JP6288945B2 - ノイズ源位置推定装置及びノイズ源位置推定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板といった測定対象で発生しているノイズの発生源を推定するノイズ源位置推定装置及びノイズ源位置推定プログラムに関する。

従来のノイズ源位置推定手法、特にプリント基板の電源系のノイズに対しては、磁界プローブ等のセンサをノイズ源の候補となるＩＣの電源ピンに近づけてノイズが検出されるかを確認していくといった方法がとられていた。あるいは、非特許文献１や特許文献１のように、基板全面をセンサで走査し、ノイズが強い部分や、ノイズの伝搬経路を探すといった手法が使われていた。

特開平５−２８１２７４号公報

VCCIキットモジュール妨害波測定技術基準 V-A3/2009.04 付則1

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような従来の技術では、ＢＧＡパッケージのようにＩＣ裏面にピンがある構造ではプローブを近づけることが困難であった。また、多層基板において、ノイズが基板内層を伝搬する場合、ノイズ信号の直接測定が困難であり、測定可能なのは、基板端部やスルーホールで表層に引き出された部分といった、限られた測定点のみであった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、測定対象の形状にかかわらずノイズ位置の測定を行うことのできるノイズ源位置推定装置を得ることを目的とする。

この発明に係るノイズ源位置推定装置は、測定対象で発生しているノイズの発生源を推定するノイズ源位置推定装置において、複数の測定箇所における測定対象のノイズ波形の時間変化を同じ時間領域で取得する測定部と、複数の測定箇所を信号源位置、時間変化する波形を信号源の励振波形とした場合の測定対象内における時間領域の電磁界解析を演算すると共に、演算結果に対して電磁界強度のピークを検出し、ピークを検出した位置をノイズ源と判定する演算部とを備えたものである。

この発明のノイズ源位置推定装置は、同じ時間領域で取得した複数の測定箇所を信号源位置、時間変化する波形を信号源の励振波形とした場合の電磁界解析を演算すると共に、演算結果に対して電磁界強度のピークを検出し、ピークを検出した位置をノイズ源と判定するようにしたので、測定対象の形状にかかわらずノイズ位置の測定を行うことができる。

この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置と測定対象との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置のノイズ波形の測定を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置のノイズ波形の時間反転信号の生成を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置の時間をさかのぼる電磁界解析を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置の時間反転信号入力直後の電界強度分布を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置のノイズ源位置でのピーク形成時の電界強度分布を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置の境界によるマルチパスの発生を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるノイズ源位置推定装置を示す構成図である。
図１に示すノイズ源位置推定装置は、測定部１０、演算部２０、解析設定・モデル入力部３０、しきい値入力部４０、結果表示部５０を備えている。測定部１０は、測定対象のノイズ波形の時間変化を、複数の測定箇所でかつ同時に測定するものであり、センサ１１ａ〜１１ｎとメモリ１２とを備えている。センサ１１ａ〜１１ｎは、それぞれが測定対象のノイズ波形の変化を検出するためのセンサである。なお、ｎは任意の数を示しており、複数のセンサであれば特にセンサ数を限定するものではない。メモリ１２は、これらセンサ１１ａ〜１１ｎからのノイズ波形信号を記憶するための記憶部である。

演算部２０は、複数の測定箇所を信号源位置、時間変化する波形を信号源の励振波形とした場合の電磁界解析を演算すると共に、この演算結果に対して電磁界強度のピークを検出し、ピークを検出した位置をノイズ源と判定するものであり、時間反転信号計算部２１、演算初期設定部２２、電磁界計算部２３、電磁界計算終了判定部２４、ピーク検出部２５を備えている。時間反転信号計算部２１は、測定部１０からのノイズ波形信号に対して時間反転を行う計算部である。演算初期設定部２２は、解析設定・モデル入力部３０からの設定入力に基づいて電磁界計算部２３における初期設定を行う処理部である。電磁界計算部２３は、時間領域の電磁界解析（電磁界シミュレーション）を実行する演算部である。電磁界計算終了判定部２４は、解析設定・モデル入力部３０から入力された電磁界解析の打ち切り時間情報に基づいて電磁界計算部２３における終了判定を行う処理部である。ピーク検出部２５は、しきい値入力部４０から入力されたしきい値を用いて、電磁界計算部２３における計算結果からピークを検出し、これをノイズ位置として結果表示部５０に出力する処理部である。

また、解析設定・モデル入力部３０は、電磁界計算部２３における初期設定値や電磁界計算終了判定部２４における打ち切り時間等を入力するための入力部、しきい値入力部４０は、ピーク検出部２５がピーク検出を行う際のしきい値を入力するための入力部、結果表示部５０は、ノイズ位置を表示するための表示部である。

