JP2018189453A - 入力信号変換装置及びその装置を用いた計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被試験体に応じて入力チャネル数が変更可能であり、かつ低価格のオシロスコープ用入力変換装置、及び計測装置を提供する。【解決手段】複数のアナログ入力信号を取込む複数の入力チャンネルと、前記複数の入力チャンネルからアナログ入力信号を夫々受けて、インピーダンスマッチングを行うインピーダンスマッチング部と、前記インピーダンスマッチングされたアナログ入力信号を夫々、デジタル・サンプルにデジタル化する際のサンプリング周波数を調節するサンプリング周波数調節部と、前記規定されたサンプリング周波数で、前記アナログ入力信号を夫々、デジタル・サンプルにデジタル化するＡ／Ｄコンバータと、前記Ａ／Ｄコンバータからの前記デジタル・サンプルを記憶するデータメモリアクセス部と、前記データメモリアクセス部に記憶されているデジタル・サンプルを表示装置に転送するデータ転送部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、入力信号を取込みアナログ・デジタル変換（Ａ・Ｄ変換）する入力信号変換装置に関し、特に、複数のアナログ入力信号を所定の条件下でＡＤ変換し、表示装置に送出する入力信号変換装置、及びその装置を備えた計測装置に関する。

計測装置には、電圧値、電流値、抵抗等の電気特性を計測する装置の他、温度、湿度、輝度、臭気等の環境を計測する装置などがある。これらの計測装置は、直接あるいは間接的に電流を計測する違いはあるものの、いずれも被試験体にプローブを接触させ、プローブからの入力電気信号を計測している。

計測装置の一つにオシロスコープがある。オシロスコープは波形の観測と信号レベルの測定が行なえることから、企業における研究開発から個人の趣味の領域まで広く利用されている。オシロスコープは、古くからあるブラウン管オシロスコープ、アナログストレージオシロスコープ、そして、アナログ・オシロスコープに代わって、近年ではデジタル・オシロスコープへと変遷してきている。デジタル・オシロスコープは、入力信号をピックアップするプローブと、プローブから入力するアナログ入力信号をアナログ・デジタルに変換し、表示部での使用に適したデータに変換する入力信号変換部と、変換されたデータを表示する表示部とを備える。

オシロスコープの利用においては、企業が研究開発や試験測定に求める精度と、個人の利用における精度とは大きく異なる。企業における研究開発では、先ずは測定波形の精度、その再現性等、測定波形に対し厳密な精度が要求される。これに対して、個人利用において求められるレベルは、厳密な波形測定（計測）というよりは、大よその波形の観測が出来れば良い場合が大半である。また、電子機器の保守出張サービスにおいても、その程度の波形観測とレベル測定が出来れば十分である場合が数多く存在する。この様な場合に重用なのは、小型軽量で持ち運びが容易であり、かつ装置の価格が安いことである。

このため、個人を対象としたポケットデジタルオシロスコープなる名称の小型低価格のオシロスコープが、最近インターネット上で販売されはじめている。例えば下記非特許文献１に記載の超小型オシロスコープＭＩＮＩ・ＮＡＮＯである。この超小型オシロスコープは、フルカラーのＴＦＴ液晶画面を備え、Maxサンプリング７２MHz、分解能８ビット、２又は４の入力チャネルであり、重量も８０ｇ（電池を除く）と軽く、価格は１万円前後と低価格である。

しかし、下記非特許文献１の超小型オシロスコープは、入力チャネル数が機種により制限されている（ＤＳ２０２は２チャネル、Ｄ２０３は４チャネル）。このため、被試験体の状況に応じたチャネル数の入力信号を並列的に把握することができないという問題がある。また、ＴＦＴに表示されている波形の表示方法を変更するには、タッチ／スライド部という限定されたタッチパネル機能を備えたエリアのみでしか操作することができない。このため操作性が必ずしも良くないという問題がある。

下記非特許文献２には、スマートフォンに表示機能を持たせた携帯タイプのオシロスコープが開示されている。非特許文献１のオシロスコープが、表示部まで備えた一体型の小型オシロスコープであるのに対し、非特許文献２は、登録商標iPhone、登録商標iPad、登録商標iPod touchのドックコネクターに専用のアダプターを接続することで、携帯タイプのオシロスコープキットに仕上げている。このオシロスコープキットの基本機能はアナログ１チャネル、デジタル４チャネルのミックスドシグナルタイプであり、５MHzの帯域に１２MHzのサンプリング・レートの性能を有する。

