JP5268614B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、アナログ信号をサンプリングして、その実効値などの電気的パラメータを測定する測定装置に関するものである。

この種の測定装置として、下記の特許文献１に開示されている測定装置が知られている。この測定装置は、被測定の入力をサンプリングしてホールドするサンプル・ホールド回路、このサンプル・ホールド回路によって得た入力をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器、このアナログ・デジタル変換器の出力に演算／処理を施すデジタル・シグナル・プロセッサを備えた測定装置であって、それぞれ周波数の異なるサンプリング・クロックを発生する複数個のサンプリング・クロック発生器と、各サンプリング・クロック発生器から出力されるサンプリング・クロックを切り換えて、サンプル・ホールド回路およびアナログ・デジタル変換器に出力するサンプリング・クロック切換手段とを備えている。この測定装置では、サンプリング・クロック切換手段を制御することにより、表示更新周期毎にサンプル・ホールド回路およびアナログ・デジタル変換器に出力するサンプリング・クロックを変えて、デジタル・シグナル・プロセッサで得られた測定値の変化を検出し、この測定値の変化に応じて選択されるサンプリング・クロックにより被測定入力をサンプリングする。したがって、この測定装置によれば、表示更新周期毎に変えるサンプリング・クロックに応じた測定値の変化からエリアシングが起こったことを検出でき、このためエリアシングが起こらないサンプリング周波数を複数のサンプリング・クロックの中から選択することができる。したがって、高価なアンチエイリアスフィルタや高速サンプリング用のＡ／Ｄ変換器等を使用すること無く、ナイキスト周波数（サンプリング周波数の二分の一）以上の周波数帯域でもエリアシングの発生を回避することが可能となっている。
特開平７−９８３３６号公報（第２頁、第１図）

ところが、上記した従来の測定装置には、以下のような解決すべき課題がある。すなわち、この測定装置では、周波数の異なるサンプリング・クロックを発生する複数個のサンプリング・クロック発生器を備えている。このため、このクロックに起因したノイズが多く発生すると共に、ビートノイズ（各クロック周波数の差の周波数のノイズ）が多く発生して、装置の他の構成要素に悪影響を与えるおそれがあるという課題が存在している。また、エリアシングが起こらないサンプリング周波数の選択に際して、複数個のサンプリング・クロックを順次切り換える必要があるため、測定が遅くなるという課題も存在している。

本発明は、かかる解決すべき課題に鑑みてなされたものであり、ノイズの発生の少ない状態でアナログ信号をサンプリングして、その電気的特性値を高精度で、かつ高速に測定し得る測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の測定装置は、入力したアナログ信号をオーバーサンプリングしてｍビット（ｍは１以上の整数）で構成されるデータを当該オーバーサンプリングのレートで出力するオーバーサンプリング部と、前記データを入力してｎビット（ｎはｍよりも大きな整数）で構成されるデータを前記オーバーサンプリングレートで生成して出力するデータ変換部と、前記ｎビットのデータをそれぞれ間引いて互いに異なる周期で当該ｎビットのデータを出力する３個以上のデシメータ部と、前記各デシメータ部から出力される前記ｎビットのデータに基づいて、前記アナログ信号についての電気的特性値を当該ｎビットのデータ毎に算出する電気的特性算出処理、および当該算出した各電気的特性値のうちからほぼ同じ値となる特性値範囲を特定すると共に当該特性値範囲に含まれている前記電気的特性値に基づいて前記アナログ信号の最終的な電気的特性値を決定する決定処理を実行する処理部とを備え、前記各デシメータ部は、いずれか１個の当該デシメータ部の前記周期を基準としたときに、当該基準の周期の値に対して他のすべての当該デシメータ部の前記周期の値が整数倍とならない周期で前記ｎビットのデータを出力する。

また、請求項２記載の測定装置は、請求項１記載の測定装置において、前記処理部は、前記決定処理において、前記特性値範囲に含まれている複数の前記電気的特性値の平均値を算出して、当該平均値を前記最終的な電気的特性値として決定する。

請求項１記載の測定装置によれば、オーバーサンプリング部に対して１種類のサンプリングクロックを供給すれば良いため、周波数の異なるサンプリングクロックを発生するクロック発生器を複数個備えた測定装置とは異なり、サンプリングクロックに起因するノイズの発生や、ビートノイズの発生を大幅に低減することができる結果、入力したアナログ信号の電気的特性値を高精度で測定することができる。また、アンチエイリアスフィルタの使用を不要にできるため、装置の構成を簡略化することができる。また、入力したアナログ信号に対する実質的なサンプリング周波数となる各デシメータ部でのサンプリング周波数における各ナイキスト周波数の値に拘わらず、入力したアナログ信号の電圧実効値を高精度で測定することができる。また、各デシメータ部からｎビットのデータが同時に処理部に出力されるため、処理部がこれらのデータに基づいて最終的な電気的特性値を高速に測定することができる。

