特許第6594471号(P6594471)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6594471サンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6594471
(24)【登録日】2019年10月4日
(45)【発行日】2019年10月23日
(54)【発明の名称】サンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法
(51)【国際特許分類】
   G01R 13/20 20060101AFI20191010BHJP
   G01R 13/00 20060101ALI20191010BHJP
【FI】
   G01R13/20 U
   G01R13/20 K
   G01R13/20 T
   G01R13/00 Z
【請求項の数】2
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2018-44206(P2018-44206)
(22)【出願日】2018年3月12日
(65)【公開番号】特開2019-158512(P2019-158512A)
(43)【公開日】2019年9月19日
【審査請求日】2018年8月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000572
【氏名又は名称】アンリツ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100067323
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 教光
(74)【代理人】
【識別番号】100124268
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 典行
(72)【発明者】
【氏名】村上 崇
【審査官】 永井 皓喜
(56)【参考文献】
【文献】 特開平11−316245(JP,A)
【文献】 特開平2−84828(JP,A)
【文献】 特開平5−142095(JP,A)
【文献】 特開昭55−24683(JP,A)
【文献】 欧州特許出願公開第3023802(EP,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01R 13/20
G01R 13/00
G01J 1/42
G01J 1/44
G01J 1/00
G01M 11/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ(1)において、
前記光信号の消光比を設定する消光比設定手段(2)と、
前記光信号を電気信号に変換する光電変換器(3)と、
前記光電変換器に流れる電流値を検出する電流検出手段(7)と、
前記電流検出手段にて検出された電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比設定手段にて設定された消光比に基づいて該消光比の比率を示すOneレベルとZeroレベルを算出するパラメータ算出手段(8)と、
前記パラメータ算出手段にて算出された前記光信号の平均値、Oneレベル、Zeroレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整する表示制御手段(10)とを備えたことを特徴とするサンプリングオシロスコープ。
【請求項2】
被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ(1)を用いた自動スケール方法において、
前記光信号の消光比を設定するステップと、
前記光信号を光電変換器にて電気信号に変換するステップと、
前記光電変換器に流れる電流値を検出するステップと、
前記電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比に基づいて該消光比の比率を示すOneレベルとZeroレベルを算出するステップと、
前記光信号の平均値、Oneレベル、Zeroレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整するステップとを含むことを特徴とするサンプリングオシロスコープを用いた自動スケール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被測定信号としての光信号をサンプリングして波形を表示するサンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法に関する。
【背景技術】
【0002】
オシロスコープは、従来より研究開発(R&D)から製造工程と広く用いられている。そして、オシロスコープの機能の一つであるオートスケール処理は、特に評価波形を適切なスケール表示に自動的に設定する機能として非常に高頻度で用いられる。
【0003】