しかし、非特許文献２が開示する携帯タイプのオシロスコープに接続するプローブは、スマートフォンとの接続に不可欠となるインピーダンスマッチング部を備えた、いわゆる通常のプローブでなければ使えないという問題がある。このため被測定対象物の形状等に応じて、自在にプローブの形状を変えて測定することができない、という問題がある。また、アナログ入力チャネルは１チャネルであるため、複数の入力信号を同時に観測できない、という問題もある。

最新のテクノロジー：超小型オシロスコープ MINI NANO（ミニ・ナノ）「平成２９年４月１０日検索」、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.ktek.jp/sub-pocket-dso.html＞ Phone、iPad（いずれも登録商標）をオシロスコープにしちゃうキット登場「平成２９年４月１０日検索」、http://weekly.ascii.jp/elem/000/000/041/41646/

そこで本発明の課題は、複数のチャンネル入力を可能とし、被試験体に応じて入力チャネル数が変更可能であり、かつ低価格の計測装置、例えばオシロスコープ用入力変換装置、及び計測装置を提供することにある。また、被試験体の形状等に応じて、自在にプローブの形状が変更可能な計測装置用の入力変換装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、 複数のアナログ入力信号を取込む複数の入力チャンネルと、前記複数の入力チャンネルからアナログ入力信号を夫々受けて、インピーダンスマッチングを行うインピーダンスマッチング部と、
前記アナログ入力信号の入力チャネル数に応じて、前記インピーダンスマッチングされたアナログ入力信号を夫々、デジタル・サンプルにデジタル化する際のサンプリング周波数を調節するサンプリング周波数調節部と、
前記サンプリング周波数調整部により規定されたサンプリング周波数で、前記アナログ入力信号を夫々、デジタル・サンプルにデジタル化するＡ／Ｄコンバータと、
前記Ａ／Ｄコンバータに結合され、前記Ａ／Ｄコンバータからの前記デジタル・サンプルを記憶するデータメモリアクセス部と、
前記データメモリアクセス部に記憶されているデジタル・サンプルを表示装置に転送するデータ転送部とを備えたことを特徴とする入力データ変換装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の入力データ変換装置であって、前記サンプリング周波数調節部は、１チャネル入力時のサンプリング周波数をＡとしたときに、Ｎチャネルのサンプリング周波数をＡ／Ｎに調整する手段を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の入力データ変換装置であって、前記入力チャネルに接続するプローブは、導電性を備え、被試験体の形状に応じて自在に形状変形が可能な探針であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の入力データ変換装置と、請求項３に記載のプローブと、前記入力データ変換装置に接続し、前記入力データ変換装置からのデータを処理しグラフィカルに表示するデータ表示装置とを備えたことを特徴とするオシロスコープ。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のオシロスコープであって、前記データ表示装置がスマートフォンであり、前記入力データ変換装置とＵＳＢ（Universal Serial Bus）又は無線接続されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載の入力データ変換装置と、請求項３に記載のプローブと、前記入力データ変換装置に接続し、前記入力データ変換装置からのデータを処理しグラフィカルに表示するデータ表示装置とを備えたことを特徴とするオシロスコープである。

本発明によれば、少なくとも４チャンネル以上の入力を可能とし、被試験体の計測条件に応じて入力チャネルの変更が可能であり、かつ低価格の計測装置用入力変換装置、及び計測装置を提供することができる。また、本入力装置に用いるプローブは単に導電性を有するのみで良いことから、被試験体の形状等に応じて、計測現場において自在にプローブの形状を変更することができる。かかる形状変更可能なプローブを用いることが可能な計測装置、例えばオシロスコープ用の入力変換装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態である入力データ変換装置を用いた計測装置の一例であるオシロスコープの構成の全体図である。 本発明の一実施の形態である入力データ変換装置のブロック図である。 本発明の一実施の形態である入力データ変換装置が備えるＣＰＵのブロック図である。 本発明の一実施の形態である入力データを変換するフローチャートの全体図である。 本発明の一実施の形態である入力データを変換する場合のオートモードのフローチャートである。 本発明の一実施の形態である入力データを変換する場合のトリガモードのフローチャートである 本発明の一実施の形態である入力データ変換装置に接続したスマートフォンのタッチパネル機能を使って表示波形の変更を示した図である。

