JP6294651B2 - リファレンス波形生成回路、装置、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、リファレンス波形生成回路、装置、及び方法に係り、特にセトリングタイムの計測に用いるリファレンス波形の生成技術に関する。

アンプおよび回路のセトリング時間（整定時間）を測定する方法として、一般にオシロスコープやアナログデジタルコンバータ（以下「Ａ／Ｄコンバータ」という）を用いる。しかし、オシロスコープ及びＡ／Ｄコンバータ共にそれぞれ固有の歪みを持ち、更に入力される波形により歪みは異なる。オシロスコープ、Ａ／Ｄコンバータで発生する歪みを測定結果に影響を与えないようにする方法として、測定対象波形をアンプ等で増幅後、オシロスコープ、Ａ／Ｄコンバータ等で測定し、測定データを増幅した分を圧縮することで、オシロスコープ、Ａ／Ｄコンバータ等の測定系で発生した歪みの影響を小さくする方法があるが、増幅部分での歪みや増幅した波形を測定系に入力する際に測定系の入力段で飽和を起こし、測定系のリカバリ特性の影響が大きく影響するという問題があった。

上記問題を解決のために、例えば特許文献１には、標準パルスを生成し、測定対象波形と同じ振幅の波形を作り出し、測定対象を測定するのと同じ測定系で標準パルスを測定することで予め測定系の歪みを測定することができ、標準パルスと測定対象波形を比較することでオシロスコープ、Ａ／Ｄコンバータで発生する歪みを除いた測定ができるパルス発生器およびパルス生成方法に係る構成が開示されている。

特開２０１１−１４７０８０号公報

特許文献１に係るパルス発生器及びパルス生成方法では、標準パルスのスルーレートをパルス発生器の出力部にある可変抵抗を用いて調整するが、可変抵抗を任意に変更することで出力インピーダンスが変わり、生成した標準パルスのセトリング電圧近傍の波形がリファレンスとして使用できないほど歪む可能性があるという課題が残る。

本発明の目的は、測定対象波形のスルーレートに関わらずセトリング電圧近傍での歪みが一定で同じスルーレートを持つリファレンス波形を生成するリファレンス波形生成回路、装置、及び方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明のリファレンス波形生成回路は、測定対象波形の最終収束電圧よりも低い電圧により定められた閾値を超える電位の波形を遮断するクランプ回路と、前記クランプ回路からの出力波形及び前記最終収束電圧の電位を有する直流のそれぞれの入力を受け付け、前記クランプ回路からの出力波形の応答又は前記最終収束電圧の電位を有する直流の応答を出力してリファレンス波形を生成する波形切替部と、を備え、前記波形切替部は、前記クランプ回路から前記測定対象波形が入力される間は当該測定対象波形の応答を出力し、前記クランプ回路により前記測定対象波形が遮断されると、前記最終収束電圧の電位を有する直流の応答を出力してリファレンス波形を生成することを特徴とする。

また、本発明に係るリファレンス波形生成装置は、上記の構成に係るリファレンス波形生成回路と、前記測定対象波形を生成する第１外部装置に接続するための第１入力端子と、前記リファレンス波形を出力する第２外部装置に接続するための出力端子と、を備え、前記リファレンス波形生成回路は、前記第１入力端子及び前記出力端子の間に接続され、前記第１外部装置と前記第１入力端子とが接続されると、前記出力端子から前記第２外部装置に対して前記リファレンス波形が出力される、ことを特徴とする。

また、本発明に係るリファレンス波形生成方法は、入力された測定対象波形の最終収束電圧よりも低い電圧により定められた閾値未満の測定対象波形を出力するステップと、前記入力された測定対象波形のうち、前記閾値以上の電位を有する前記測定対象波形を遮断し、前記最終収束電圧の電位を有する直流の波形を出力するステップと、を含むことを特徴とする。

測定対象波形のスルーレートに関わらずセトリング電圧近傍での歪みが一定で同じスルーレートを持つリファレンス波形を生成するリファレンス波形生成回路、装置、及び方法を提供することができる。

