JP5774370B2

JP5774370B2 - 波形測定装置

Info

Publication number: JP5774370B2
Application number: JP2011109568A
Authority: JP
Inventors: 憲一朗はが
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: JP2012242125A

Description

本発明は、測定対象の電圧や電流等の波形を測定する波形測定装置に関するものである。

自動車のモータの駆動等には直流電源を交流電源に変換するためのインバータ電源が用いられる。このインバータ電源により交流電源に変換された電圧や電流が正常であるか否かを測定するために、オシロスコープが用いられる。オシロスコープには差動プローブを接続して、この差動プローブを用いてインバータ電源の出力波形を測定する。これにより、インバータ電源の電圧や電流を測定する。この種の技術としては特許文献１に開示されている技術がある。

特開２０１０−１５８１５２号公報

一般に、オシロスコープのような波形測定器は、広帯域の周波数の電圧の波形を測定することができるが、広帯域であるがために測定した波形の確度（精度）が低下する（不確かになる）。測定する電圧の波形に極めて高い確度が要求されるような場合には、広帯域に対応したオシロスコープでは当該要求を充足することができない。

一方、オシロスコープよりも確度の高い波形測定を行う波形測定器を用いることができる。これにより、波形の測定に高い確度が要求されるような場合に対応することができる。ただし、高い確度で測定する波形測定器は広帯域の周波数の測定を行うことはできない。つまり、測定対象となる周波数帯域は狭帯域になる。

従って、電圧や電流の波形を測定する波形測定器は、高い確度で測定することを優先させる場合には広帯域の周波数の測定を行うことができず、広帯域の周波数の測定を行うことを優先させる場合には測定の確度が低下する。

そこで、本発明は、高確度且つ広帯域の周波数の波形測定を行うことを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の波形測定装置は、波形を測定する第１の波形測定器と、この第１の波形測定器よりも確度が低く且つ広帯域の周波数の前記波形を測定する第２の波形測定器と、前記第１の波形測定器が測定する第１の波形データを基準として前記第２の波形測定器が測定する第２の波形データの誤差を演算する演算部と、前記誤差の分だけ前記第２の波形データを補正する補正部と、を備えたことを特徴とする。

この波形測定装置によれば、確度の高い第１の波形データに基づいて第２の波形データに生じる誤差を補正している。これにより、広帯域の第２の波形データを高確度に補正することができ、高確度且つ広帯域の波形測定を行うことが可能になる。

また、前記演算部は、前記第１の波形データのゲインおよびオフセットに対する前記第２の波形データのゲインおよびオフセットに基づいて前記誤差を演算することを特徴とする。

第１の波形データと第２の波形データとでゲインおよびオフセットを比較することで、確度の高い第１の波形データを基準としたときの第２の波形データの誤差を演算することができ、高確度且つ広帯域の波形測定を行うことができる。

また、前記第２の波形データのうち前記第１の波形測定器が測定する周波数帯域の成分のみを抽出する周波数フィルタを備え、前記演算部は、前記周波数フィルタにより抽出された前記第２の波形データと前記第１の波形データとに基づいて前記誤差を演算することを特徴とする。

第２の波形データの周波数帯域は第１の波形データの周波数帯域と重複しているが、第２の波形データは広帯域になっている。このため、第２の波形データのうち第１の波形データと重複している帯域を抽出することで、誤差を算出するときに比較する波形の基準を統一でき、簡単な演算を行うことができる。

また、前記補正部により補正された前記第２の波形データのうち予め設定された変化量よりも大きく波形が変化している部分は前記補正部により補正された前記第２の波形データを用い、それ以外の部分は前記第１の波形データを用いて合成する波形合成部を備えたことを特徴とする。

第２の波形データは第１の波形データよりも確度が低いため、高速な波形変化を測定することができる。高速に波形が変化する部分には第２の波形データを用い、それ以外の低速に波形が変化する部分には確度の高い第１の波形データを用いることで、正確且つ高速に波形測定を行うことができる。

また、前記第１の波形測定器と前記第２の波形測定器とのうち何れか一方から他方に対して前記波形の測定の開始を示すトリガ信号を出力することを特徴とする。

第１の波形測定器と第２の波形測定器とは測定対象の同じ波形を測定しなければならない。このため、トリガ信号を出力することで、第１の波形測定器と第２の波形測定器とを同期させることができ、正確な波形測定を行うことが可能になる。

本発明は、確度の高い第１の波形測定器の波形データを基準として広帯域の周波数の波形を測定する第２の波形測定器の波形データの誤差分を補正しているため、高確度且つ広帯域の周波数の波形測定を行うことが可能になる。

