JPH0664158B2

JPH0664158B2 - 自動時間間隔測定方法

Info

Publication number: JPH0664158B2
Application number: JP2157802A
Authority: JP
Inventors: ヘンリー・グレゴリー・フォックス
Original assignee: ソニー・テクトロニクス株式会社
Priority date: 1989-06-19
Filing date: 1990-06-18
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: US4916677A; JPH0328792A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、入力信号の２つのイベント間の時間間隔を自
動的に測定する自動時間間隔測定方法に関する。

［従来技術及び発明が解決しようとする課題］オシロスコープは、入力信号のイベント間の時間間隔の
測定にしばしば用いられる。例えば、正弦波信号の周期
は、その信号の正方向ゼロクロス点間の間隔を測定する
ことにより求められ、その信号の周波数は、周期の逆数
として求められる。このような測定は、オシロスコープ
のスクリーン上の入力信号の表示を用いて行われてい
た。オペレータは、オシロスコープのスクリーン上に表
示された信号の２つのイベントの間隔をスクリーン上の
水平軸目盛の単位で測定していた。この水平目盛数と時
間／目盛で表されるオシロスコープの掃引率との乗算に
よりオペレータは２つのイベント間の時間間隔を求めて
いた。このような測定方法は、時間がかかる上に精度も
低いという問題があった。

時間間隔測定の精度を向上する為に、オシロスコープに
カウンタ／タイマーを内蔵したものもある。この場合、
オペレータは、２つのカーソルを測定したいイベント点
に夫々設定する。これらのカーソルにより水平掃引信号
の２つのトリガ点が決まり、第１カーソルの点からカウ
ンタ／タイマーは正確な発振器の出力パルスのカウント
を開始する。カウンタ／タイマーは、第２のカーソルの
点でカウントを停止し、その間の計数値に発振器の出力
パルスの周期を乗算することにより時間間隔が求められ
る。この方法では、測定時間及び精度は向上するが、カ
ウンタ／タイマーのハードウエアの為の追加費用が必要
となる上に、オペレータが２つのカーソルの位置を正確
に設定する必要もある。

カウンタ／タイマーを使用しない最近の技術は、1988年
６月30日に出願された米国特許出願第213645号（米国特
許第4855968号として発行済み、特開平２−52282号に対
応）の明細書に開示されている。この技術では、第１イ
ベントでＡ掃引信号をトリガし、第２イベントでＢ掃引
信号をトリガするように、Ａ及びＢの２つの掃引信号を
利用している。最初、両方の掃引信号を第１のイベント
でトリガし、設定した第１基準レベルにＡ掃引信号が達
した時に第１指示信号を発生し、その後第２のイベント
でＢ掃引信号をトリガしてＢ掃引信号が第２基準レベル
に達した時に第２指示信号を発生し、第１及び第２指示
信号が等価時間軸上で同じ時点で発生するように第２基
準レベルを調整し、第１及び第２基準レベル間の電位差
から第１及び第２イベント間の時間差を計算することが
出来る。最高の精度で時間間隔を測定する為には、両方
の掃引信号は、ダグラス・クリフォード・スティーブン
ス及びヘンリー・グレゴリー・フォックスにより1986年
８月29日に出願された米国特許出願第902363号の明細書
に開示された校正方法に従って掃引信号のオフセット及
び非線形性を補償するように校正しても良い。

従って、本発明の目的は、従来の技法に比較してより簡
単に時間間隔を自動的に測定し得るアナログ・オシロス
コープに好適な時間間隔測定方法を提供することであ
る。

［課題を解決する為の手段及び作用］本発明の時間間隔測定方法によれば、アナログ・オシロ
スコープの単一の掃引信号（傾斜信号）を利用する。先
ず、反復入力信号に応じて掃引信号を繰り返し発生す
る。この掃引信号は可変遅延レベルと比較され、この比
較出力の状態変化の時点と上記入力信号の第１イベント
の時点が一致するまで上記可変遅延レベルを順次調整し
て上記第１イベントを表す第１遅延レベルを探索する。
次に、入力信号の第２イベントの時点と上記比較出力の
状態変化の時点が一致するまで上記可変遅延レベルを調
整して上記第２イベントを表す第２遅延レベルを探索す
る。このようにして求めた第１及び第２遅延レベルの差
を計算し、第１及び第２イベント間の時間間隔を自動的
に測定する。

