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【発明の名称】 電気光学サンプリングオシロスコープ
【発明者】 【氏名】竹内 伸成

【氏名】柳沢 幸樹

【氏名】菊池 潤

【氏名】伴城 暢一

【氏名】遠藤 善雄

【氏名】品川 満

【氏名】永妻 忠夫

【氏名】山田 順三
【要約】 【課題】電気光学サンプリングオシロスコープにおいて、低周波雑音成分を削減させて、Ｓ／Ｎ比の良い測定波形を得る。

【解決手段】タイミング発生回路４は、光パルス発生回路５を駆動するパルス信号Ｐ１及びＡ／Ｄ変換器７を動作させるパルス信号Ｐ２を生成し出力する。遅延回路１１はパルス信号Ｐ２から一定時間後にパルス信号Ｐ３を出力する。受光増幅回路６は、ＥＯＳプローブ２の出力を増幅し、受光信号ＬＳとしてＡ／Ｄ変換器７へ出力する。Ａ／Ｄ変換器７は、パルス信号Ｐ２に基づいて受光信号ＬＳをサンプリングしてＡ／Ｄ変換し、次いで、パルス信号Ｐ３に基づいて受光信号ＬＳをサンプリングしてＡ／Ｄ変換して出力する。減算回路１４は、パルス信号Ｐ２のサンプリング値からパルス信号Ｐ３のサンプリング値（ノイズ値を示している）を減算する。この減算結果に基づいて表示処理が行われる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 サンプリングパルスのタイミングでレーザ光線による光パルスを発生し、電気光学プローブへ供給する光パルス発生手段と、前記電気光学プローブの出力を増幅し、受光信号として出力する受光増幅手段と、前記サンプリングパルスから第１の一定時間が経過した時点で前記受光信号をサンプルし、該サンプル時点から第２の一定時間が経過した時点で前記受光信号を再度サンプルするサンプリング手段と、前記サンプリング手段によってサンプルされたデータの差をとる減算手段と、前記減算手段の出力に基づいて画像表示を行う手段と、を具備してなる電気光学サンプリングオシロスコープ。
【請求項２】 サンプリングパルスのタイミングでレーザ光線による光パルスを発生し、電気光学プローブへ供給する光パルス発生手段と、前記電気光学プローブの出力を増幅し、受光信号として出力する受光増幅手段と、前記サンプリングパルスから第１の一定時間が経過した時点で第１のパルス信号を出力するタイミング発生手段と、前記第１のパルス信号を第２の一定時間遅延させた第２のパルス信号を出力する遅延手段と、前記第１、第２のパルス信号のタイミングで前記受光信号をサンプリングし、サンプリングした受光信号を第１，第２のディジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、前記第１、第２のディジタルデータの差をとる減算手段と、前記減算手段の出力に基づいて画像表示を行う手段と、を具備してなる電気光学サンプリングオシロスコープ。
【請求項３】 前記受光増幅手段の周波数帯域を制御する帯域制御データおよび前記遅延手段の遅延時間を制御する遅延制御データの対応関係を示すテーブルを具備し、前記前記受光増幅手段の周波数帯域および前記遅延手段の遅延時間を前記テーブル内のデータによって制御する制御手段を設けてなる請求項２に記載の電気光学サンプリングオシロスコープ。
【請求項４】 