ところで、オートスケール処理は、機能としてあらゆるケースを想定して実装されていることが多く、計測器内部で複数のケースを想定した処理が施されることがあり、一般論として計算コストが多い処理である。そのため、ユーザとしては、理想的にはオートスケール処理を実行せずに測定を行なうことで処理時間の短縮を図りたいという要求がある。特にタクトタイムが重要視される工程では、オートスケール処理を実行しないことで多くの処理時間が短縮できる恩恵は大きい。
【0004】
しかしながら、オシロスコープのうち特にサンプリングオシロスコープは、解析において画像に対する統計処理を用いるため、スケールが適切かどうかが測定精度に影響を与えること、また特に光モジュール製造においては、DUTから発光される光出力パワーは同一品名であっても大きな幅を持つことから、オートスケール処理を全く実行せずに固定スケールで製造検査を行うことにはリスクがある。
【0005】
そのため、高速に適切なスケーリングを実現するオートスケール処理は、特にサンプリングオシロスコープにおいて機器の性能の一つとして重要な指標となり、各社高速化に努めている。
【0006】
ところで、一般的にオートスケール処理を行なうためには、被測定信号の最大値、最小値および平均値から設定すべき縦軸(Y軸)のスケール値を求めることが多い。例えば下記特許文献1には、サンプルの最大値と最小値とを決定するためのピーク検出手段を備えたデジタル・オシロスコープが開示されている。
【0007】
そして、オートスケール処理において、被測定信号の最大値、最小値および平均値を求めるためには実際に被測定信号をサンプリングする必要がある。このため、機器内部のサンプラ回路を駆動し、一定期間だけ波形をサンプリングし、サンプリングしたデータに対してピークサーチおよび平均計算を行って被測定信号の最大値、最小値、平均値を求める。しかし、これだけでは縦軸(Y軸)のスケール情報しか得られない。このため、その後、さらに追加サンプリングを行い、波形の形を含めて横軸(X軸)のスケール情報および位相オフセットを求め、オートスケール処理を完了する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平05−196647号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、上述したオートスケール処理において、最初の縦軸(Y軸)のスケール値を求めるためには、サンプラ回路を適切な状態で駆動する必要がある。例えばIF回路のゲインを適切な設定に変更する必要がある。このため、ハードウェアの状態を振りながら測定するといった処理が必要であり、処理に時間がかかるという問題があった。
【0010】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、従来よりもオートスケール処理に要する処理時間を短縮することができるサンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するため、本発明の請求項1に記載されたサンプリングオシロスコープは、被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ1において、
前記光信号の消光比を設定する消光比設定手段2と、
前記光信号を電気信号に変換する光電変換器3と、
前記光電変換器に流れる電流値を検出する電流検出手段7と、
前記電流検出手段にて検出された電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比設定手段にて設定された消光比に基づいて該消光比の比率を示すOneレベルとZeroレベルを算出するパラメータ算出手段8と、
前記パラメータ算出手段にて算出された前記光信号の平均値、Oneレベル、Zeroレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整する表示制御手段10とを備えたことを特徴とする。
【0012】
請求項2に記載されたサンプリングオシロスコープを用いた自動スケール方法は、被測定信号としての光信号を所定のサンプリングタイミングでサンプリングして表示画面に波形表示するサンプリングオシロスコープ1を用いた自動スケール方法において、
前記光信号の消光比を設定するステップと、
前記光信号を光電変換器にて電気信号に変換するステップと、
前記光電変換器に流れる電流値を検出するステップと、
前記電流値から前記光信号の平均値を算出し、算出した平均値と前記消光比に基づいて該消光比の比率を示すOneレベルとZeroレベルを算出するステップと、
前記光信号の平均値、Oneレベル、Zeroレベルに基づいて前記表示画面の縦軸をスケーリング調整するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、オートスケール処理において表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整に要する処理時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】本発明に係るサンプリングオシロスコープの概略構成を示すブロック図である。