本発明の自動時間間隔測定方法によれば、反復入力信号
の第１及び第２イベントを夫々発生する場合のトリガ回
路に於ける第１及び第２トリガ・レベルを同一に設定
し、反復入力信号の少なくとも１サイクルが掃引期間内
に含まれるように掃引信号の掃引率を設定する。これに
より、第１及び第２イベントを表す第１及び第２遅延レ
ベルの差から自動的に反復入力信号の周期を計算するこ
とが出来る。この周期の逆数から周波数も求められる。

［実施例］第２図は、本発明を応用するのに好適なアナログ・オシ
ロスコープの構成を示すブロック図である。入力信号
は、夫々Ａトリガ信号及びトリガ信号を発生するＡ及び
Ｂ用のシュミット・トリガ回路10及び12に供給される。
Ａ及びＢトリガ信号は、入力信号が夫々Ａ及びＢトリガ
・レベル制御用のDAC（デジタル・アナログ変換器）14
及び16から発生する可変レベルを超えたときに発生され
る。μＰ（マイクロ・プロセッサ）18は、オシロスコー
プの前面パネル（図示せず）のオペレータによる調整に
応じてこれらDAC14及び16の出力レベルを所望のトリガ
・レベルに制御する。Ａ及びＢのトリガ信号は夫々Ａ及
びＢのゲート回路20及び22に供給される。これらＡ及び
Ｂゲート回路20及び22の出力ゲート信号によりＡ掃引回
路24及びＢ掃引回路26の夫々発生するＡ及びＢ掃引信号
が制御される。Ａ掃引信号は、Ａ及びＢのゲート回路20
及び22に夫々供給され、Ａ掃引信号が最終掃引電圧に達
する各掃引サイクル毎にＡ及びＢゲート回路20及び22の
出力をリセットする。Ａ及びＢのゲート回路20及び22
は、所定のホールド・オフ期間が終了するまでディセー
ブル状態のままに維持される。Ａゲート回路20は、Ａト
リガ信号の次の立ち上がりエッジに応じてＡ掃引信号の
出力を再び開始する。他方、Ｂゲート回路22は、遅延比
較器28の出力が高状態になった後にＢトリガ信号の最初
の立ち上がりエッジに応じてＢ掃引信号の出力を開始す
る。

Ａ掃引信号は、遅延比較器28にも供給され、Ａ掃引信号
がμP18により制御される遅延DAC30の出力レベルを超え
た時、遅延比較器28の出力は、Ａ掃引信号が遅延DAC30
の出力レベルを超えたときのみ高状態となり、Ｂゲート
回路をＢトリガ信号に応答し得るイネーブル状態とす
る。遅延DAC30の出力レベルは、Ａ掃引信号が時間に比
例して立ち上がるので、既知の遅延時間をＢ掃引信号に
与える。遅延比較器28の出力は、Ｄ型フリップ・フロッ
プであるタイム・ラッチ32のクロックCLK端子にも供給
され、タイム・ラッチ32は、この遅延時点に於けるＢト
リガ信号の状態をラッチし、この情報はμP18に送られ
Ｂトリガ・レベルを検出するのに用いられる。最後に、
RSフリップ・フロップであるゲート・ラッチ34は、Ｂゲ
ート回路22の出力によりセットされ、Ｂゲート回路の状
態指示信号をμP18に送り、掃引期間内に少なくとも１
サイクルの信号が含まれているか否かを指示する。μP1
8は、Ａ掃引発生器24の掃引率を制御すると共に、タイ
ム・ラッチ32及びゲート・ラッチ34の両方をリセットす
る。