本実施形態に係るリファレンス波形生成装置の使用状態を示す説明図である。 図１に示すリファレンス波形生成装置１０の概略構成を示す回路図である。 リファレンス波形生成装置１０の回路動作を示すフローチャートである。 リファレンス波形、測定対象波形、及び標準パルスの波形を比較した説明図であって、（ａ）は、リファレンス波形、測定対象波形、及び標準パルスの波形の概略を示し、（ｂ）は、図４の（ａ）において、一点鎖線で囲った領域内のリファレンス波形、測定対象波形、及び標準パルスの波形を拡大表示したものであり、セトリング電圧近傍の波形の詳細を示す。 第二実施形態に係るリファレンス波形生成装置１０の概略構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。全図を通じて同一の構成には同一の符号をつけて、重複説明を省略する。

本実施形態に係るリファレンス波形生成装置は、測定系（以下では、オシロスコープを例に挙げて説明する）により測定対象波形のセトリング時間を計測するために用いるリファレンス波形を生成するためのものである。具体的には、リファレンス波形生成装置により、測定対象波形と同じスルーレートのリファレンス波形を生成する。そして、測定系にリファレンス波形することで、測定系に測定対象波形を入力した際に生じる歪みを再現ことができる。そして、リファレンス波形と測定対象波形との差分を取ることで、測定系に入力した測定対象波形から、測定系に固有の歪みを取り除くことができ、測定対象家計に固有の歪み及びセトリング時間を求めるものである。以下、図１を参照して、本実施形態に係るリファレンス波形生成装置の使用状態について説明する。図１は、本実施形態に係るリファレンス波形生成装置の使用状態を示す説明図である。

図１に示すリファレンス波形生成装置１０は、測定対象波形生成装置２０（例えばアンプや測定対象となる回路）と、セトリング時間の測定機器（例えばオシロスコープ、Ａ／Ｄコンバータ）３０との間に接続されて使用される。以下、測定機器として、オシロスコープを例に挙げて説明する。

リファレンス波形生成装置１０は、第１入力端子１１及び第２入力端子１２、リファレンス波形生成回路１３、測定対象波形通過回路１４、及び出力端子１５を備える。第１入力端子１１は、リファレンス波形生成回路１３を経由して出力端子１５に接続される。第２入力端子１２は、測定対象波形通過回路１４を経由して出力端子１５に接続される。

測定対象波形生成装置２０がリファレンス波形生成装置１０の第１入力端子１１に接続されると、測定対象波形生成装置２０からの出力波形（以下「測定対象波形」という）がリファレンス波形生成回路１３に入力され、リファレンス波形が生成される。このリファレンス波形は、出力端子１５を介してオシロスコープ３０に出力される。

また、測定対象波形生成装置２０がリファレンス波形生成装置１０の第２入力端子１２に接続されると、測定対象波形生成装置２０からの測定対象波形が測定対象波形通過回路１４及び出力端子１５を介してオシロスコープ３０に出力される。

オシロスコープ３０は、入力端子３１、波形記憶部３２、差分回路３３、及び表示部３４を備える。そして、入力端子３１を介して入力されたリファレンス波形及び測定対象波形は波形記憶部３２に記憶される。差分回路３３は、これらを読み出して差分回路３３で差分処理を行い、差分処理後の波形を生成する。表示部３４は差分処理後の波形を表示する。

次に、図２を参照してリファレンス波形生成装置の構成について説明する。図２は、図１に示すリファレンス波形生成装置１０の概略構成を示す回路図である。図１２に示すように、リファレンス波形生成装置１０は、ダイオード１０１、１０２、１０３、１０４と、増幅器１１０と、抵抗１２１、１２２、１２３、１２４と、測定対象波形のセトリング電圧の直流電力を生成する直流電源回路（「ＤＣ電源」と記載する）１３０とを含む。増幅器１１０は、（−）入力端及び（＋）入力端を含む二系統の入力を有するオペアンプとして構成する。ダイオードは整流素子の一例であり、セトリング電圧近傍の電圧で測定対象波形の出力端をカットオフし、かつカットオフした際にフィードスルーの影響を小さくするため、リカバリ特性がよく端子間容量の小さい整流素子を選択するのが望ましい。

リファレンス波形生成装置１０は、第１入力端子１１と抵抗１２１との間にダイオード１０１、１０２、１０３、１０４が接続され、ダイオード１０１及び１０２と１０３及び１０４とをペアとし、いずれも抵抗１２１側の電位にクランプするようにアノード端子とカソード端子が接続するような構成とする（以下「クランプ回路１００」という）。