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が、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の一実施の形態である入力データ変換装置１を用いた計測装置の一例であるオシロスコープの構成の全体図である。
を示した図である。図１に示すように入力データ変換装置１を用いたオシロスコープは、入力データ変換装置１に接続し、被試験体４に接触し被試験体から電気信号を取り出す探針３、入力データ変換装置からのデータを表示装置であるスマートフォン２に送るＵＳＢケーブル５とから構成される。

図２は本発明の一実施の形態である入力データ変換装置１の構成を示したブロック図である。入力データ変換装置１は、プローブ３と接続する入力コネクター１０、インピーダンスマッチング部２０、レベルシフト部３０、ＣＰＵ４０、ＵＳＢコネクター５０とを備える。なお、本実施の形態では入力チャネルを４チャネルとしているが、入力チャネル数は、被試験体の計測条件により１チャネルでも、また４チャネル以上であっても良い。

インピーダンスマッチング２０は、入力データ変換装置１の回路のインピーダンスと、プローブ３に接続する被試験体４とのインピーダンスを等しくするためのものである。これにより、入力データ変換装置１の回路において得られる電力を最大にすることができる。

具体的な回路としては、測定する帯域が狭帯域でのみ整合が取れれば十分な場合には、コイルとコンデンサの組み合わせによる整合回路で良く、コンデンサとコイルの比率を調整することでインピーダンスマッチングを図れば良い。測定する帯域が高帯域を含む場合は、虚部のインピーダンス（リアクタンス成分）の整合が必要となるので、容量成分や誘導成分などのリアクタンス成分を持たせることが好ましい。

レベルシフト部３０は、インピーダンスマッチング部２０からの入力データを、そのまま（１対１）で出力するためのＯＰアンプ（バッファ高入力インピーダンス）を備える。また、インピーダンスマッチング部２０への入力電圧のレベルが±１．５Ｖであるので、これをＣＰＵ４０の電圧（０〜３Ｖ）にあわせるレベルシフト回路部３２を備える。

ＣＰＵ４０は、レベルシフト部３０からのアナログデータをデジタルデータに変換等するＡＤ部４１０、ＡＤ変換部４１０からのデジタルデータを格納するデータメモリアクセス部４１１、入力チャネル数に応じたサンプリング周波数を生成するサンプリング周波数調整部４１２、トリガモードにおけるトリガレベルを検知するトリガレベル検知部４１３、設定されたトリガの値が検知されなかった場合、トリガモードをキャンセルさせるトリガタイムアウトタイマ４１５、スマートフォン２へのデータ転送のレベルを合わせるレベルシフト部４１６、個体差の補正値を保存する補正値保存部４１７、ＵＳＢによるデータ送受信を行うＵＳＢコントローラ部４１８、そしてこられの制御を行う制御プログラム部４１４とを備える。

データメモリアクセス部４１１のデータは、オートモードの場合にはデータメモリアクセス部４１１に格納されているデータをそのまま転送する。これに対してトリガモードは、例えば被試験体4の電圧波形観測する場合において、ある電圧値以上(閾値)以上になったら観測を開始したい、という場合には、その電圧値（レベル）を検知するのがトリガレベル検知部であり、そのような閾値を設けて観測を行うモードがトリガモードである。

補正値保存部４１７は、入力データ変換装置（個体）ごとに基準電圧にばらつきが生じる。そのばらつきを補正するためのものである。例えば、１０メガオームで１％の誤差が生じるのが一般的であるとした場合、その入力データ変換装置１では１．５％の誤差を生じる。かかる場合にはその値で誤差を修正する必要があるので、そのための補正値を保存しているのが補正値保存部４１７である。

上述した通り、レベルシフト部３０は被試験体４からの入力電圧が±１．５Ｖであったのをレベルシフト部３０で０〜３Ｖにレベルシフトさせているが、レベルシフト電圧部４１６は、スマートフォン２に送るときの送信データが０から３０Ｖの値となるように変換する。即ち、データを表示する装置のレベル（電圧）にあわせるのがレベルシフト電圧部４１６である。

入力チャネル数に応じたサンプリング周波数でＡＤ変換されたデータは、ＵＳＢコントローラ部４１８により、ＵＳＢコネクター５０を介して、スマートフォン２にデータ転送される。なお、ＵＳＢコントローラ部４１８はデータ転送部ともいう。