また、請求項２記載の測定装置によれば、処理部が、決定処理において、特性値範囲に含まれている複数の電気的特性値についての平均値を算出して、この平均値を最終的な電気的特性値として決定するため、特性値範囲に含まれている複数の電気的特性値が同一値とならない場合（ばらつく場合）であっても、入力したアナログ信号の電圧実効値を高精度で測定することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る測定装置の最良の形態について説明する。

最初に、測定装置１の構成について説明する。

測定装置１は、クロック発生部２、オーバーサンプリング部３、データ変換部４、複数（本例では、一例として３個）の第１、第２および第３デシメータ部５ａ，５ｂ，５ｃ（以下、特に区別しないときには「デシメータ部５」ともいう）、処理部６および表示部７を備え、入力信号Ｓ１（本発明におけるアナログ信号であって、一例として交流信号）の電気的特性値（本例では、一例として電圧実効値Ｖｒｍｓ）を測定可能に構成されている。

クロック発生部２は、入力信号Ｓ１の周波数ｆ０に対して十分に高い周波数ｆｓ（例えば１０倍以上の周波数）のクロックＳｃｋを１種類だけ生成して、オーバーサンプリング部３に出力する。オーバーサンプリング部３は、クロックＳｃｋで入力信号Ｓ１をサンプリングして、データＤ１をオーバーサンプリングレート（オーバーサンプリング周期Ｔｓ＝１／ｆｓ）で出力する。本例では、一例として、オーバーサンプリング部３は、ノイズシェーピング特性を有するデルタシグマ型変調器（具体的には、デルタシグマ型Ａ／Ｄ変換器）を用いて構成されて、ｍビット（ｍは１以上の整数。本例では、一例として１ビット）で構成されるデータＤ１をデータ変換部４に出力する。

データ変換部４は、入力したデータＤ１を、所望の精度を確保し得るｎビット（ｎはｍよりも大きな整数。本例では、一例として１６ビット）のデータＤ２に変換（多ビット化）して出力する。本例では、一例として、データ変換部４は、オーバーサンプリングレートで入力されるデータＤ１についての移動平均値を求めると共に、求めた移動平均値をｎビットのデータＤ２に変換して、オーバーサンプリング部３と同じ周期（オーバーサンプリングレート）で出力する。具体的には、データ変換部４は、ｋ番目から（ｋ＋３）番目までのデータＤ１の平均値を求め、次に（ｋ＋１）番目から（ｋ＋４）番目までのデータＤ１の平均値を求め、さらに（ｋ＋２）番目から（ｋ＋５）番目までのデータＤ１の平均値を求めるといった手順を繰り返すことにより、移動平均値を求める。なお、この平均値を求める手法としては、単純平均でも良いし、個々のデータＤ１に係数を掛けて平均を求めるＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）型のフィルタを用いて求めることもできる。

各デシメータ部５は、データ変換部４からオーバーサンプリングレートで出力されるｎビットのデータＤ２をそれぞれ入力すると共に、各々にそれぞれ予め規定された互いに異なるデシメーションレート（間引き率）でデータＤ２を間引いて、オーバーサンプリングレートよりも長いダウンサンプリングレート（ダウンサンプリング周期）で出力する。この構成により、各デシメータ部５は、互いに異なるダウンサンプリングレートでデータＤ２を出力する。本例では、一例として、第１デシメータ部５ａは、データＤ２を第１デシメーションレートで間引くと共に、残ったデータＤ２（間引かれなかったデータＤ２）を第１周期（第１ダウンサンプリングレート）Ｔ１でデータＤ３として出力する。第２デシメータ部５ｂは、データＤ２を第２デシメーションレートで間引くと共に、残ったデータＤ２を第２周期（第２ダウンサンプリングレート）Ｔ２でデータＤ４として出力する。第３デシメータ部５ｃは、データＤ２を第３デシメーションレートで間引くと共に、残ったデータＤ２を第３周期（第３ダウンサンプリングレート）Ｔ３でデータＤ５として出力する。この場合、各デシメータ部５でのデシメーションレートは、第１周期Ｔ１、第２周期Ｔ２、および第３周期Ｔ３が互いに整数倍にならないように、つまり、複数（この例では３つ）の周期のうちの任意の１つを基準としたときに、その１つの周期の値に対して他のすべての周期の値が整数倍とならないように規定されている。具体的には、例えば、第１周期Ｔ１（＝１／１０ｋＨｚ：１００ｎＳ）、第２周期Ｔ２（＝１／１２．８ｋＨｚ：７８．１２５ｎＳ）、第３周期Ｔ３（＝１／１６ｋＨｚ：６２．５ｎＳ）のように、予め規定されている。