なお、ノイズ源位置推定装置における演算部２０はコンピュータを用いて実現され、時間反転信号計算部２１〜ピーク検出部２５は、それぞれの機能に対応したソフトウェアとこれらのソフトウェアを実行するためのＣＰＵやメモリといったハードウェアから構成されている。

図２は、測定対象とノイズ源位置推定装置との関係を示す説明図である。本実施の形態では、平行平板内を伝送するノイズ信号から平行平板内のノイズ発生源位置を推定する場合を想定している。図２において、２枚の平板２０１ａおよび平板２０１ｂが平行平板を形成しており、ノイズ源位置推定装置は、これら平行平板内部のノイズ源を測定する。

これら平行平板には、４つの電圧プローブ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄが、それぞれケーブル２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄを介して、ノイズ源位置推定装置の装置本体２００と接続されており、これらがそれぞれ図１におけるセンサ１１ａ〜１１ｎに相当する。なお、図２では、電圧プローブ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄを４つとしているが、複数であれば特に４つに限定されるものではない。電圧プローブ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄは、基板端等の平行平板間電圧が測定可能な位置に接続される。測定点は、従来技術のようにノイズ源近傍である必要は無く、ノイズの伝搬経路に沿う必要も無い。

以下、本実施の形態のノイズ源位置推定装置における動作について説明する。
図３は、ノイズ源位置推定装置の動作を示すフローチャートである。
ノイズ源の位置推定処理を行う場合、先ず、測定対象に対するノイズ波形を測定する（ステップＳＴ１）。
図４は、ノイズ波形の測定を示す説明図である。図４では、平行平板内のノイズ源４０１からノイズ４０２が発生し、平行平板内を伝送し、複数の観測点４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃにおいて、時間対電圧としてノイズ波形を同時に観測する。説明を簡略化するための、図４では観測点を３つとしているが、実際には電圧プローブと同数となる。観測点で同時に測定されたノイズ波形は、測定部１０内のメモリ１２に記録される。

次に、演算部２０の時間反転信号計算部２１において、時間反転信号を生成する（ステップＳＴ２）。図５は、ノイズ波形の時間反転信号の生成を示している。図示のように、ノイズ波形５００ａ，５００ｂ，５００ｃは、メモリ１２から読み出され、時間反転信号計算部２１で時間反転信号５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃに変換される。ここで、時間反転信号とは、測定されたデータを時間的に逆順に並べ替えたものである。

次に、演算初期設定部２２、電磁界計算部２３、電磁界計算終了判定部２４により時間領域の電磁界シミュレーション（例えばＦＤＴＤ法）を実行する（ステップＳＴ３〜ステップＳＴ５）。ただし、通常の時間領域のシミュレーションは、時刻ｔの電磁界からｔ＋Δｔの電磁界を計算するのが一般的であるが、本手法では、時刻ｔの電磁界からｔ−Δｔの電磁界を計算するように定式化する。つまり過去にさかのぼって計算していく。
このシミュレーションにおける微小時間ステップΔｔや、モデルのセルサイズは測定波形の主要周波数成分の波長の１／１０程度にすることが望ましい。これらの設定値は、解析設定・モデル入力部３０から設定することを想定しているが、演算初期設定部２２、電磁界計算部２３、電磁界計算終了判定部２４のいずれかが測定波形から自動的に算出する構成でも構わない。

図６は、本実施の形態における時間をさかのぼる電磁界解析を模式的に示す説明図である。演算部２０内には、測定対象となるプリント基板の詳細なモデルを備えているとする。図４の観測点４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃに対応するモデル内の位置６０３ａ，６０３ｂ，６０３ｃを解析の信号源位置とし、時間反転信号５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃを解析の信号源波形とし、過去にさかのぼるシミュレーションを実行する。シミュレーションは電磁界計算終了判定部２４で終了条件が満たされるまで、ステップごとに微小時間Δｔずつさかのぼりながら実行される（ステップＳＴ４〜ステップＳＴ５）。ステップＳＴ５における終了条件は一般的に時間で規定されることが多く、解析対象を信号が通過するよりも長い時間とすることが望ましい。終了条件は、解析設定・モデル入力部３０から設定することを想定しているが、解析モデルの情報を備えているので、測定対象のサイズと誘電率に基づいて、演算初期設定部２２、電磁界計算部２３、電磁界計算終了判定部２４のいずれかが自動的に算出する構成としてもよい。また、ピークが生じることを条件とする構成や、手動で打ち切る構成でも構わない。