図2図1におけるトリガ生成回路の内部構成の一例を示すブロック図である。
図3】(a)表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整後のアイ波形の一例を示す図、(b),(c)表示画面の横軸(X軸)方向の位相を調整するためのクロッシング座標の測定に関する説明図、(d)表示画面の縦軸(Y軸)および横軸(X軸)のスケーリング調整後のアイ波形の一例を示す図である。
図4】本発明に係るサンプリングオシロスコープの自動スケール方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
【0016】
[本発明の概要について]
被測定信号が光信号の場合、光電変換器のフォトダイオードに流れる電流値を測定することにより、入力光信号の平均値をサンプラ回路を用いないで測定が可能である。
【0017】
また、被測定信号が製造検査で用いられることを想定すると、被測定信号に想定される消光比パラメータが設計値として存在するはずである。消光比は、One/Zeroレベルの比率で表現される。このため、既に光電変換器のフォトダイオードに流れる電流値から既知となった被測定信号の平均値と消光比が与えられれば、一般的に製造装置では被測定信号のマーク率が1/2であるため、One/Zeroレベルといった縦軸(Y軸)のスケールを測定推定することができる。
【0018】
そこで、本発明では、被測定信号としての光信号に想定される消光比を設定し、光電変換器のフォトダイオードに流れる電流値を測定することにより、被測定信号の平均値、One/Zeroレベルを算出して光信号のオートスケール処理における縦軸(Y軸)のスケーリング調整時間の短縮を実現する。
【0019】
[サンプリングオシロスコープの構成について]
図1に示すように、本実施の形態のサンプリングオシロスコープ1は、被測定信号としての光信号の波形を表示するものであり、表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整に要する処理時間の短縮を図ったオートスケール処理を実現するため、消光比設定手段2、光電変換器(O/E)3、トリガ生成回路4、サンプラ5、クロッシング座標測定手段6、電流検出手段7、パラメータ算出手段8、切替手段9、表示制御手段10、表示手段11を備えて概略構成される。
【0020】
消光比設定手段2は、被測定信号としての光信号のOneレベル(1レベル)とZeroレベル(0レベル)の比率として表現される消光比を設定する。
【0021】
光電変換器(O/E)3は、例えば光検出器としてのフォトダイオードを備え、外部から入力される被測定信号としての光信号を電気信号に変換する。
【0022】
トリガ生成回路4は、サンプラ5が動作するサンプリングタイミングとして用いられるストローブ信号を生成する。
【0023】
さらに説明すると、トリガ生成回路4は、図2に示すように、例えば、周波数変換部21、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ(以下、DDSと略称する)22、バンドパスフィルタ(以下、BPFと略称する)23、増幅器24、可変分周器25を含んで構成される。
【0024】
周波数変換部21は、トリガ生成回路4の初段に位置し、可変分周器21aと周波数逓倍回路21bを備え、次段に位置するDDS22が動作可能な入力周波数範囲(1.25GHz〜2.5GHzのオクターブ(2倍)の範囲)に外部から供給されるトリガクロック(例えば矩形波や正弦波)の周波数を変換する。
【0025】
尚、周波数変換部21は、DDS22の動作周波数範囲がオクターブ(2倍)の範囲であれば、可変分周器21aの分周比及び周波数逓倍回路21bの逓倍比が2のべき乗で対応可能となる。また、周波数変換部21は、DDS22が動作可能な入力周波数範囲のトリガクロックが外部から入力される場合には省略することができる。この場合、外部からトリガクロックがDDS22に直接入力される。
【0026】
DDS22は、周波数変換部21の次段に接続され、リファレンスクロック発生器、位相アキュムレータ、波形データを記憶するROM、DAC(デジタル−アナログ変換回路)を備えて構成される。
【0027】
DDS22は、周波数変換部21にて動作周波数範囲に入力周波数が調整され、周波数変換部21にて周波数変換されたトリガクロックから、任意の波形や周波数(出力周波数)をデジタル的に生成する。
【0028】
BPF23は、DDS22の次段に接続され、スプリアスを除去するため、DDS22から出力されるトリガクロックの通過帯域を制限する。
【0029】
増幅器24は、ローノイズアンプで構成され、BPF23にて帯域制限されたトリガクロックの振幅を増幅する。
【0030】
可変分周器25は、増幅器24の次段に接続され、分周比が可変設定可能(例えば2〜1/231)であり、サンプラ5のサンプリングタイミングを生成するためにトリガ回路3の最終段に設けられる。可変分周器25は、BPF23を通過して増幅器24にて増幅されたトリガクロックの周波数を、サンプラ5が動作可能な周波数範囲に調整する。
【0031】