サンプリングパルスのタイミングでレーザ光線による光パルスを発生し、電気光学プローブへ供給する光パルス発生手段と、前記電気光学プローブの出力を増幅し、受光信号として出力する受光増幅手段と、前記サンプリングパルスから第１の一定時間が経過した時点で第１のパルス信号を出力するタイミング発生手段と、前記第１のパルス信号を第２の一定時間遅延させた第２のパルス信号を出力する遅延手段と、前記第１、第２のパルス信号のタイミングで前記受光信号をサンプリングし、サンプリングした受光信号を第１，第２のディジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、前記第１、第２のディジタルデータの各測定周期毎の平均値を算出する平均値算出手段と、前記平均値算出手段による算出結果を記憶するメモリと、前記メモリに記憶された第１のディジタルデータの平均値と第２のディジタルデータの平均値との差を演算する減算手段と、前記減算手段の出力に基づいて画像表示を行う手段と、を具備してなる電気光学サンプリングオシロスコープ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気光学プローブに入力される被測定信号の波形を観測する電気光学サンプリングオシロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】被測定信号によって発生する電界を電気光学結晶に結合させ、この電気光学結晶にレーザ光を入射し、レーザ光の偏光状態により被測定信号の波形を観測することができる。ここで、レーザ光をパルス状にし、被測定信号をサンプリングすると非常に高い分解能で測定することができる。この現象を利用した電気光学（ＥＯＳ）プローブを用いたオシロスコープが電気光学サンプリングオシロスコープである。この電気光学サンプリングオシロスコープ（以下「ＥＯＳオシロスコープ」と略記する）は、電気式プローブを用いた従来のサンプリングオシロスコープと比較し、１）信号を測定する際に、グランド線を必要としないため、測定が容易２）ＥＯＳプローブの先端にある金属ピンが回路系から絶縁されているので高入力インピーダンスを実現でき、その結果被測定点の状態をほとんど乱すことがない３）光パルスを利用することからＧＨｚオーダーまでの広帯域測定が可能といった特徴があり注目を集めている（品川他：”ＥＯＳによるハンディ型ハイインピーダンスプローブ”、第１５回光波センシング技術研究会 講演論文集応用物理学会・光波センシング技術研究会、１９９５年５月、ｐｐ．１２３−１２９）。
【０００３】図１０は、従来のＥＯＳオシロスコープの構成を示したブロック図である。このＥＯＳオシロスコープは、本体１及び被測定信号を受光するＥＯＳプローブ２により構成される。この図において、トリガ信号ＴＲは被測定回路（図示せず）を駆動するクロックパルスに同期した周期信号であり、被測定回路から供給される。タイミング発生回路４は、トリガ信号ＴＲに基づいて、光パルス発生回路５を駆動するパルス信号Ｐ１及びＡ／Ｄ変換器７を動作させるパルス信号Ｐ２を生成し、出力する回路である。図１１は上述したトリガ信号ＴＲ、パルス信号Ｐ１，Ｐ２の発生タイミングを示すタイミングチャートであり、この図に示すように、パルス信号Ｐ１はトリガ信号ＴＲから順次増加する所定時間ｓｔ後に発生するようになっており、また、パルス信号Ｐ２はパルス信号Ｐ１から予め決められた一定時間ｄｔ後に発生するようになっている。
【０００４】光パルス発生回路５は、パルス信号Ｐ１を受け、レーザ光線による光パルスを発生し、ＥＯＳプローブ２へ出力する。ＥＯＳプローブ２へ出力された光パルスは、同プローブ２内を通過する際に、その偏光状態が被測定回路のプローブ当接部の信号に応じて変化する。そして、偏光状態が変化した光パルスが電気信号に変換されて受光増幅回路６へ入力される。受光増幅回路６は、ＥＯＳプローブ２の出力を増幅し、受光信号ＬＳとしてＡ／Ｄ変換器７へ出力する。Ａ／Ｄ変換器７は、タイミング発生回路４からのパルス信号Ｐ２に基づいて受光信号ＬＳをサンプリングし、Ａ／Ｄ変換して出力する。処理回路８は、Ａ／Ｄ変換器７の出力に基づいて被測定波形の表示処理を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従来のＥＯＳオシロスコープにあっては、信号をサンプリングする際に、受光増幅回路に外部から雑音が漏れ込んだり、受光増幅回路で発生した雑音（ショット雑音、熱雑音、１／ｆ雑音など）や、光パルス発生回路で発生した光雑音（ＬＤのＬＥＤ発光成分に乗っている雑音分など）の低周波雑音成分も一緒にサンプリングされ、このため、Ｓ／Ｎ比が悪いという問題があった。