抵抗１２１、１２２は増幅器１１０のゲイン構成抵抗であり、増幅器１１０は反転回路として構成をする。抵抗１２２は、増幅器１１０の帰還抵抗とし（−）入力端と出力端との間に接続する、また抵抗１２２は増幅器１１０が飽和しないような定数を設定する。

抵抗１２３は増幅器１１０のオフセット電流をキャンセルするための抵抗であり、定数は増幅器１１０のゲイン構成抵抗１２１、１２２の合成抵抗値とするのが望ましく、印加するセトリング電圧の直流電力を生成するＤＣ電源１３０の出力端と増幅器１１０の（＋）入力端との間に接続する。

抵抗１２４は、ダイオード１０１、１０２、１０３、１０４、すなわちクランプ回路１００によるカットオフ発生時に、セトリング電圧を入力とする増幅器１１０の（−）入力側のゲイン構成抵抗となり、印加するセトリング電圧の直流電力を生成するＤＣ電源１３０の出力端と増幅器１１０の（−）入力端の間に接続する。

増幅器１１０の（−）入力端には、クランプ回路１００からの出力波形を、（＋）入力端には、ＤＣ電源１３０からのセトリング電圧の電位を有する直流の波形を入力する。そして、増幅器１１０は、クランプ回路１００からの出力波形の応答、又はセトリング電圧の電位を有する直流の波形の応答のどちらを出力する。よって増幅器１１０は、出力波形を切り替える波形切替部として機能する。波形切替部として、増幅器１１０を用いることは、一例にすぎず、波形切替部の構成を限定するものではない。増幅器１１０に代わり、例えば、測定対象波形の電位をモニターし、予め定められた測定対象波形のセトリング電圧以下の値で定義された閾値未満よりも測定対象波形の電位が低いときには、クランプ回路１００からの出力波形の応答を出力し、測定対象波形の電位が閾値以上であるときは、セトリング電圧の電位を有する直流の波形の応答を出力するスイッチ回路を用いてもよい。なお、ここでいうセトリング電圧とは、測定対象波形の最終収束電圧を意味し、「セトリング電圧以下の値で定義された閾値」とは、例えばセトリング電圧を含む許容範囲の下限値であってもよい。

増幅器１１０の電源は、印加するセトリング電圧を動作基準点となるフローティング電源とする。

次に、図３を参照して、リファレンス波形生成装置１０の回路動作について説明する。図３は、リファレンス波形生成装置１０の回路動作を示すフローチャートである。測定対象波形装置２０の出力端子とリファレンス波形生成装置１０の第１入力端子１１とを接続し、測定対象波形を入力する（Ｓ１）。入力された測定対象波形の電位がセトリング電圧近傍から離れている場合、すなわち測定対象波形の電位が、セトリング電圧よりも低い値で定義された閾値未満である場合（Ｓ２／Ｙｅｓ）、ダイオード１０１、１０２、１０３、１０４からなるクランプ回路１００は低インピーダンスとなり、クランプ回路１００から測定対象波形が出力される（Ｓ３）。この測定対象波形は、増幅器１１０に入力される。そして増幅器１１０は、抵抗１２１、１２２でゲイン倍された波形（測定対象波形の応答）を出力する（Ｓ４）。

入力された測定対象波形の電位がセトリング電圧近傍の場合、すなわち測定対象波形の電位が、セトリング電圧よりも低い値で定義された閾値以上である場合（Ｓ２／Ｎｏ）、ダイオード１０１、１０２、１０３、１０４からなるクランプ回路１００は高インピーダンスとなり、測定対象波形がカットオフ（遮断）される（Ｓ５）。よって、増幅器１１０に印加されるセトリング電圧が増幅器１１０に入力される。そして、増幅器１１０が、ＤＣ電源１３０からの印加されたセトリング電圧をゲイン倍した波形、すなわち、ＤＣ電源からの直流の応答を出力する（Ｓ６）。これにより、測定対象波形がセトリング電圧近傍で発生させる波形の暴れ（リンギング）等の特異的な特性を遮断することができ、安定したセトリング波形を得ることができる。