μP18は、遅延DAC30に遅延データを送り遅延時間を制御
する。μP18は、ゲート・ラッチ34及びタイム・ラッチ3
2の状態に応じて、Ａ掃引信号の開始後から入力信号の
第１イベントまでの期間に相当する時間となるように遅
延データを変化させる。この第１イベントが所望の時間
間隔の開始時点となる。その後、μP18は、Ａ掃引信号
の開始時点と第１イベントから更に遅延した第２イベン
トの時点との時間差に略対応する新しい遅延データを発
生して、所望の測定時間の終了時点となる第２イベント
を探索する。遅延DAC30に供給するこれら２つのイベン
トの遅延データ値の差が時間値に変換されて入力信号の
周期が求められる。更に、この周期の逆数を計算して入
力信号の周波数が求められる。これら計算された周期及
び周波数の値は、表示器36に表示される。

第３図は、別の実施例の一部分の構成を示すブロック図
である。μP18は、２つのDACを用いており、遅延DAC30
には第１イベントの遅延データ値を供給し、デルタDAC3
8には第２イベントのデータ値を供給する。μP18により
制御されるMUX（マルチプレクサ）40は、比較器28の入
力としてDAC30及び38の何れか一方を適宜選択する。表
示器36には、２つのイベントの時点を指示するカーソル
を表示したり、又は入力信号上に２つのイベントの時点
に対応する輝点を表示する等によりオペレータが測定時
間間隔を確認出来るようにしても良い。

第４図は、第２図のオシロスコープに本発明の自動時間
間隔測定方法を応用した場合の各部の動作を示すタイミ
ング波形図である。先ず、入力信号は正弦波であり、標
準的な自動セットアップ技法によりＡ及びＢのDAC14及
び16の出力レベルは、ゼロレベルに初期設定されている
ものとする。尚、自動セットアップ技法に関しては、例
えば、米国特許第4743844号の「自己調整オシロスコー
プ（Self-Adjusting Oscilloscope）」（対応日本出
願：特願昭62−321174号）の明細書に記載されており、
この自動セットアップ機能により、オシロスコープは、
入力信号に対して自動的に利得、掃引率及びオフセット
を調整して所望の表示をすることが出来る。この場合、
正弦波の入力信号の少なくとも１サイクルが表示され
る。Ａ及びＢのトリガ回路10及び12からのトリガ信号
は、ヒステリシスを無視すれば、入力正弦波信号のゼロ
クロス毎に状態を反転する。Ａトリガ信号の前縁に応じ
てＡゲート回路20はＡゲート信号を発生し、このＡゲー
ト信号に応じてＡ掃引信号が発生する。Ａ掃引信号が最
終掃引レベルに達すると、Ａゲート信号がゼロレベルに
戻り、Ａ掃引信号も停止する。Ａゲート信号の期間中に
入力信号の１サイクル分が含まれていなければ、第４図
において実線で示したように、Ｂゲート回路22をイネー
ブルする比較器28の出力は、Ｂトリガ信号の立ち上がり
エッジと次の立ち上がりエッジの間で発生するので、Ｂ
ゲート回路22からは何ら信号は出力されない。この場
合、ゲート・ラッチ34はリセット状態なので、ゲート・
ラッチのＱ出力状態は「０」のままである。μP18は、
第４図で破線で示したように、掃引率を低減し、掃引信
号（ゲート信号）の期間に少なくとも入力信号の１サイ
クルが含まれるように調整する。この場合には、比較器
28の出力の高状態の期間は、破線で示すように、次のＢ
トリガ信号の前縁以降まで続くので、Ｂゲート回路22は
破線で示すＢゲート信号を発生し、これによりゲート・
ラッチ34はセットされ、μP18は、入力信号少なくとも
１サイクルが表示されていることを検出する。