【０００６】本発明はこのような点を考慮してなされたもので、Ｓ／Ｎ比の改良を図った電気光学サンプリングオシロスコープを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、サンプリングパルスのタイミングでレーザ光線による光パルスを発生し、電気光学プローブへ供給する光パルス発生手段と、前記電気光学プローブの出力を増幅し、受光信号として出力する受光増幅手段と、前記サンプリングパルスから第１の一定時間が経過した時点で前記受光信号をサンプルし、該サンプル時点から第２の一定時間が経過した時点で前記受光信号を再度サンプルするサンプリング手段と、前記サンプリング手段によってサンプルされたデータの差をとる減算手段と、前記減算手段の出力に基づいて画像表示を行う手段とを具備してなる電気光学サンプリングオシロスコープである。
【０００８】請求項２記載の発明は、サンプリングパルスのタイミングでレーザ光線による光パルスを発生し、電気光学プローブへ供給する光パルス発生手段と、前記電気光学プローブの出力を増幅し、受光信号として出力する受光増幅手段と、前記サンプリングパルスから第１の一定時間が経過した時点で第１のパルス信号を出力するタイミング発生手段と、前記第１のパルス信号を第２の一定時間遅延させた第２のパルス信号を出力する遅延手段と、前記第１、第２のパルス信号のタイミングで前記受光信号をサンプリングし、サンプリングした受光信号を第１，第２のディジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、前記第１、第２のディジタルデータの差をとる減算手段と、前記減算手段の出力に基づいて画像表示を行う手段とを具備してなる電気光学サンプリングオシロスコープである。
【０００９】請求項３記載の発明は、請求項２に記載の電気光学サンプリングオシロスコープにおいて、前記受光増幅手段の周波数帯域を制御する帯域制御データおよび前記遅延手段の遅延時間を制御する遅延制御データの対応関係を示すテーブルを具備し、前記前記受光増幅手段の周波数帯域および前記遅延手段の遅延時間を前記テーブル内のデータによって制御する制御手段を設けてなることを特徴とする。
【００１０】請求項４記載の発明は、サンプリングパルスのタイミングでレーザ光線による光パルスを発生し、電気光学プローブへ供給する光パルス発生手段と、前記電気光学プローブの出力を増幅し、受光信号として出力する受光増幅手段と、前記サンプリングパルスから第１の一定時間が経過した時点で第１のパルス信号を出力するタイミング発生手段と、前記第１のパルス信号を第２の一定時間遅延させた第２のパルス信号を出力する遅延手段と、前記第１、第２のパルス信号のタイミングで前記受光信号をサンプリングし、サンプリングした受光信号を第１，第２のディジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、前記第１、第２のディジタルデータの各測定周期毎の平均値を算出する平均値算出手段と、前記平均値算出手段による算出結果を記憶するメモリと、前記メモリに記憶された第１のディジタルデータの平均値と第２のディジタルデータの平均値との差を演算する減算手段と、前記減算手段の出力に基づいて画像表示を行う手段とを具備してなる電気光学サンプリングオシロスコープである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態によるＥＯＳオシロスコープの構成を示すブロック図であり、この図において、図１０の各部と対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図１において、符号１１は遅延回路であり、タイミング発生回路４から出力されるパルス信号Ｐ２（図１１，図２（ハ）参照）を一定時間遅延させ、パルス信号Ｐ３（図２（ニ）参照）として出力する。