このように、測定対象波形の電位がセトリング電圧近傍以外のときは、測定対象波形と同じ波形（スルーレート）を持たせつつ、セトリング電圧近傍では測定対象波形の影響を受けず安定したセトリング波形を生成することができる。そして、このセトリング波形をリファレンス波形とし、測定対象波形との差分を取ることで、測定対象波形に存在する歪み及びセトリング時間を求めることができる。

図４を参照して、上記リファレンス波形、測定対象波形、及び標準パルスの波形を比較する。図４は、リファレンス波形、測定対象波形、及び標準パルスの波形を比較した説明図であって、（ａ）は、リファレンス波形、測定対象波形、及び標準パルスの波形の概略を示し、（ｂ）は、図４の（ａ）において、一点鎖線で囲った領域内のリファレンス波形、測定対象波形、及び標準パルスの波形を拡大表示したものであり、セトリング電圧近傍の波形の詳細を示す。

図４の（ａ）に示す標準パルスは、従来技術により生成されるパルス波形の一例を示す。この標準パルスは、測定対象波形の立ち上がり（スルーレート）とは異なるパルスである。より詳しくは、測定対象波形よりも早く立ち上がる。これに対し、本実施形態に係るリファレンス波形生成装置により生成されるリファレンス波形は、測定対象波形のスルーレートと同一スルーレートを持つ。標準パルス及び測定波形のセトリング点は、リファレンス波形に重なった点、またはリファレンス波形±エラーバンド内に集束した点として得られる。

図４の（ｂ）に示すように、標準パルスは測定対象波形よりも早く立ち上がる結果、セトリングも測定対象波形よりも早い時間に現れる。よって、標準パルスを用いて測定系固有のセトリング時間を計測し、これを測定対象波形に適用すると、測定対象波形の測定時間が実態よりも遅くセトリングしているように波形が現れる。加えてセトリング波形の肩ダレは、治具回路の応答特性に依存するので、セトリング波形が立ち上がった時点から肩ダレ現象が発生する。よって、測定対象波形を基準とし、波形の立ち上がりに差がある標準パルスを使うと、実態より測定対象波形生成装置が遅く動作しているように判定される。

これに対し、リファレンス波形は、図４の（ａ）に示すように測定対象波形と同一にスルーレートを持つことによりほぼ同時に立ち上がるので、標準パルスのように時間差に起因して実態よりもセトリング時間が遅くなるような判定誤差を解消することができる。

以上述べたように、本実施形態に係るリファレンス波形生成回路は、測定対象波形からリファレンス波形を生成する回路であり、セトリング電圧と同電位を印加する入力を持ち、測定対象波形生成装置の出力端に直列接続された複数の整流素子と、それらの整流素子において測定対象波形生成装置の出力端が接続されているのとは反対側に接続されるセトリング電圧を動作基準点となるフローティングオペアンプであって、フローティングオペアンプの出力とクランプ回路の出力電圧とセトリング電圧とが入力される差動入力アンプからなる回路として構成することにより、測定対象波形の電位がセトリング電圧近傍から離れているときは整流素子が低インピーダンスのため、測定系（オシロスコープ）には測定対象波形の応答がリファレンス生成回路から出力されるが、測定対象波形の電位がセトリング電圧近傍の時は整流素子が高インピーダンスになり、測定対象波形生成装置側からは電流を取り出さず、別に入力されているセトリング電位に収束し、安定した波形を取り出すことで、リファレンス波形を生成することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態は、オペアンプをフローティングアンプとして構成する実施形態である。以下、図５を参照して第二実施形態について説明するが、第一実施形態と同一の構成については同一の符号を付して重複説明を省略する。図５は、第二実施形態に係るリファレンス波形生成装置１０ａの概略構成を示す回路図である。

第二実施形態に係るリファレンス波形生成装置１０ａは、オペアンプ１１０をＤＣ電源１３０を基準とするフローティング電源により作動させる。さらに、オペアンプ１１０の帰還抵抗１２２に出力クランプ回路２００を並列接続する。出力クランプ回路２００は、二つのダイオード２０１、２０２を含んで構成される。そして、出力クランプ回路２００は、ＤＣ電源電圧±各ダイオード２０１、２０２の順電圧（Ｖｆ）の電圧成分のみを出力する。その他の構成は第一実施形態と同様である。