処理部６は、一例としてＣＰＵおよび内部メモリで構成されて、各デシメータ部５から出力されるデータＤ３，Ｄ４，Ｄ５に基づいて、データＤ３，Ｄ４，Ｄ５毎に、入力信号Ｓ１についての電圧実効値Ｖｒｍｓ１，Ｖｒｍｓ２，Ｖｒｍｓ３（以下、特に区別しないときには「電圧実効値Ｖｒｍｓ」ともいう）を算出する電気的特性値算出処理、各電圧実効値Ｖｒｍｓに基づいて入力信号Ｓ１の最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０を決定する決定処理、および決定した電圧実効値Ｖｒｍｓ０を表示部７に出力する出力処理を実行する。表示部７は、一例としてディスプレイ装置で構成されて、処理部６から入力した電圧実効値Ｖｒｍｓを画面上に表示させる。

次に、測定装置１の動作について説明する。

この測定装置１では、作動状態において、クロック発生部２がクロックＳｃｋを発生させている。この状態において、測定装置１に入力信号Ｓ１が入力されたときには、まず、オーバーサンプリング部３が、この入力信号Ｓ１をクロックＳｃｋに同期してサンプリングして、ｍビットのデータＤ１をクロックＳｃｋの周期で出力する。次いで、データ変換部４が、このデータＤ１についての移動平均値を求めると共に、この移動平均値をｎビットのデータＤ２に変換して、クロックＳｃｋの周期と同じ周期で出力する。

続いて、各デシメータ部５がそれぞれのデシメーションレートでデータＤ２を間引くことにより、第１デシメータ部５ａは第１周期Ｔ１でデータＤ２をデータＤ３として出力し、第２デシメータ部５ｂは第２周期Ｔ２でデータＤ２をデータＤ４として出力し、第３デシメータ部５ｃは第３周期Ｔ３でデータＤ２をデータＤ５として出力する。この場合、第１デシメータ部５ａから出力されるデータＤ３は、入力信号Ｓ１をサンプリング周波数ｆ１（＝１／Ｔ１）のクロックでサンプリングして得られたデータと同等となり、データＤ３をアナログ信号に変換したときのスペクトルは図２における上段図で示されるものとなる。同様にして、第２デシメータ部５ｂから出力されるデータＤ４は、入力信号Ｓ１をサンプリング周波数ｆ２（＝１／Ｔ２）のクロックでサンプリングして得られたデータと同等となり、データＤ４をアナログ信号に変換したときのスペクトルは図２における中段図で示されるものとなる。また、第３デシメータ部５ｃから出力されるデータＤ５は、入力信号Ｓ１をサンプリング周波数ｆ３（＝１／Ｔ３）のクロックでサンプリングして得られたデータと同等となり、データＤ５をアナログ信号に変換したときのスペクトルは図２における下段図で示されるものとなる。

次いで、処理部６は、各デシメータ部５から出力されるデータＤ３，Ｄ４，Ｄ５に基づいて、まず、電気的特性値算出処理を実行する。この電気的特性値算出処理では、処理部６は、データＤ３に基づいて入力信号Ｓ１についての電圧実効値Ｖｒｍｓ１を算出して、内部メモリに記憶する。また、処理部６は、データＤ４に基づいて入力信号Ｓ１についての電圧実効値Ｖｒｍｓ２を算出して、内部メモリに記憶すると共に、データＤ５に基づいて入力信号Ｓ１についての電圧実効値Ｖｒｍｓ３を算出して、内部メモリに記憶する。これにより、電気的特性値算出処理が完了する。

次いで、処理部６は、決定処理を実行する。この決定処理では、処理部６は、電気的特性値算出処理において算出した各電圧実効値Ｖｒｍｓから、より近い値の電圧実効値Ｖｒｍｓがより多く集中する特性値範囲を特定し、この特性値範囲に含まれている電圧実効値Ｖｒｍｓに基づいて、入力信号Ｓ１の最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０を決定する。