ここで、遅延時間Ｔｄは、予め設定される遅延量に応じた数の基準クロックをカウントすることによって測定される。１２は論理和回路であり、パルス信号Ｐ２とＰ３の論理和（ＯＲ）をとってＡ／Ｄ変換器７へ出力する。ラッチ回路１３はパルス信号Ｐ３のタイミングにおいてＡ／Ｄ変換器７の出力をラッチし、減算回路１４へ出力する。減算回路１４はラッチ回路１３の出力からＡ／Ｄ変換器７の出力を減算し、その結果を処理回路８へ出力する。
【００１２】次に、図１に示す回路の動作を図２に示すタイミング図を参照して説明する。まず、被測定回路からから供給されるトリガ信号ＴＲ（図１１参照）が立ち上がると、このトリガ信号ＴＲの立ち上がりのタイミングにおいて、タイミング発生回路４から図２（イ）に示すパルス信号Ｐ１が出力され、光パルス発生回路５へ供給される。光パルス発生回路５は、このパルス信号Ｐ１を受け、レーザ光線による光パルスを発生し、ＥＯＳプローブ２へ出力する。ＥＯＳプローブ２へ出力された光パルスは、同プローブ２内を通過する際に、その偏光状態が被測定信号に応じて変化し、そして、電気信号に変換されて受光増幅回路６へ入力される。受光増幅回路６はＥＯＳプローブ２の出力信号を増幅し、受光信号ＬＳとしてＡ／Ｄ変換器７へ出力する。図２（ロ）に受光信号ＬＳの波形を示す。
【００１３】一方、タイミング発生回路４は、パルス信号Ｐ１の立ち上がりから一定時間（例えば、１０〜５０ｎｓｅｃ）経過した時点でパルス信号Ｐ２（図２（ハ）参照）を出力する。このパルス信号Ｐ２は論理和回路１２を介してサンプリングパルスＰＳ（図２（ホ）参照）としてＡ／Ｄ変換器７へ供給される。Ａ／Ｄ変換器７はこのサンプリングパルスＰＳを受け、受光信号ＬＳをサンプリングし、次いでサンプリングした値をディジタルデータに変換して出力する。また、上述したパルス信号Ｐ２は遅延回路１１へ供給される。遅延回路１１はこのパルス信号Ｐ２を一定時間Ｔｄだけ遅延し、パルス信号Ｐ３（図２（ニ））として出力する。ここで、遅延時間Ｔｄは、受光信号ＬＳがほぼ「０」となる時点でパルス信号Ｐ３が出力されるように予め設定される。
【００１４】そして、このパルス信号Ｐ３は論理和回路１２を介してサンプリングパルスＰＳ（図２（ホ））としてＡ／Ｄ変換器７へ供給される。Ａ／Ｄ変換器７はこのサンプリングパルスＰＳを受け、受光信号ＬＳをサンプリングし、ディジタルデータに変換して出力する。また、パルス信号Ｐ３はラッチ回路１３へ供給される。ラッチ回路１３はこのパルス信号Ｐ３を受け、Ａ／Ｄ変換器７の出力をラッチする。これにより、パルス信号Ｐ２のタイミングでサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換された受光信号ＬＳの値がラッチ回路１３に読み込まれ、データＤ２（図２（ト））として減算回路１４へ出力される。
【００１５】すなわち、この時点で、ラッチ回路１３から受光信号ＬＳをパルス信号Ｐ２のタイミングでサンプリングし、Ａ／Ｄ変換したデータＤ２が出力され、また、Ａ／Ｄ変換器７からは受光信号ＬＳをパルス信号Ｐ３のタイミングでサンプリングし、Ａ／Ｄ変換したデータＤ１（図２（ヘ））が出力される。ここで、パルス信号Ｐ３のタイミングは受光信号ＬＳがほぼ「０」となるタイミングであり、言い換えれば、パルス信号Ｐ３のタイミングでサンプリングされるデータはノイズデータである。そして、減算回路１４によってラッチ回路１３の出力からＡ／Ｄ変換器７の出力が減算されると、減算回路１４の出力データＤ３（図２（チ））が受光信号ＬＳからノイズ分を減算したデータとなり、ノイズの極めて少ないデータとなる。そして、このデータＤ３が処理回路８へ供給され、これにより、被測定信号の表示が行われる。
