JPS6383677A - サンプリング方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高周波信号波形観測用サンプリング方式に係
り、特に時間軸精度大にして高周波信号波形をサンプリ
ングするようにサンプリング方式％式％ 〔従来の技術〕 極めて高い高周波信号の波形観測にはサンプリングオシ
ロスコープが用いられるが、これは繰り返し周期を持っ
た高周波入力信号の順次具なる一部分を通常入力信号の
周期に比して十分長い周期で抽出、即ち、サンプリング
する機能を具備したものとなっている。そして、これら
サンプリングされた多数のサンプリング点を用い、入力
信号に相当する信号が可視的に陰極線管のスクリーン上
に再生表示されるようになっている。これがために増幅
器の利得帯域幅積の限界を越えて、通常の実時間のオシ
ロスコープでは測定し得ないＧ）（ｚオーダの超高周波
信号の観測が可能となっているものである。従来のサン
プリングオシロスコープの基本構成については、例えば
特公昭４９−４１５７９号公報に示されているところで
ある。

第４図は上記公報に示されているものの基本構成を、ま
た第５図（ａ）は入力信号が時間経過とともに如何にサ
ンプリングされるかを、更に第５図（ｂ）は入力信号と
サンプリング点との関係を示したものとなっている。

ここで、第４図に示されている回路の動作について説明
すれば、ランプ波発生器６はトリガ信号の立上りエツジ
に同期したランプ信号を発生するが、また、そのトリガ
信号は同時に階段波発生器７に加えられ、トリガ信号に
同期した時間間隔で順次電圧レベルが増大する階段波信
号を発生するものとなっている。比較器５ではランプ信
号と階段波信号との振幅の一致した時点をサンプリング
タイミングとして検出したうえ、パルス発生器４よりス
トローブパルス（サンプリングパルス）を発生させるよ
うになっている。ストローブパルスによってサンプリン
グゲート１がオンされることで入力信号が周期的にサン
プリングされるようになっているものである。この場合
ランプ信号の傾斜具合、または階段波信号の電圧レベル
変化具合の何れかを変化させることでサンプリング周期
は微調整可となっている。サンプリング周期毎に得られ
る入力信号のサンプリング値は記憶回路２に一旦記憶さ
れるが、階段波信号が水平掃引信号として水平軸増幅器
８を介し陰極線管９に与えられている間に記憶回路２よ
りサンプリング値が一定周期で順次読み出され垂直軸増
幅器３を介し陰極線管９に垂直掃引信号として与えられ
ることで。

第５図（ｂ）に示す如く入力信号波形に相似な波形が恰
もドツト状に陰極線９のスクリーン上に表示されること
になるものである。

〔発明が解決しようとする問題点３ 以上のように、これまでにあってはランプ信号と階段波
信号との振幅の一致点を比較器で検出し、ストローブパ
ルスの発生タイミングを制御しているが、速い繰り返し
速度のランプ信号や階段波信号を良好な直線性を以って
発生するのは困難であるというものである。それら信号
の直線性の悪化は振幅の一致点の精度、即ち、ストロー
ブパルスの発生タイミング間隔（サンプリング周期）に
影響を与える結果、再生波形は水平軸方向において歪を
受けることになるからである。

元来サンプリングオシロスコープは陰極線管のスクリー
ン上に再生された入力信号波形を目視観測することを主
目的とした測定器であるが、上記水平軸方向の問題は特
別な場合を除き特に問題となることは少ない。しかしな
がら、最近、Ａ／Ｄ変換技術とディジタル信号処理技術
の発展によって陰極線管上の表示のみではなく、サンプ
リング後の再生波形をＡ／Ｄ変換したうえ、ディジタル
的に処理解析を行なう用途が増大しており、このような
用途においてはサンプリング周期の精度劣化はそのまま
処理解析結果に影響を与えるものとなっている。

本発明の目的は、水平軸、即ち、時間軸精度大にして高
周波信号波形をサンプリングし得るサンプリング方式を
供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、入力信号の周波数ｆｌＮとサンプリング周
波数ｆ　ＳＰＬとの間に、ｆｌＮ”ｎ’ｆＳＰＬ＋Δｆ
（ｎ；ＩＩ数、Δｆ＃ｏ）なる関係が成立すべくサンプ
リング周波数ｆ　ｓｐＬを定めることによって達成され
る。

〔作用〕

サンプリング周波数の整数倍の周波数を、入力信号周波
数に対して若干オフセットを持ったものとして設定し、
そのサンプリング周波数で入力信号をサンプリングする
ようにしたものである。このような周波数関係を持たせ
ることで両者の間にオフセット周波数で決めるビート波
形が生じるが。