実施形態の波形測定装置の構成を示すブロック図である。波形処理部の構成を示すブロック図である。各部で処理される波形の一例を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は実施形態の波形測定装置１を示している。図１の波形測定装置１は測定対象２とフローティング電圧部３と差動プローブ４と高精度波形測定器５と広帯域波形測定器６と波形処理部７と波形表示部８とを備えて構成している。

測定対象２は波形測定を行う対象物になる。測定対象としては直流電源から交流電源に変換を行うインバータ電源等がある。勿論、測定対象２としては、電流や電圧等の波形を出力するものであれば任意のものを適用することができる。フローティング電圧部３は電位が０ボルトのグランドから所定の電圧をフローティングさせている。

差動プローブ４は測定対象２の正側と負側（フローティング電圧部３の電圧）とに接続して、差動電圧を検出する。差動プローブ４が検出した差動電圧は広帯域波形測定器６に出力している。従って、広帯域波形測定器６は差動プローブ４が検出した差動電圧、つまり測定対象２の電圧の波形を測定する。

高精度波形測定器５は第１の波形測定器であり、測定対象２の正側と負側とを入力している。これにより、測定対象２の電圧の波形を測定する。また、広帯域波形測定器６は第２の波形測定器であり、差動プローブ４が検出した測定対象２の電圧の波形を測定する。従って、高精度波形測定器５と広帯域波形測定器６とは同じ波形の測定を行なっていることになる。

高精度波形測定器５は広帯域波形測定器６よりも確度（精度）が高い波形測定を行うことができる。これにより、広帯域波形測定器６が測定した波形よりも高精度波形測定器５が測定した波形の方が正確性に優れている。ただし、確度が高いため、狭小な周波数帯域のみが測定対象となる。特に、低周波の帯域のみが測定対象となる。例えば、直流から１０ＭＨｚといった狭小な低周波の帯域の波形が測定対象となる。

広帯域波形測定器６は広帯域の波形を測定することができる。例えば、直流から数百ＭＨｚ以上といった広範な周波数帯域の波形が測定対象となる。この広帯域波形測定器６が測定対象とする周波数帯域は高精度波形測定器５が測定対象とする周波数帯域を含んでいる。ただし、広範な周波数帯域を測定可能にしているため、広帯域波形測定器６の波形測定の確度は高精度波形測定器５よりも低くなっている。

高精度波形測定器５から広帯域波形測定器６に対してトリガ信号ｔｒｉｇを出力している。これにより、高精度波形測定器５の測定開始のタイミングと広帯域波形測定器６の測定開始のタイミングとを同期させるようにしている。この同期を取ることで、高精度波形測定器５と広帯域波形測定器６とは同じタイミングで波形測定を開始させることができ、同じ波形を測定することができる。なお、広帯域波形測定器６から高精度波形測定器５にトリガ信号を出力させてもよい。

高精度波形測定器５が測定した波形は高精度波形データ（第１の波形データ）ＨＤとして波形処理部７に出力される。広帯域波形測定器６が測定した波形は広帯域波形データ（第２の波形データ）ＷＤとして波形処理部７に出力される。波形処理部７は高精度波形データＨＤおよび広帯域波形データＷＤに基づいて処理を行う。

図２に示すように、波形処理部７は高精度波形データ入力部１１と広帯域波形データ入力部１２とローパスフィルタ１３と演算部１４と補正部１５と波形合成部１６とを備えて構成している。高精度波形データ入力部１１は入力した高精度波形データＨＤを演算部１４および波形合成部１６に出力する。広帯域波形データ入力部１２は入力した広帯域波形データＷＤをローパスフィルタ１３および補正部１５に出力する。

ローパスフィルタ１３は広帯域波形データＷＤのうち低周波の周波数成分のみを抽出する周波数フィルタである。ローパスフィルタ１３が抽出する周波数成分は高精度波形測定器５が測定対象とする周波数帯域と一致させる。

ローパスフィルタ１３により高精度波形データＨＤと同じ周波数成分のみが抽出された広帯域波形データＷＤは演算部１４に入力される。演算部１４は、高精度波形データＨＤおよびフィルタ（ローパスフィルタ１３）通過後の広帯域波形データＷＤを入力する。そして、高精度波形データＨＤおよびフィルタ通過後の広帯域波形データＷＤを用いて誤差量（ゲイン誤差ΔＧおよびオフセット誤差ΔＡ）を演算する。

補正部１５は広帯域波形データ入力部１２から広帯域波形データＷＤを入力している。そして、演算部１４が演算した誤差量に基づいて、広帯域波形データＷＤを補正する。この補正した広帯域波形データＷＤを波形合成部１６に出力する。

波形合成部１６には変化量の閾値が設定されており、補正後の広帯域波形データＷＤの変化量が閾値を超過していれば広帯域波形データＷＤを用い、それ以外（閾値以下）の場合には高精度波形データＨＤを用いるように波形の合成を行う。合成した波形のデータは合成波形データＣＤとして波形表示部８に出力される。波形表示部８はディスプレイ等の表示装置であり、合成波形データＣＤを表示する。これにより、波形表示部８を視認することで、測定対象２の出力電圧の波形を認識できる。