第二実施形態によれば、オペアンプをフローティングアンプとして構成することにより、動作電圧が低い高速のアンプを使用することができる。また、消費電力も抑えられる。また、オペアンプの如何抵抗にクランプ回路を並列接続することにより、セトリング電圧を中心に一定の振幅の波形を出力することができる。

上述した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。例えば、上記に示す実施形態では、第１入力端子１１から増幅器１１０までの間にあるクランプ回路１００の整流素子の段数を２段として説明したが、２段に限らず１段及び３段以上とすることができるのは言うまでもない。ただし、段数を減らすと整流素子の端子間容量の影響が大きくなり、フィードスルーの影響が現れ、段数を増やすと整流素子の順電圧（Ｖ_Ｆ）分だけ波形の立ち上がりが遅れることに注意する必要がある。また、上記実施形態では、第１入力端子と第２入力端子とを別の端子で構成したが、一つの入力端子を備え、リファレンス波形生成回路又は測定波形通過回路のどちらかを排他的に上記一つの入力端子に接続するためのスイッチ回路を備えてもよい。

１０：リファレンス波形生成装置
１１：第１入力端子
１２：第２入力端子
１００：クランプ回路
１１０：増幅器

Claims (7)

1. 測定対象波形の最終収束電圧よりも低い電圧により定められた閾値を超える電位の波形を遮断するクランプ回路と、
   前記クランプ回路からの出力波形及び前記最終収束電圧の電位を有する直流のそれぞれの入力を受け付け、前記クランプ回路からの出力波形の応答、又は前記最終収束電圧の電位を有する直流の応答を出力する波形切替部と、を備え、
   前記波形切替部は、前記クランプ回路から前記測定対象波形が入力される間は当該測定対象波形の応答を出力し、前記クランプ回路により前記測定対象波形が遮断されると、前記最終収束電圧の電位を有する直流の応答を出力してリファレンス波形を生成する、
   ことを特徴とするリファレンス波形生成回路。
2. 請求項１に記載のリファレンス波形生成回路において、
   前記波形切替部は、二系統の入力端を有するオペアンプにより形成され、
   前記二系統のうちの第１入力端は、前記クランプ回路から出力される測定対象波形が入力され、前記二系統のうちの第２入力端は、前記最終収束電圧の電位を有する直流が入力される、
   ことを特徴とするリファレンス波形生成回路。
3. 請求項２に記載のリファレンス波形生成回路において、
   前記オペアンプは、前記最終収束電圧の電位を基準とするフローティング電源により動作する、
   ことを特徴とするリファレンス波形生成回路。
4. 請求項３に記載のリファレンス波形生成回路において、
   前記オペアンプには、ダイオードを含む出力クランプ回路が並列接続され、
   前記出力クランプ回路は、前記最終収束電圧を基準とし前記ダイオードの順電圧を加減した範囲の電圧成分を出力する、
   ことを特徴とするリファレンス波形生成回路。
5. 請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４に記載のリファレンス波形生成回路と、
   前記測定対象波形を生成する第１外部装置に接続するための第１入力端子と、
   前記リファレンス波形を出力する第２外部装置に接続するための出力端子と、
   を備え、
   前記リファレンス波形生成回路は、前記第１入力端子及び前記出力端子の間に接続され、
   前記第１外部装置と前記第１入力端子とが接続されると、前記出力端子から前記第２外部装置に対して前記リファレンス波形が出力される、
   ことを特徴とするリファレンス波形生成装置。
6. 請求項５に記載のリファレンス波形生成装置において、
   前記第１外部装置に接続するための前記第１入力端子とは異なる第２入力端子と、
   前記第２入力端子及び前記出力端子との間に接続され、前記測定対象波形を通過させる測定対象波形通過回路と、を備え、
   前記第１外部装置と前記第２入力端子とが接続されると、前記出力端子から前記第２外部装置に対して前記測定対象波形の応答が出力される、
   ことを特徴とするリファレンス波形生成装置。
7. 入力された測定対象波形の最終収束電圧よりも低い電圧により定められた閾値以下の測定対象波形を出力するステップと、
   前記入力された測定対象波形のうち、前記閾値を超える電位を有する前記測定対象波形を遮断し、前記最終収束電圧の電位を有する直流を出力するステップと、
   を含むことを特徴とするリファレンス波形生成方法。