図４は本発明の一実施の形態であるデータ入力変換装置１で行われるデータ変換の全体フローチャートである。先ず、入力データ変換装置１の初期設定として、ＣＰＵ初期設定（Ｓ１）、タイマ設定（Ｓ２）、ハードウェア設定（Ｓ３）を行う。ＣＰＵ初期設定（Ｓ１）は、ＣＰＵのクロック設定、入出力ピンの設定、メモリ領域の設定である。タイマ設定（Ｓ２）は、トリガモードにおけるタイムアウト時間の設定を、ハイスピードサンプリングの場合、ロースピードサンプリングの場合にわけて、そのタイムアウト時間を設定するものである。ハードウェア設定（Ｓ３）は、メモリ領域の割り当て、アナログ・デジタル変換時の基準電圧の設定等を行うものである。

これらの初期設定の後、ＵＳＢの転送規格の初期設定を行ったのちＵＳＢコネクターにケーブルを接続する（Ｓ４，Ｓ５）。次に入力データ変換装置１ごとの個体差の補正係数を読み込み（Ｓ６）、スマートフォンからの命令であるＳ９からＳ１４のいずれかステップを実行する（Ｓ７〜Ｓ１４）。

図５はオートモードにおけるデータ処理のフローチャートである。入力チャネル数に応じたサンプリングクロックを設定し（Ｓ９１）、サンプリングタイマをスタートさせる（Ｓ９２）。Ｓ９１において設定されたサンプリングクロックによりアナログデータをデジタルデータに変換し、データメモリアクセス（ＤＭＡ）に転送する（Ｓ９３）。初期設定されたデータ取得件数が２０００件になるまでデータの取得し、２０００件に到達したらＤＭＡ転送を停止し、計測を終了する（Ｓ９４〜Ｓ９７）。

図６はデータ入力装置１でトリガモードにおけるデータ処理のフローチャートである。入力チャネル数に応じたサンプリングクロックを設定し（Ｓ１０１）、トリガレベル（閾値）を設定 し、トリガタイムアウトを設定し、トリガタイムアウトタイマをスタートして計測を開始する（Ｓ１０２〜Ｓ１０５）。

入力チャネル数に応じたサンプリング周波数でアナログデータをＡＤ変換し、ＤＭＡに転送する（Ｓ１０６）。これをデータ数が２０００件に達するまで繰り返し、トリガ検出前のデータ２０００件をＤＭＡに転送する（Ｓ１０７）。なお、本実施の形態では４チャネル入力としているため、各チャネルの入力データは５００件である。

トリガモードのうち、ライジングエッジを測定したい場合は、入力データがトリガ電圧値よりも小さい場合は（Ｓ１０９）、ライジングエッジ（最大値）を待ち（Ｓ１１０）、ライジングエッジが検出されたら、そのデータをＤＭＡに転送し、これを２０００件のデータが得られるまで行い（Ｓ１１１）、計測を終了する（Ｓ１１４）。Ｓ１０９、Ｓ１１０における条件が、トリガタイムアウト時間内に得られない場合は、計測を終了する（Ｓ１１４）。なお、ライジングエッジとは波形が上昇しはじめるポイントを計測することであり、フォーリングエッジは波形が下降しはじめるポイントを計測することをいう。

トリガモードのうち、ライジングエッジを測定したい場合には、入力データとトリガ電圧値とを比較し、入力データがトリガ電圧値よりも小さい場合は（Ｓ１０９）、ライジングエッジ（電圧最大値）となるのを待ち（Ｓ１１０）、ライジングエッジが検出されたら、そのデータをＤＭＡに転送し、これを２０００件のデータが得られるまで行い（Ｓ１１１）、計測を終了する（Ｓ１１４）。Ｓ１０９、Ｓ１１０における条件が、トリガタイムアウトの時間内に得られない場合は、その時間で計測は終了する（Ｓ１１４）。

トリガモードのうち、フォーリングエッジを測定したい場合には、入力データとトリガ電圧値とを比較し、入力データがトリガ電圧値よりも大きい場合は（Ｓ１１２）、フォーリングエッジ（電圧最小値）となるのを待ち（Ｓ１１３）、フォーリングエッジが検出されたら、そのデータをＤＭＡに転送し、これを２０００件のデータが得られるまで行い（Ｓ１１１）、計測を終了する（Ｓ１１４）。Ｓ１０９、Ｓ１１０における条件が、トリガタイムアウトの時間内に得られない場合は、その時間で計測を終了する（Ｓ１１４）。