その後、遅延DAC30の出力レベルは、そのLSBの最小変化
によりタイム・ラッチ32の出力状態が変化するまで調整
される。この調整を行った時点の遅延DAC30の値は、1A
掃引当たり入力信号が１サイクルだけしかない場合であ
れば、測定される時間間隔の最初の時点である第１イベ
ントの時点を示している。Ａ掃引期間当たり２サイクル
以上の入力信号が存在する場合には、上述の方法で求め
た時点とＡ掃引信号の開始時点との間で再びDAC30の出
力を調整することにより第１イベントの時点が探索され
る。このような処理をＡ掃引信号の開始時点後の第１イ
ベントの時点が求まるまで必要なだけ繰り返し実行す
る。必要ならば、掃引率が変更され入力信号の少なくと
も２サイクル分を掃引期間が含むように掃引率を設定
し、この新しい掃引率に基づいてDACの第１イベントも
変更される。DAC30の値を調整することにより、第１イ
ベントから１周期後の時点の探索が実行され、その時の
DAC30の値に対応する第２イベントの時点が求められ
る。DAC30の２つの値は夫々第１及び第２イベントに対
応しており、これらの差を計算することにより入力信号
の周期（第１及び第２イベントの間の時間差）が計算さ
れる。

第１図は、第２図のオシロスコープに応用した本発明の
自動時間間隔測定方法の処理の一実施例を示す流れ図で
ある。最初のステップでは、入力信号の少なくとも１サ
イクルを表示する為の最高速の掃引率にオシロスコープ
を設定する。遅延DAC30の値は、Ａ掃引信号の開始時点
以後で且つＡ掃引信号の中央より前のどこかの時点に設
定される。これにより、その時点からＡ掃引の停止まで
のどこかでＢトリガ信号が発生すればＢゲート信号が発
生することになる。μP18によりゲート・ラッチ34がリ
セットされ、Ａ掃引信号が出来るだけ高速で開始され、
μP18は少なくとも１掃引後にゲート・ラッチ34の状態
をチェックしてＢゲート信号が発生したか否かを検出す
る。Ｂゲート信号が発生していれば、Ａ掃引期間中に少
なくとも入力信号の１サイクルが含まれていることにな
る。Ｂゲート信号が発生していなければ、Ｂゲート信号
の発生が検出されるまでＡ掃引信号の掃引率を順次低減
しながら上述の処理を繰り返し実行する。

次に、比較器28の遅延出力が掃引期間中の最後のＢトリ
ガ・イベントと一致するように遅延DAC30の値が探索さ
れる。これは、遅延DAC30に対して順次近似型２進探索
法を用いて、Ｂゲート信号が発生するか又はしないかの
DAC30の値の境界値を求めることにより実行される。Ｂ
ゲート信号が発生したか否かはゲート・ラッチ34の状態
から検出されるが、この場合には、掃引率は変えずにDA
C30の値を変化させる。このようにして探索されたDAC30
の値は、変数LAST EVENTとして記憶される。

オシロスコープの掃引速度がその装置の最高値に設定さ
れていれば、入力信号の何サイクルがDAC値START SWEE
P及びLAST EVENTの間の期間内に含まれるかは判らな
い。従って、DAC値START SWEEP及びLAST EVENTの２つ
の時点の間で第１イベントを探索する必要がある。この
期間内のイベントを探索するには、変数TRIAL EVENTを
変数LAST EVENTの値に設定し、特定の制限範囲内で別
のイベントの探索が実行される。この範囲内に含まれる
入力信号のサイクル数は、奇数か偶数か判らないので、
どちらの場合でも構わないように制限範囲を充分に広く
しなければならない。適当な制限範囲として、次のよう
に設定しても良い。