このビート波形は入力信号波形に相似であり、オフセッ
ト周波数を小さく選ぶことでその繰り返し周波数を低く
することが可能である。このため後段の信号処理系増幅
器と−しては比較的狭帯域のものを使用し得る。また、
ビート波形の入力信号波形に対する忠実度を決定するサ
ンプリングタイミングの精度は、入力信号周波数とサン
プリング周波数を発生する発振器間の周波数安定度のみ
で決定される。よって、発振器に水晶発振器、あるいは
水晶発振器を原発振器とした周波数シンセサイザ等の高
い周波数安定度を有する発振器を使用することで安定し
たタイミングを持つサンプリング信号を得ることが可能
となり、このサンプリング信号によって入力信号をサン
プリングすることによって、入力信号波形に忠実なビー
ト波形が得られることになるものである。

〔実施例〕

以下、本発明を第１図から第３図により説明する。

先ず本発明に係るサンプリング制御・処理系について説
明すれば、第１図はその一例での系構成を示したもので
ある。

これによると入力信号源としての信号発生器１０からは
周波数ｆｌＮの入力信号が発生され、トリガ発生器１１
からはその入力信号に同期したトリガパルスが発生され
たうえ１秒当りのその数が周波数カウンタ１２によって
カウントされるようになっている。即ち、入力信号の周
波数ｆｌＮが知れるものである。さて、サンプリングゲ
ート１ではその入力信号の繰り返し周波数ｆｌＮに比し
十分低いサンプリング周波数ｆ　ＳＰＬで入力信号がサ
ンプリングされるが、サンプリング周波数ｆ　ＳＰＬと
ｆｌＮとの間にはｆ　ＩＮ”　ｎ　”　ｆＳＰＬといっ
た具合の、整数倍の関係があってはならないものとなっ
ている。整数倍の関係にある場合には、入力信号での１
つの特定位相点のみしかサンプリングし得ないからであ
る。したがって、入力信号波形での複数位相点で等位相
差を以って入力信号がサンプリングされるべくｆ’Ｎに
対しサンプリング周波数ｆ　ＳＰＬの整数倍の周波数に
は若干のオフセットが与えられるようになっている。即
ち、以下のような関係が成立すべくｆｓｐしは定められ
るものである。

ｆ　ＩＮ＝　ｎ−ｆｓｐｔ、＋Δｆ・・・・・・（１）
式（１）中ｎ、Δｆが定数であるとしてｆｌＮが実測さ
れればｆ　ＳＰＬは求められることになるが、このｆ　
ＳＰＬの設定制御は周波数制御回路１５によるものとな
っている。周波数シンセサイザ１４は周波数制御回路１
５による制御下にｆＳ乱の周波数信号を発するが、これ
がサンプリングクロック発生器１３で波形変換されるこ
とによって、サンプリング（パルス）信号が得られるよ
うになっているものである。このサンプリング信号の周
期で入力信号がサンプリングゲート１でサンプリングさ
れるわけであり、低速度に変換されたサンプリング波形
はサンプリングゲート１でのサンプリング効率による振
幅低下を補正すべく増幅器１６によって増幅されるよう
になっている。高速のサンプリング特性を有するサンプ
リングゲート１は一般にホールド時の波形電圧の時間に
対する減衰率を示すドループ特性が良好でなく、このた
めサンプリング周期内において十分な電圧保持精度を維
持することは困難である。よって、増幅器１６の後段に
ドループ特性良好なサンプル／ホールド回路１７を設け
ることによって電圧保持精度の悪化が防止されるように
なっている。サンプル／ホールド回路１７の出力はまた
Ａ／Ｄ変換器１８にＡ／Ｄ変換されるが、Ａ／Ｄ変換器
１８の出力はメモリ１９に一旦記憶された後、計算機２
０に読み出され、これにもとづき被観測波形の再生とそ
の解析が行なわれ、再生波形や解析結果はＣＲＴ２１や
ＸＹプロッタなどに記憶表示されるところとなるもので
ある。

以上の例ではサンプリングゲートの出力をＡ／Ｄ変換し
た後にディジタル処理を行なう場合を示したが、サンプ
ル／ホールド回路の出力を挟帯域の簡易なオシロスコー
プに入力せしめることで、超高速の被観測信号の観測も
可能であることは勿論である。

ここで第１図でのサンプリング動作を入力信号が三角波
である場合に例を採って第２図により説明すれば、式（
１）におけるｎの値を２とした場合、サンプリング信号
、サンプリング波形は図示の如くになる。式（１）にお
けるΔｆはサンプリング後のサンプリング波形の周波数
が示すが、Δｆ　／　ｎ≦ｆ　ＳＰＬなる条件を満足す
べくΔｆの値を設定することによっては、複数周期に亘
る入力信号波形から固有な位相を持ったサンプリング点
で構成されるサンプリング波形が得られるものである。