図７はスマートフォン２に表示された観測波形をスマートフォンのタッチパネルを使って操作する方法の一例を示した図である。従来のオシロスコープでは、ダイヤル式のつまみで表示波形の拡大、縮小や、基準電圧値の設定、あるいはチャネル１とチャネル２との波形の比較等の操作を行っていた。しかし、本発明の一実施の形態によれば、スマートフォンのタッチパネルを使ったアプリケーションにより図７に示すような操作を行うことができる。これにより、より直感的に操作を行うことができる。

図７（ａ）は観測されているチャネル１、チャネル２のBaseライン（０Ｖ）を上下に移動したい場合の操作方法を示す。移動したいチャネルのBaseラインをドラッグすることにより、Baseラインを移動することができる。また、トリガレベル（閾値）を変動した場合も、同様に閾値を上下にドラッグすることで変えることができる。さらに、表示部分の拡大・縮小はフリック操作による行うことができる。

図７（ｂ）は、表示されている波形の測定を行う場合の操作を示した図である。測定モード（Measure Line）に切り替えるには、左上にある窓を長押し（LONGタッチ）することで測定モードに切り替えられる。例えばチャネル１のＸ１のポイントと、チャネル２のＸ２とのポイント間の時間を測定するには、Ｘ1からＸ2までドラッグすることでその時間を知ることができる。同様に、例えばチャネル２のＹ1からＹ2までの電圧を知りたければ、Ｙ1からＹ2までドラッグすることで、その値を知ることができる。表示部分の拡大・縮小はフリック操作による行うことができる。

1 入力データ変換装置
２ スマートフォン
３ プローブ
４ 被試験体
５ ＵＳＢケーブル
１０ 入力コネクター
２０ インピーダンスマッチング部
３０ レベルシフト部
４０ ＣＰＵ
５０ ＵＳＢコネクター
５１ 回路電源
４１０ ＡＤ変換部
４１１ データメモリアクセス部（ＤＭＡ）
４１２ サンプリング周波数調整部
４１３ トリガレベル検知部
４１４ 制御プログラム部
４１５ トリガタイムアウトタイマ
４１６ レベルシフト電圧
４１７ 補正値保存部
４１８ ＵＳＢコントローラ部

Claims (6)

1. 複数のアナログ入力信号を取込む複数の入力チャンネルと、前記複数の入力チャンネルからアナログ入力信号を夫々受けて、インピーダンスマッチングを行うインピーダンスマッチング部と
   前記アナログ入力信号の入力チャネル数に応じて、前記インピーダンスマッチングされたアナログ入力信号を夫々、デジタル・サンプルにデジタル化する際のサンプリング周波数を調節するサンプリング周波数調節部と、
   前記サンプリング周波数調整部により規定されたサンプリング周波数で、前記アナログ入力信号を夫々、デジタル・サンプルにデジタル化するＡ／Ｄコンバータと、
   前記複数のＡ／Ｄコンバータに結合され、前記Ａ／Ｄコンバータからの前記デジタル・サンプルを記憶するデータメモリアクセス部と、
   前記データメモリアクセス部に記憶されているデジタル・サンプルを表示装置に転送するデータ転送部
   とを備えたことを特徴とする入力データ変換装置。
2. 前記サンプリング周波数調節部は、１チャネル入力時のサンプリング周波数をＡとしたときに、Ｎチャネルのサンプリング周波数をＡ／Ｎに調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の入力データ変換装置。
3. 前記入力チャネルに接続するプローブは、導電性を備え、被試験体の形状に応じて自在に形状変形が可能な探針であることを特徴とする前請求項１又は２に記載の入力データ変換装置。
4. 請求項１又は２に記載の入力データ変換装置と、請求項３に記載のプローブと、前記入力データ変換装置に接続し、前記入力データ変換装置からのデータを処理しグラフィカルに表示するデータ表示装置とを備えたことを特徴とする計測装置。
5. 前記データ表示装置がスマートフォンであり、前記入力データ変換装置はＵＳＢ（Universal Serial Bus）又は無線により前記スマートフォンに接続されていることを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
6. 請求項１又は２に記載の入力データ変換装置と、請求項３に記載のプローブと、前記入力データ変換装置に接続し、前記入力データ変換装置からのデータを処理しグラフィカルに表示するデータ表示装置とを備えたことを特徴とするオシロスコープ。
   
   

Images