LOW LIMIT＝（LAST EVENT−START SWEEP）／４＋STA
RT SWEEP−ｅ HI LIMIT＝（LAST EVENT−START SWEEP）＊３／４＋
START SWEEP＋ｅここで、START SWEEP、LAST EVENT及びｅは、DAC値で
あり、変数ｅは、時間間隔の計算上の最悪誤差を表し、
この誤差は、掃引信号のオフセットや非線形性及び遅延
DAC30の誤差等に起因するものである。上述のように、
遅延DAC30の値を可変することによりこれらの制限範囲
内で探索処理が実行され、Ｂトリガ信号のエッジが見つ
かると、変数TRIAL EVENTをその新しいイベントの値に
設定する。新しいイベントが見つからなくなるまでこの
ような探索が繰り返し実行され、上記制限範囲の式の中
でTRIAL EVENTの値がLAST EVENTの値に置換される。
この時点では、FIRST EVENTの値は、TRIAL EVENTの値
に等しくなる。

通常、掃引率が１、２、５のステップで順に変化するの
で、掃引期間内に入力信号の２サイクル分以上が含まれ
る場合も起こる。例えば、入力信号の周期を23msと仮定
すると、掃引率2ms／目盛で10目盛分の掃引期間（即
ち、20ms）では、Ｂトリガ・イベントは、発生しない
が、掃引率5ms／目盛で10目盛分の掃引期間（即ち、50m
s）では、入力信号の２サイクル分が掃引期間内に含ま
れることになる。従って、このような場合を考慮して、
μP18は、掃引率が10のｎ乗の５倍になっているか否か
を判断する。この掃引率（例えば5ms／目盛）の場合に
は、掃引期間内に最大２サイクルしか含まれないので、
第１周期の終了時点は、式［（LAST EVENT−START SW
EEP）／２＋START SWEEP±ｅ］で表される制限範囲内
に生じる。タイム・ラッチ32により、Ｂトリガ信号が低
から高に状態変化するＢトリガ・イベントの発生時点の
遅延DAC値が表示される。Ｂトリガ・イベントが検出さ
れると、この検出された新しいイベントの値EVENTをFIR
ST EVENTの値に代入する。その他の総ての場合には、
掃引期間内に入力信号の１サイクル分しか含まれていな
いので、FIRST EVENT＝LAST EVENTに設定される。

この段階では、FIRST EVENTの値及びSTART SWEEPの値
を用いて、入力信号の周期が近似的に求められるので、
適当な時間単位の値に変換して表示することも出来る。
しかし、掃引信号の開始時点は、その他のイベントの時
点よりは精度が劣る傾向がある。即ち、その他のイベン
トの時点は掃引信号の開始時点より正確に求めることが
出来るのである。FIRST EVENT＝LAST EVENTの関係が
あれば、掃引期間内には入力信号の１サイクルのみしか
存在しないので、掃引率を変更して第２のイベントをそ
の掃引期間内に生じさせる必要がある。その後、FIRST
EVENTの値は、次の式に従って新しい掃引率に対する
新しい遅延DAC値に変換される。

FIRST EVENT＝（FIRST EVENT−START SWEEP）＊TD1
／TD2＋START SWEEP この式は、変更される前後の２つの掃引率に対してDAC
の目盛当たりのコードとSTART SWEEPの値が等しいと仮
定している。掃引率に夫々対応して更に精度の高い値を
用いて変換を行うには、米国特許出願第902363号の明細
書に記載された装置を使用しても良い。更に精度を高く
する為に、FIRST EVENT±ｅの制限範囲内で新たなFIRS
T EVENTの値を探索しても良い。次のイベントは、式
［２＊（FIRST EVENT−START SWEEP）＋START SWEEP
±ｅ］の制限範囲内で発生する。これらの制限範囲内に
於ける探索処理により、次のＢトリガ・イベントSECOND
EVENTの遅延DAC値が求められる。掃引期間内に入力信
号の２サイクル以上が存在する場合には、変数値変換は
必要無く、次のイベントの制限範囲が計算され、上述の
手順に従ってSECOND EVENTの値が求められる。