この場合、入力信号Ｓ１の周波数ｆ０が、図２に示す（ａ）および（ｅ）のように、サンプリング周波数ｆ１における各ナイキスト周波数（ｆ１／２，ｆ１＋ｆ１／２，ｆ１×２−ｆ１／２，ｆ１×２＋ｆ１／２，・・・）、サンプリング周波数ｆ２における各ナイキスト周波数（ｆ２／２，ｆ２＋ｆ２／２，ｆ２×２−ｆ２／２，ｆ２×２＋ｆ２／２，・・・）、およびサンプリング周波数ｆ３における各ナイキスト周波数（ｆ３／２，ｆ３＋ｆ３／２，ｆ３×２−ｆ３／２，ｆ３×２＋ｆ３／２，・・・）のいずれからも離れているときがある。ここで、入力信号Ｓ１の周波数ｆ０がナイキスト周波数から離れているとは、入力信号Ｓ１の周波数ｆ０が、算出すべき電圧実効値Ｖｒｍｓに影響がない程度にナイキスト周波数から離れているとき、具体的には、周波数ｆ０が、ナイキスト周波数を中心としたエリアシングが起こる範囲から脱した状態となっているとき（図２に示す振幅が一定となっている領域内にあるとき）を意味する。この際には、同図に示すように、各データＤ３，Ｄ４，Ｄ５についてのスペクトルの振幅がほぼ揃った状態となるため、各電圧実効値Ｖｒｍｓはほぼ同じ値となる。この場合には、すべての電圧実効値Ｖｒｍｓがほぼ同じ特性値範囲に集中する。したがって、処理部６は、この特性値範囲に含まれているすべての電圧実効値Ｖｒｍｓの平均値を算出して、入力信号Ｓ１についての最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０として決定して、内部メモリに記憶する。

一方、入力信号Ｓ１の周波数ｆ０が、図２に示す（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）のように、サンプリング周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３における上記の各ナイキスト周波数のいずれかの近傍に位置しているときもある。この際には、同図に示すように、各データＤ３，Ｄ４，Ｄ５のうちのナイキスト周波数の近傍に周波数ｆ０が位置しているデータについてのスペクトルの振幅が、ナイキスト周波数から周波数ｆ０が離れている他のデータについてのスペクトルの振幅と異なる値となる。このため、ナイキスト周波数から周波数ｆ０が離れている２つのデータから算出される電圧実効値Ｖｒｍｓはほぼ同じ値に揃い、ナイキスト周波数の近傍に周波数ｆ０が位置している１つのデータから算出される電圧実効値Ｖｒｍｓのみの値が異なること（状態）となる。この場合には、２つの電圧実効値Ｖｒｍｓがほぼ同じ特性値範囲に集中する。つまり、算出した３つの電圧実効値Ｖｒｍｓのうちからより近い値がより多く（この例では２つ）所定の特性値範囲（例えばデータＤ３〜Ｄ５のうちのより近い２つのいずれかで求められる電圧実効値Ｖｒｍｓを基準として±１０％の範囲内）に集中する。このため、処理部６は、この特性値範囲に含まれている２つの電圧実効値Ｖｒｍｓの平均値を算出して、入力信号Ｓ１についての最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０として決定して、内部メモリに記憶する。これにより、決定処理が完了する。

本例では、上記したように、第１周期Ｔ１（＝１／ｆ１）、第２周期Ｔ２（＝１／ｆ２）、および第３周期Ｔ３（＝１／ｆ２）が互いに整数倍にならないように各デシメータ部５でのデシメーションレートが規定されているため、図２に示すように、各サンプリング周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３における各ナイキスト周波数が常に異なる周波数となる。このため、上記の決定処理により、複数（この例では３つ）の電圧実効値Ｖｒｍｓのうちの複数（この例では１つを除く残りの２つ）が、必ずナイキスト周波数から周波数ｆ０が離れている２つのデータから算出される電圧実効値Ｖｒｍｓとなり、これらから最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０が決定される。

最後に、処理部６は、内部メモリから電圧実効値Ｖｒｍｓ０を読み出して、表示部７に出力する。これにより、表示部７の画面上に電圧実効値Ｖｒｍｓ０が表示されて、電圧実効値Ｖｒｍｓ０についての測定が完了する。

このように、この測定装置１では、オーバーサンプリング部３が、入力信号Ｓ１をオーバーサンプリングしてｍビットで構成されるデータＤ１を出力し、データ変換部４が、データＤ１を入力してｎビット（ｎ＞ｍ）で構成されるデータＤ２を生成して出力し、各デシメータ部５が、データＤ２をそれぞれ入力して間引くことにより、互いに異なる周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３でデータＤ２を各データＤ３，Ｄ４，Ｄ５として出力し、処理部６が、各データＤ３，Ｄ４，Ｄ５に基づいて電気的特性算出処理を実行して、データＤ３，Ｄ４，Ｄ５毎に電圧実効値Ｖｒｍｓ１，Ｖｒｍｓ２，Ｖｒｍｓ３を算出し、決定処理を実行して、電圧実効値Ｖｒｍｓ１，Ｖｒｍｓ２，Ｖｒｍｓ３のうちからより近い値（実効値）がより多く集中する特性値範囲を特定すると共にこの特性値範囲に含まれている電圧実効値Ｖｒｍｓに基づいて入力信号Ｓ１の最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０を決定する。