次に、動作について説明する。測定対象２は交流電圧を出力する。測定対象２の電圧が高精度波形測定器５および差動プローブ４に入力される。差動プローブ４に入力される差動電圧は広帯域波形測定器６に入力される。このため、高精度波形測定器５および広帯域波形測定器６は測定対象２の同じ電圧の波形を測定する。なお、測定する対象は差動プローブの代わりに電流プローブ等を用いて電流としてもよい。

高精度波形測定器５は広帯域波形測定器６にトリガ信号ｔｒｉｇを出力する。これにより、同じタイミングで高精度波形測定器５と広帯域波形測定器６とは波形の測定を開始する。高精度波形測定器５が測定する波形は高精度波形データＨＤとして、広帯域波形測定器６が測定する波形は広帯域波形データＷＤとして波形処理部７に入力される。

波形処理部７の高精度波形データ入力部１１は高精度波形データＨＤを入力し、広帯域波形データ入力部１２は広帯域波形データＷＤを入力する。このときの高精度波形データＨＤおよび広帯域波形データＷＤの例を図３ａ）に示す。なお、同図ａ）のときの高精度波形データＨＤと広帯域波形データＷＤとは周波数帯域が異なっている。

広帯域波形データ入力部１２が入力した広帯域波形データＷＤはローパスフィルタ１３により低周波の周波数成分のみが抽出される。このとき、ローパスフィルタ１３の周波数帯域は高精度波形測定器５の周波数帯域と一致させている。例えば、高精度波形測定器５が直流から１０ＭＨｚを測定対象とするのであれば、ローパスフィルタ１３は、直流から５００ＭＨｚのうち直流から１０ＭＨｚの周波数帯域のみを抽出する。

これにより、フィルタ通過後の広帯域波形データＷＤの周波数帯域と高精度波形データＨＤの周波数帯域とが一致する。演算部１４は周波数帯域が一致した広帯域波形データＷＤと高精度波形データＨＤとを比較して演算を行う。図３ｂ）の実線は高精度波形データＨＤであり、破線はフィルタ通過後の広帯域波形データＷＤである。

広帯域波形測定器６は広範な周波数帯域を測定対象としているため、確度が低下する。つまり、所定の誤差を生じる。一方、高精度波形測定器５は狭帯域の周波数を測定対象としており、確度の高い測定を行っている。そこで、高精度波形データＨＤを基準として、広帯域波形データＷＤに生じている誤差量を演算する。

ここでは、誤差量をゲイン誤差ΔＧおよびオフセット誤差ΔＡとして演算している。ただし、高精度波形データＨＤを基準としたときの広帯域波形データＷＤの誤差量を演算することができれば、ゲイン誤差ΔＧおよびオフセット誤差ΔＡ以外のパラメータを用いて演算を行ってもよい。

ゲイン誤差ΔＧは高精度波形データＨＤの振幅ＧＨと広帯域波形データＷＤの振幅ＧＷとの比率を演算することにより得られる。つまり、ゲイン誤差ΔＧは「ΔＧ＝ＧＷ／ＧＨ」となる。このゲイン誤差ΔＧは高精度波形測定器５に対する広帯域波形測定器６のゲインの誤差を示している。

オフセット誤差ΔＡは高精度波形データＨＤのオフセットＡＨと広帯域波形データＷＤのオフセットＡＷとの差分を演算することにより得られる。つまり、オフセット誤差ΔＡは「ΔＡ＝ＡＷ−ＡＨ」となる。このオフセット誤差ΔＡは高精度波形データＨＤに対する広帯域波形データＷＤのオフセットの誤差を示している。なお、「オフセット」は所定の基準電圧に対する直流のオフセット成分のことをいう。

以上のゲイン誤差ΔＧおよびオフセット誤差ΔＡが高精度波形データＨＤを基準としたときの広帯域波形データＷＤの誤差になる。この誤差を演算部１４が演算する。演算したゲイン誤差ΔＧおよびオフセット誤差ΔＡは補正部１５に出力される。補正部１５は広帯域波形データ入力部１２から広帯域波形データＷＤ（ローパスフィルタ１３を通過していないデータ）を入力しており、この広帯域波形データＷＤに対して補正を行う。

補正部１５は広帯域波形データＷＤに対してゲイン誤差ΔＧの分だけゲインを補正し、オフセット誤差ΔＡの分だけオフセットの補正を行う。これにより、確度の高い高精度波形データＨＤを基準としたときの誤差の分を広帯域波形データＷＤに対して補正することができる。補正後の広帯域波形データＷＤを波形合成部１６に出力する。