ここで、サンプラ5が駆動可能なサンプリングタイミングの周期(ストローブ周期)は一般的にkHzオーダとなり、DDS22とBPF23の出力周波数にてサンプラ5を直接駆動することは現実的ではない。そのため、最終段の可変分周器25は、BPF23を通過したトリガクロックをサンプラ5が駆動可能な周波数まで周波数を分周し、サンプラ5のサンプリングタイミングとなるストローブ信号を出力する。
【0032】
サンプラ5は、トリガ生成回路4にて生成されるストローブ信号をサンプリングタイミングとして例えば数百kHzでスイッチング動作(閉状態:例えば10〜100psec)し、光電変換器3にて電気信号に変換された被測定信号をサンプリングする。
【0033】
クロッシング座標測定手段6は、横軸(X軸)方向の位相を調整するためのクロッシング座標を測定する。測定したクロッシング座標は、切替手段9を介して表示制御手段10に出力される。
【0034】
電流検出手段7は、光電変換器3の後段に設けられ、光電変換器3が備えるフォトダイオードに流れる電流値を検出する。
【0035】
パラメータ算出手段8は、縦軸(Y軸)のスケーリング調整を行うために必要なパラメータとして、被測定信号の平均値、Oneレベル、Zeroレベルを算出する。算出した被測定信号のOneレベル、Zeroレベル、平均値は、切替手段9を介して表示制御手段10に出力される。
【0036】
さらに説明すると、パラメータ算出手段8は、電流検出手段7にて検出した電流値(A/D変換した値)から被測定信号の平均値を算出する。また、パラメータ算出手段8は、算出した平均値と消光比設定手段2にて設定された消光比に基づいてOneレベル、Zeroレベルを算出する。具体的には、マーク率=1/2として、消光比=One/Zero…式(1)と、平均値=(One+Zero)×1/2…式(2)との連立方程式からOneレベル、Zeroレベルを算出する。
【0037】
切替手段9は、表示手段11の表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整を行なうときに、パラメータ算出手段8と表示制御手段10を接続するように切替制御される。また、切替手段9は、表示手段11の表示画面の横軸(X軸)のスケーリング調整および縦軸(Y軸)の微調整を行なうときに、クロッシング座標測定手段6と表示制御手段10を接続するように切替制御される。
【0038】
表示制御手段10は、サンプラ5からのサンプルデータに基づく被測定信号の波形を表示するように表示手段11を制御する。
【0039】
また、表示制御手段10は、オートスケール処理として、パラメータ算出手段8にて算出した被測定信号のOneレベル、Zeroレベル、平均値に基づいて表示手段11の表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整を行なう。
【0040】
さらに、表示制御手段10は、オートスケール処理として、クロッシング座標測定手段6にて測定したクロッシング座標に基づいて表示手段11の表示画面の横軸(X軸)のスケーリング調整を行なう。また、表示手段11の表示画面に表示される画像よりヒストグラムを用いて統計的にOneレベルとZeroレベルを算出し、算出したOneレベルとZeroレベルを用いて表示画面の縦軸(Y軸)の微調整を行なう。
【0041】
表示手段11は、例えば液晶表示器などで構成される。表示手段11は、表示制御手段10の制御により、サンプラ5にて得られるサンプルデータに基づく被測定信号の波形を表示画面上に表示する。
【0042】
また、表示手段11は、オートスケール処理として、表示制御手段10の制御により、表示画面の縦軸(Y軸)がスケーリング調整された後、横軸(X)がスケーリング調整される。また、必要に応じて表示画面の縦軸(Y軸)が微調整される。
【0043】
次に、上記のように構成されるサンプリングオシロスコープ1のオートスケール処理について図4を参照しながら説明する。
【0044】
オートスケール処理を実行するにあたっては、消光比設定手段2にて消光比が予め設定される(ST1)。また、パラメータ算出手段8と表示制御手段10を接続するように切替手段9を切替制御する。
【0045】
そして、被測定信号としての光信号が光電変換器3に入力されると、光信号は光電変換器3にて電気信号に変換された後、トリガ生成回路4にて生成されたストローブ信号をサンプリングタイミングとしてサンプラ5にてサンプリングされる(ST2)。
【0046】
その際、光電変換器3が備えるフォトダイオードに流れる電流値が電流検出手段7にて検出される(ST3)。また、パラメータ算出手段8は、電流検出手段7にて検出した電流値から被測定信号の平均値を算出し、算出した平均値と消光比設定手段2にて設定された消光比に基づいてOneレベル、Zeroレベルを算出する(ST4)。
【0047】
そして、表示制御手段10は、パラメータ算出手段8にて算出した被測定信号のOneレベル、Zeroレベル、平均値に基づいて表示手段11の表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整を行なう(ST5)。
【0048】