したがって、この測定装置１によれば、オーバーサンプリング部３に対して１種類のクロックＳｃｋを供給すれば良いため、周波数の異なるサンプリングクロックを発生するクロック発生器を複数個備えた測定装置とは異なり、サンプリングクロックに起因するノイズの発生や、ビートノイズの発生を大幅に低減することができる結果、入力信号Ｓ１の電圧実効値Ｖｒｍｓ０を高精度で測定することができる。また、アンチエイリアスフィルタの使用を不要にできるため、装置の構成を簡略化することができる。また、入力信号Ｓ１に対する実質的なサンプリング周波数となる各サンプリング周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３における各ナイキスト周波数の値に拘わらず、入力信号Ｓ１の電圧実効値Ｖｒｍｓ０を高精度で測定することができる。また、各デシメータ部５がデータＤ３，Ｄ４，Ｄ５を同時に処理部６に出力するため、処理部６がこれらのデータＤ３，Ｄ４，Ｄ５に基づいて最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０を高速に（短時間に）測定することができる。

また、この測定装置１によれば、処理部６が、決定処理において、特性値範囲に含まれている複数の電圧実効値Ｖｒｍｓについての平均値を算出して、この平均値を最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０として決定するため、特性値範囲に含まれている複数の電圧実効値Ｖｒｍｓが同一値とならない場合（ばらつく場合）であっても、入力信号Ｓ１の電圧実効値Ｖｒｍｓ０を高精度で測定することができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、特性値範囲に含まれている複数の電圧実効値Ｖｒｍｓのばらつきが極めて小さい場合には、上記の決定処理において、これらの電圧実効値Ｖｒｍｓのうちの任意の１つ、最大の値、または最小の値を最終的な電圧実効値Ｖｒｍｓ０として決定する方法を採用することもできる。また、上記例では、入力信号Ｓ１についての電気的特性値として電圧実効値を測定しているが、電圧実効値に代えて、または電圧実効値と共に平均値を測定する構成にも本発明を適用できるのは勿論である。また、デシメータ部５の数を３個とする例について上記したが、４個以上の任意の個数とすることもできる。

測定装置１の構成を示すブロック図である。 測定装置１の動作を説明するための入力信号Ｓ１についてのスペクトル図である。

符号の説明

１ 測定装置
３ オーバーサンプリング部
４ データ変換部
５ａ，５ｂ，５ｃ デシメータ部
６ 処理部
Ｄ１ ｍビットのデータ
Ｄ２ ｎビットのデータ
Ｓ１ 入力信号
Ｖｒｍｓ１，Ｖｒｍｓ２，Ｖｒｍｓ３ 電圧実効値
Ｖｒｍｓ０ 最終的な電圧実効値

Claims (2)

1. 入力したアナログ信号をオーバーサンプリングしてｍビット（ｍは１以上の整数）で構成されるデータを当該オーバーサンプリングのレートで出力するオーバーサンプリング部と、
   前記データを入力してｎビット（ｎはｍよりも大きな整数）で構成されるデータを前記オーバーサンプリングレートで生成して出力するデータ変換部と、
   前記ｎビットのデータをそれぞれ間引いて互いに異なる周期で当該ｎビットのデータを出力する３個以上のデシメータ部と、
   前記各デシメータ部から出力される前記ｎビットのデータに基づいて、前記アナログ信号についての電気的特性値を当該ｎビットのデータ毎に算出する電気的特性算出処理、および当該算出した各電気的特性値のうちからほぼ同じ値となる特性値範囲を特定すると共に当該特性値範囲に含まれている前記電気的特性値に基づいて前記アナログ信号の最終的な電気的特性値を決定する決定処理を実行する処理部とを備え、
   前記各デシメータ部は、いずれか１個の当該デシメータ部の前記周期を基準としたときに、当該基準の周期の値に対して他のすべての当該デシメータ部の前記周期の値が整数倍とならない周期で前記ｎビットのデータを出力する測定装置。
2. 前記処理部は、前記決定処理において、前記特性値範囲に含まれている複数の前記電気的特性値の平均値を算出して、当該平均値を前記最終的な電気的特性値として決定する請求項１記載の測定装置。

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