波形合成部１６は高精度波形データ入力部１１から高精度波形データＨＤを入力しており、且つ補正部１５から補正後の広帯域波形データＷＤを入力している。そして、これらの高精度波形データＨＤと広帯域波形データＷＤとを合成して合成波形データＣＤとして波形表示部８に出力する。

波形合成部１６には予め変化量の閾値が設定されていることは既に述べたとおりである。なお、この閾値は適宜に設定することができる。波形合成部１６は、広帯域波形データＷＤを時間と電圧値とに基づいて微分することにより、広帯域波形データＷＤの波形の変化量を検出することができる。このときに検出される変化量が閾値を超過しているか否かを検出する。

つまり、設定された閾値を超過するような急激な変化が広帯域波形データＷＤに生じているか否かを検出する。微分したときに得られる変化量が閾値を超過しているときには急激な変化を生じているとして、広帯域波形データＷＤを採用する。一方、それ以外（変化量が閾値以下）であるときには、急激な変化を生じていないとして、高精度波形データＨＤを採用する。

これにより、大きな変化を生じている部分については広帯域波形データＷＤを用いていることで高速に処理することができると共に、広帯域波形データＷＤは高確度に補正されているため、当該部分の確度を高くすることができる。一方、大きな変化を生じていない部分については高確度の高精度波形データＨＤを用いていることで確度の高い波形測定が可能になり、高速且つ正確な波形測定を行うことができる。

以上に説明したように、確度および周波数帯域が異なる２つの波形測定器（高精度波形測定器５および広帯域波形測定器６）を用いて、確度の高い高精度波形データＨＤに基づいて広帯域の広帯域波形データＷＤを補正している。これにより、高確度且つ広帯域の波形を測定することができるようになる。

以上において、波形合成部１６により広帯域波形データＷＤと高精度波形データＨＤとの合成を行っているが、波形合成部１６の処理を省略してもよい。つまり、補正部１５によって、確度の高い高精度波形データＨＤを基準とした補正を広帯域波形データＷＤに対して行っており、広帯域波形データＷＤの確度を高めている。このため、波形合成部１６による波形合成は行わなくてもよい。従って、この場合には、補正後の広帯域波形データＷＤを波形表示部８に表示するようにする。

また、波形処理部７は独立した装置としているが、高精度波形測定器５または広帯域波形測定器６の何れかに備えるようにしてもよい。特に、広帯域波形測定器６にデジタルオシロスコープを適用した場合には、複雑な回路を有するデジタルオシロスコープに波形処理部７の機能を容易に持たせることができるようになる。勿論、波形処理部７をコンピュータ等の独立した装置構成として、波形の処理を行うようにしてもよい。

また、フローティング電圧部３によりフローティング電圧を形成しているが、フローティング電圧部３は必須の構成要素ではない。また、高精度波形測定器５と広帯域波形測定器６との間に処理速度に差を生じるような場合には、処理速度の遅い方の測定器に早いほうの測定器を追従させるようにしてもよい。

１波形測定装置
２測定対象
５高精度波形測定器
６広帯域波形測定器
７波形処理部
８波形表示部
１１高精度波形データ入力部
１２広帯域波形データ入力部
１３ローパスフィルタ
１４演算部
１５補正部
１６波形合成部

Claims

波形を測定する第１の波形測定器と、
この第１の波形測定器よりも確度が低く且つ広帯域の周波数の前記波形を測定する第２の波形測定器と、
前記第１の波形測定器が測定する第１の波形データを基準として前記第２の波形測定器が測定する第２の波形データの誤差を演算する演算部と、
前記誤差の分だけ前記第２の波形データを補正する補正部と、
を備えたことを特徴とする波形測定装置。
前記演算部は、前記第１の波形データのゲインおよびオフセットに対する前記第２の波形データのゲインおよびオフセットに基づいて前記誤差を演算すること
を特徴とする請求項１記載の波形測定装置。
前記第２の波形データのうち前記第１の波形測定器が測定する周波数帯域の成分のみを抽出する周波数フィルタを備え、
前記演算部は、前記周波数フィルタにより抽出された前記第２の波形データと前記第１の波形データとに基づいて前記誤差を演算すること
を特徴とする請求項２記載の波形測定装置。
前記補正部により補正された前記第２の波形データのうち予め設定された変化量よりも大きく波形が変化している部分は前記補正部により補正された前記第２の波形データを用い、それ以外の部分は前記第１の波形データを用いて合成する波形合成部を備えたこと
を特徴とする請求項３記載の波形測定装置。
前記第１の波形測定器と前記第２の波形測定器とのうち何れか一方から他方に対して前記波形の測定の開始を示すトリガ信号を出力すること
を特徴とする請求項４記載の波形測定装置。