以上のシミュレーション結果による電磁界の時間変化を観察し続けると、全ての信号源からの波６０２ａ，６０２ｂ，６０２ｃが強め合い、ある一点６０１でピークが生じる。これが元々のノイズ源位置となる。このピークはしきい値入力部４０からの設定に基づき、ピーク検出部２５により検出し（ステップＳＴ６）、結果表示部５０でピーク位置を表示する（ステップＳＴ７）。

上記の時間をさかのぼる電磁界シミュレーションの例を図７および図８に示す。図７は時間反転信号入力直後、図８はノイズ源位置でのピーク形成時の電界強度分布である。シミュレーションの信号源位置、すなわち実測での観測点位置は、四隅および四辺の中央の計八個所、ノイズ源位置は（ｘ，ｙ）＝（１００，５０）である。図８から、確かにノイズ源位置（ｘ，ｙ）＝（１００，５０）でピークが形成されていることが確認出来る。
以上の構成および動作により、限られた測定点の測定結果から、基板内層を伝送するノイズの発生位置を決定可能な測定装置を実現できる。

以上の説明では、一つのノイズ源位置測定装置としていたが、機能を複数の装置に分割し、複数の装置からなるノイズ源位置測定装置を構成しても同等の機能を実現できる。例えば、単一のセンサを組み合わせ、それぞれの出力信号に基づいてシミュレーションを行うようにしてもよい。このような場合は既存の測定器を利用できるため、装置コストを低減できるという利点がある。
また、時間をさかのぼる電磁界解析を使用する構成で説明したが、損失が十分小さく、モデル中に非可逆構造が無いといった条件では、時間をさかのぼる電磁界解析の代わりに、通常の時間が進む電磁界解析を用いても同等の結果を得られる。この場合も、既存のソフトウェアを利用できるので、コストを低減できるという利点がある。

さらに、演算部２０は、ＣＡＤデータと付加情報から、プリント基板といった測定対象の物理構造と電気特性を電磁界解析のモデルとして用いてもよい。すなわち、ＣＡＤデータとして、基板外形、導体パターンの形状・寸法といった基板の物理構造を取得し、付加情報として、基板誘電体の誘電率、誘電正接、導体の導電率といった基板の電気特性を設定することで電磁界解析のモデルとして用いることができる。

なお、上記実施の形態では、図４〜図６で示したように、観測点（信号源位置）を３点としたが、実用上問題がなければ２点であってもよい。この場合、図６における信号源からの波が強め合う点が２点になってしまうが、この２点が近接している場合や、ノイズ源位置を２点まで絞り込めれば十分実用的であるといった場合では、観測点を２点とすることも可能である。

また、測定空間が境界を有する閉空間である場合、その境界を経由するマルチパスが生じることになる。図９は、このような境界によるマルチパスの発生を示す説明図である。
図９に示しているように、実際の信号源は第１の信号源である信号源９０１ａと、第２の信号源である信号源９０１ｂの２つである。しかし、境界９０２によって信号源９０１ｂのマルチパスが発生しており、これが境界９０２の外側の仮想波源９０１ｃとして動作するため、仮想波源９０１ｃが第３の信号源として、図６の場合と同様にノイズ位置９０３を同定することができる。従って、境界９０２によるマルチパスを用いることができる場合、観測点は２箇所であっても仮想波源９０１ｃの位置を含む信号源の位置としては３箇所とみなすことができ、このような構成であってもノイズ位置９０３の同定が可能である。すなわち、測定対象のノイズ波形の時間変化を取得する箇所として、仮想波源９０１ｃのような仮想的な箇所も含めることができる。

さらに、マルチパスによる仮想波源が複数得られる場合、あるいは上述したノイズ源位置を２点まで絞り込めればよい場合は、実際の観測点として１箇所だけであっても、仮想的な箇所を含めて複数の測定箇所におけるノイズ波形の時間変化を同じ時間領域として取得することができれば、ノイズ源位置を推定することが可能である。

以上説明したように、実施の形態１のノイズ源位置推定装置によれば、測定対象で発生しているノイズの発生源を推定するノイズ源位置推定装置において、複数の測定箇所における測定対象のノイズ波形の時間変化を同じ時間領域で取得する測定部と、複数の測定箇所を信号源位置、時間変化する波形を信号源の励振波形とした場合の電磁界解析を演算すると共に、演算結果に対して電磁界強度のピークを検出し、ピークを検出した位置をノイズ源と判定する演算部とを備えたので、測定対象の形状にかかわらずノイズ位置の測定を行うことができる。

また、実施の形態１のノイズ源位置推定装置によれば、演算部は、測定部で取得したノイズ波形を時間的に反転させ、時間をさかのぼる電磁界解析を行うようにしたので、限られた測定点の測定結果からノイズの発生位置を決定することができる。