したがって、サンプリングゲートの帯域幅を十分広帯域
にすることで超高周波信号のＡ／Ｄ変換が可能となる。

以上のように、入力信号のサンプリング周波数ｆ　ＳＰ
Ｌは式（１）によって決定され、入力信号とサンプリン
グ信号両者の周波数関係に位相雑音等の周波数変動がな
ければ正確なサンプリングタイミングが得られることに
なる。また、サンプリングゲートからＡ／Ｄ変換器間の
サンプリング処理系の直線性を十分高くすることができ
れば、入力信号波形に対する忠実なＡ／Ｄ変換が可能と
なる。即ち、これまでのサンプリングオシロスコープの
ように単に時間領域における波形観測のみならず、Ａ／
Ｄ変換後のデータに高速フーリエ変換処理を行なうこと
によって、周波数領域における広帯域のスペクトラム解
析にも本発明は適用可能となるものである。更に、これ
までにあっては、ランプ信号と階段波信号との振幅の一
致点検出にもとづいてサンプリング信号が発生されてい
たことから、ランプ信号に重畳した雑音成分が振幅比較
の際に時間軸方向でのストローブパルスのタイミングの
ゆらぎ、いわゆるジッタを生じさせるという不具合があ
ったものである。このジッタはサンプリング後の再生波
形に雑音を誘起するが、本例では周波数シンセサイザに
位相雑音の低いものを使用することでその不具合を解決
し得ることになった。

次に本発明の他の実施例について第３図により説明すれ
ば、この実施例は先の例で説明した入力信号の周波数ｆ
ｌＮとサンプリング周波数ｆ　ＳＰＬとの相互関係を設
定するための周波数カウンタ１２゜周波数シンセサイザ
１４および周波数制御回路１５の構成方法を示したもの
である。

これによると入力信号の周波数ｆｌＮはプリスケーラ３
０で分周された後、ゲートパルスＧＰによって規定され
る一定時間の間、ゲート回路３１を介しカウンタ２９で
カウントされるものとなっている。

計算機２８によってはプリスケーラ３０での分周比、ゲ
ートパルスＧＰのパルス幅（上記一定時間）およびカウ
ンタ２９でのカウント値より入力信号の周波数ｆｌＮが
求められるものである。この後、入力信号の周波数ｆｌ
Ｎに対して式（１）に示すサンプリング条件を満足する
サンプリング周波数ｆ　ＳＰＬを設定されるが、オフセ
ット周波数ΔｆはＶＣＯ２３゜位相比較器２４．基準周
波数発振器２５および可変分周器２６によって発生され
るものとなっている。これらは位相ロックループを構成
しており、計算機２８より可変分局器２６に分周比Ｎが
設定されることで、ＶＣＯ２３からはオフセット周波数
Δｆが以下のように発生されるものである。

Δｆ＝Ｎ−ｆｌｌ　　　・・・・・・（２）入力信号周
波数ｆｌＮは周波数ミクサ２２にてオフセット周波数Δ
ｆと周波数混合されることによって、ｆｌＮ−Δｆなる
周波数に変換され、変換後のその周波数ｆ＋Ｎ−Δｆは
更に可変分周器２７によって１　／　ｎの周波数に変換
されるようになっている。

即ち、可変分周器２７の出力周波数ｆ２７は以下のよう
に与えられる。

ｆｚｔ＝（ｆｌＮ−Δｆ　）　／　ｎ　　　−−（３）
式（３）はサンプリング条件を満足する式（１）を変形
したものであり、可変分周器２７の出力周波数ｆ　２７
は結局サンプリング周波数ｆ　ｓＰＬとして得られるも
のである。

以上のようにして、任意の入力信号の周波数ｆｌＮに対
し分周比Ｎ、ｎを計算機２８によって可変に設定するこ
とで、サンプリング条件を満足するサンプリング周波数
ｆ　ＳＰＬが容易に得られるわけである。本発明による
場合、サンプリング精度は２種類の発振周波数間に与え
たオフセット周波数によって生じるビート波形の安定性
によって与えられることから、高い周波数安定度と設定
度を有する周波数発振器によって、入力信号周波数に対
応してサンプリング条件を満足するサンプリング周波数
を発生し得、サンプリング精度の悪化が改善されること
になるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による場合は、時間軸精度大
にして高周波信号波形をサンプリングし得るという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るサンプリング制御・処理系の一
例での構成を示す図、第２図は、本発明に係るサンプリ
ング処理を説明するための波形図、第３図は、第１図に
おける一部分の一例での具体的構成を示す図、第４図は
、従来技術に係るサンプリングオシロスコープの基本構
成を示す図、第５図（ａ）、（ｂ）は、その動作を説明
するための波形図である。 １・・・サンプリングゲート、１１・・・トリガ発生器
、１２・・・周波数カウンタ、１３・・・サンプリング
クロック発生器、１４・・・周波数シンセサイザ、１５
・・・周波数制御回路、１６・・・増幅器、１７・・・
サンプル／ホールド回路、１８・・・Ａ／Ｄ変換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被観測信号波形の周波数を計数したうえ該周波数と
   、サンプリングクロックの周波数の整数倍の周波数との
   間に一定のビート周波数が生じるべく上記サンプリング
   クロックを発生せしめ、該クロックの周期で被観測信号
   波形をサンプリングすることを特徴とするサンプリング
   方式。