SECOND EVENTとFIRST EVENTとの差は、DACのコード単
位で表された入力信号の周期に相当し、この値の逆数が
入力信号の周波数を表している。更に高精度の結果を得
る為に、単位時間当たりのDACコードで表されたこれら
の値は、時間単位又は周波数単位の値に変換される。こ
のようにして得られた測定結果は、２つの遅延値の差に
基づいているので、掃引の開始時点の誤差や非線形性に
起因する誤差が相殺されて精度が高くなる。更に、各掃
引率毎に単位時間当たりの遅延DACのコード値の特性を
考慮することにより正確な結果を得ることも出来る。

周期及び周波数の一方又は両方の値がμP18により表示
器36に表示される。FIRST EVENTの値は遅延DAC30に供
給され、SECOND EVENTの値は、デルタDAC38に供給さ
れ、これらの出力値を用いて表示画面上にカーソルを表
示し、入力信号の被測定部分を指示するようにしても良
い。または、表示された入力信号の第１及び第２のイベ
ント間の部分を輝度変調して明るく表示しても良い。ま
た、各サイクルの開始時点を輝度変調することにより、
測定される実際の周期部分を指示し、オペレータが測定
動作を確認出来るようにしても良い。

以上本発明の好適実施例について説明したが、本発明は
ここに説明した実施例のみに限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱することなく必要に応じて種々の変
形及び変更を実施し得ることは当業者には明らかであ
る。

［発明の効果］本発明の自動時間間隔測定方法は、単一の掃引信号と遅
延トリガ機能等の既存のマイクロ・プロセッサ制御のア
ナログ・オシロスコープのハードウェアを利用するだけ
で簡単に実現出来る。特に、単一の掃引信号しか必要と
しないので、実現が極めて容易であり、単一の掃引信号
を可変遅延レベルと比較することにより得た第１及び第
２遅延レベルの差から所望の時間間隔が測定出来るの
で、掃引信号のオフセットや非線形性に起因する誤差は
相殺され、極めて正確に測定出来る。また、第１及び第
２トリガ・レベルを同一にして入力信号の１サイクル間
の時間間隔を測定するように掃引率を設定することによ
り入力信号の周期を簡単に測定出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の手順を示す流れ図、第２
図は、本発明を利用するのに好適なアナログ・オシロス
コープの構成を示すブロック図、第３図は、第２図の一
部分の他の実施例を示すブロック図、第４図は、第２図
のオシロスコープの各部の動作の一例を示すタイミング
波形図である。 10及び12:トリガ回路 18:マイクロ・プロセッサ 20及び22:ゲート回路 24:掃引発生器 28:遅延比較器 30:遅延DAC 32:タイム・ラッチ 34:ゲート・ラッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反復入力信号に応じて掃引信号を繰り返し
発生し、上記掃引信号と可変遅延レベルとの比較出力の状態変化
の時点と、上記入力信号の第１イベントの時点とが一致
するまで上記可変遅延レベルを順次調整して上記第１イ
ベントの時点を表す第１遅延レベルを探索し、上記入力信号の第２イベントの時点と上記比較出力の状
態変化の時点とが一致するまで上記可変遅延レベルを調
整して上記第２イベントの時点を表す第２遅延レベルを
探索し、上記第１及び第２遅延レベルの差から上記第１及び第２
イベント間の時間間隔を自動的に測定する自動時間間隔
測定方法。
【請求項２】上記第１及び第２イベントを夫々発生する
場合の第１及び第２トリガ・レベルを同一に設定し、上記反復入力信号の１サイクルが上記掃引信号の期間内
に含まれるように上記掃引信号の掃引率を設定し、上記第１及び第２遅延レベルの差から上記反復入力信号
の周期を自動的に求めることを特徴とする請求項１記載
の自動時間間隔測定方法。