また、実施の形態１のノイズ源位置推定装置によれば、複数の測定箇所は３箇所以上であるようにしたので、どのような測定対象であってもノイズの発生位置を決定することができる。

また、実施の形態１のノイズ源位置推定装置によれば、演算部は、電磁界解析の打ち切り時間を、測定対象のサイズと誘電率とから求めるようにしたので、外部から打ち切り時間を入力することなく電磁界解析を行うことができる。

また、実施の形態１のノイズ源位置推定装置によれば、演算部は、電磁界解析のモデルの空間セルサイズと時間ステップサイズとを、測定波形から求めるようにしたので、外部から空間セルサイズや時間ステップサイズを入力することなく電磁界解析を行うことができる。

また、実施の形態１のノイズ源位置推定装置によれば、演算部は、ＣＡＤデータおよび付加情報から測定対象の物理構造と電気特性を電磁界解析のモデルとして保持するようにしたので、容易に電磁界解析のモデルを得ることができる。

また、実施の形態１のノイズ源位置推定プログラムによれば、複数の測定箇所における測定対象のノイズ波形の時間変化を同じ時間領域で取得する測定部を用い、測定対象で発生しているノイズの発生源を推定するノイズ源位置推定装置を実現するコンピュータを、複数の測定箇所を信号源位置、時間変化する波形を信号源の励振波形とした場合の電磁界解析を演算すると共に、演算結果に対して電磁界強度のピークを検出し、ピークを検出した位置をノイズ源と判定する演算部として動作させるようにしたので、測定対象の形状にかかわらずノイズ位置の測定を行うことができるノイズ源位置推定装置をコンピュータ上に実現することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１０ 測定部、１１ａ〜１１ｎ センサ、１２ メモリ、２０ 演算部、２１ 時間反転信号計算部、２２ 演算初期設定部、２３ 電磁界計算部、２４ 電磁界計算終了判定部、２５ ピーク検出部、３０ 解析設定・モデル入力部、４０ しきい値入力部、５０ 結果表示部、２００ 装置本体、２０１ａ，２０１ｂ 平板、２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ 電圧プローブ、２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ ケーブル、４０１ ノイズ源、４０２ ノイズ、４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ 観測点、５００ａ，５００ｂ，５００ｃ ノイズ波形、５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ 時間反転信号、６０１ 一点（ピーク）、６０２ａ，６０２ｂ，６０２ｃ 波、６０３ａ，６０３ｂ，６０３ｃ モデル内の位置、９０１ａ，９０１ｂ 信号源、９０１ｃ 仮想波源、９０２ 境界、９０３ ノイズ位置。

Claims (7)

1. 測定対象で発生しているノイズの発生源を推定するノイズ源位置推定装置において、
   複数の測定箇所における前記測定対象のノイズ波形の時間変化を同じ時間領域で取得する測定部と、
   前記複数の測定箇所を信号源位置、前記時間変化する波形を信号源の励振波形とした場合の前記測定対象内における時間領域の電磁界解析を演算すると共に、当該演算結果に対して電磁界強度のピークを検出し、ピークを検出した位置をノイズ源と判定する演算部とを備えたことを特徴とするノイズ源位置推定装置。
2. 前記演算部は、前記測定部で取得したノイズ波形を時間的に反転させ、時間をさかのぼる電磁界解析を行うことを特徴とする請求項１記載のノイズ源位置推定装置。
3. 前記複数の測定箇所は３箇所以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のノイズ源位置推定装置。
4. 前記演算部は、前記電磁界解析の打ち切り時間を、前記測定対象のサイズと誘電率とから求めることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のノイズ源位置推定装置。
5. 前記演算部は、前記電磁界解析のモデルの空間セルサイズと時間ステップサイズとを、前記測定部で測定された波形から求めることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のノイズ源位置推定装置。
6. 前記演算部は、ＣＡＤデータおよび付加情報から前記測定対象の物理構造と電気特性を前記電磁界解析のモデルとして保持することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のノイズ源位置推定装置。
7. 複数の測定箇所における測定対象のノイズ波形の時間変化を同じ時間領域で取得する測定部を用い、
   前記測定対象で発生しているノイズの発生源を推定するノイズ源位置推定装置を実現するコンピュータを、
   前記複数の測定箇所を信号源位置、前記時間変化する波形を信号源の励振波形とした場合の前記測定対象内における時間領域の電磁界解析を演算すると共に、当該演算結果に対して電磁界強度のピークを検出し、ピークを検出した位置をノイズ源と判定する演算部として動作させることを特徴とするノイズ源位置推定プログラム。

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