端が開放され他端が前記パルス生成部からの出力が伝搬する線路に電気的に接続された1つのみのブリッジタップと
    を有し、
    前記ブリッジタップは、前記パルス生成部が生成したパルスの立上り最初の部分もしくは最後の部分の丸みの部分の時間以上かつ瞬時値が100%に達する時間以下の遅延を生じさせる分布定数線路である
    ことを特徴とするパルス発生器。
  2. パルスを生成するパルス生成部と、
    一端が開放され他端が前記パルス生成部からの出力が伝搬する線路に電気的に接続されたブリッジタップと
    を有し、
    前記ブリッジタップは、長さが10〜50cmの同軸コードであり、
    前記同軸コードの中心導体が前記線路に接続され、外周導体は前記線路には接続されない
    ことを特徴とするパルス発生器。
  3. パルスを生成するパルス生成部と、
    一端が開放され他端が前記パルス生成部からの出力が伝搬する線路に電気的に接続された複数のブリッジタップと
    を有し、
    前記線路の前記ブリッジタップが接続されている複数の点同士の間には抵抗は挿入されておらず、
    複数の前記ブリッジタップのそれぞれは、前記パルス生成部が生成したパルスの立上り最初の部分もしくは最後の部分の丸みの部分の時間以上かつ瞬時値が100%に達する時間以下の遅延を生じさせる分布定数線路である
    ことを特徴とするパルス発生器。
  4. 請求項1または記載のパルス発生器であって、
    前記ブリッジタップは、直列に接続されたコンデンサも有している
    ことを特徴とするパルス発生器。
  5. パルスを生成するパルス生成部と、
    前記パルス生成部からの出力が伝搬する線路に接続されたブリッジタップと
    を有し、
    前記ブリッジタップは、1つのみのブリッジタップまたは、接続点同士の間に抵抗を挿入しないように前記線路に接続された複数のブリッジタップであり、
    前記ブリッジタップは、一端が開放され他端が前記線路に電気的に接続されたコンデンサを有し、前記パルス生成部が生成したパルスの立上りの範囲の丸みを直線状に整形する
    ことを特徴とするパルス発生器。
  6. 端が開放され、前記パルスの立上り最初の部分もしくは最後の部分の丸みの部分の時間以上かつ瞬時値が100%に達する時間以下の遅延を生じさせる分布定数線路の他端を、前記パルスを発生するパルス発生部と負荷との間の線路に電気的に接続するパルス整形方法であって、
    前記接続では、1つのみの分布定数線路を接続する、または、複数の分布定数線路を接続点同士の間に抵抗を挿入しないように前記線路に接続する
    ことを特徴とするパルス整形方法。
  7. 端が開放され、長さが10〜50cmの同軸コードの他端を、前記パルスを発生するパルス発生部と負荷との間の線路に電気的に接続するパルス整形方法であって、
    前記同軸コードの中心導体が前記線路に接続され、外周導体は前記線路には接続されない
    ことを特徴とするパルス整形方法。
  8. 記パルスを発生するパルス発生部と負荷との間の線路に、一端が開放されたコンデンサを有するブリッジタップの他端を電気的に接続するパルス整形方法であって、
    前記接続では、1つのみのブリッジタップを接続する、または、複数のブリッジタップを接続点同士の間に抵抗を挿入しないように前記線路に接続する
    ことを特徴とするパルス整形方法。
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