この表示手段11の表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整では、算出した被測定信号の平均値が縦軸(Y軸)スケールのオフセットとなり、表示手段11の表示画面の縦軸の中央値に設定される。また、算出したOneレベルとZeroレベルの差分が観測信号の振幅となる。
【0049】
具体的に、例えば図3(a)に示すように、表示手段11の表示画面のフルスケールを10マス全部の振幅とし、10マス中5マスを用いて波形を描画する場合、観測信号の振幅はフルスケール/2となる。
【0050】
したがって、フルスケール=10マス×1マス当たりの振幅値(Division)となるので、観測信号の振幅は(10×Division)/2となる。これにより、1マス当たりの振幅値(Division)は、観測信号の振幅/5に設定される。なお、この縦軸(Y軸)のスケーリング調整を終えた段階では、表示手段11の表示画面の横軸(X軸)方向の位相がずれている。
【0051】
そこで、表示手段11の表示画面の横軸(X軸)のスケーリング調整を行なうため、クロッシング座標測定手段6と表示制御手段10を接続するように切替手段9を切替制御する。
【0052】
そして、クロッシング座標測定手段6は、横軸(X軸)方向の位相を調整するためのクロッシング座標を測定する。具体的には、最初に表示手段11の表示画面左端の中央付近にサンプルデータが存在するか否かを確認する。そして、図3(b)に示すように、表示画面左端にサンプルデータが存在しない場合は、表示画面左端から表示画面中央までの範囲(図3(b)の点線で示す範囲)のヒストグラムの平均値によりクロッシング座標を測定する。これに対し、図3(c)に示すように、表示画面左端にサンプルデータが存在する場合は、表示画面中央(図3(c)の点線で示す25〜75%の範囲)のヒストグラムの平均値によりクロッシング座標を測定する(ST6)。
【0053】
そして、表示制御手段10は、クロッシング座標測定手段6にて測定したクロッシング座標に基づいて表示手段11の表示画面の横軸(X軸)のスケーリング調整を行なう(ST7)。
【0054】
この表示手段11の表示画面の横軸(X軸)のスケーリング調整では、アイ波形のクロッシング座標が表示画面の特定エリア(2UIの場合は、横軸(X軸)方向で25%、75%にクロッシングが来るのが適正)に来るので、測定したクロッシング座標が上記25%または75%の座標に来るように横軸(X軸)のオフセットを設定する(例えば図3(d)の状態)。なお、アイ波形を表示する場合は、表示画面のX座標を2UI固定としてもよい。
【0055】
また、表示手段11の表示画面の縦軸(Y軸)の微調整に関しては、アイ波形の場合、クロッシング+0.5UIがアイの開口中心と考えられるので、例えばアイの開口中心において、画像からヒストグラムを用いて統計的にOneレベルとZeroレベルを算出し、算出したOneレベルとZeroレベルの差分を観測信号の振幅とする。そして、前述したように、表示手段11の表示画面のフルスケールを10マス全部の振幅とし、10マス中5マスを用いて波形を描画する場合には、1マス当たりの振幅値(Division)を観測信号の振幅/5に設定して縦軸(Y軸)を微調整する。
【0056】
このように、本実施の形態によれば、サンプリングオシロスコープにおいて最も高頻度で用いられるオートスケール処理において表示画面の縦軸(Y軸)のスケーリング調整に要する処理時間を短縮することができる。具体的に、例えばオートスケール処理全体で約2秒の処理のうち、縦軸(Y軸)のスケーリング調整で400ミリ秒程度の時間が短縮可能となり、従来より20%程度処理の高速化が図れる。
【0057】
また、測定対象物(DUT)によってばらつくことが懸念される光出力パワーは、サンプリングオシロスコープ1で測定した上でスケーリング調整を行なうので、ユーザが固定スケールで実施した場合の懸念点も解消できる。
【0058】
ところで、上述した実施の形態では、1チャネルの被測定信号をサンプリングして波形表示する場合のオートスケール処理を例にとって説明したが、複数チャネルの被測定信号をサンプリングし、それぞれの波形を同時表示又は切替表示する際のオートスケール処理に適用することもできる。この場合、チャネル数が増加するほど縦軸(Y軸)のスケーリング調整に要する処理時間を短縮でき、オートスケール処理全体の高速化を図ることができる。
【0059】
以上、本発明に係るサンプリングオシロスコープ及びこれを用いた自動スケール方法の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【0060】
1 サンプリングオシロスコープ
2 消光比設定手段
3 光電変換器(O/E)
4 トリガ生成回路
5 サンプラ
6 クロッシング座標測定手段
7 電流検出手段
8 パラメータ算出手段
9 切替手段
10 表示制御手段
11 表示手段
21 周波数変換部
21a 可変分周器
21b 周波数逓倍回路
22 DDS(ダイレクト・デジタル・シンセサイザ)
23 BPF(バンドパスフィルタ)
24 増幅器
25 可変分周器
図1
図2
図3
図4