【００１６】このように、上記実施形態によれば、サンプリングされた受光信号ＬＳからノイズ分が減算され、このノイズ分が減算されたデータに基づいて処理回路８における表示処理が行われる。この結果、ノイズの少ないデータ表示を行うことができる。但し、上記の回路によって除去することができるのは低周波数のノイズである。すなわち、上記回路は図２（リ）に例示するような低周波のノイズ、特に図示のように時間によってレベルが大きく異なるノイズの除去に有効である。図３は図１の回路のノイズ周波数とノイズ削減率との関係を示すグラフであり、この図において、Ｌ１はｄＢで示した削減率（左軸）、Ｌ２は実数で示した削減率（右軸）である。また、この図はサンプル時刻差が１２５ｎＳの場合の計算値を求め、表示したものである。
【００１７】ところで、ノイズデータをラッチする位置、すなわち、パルス信号Ｐ３の位置はノイズ除去効果から見ると、パルス信号Ｐ２に近いほどよい。しかし、パルス信号Ｐ３がパルス信号Ｐ２に近すぎると、雑音だけでなく、信号分もサンプルしてしまう。そこで、パルス信号Ｐ３の位置が、信号分をサンプルすることがなく、しかもパルス信号Ｐ２の位置に最も近い位置となるように、遅延回路１１の遅延時間Ｔｄを決める必要がある。
【００１８】この遅延時間Ｔｄを決める方法としては、次のような方法が考えられる。すなわち、ノイズが少ない既知の被測定信号（例えば、ＥＯＳの校正信号）をＥＯＳプローブ２に加え、遅延時間Ｔｄを順次変化させながら測定を行う。そして、Ｓ／Ｎが最もよい遅延時間Ｔｄを決定する。Ｓ／Ｎの検出手段、遅延時間Ｔｄの可変ステップ等は従来技術を適用する。例えば、測定波形をフーリエ変換し、被測定信号の周波数成分を除去した後の信号のパワー測定（積分）をしてノイズ分を求める。また、可変ステップについては、ニュートン法で間隔を変化させる。
【００１９】また、受光信号ＬＳの波形は受光増幅回路６の周波数帯域によって大きく変化する。図４（ａ）は受光増幅回路６の周波数帯域が広い場合、（ｂ）は狭い場合であり、これら各々の場合において、好ましいパルス信号Ｐ２，Ｐ３の位置は各々図に示す位置となる。この図から明らかなように、受光増幅回路６の周波数帯域によって、パルス信号Ｐ３の位置は大きく変化する。そこで、図５に示すように、受光増幅回路６の周波数帯域を制御する制御回路３１を設けた場合には、制御回路３１内に、受光増幅回路６の周波数帯域を制御する帯域制御データＣＦと、遅延回路１１の遅延時間を制御する遅延制御データＣＴｄとの関係を示すテーブルを予め用意し、受光増幅回路６の周波数帯域を変えた場合には、同時に遅延回路１１の遅延時間Ｔｄを変えることが望ましい。
【００２０】また、図１に示す実施形態は、受光増幅回路６の出力をＡ／Ｄ変換した後減算回路１４によってノイズ分の減算をしているが、これに代えて、図６に示すように、受光増幅回路６の後段に第１、第２のサンプルホールド回路３３，３４を設け、パルス信号Ｐ２，Ｐ３を各々サンプルホールド回路３３，３４のホールド端子へ印加してサンプルホールド回路３３に検出データを、サンプルホールド回路３４にノイズ分を各々ホールドし、減算回路３５によって検出データからノイズ分を減算するようにしてもよい。
【００２１】次に、この発明のさらに他の実施形態について説明する。図７は同実施形態の構成を示すブロック図であり、この図に示す回路が図１に示す回路と異なる点は、図１のラッチ回路１３に代えて、メモリ４０とメモリ制御回路４１が設けられている点である。図８は、図７に示す回路の動作を説明するためのタイミング図であり、この図において、（イ）はタイミング発生回路４から光パルス発生回路５へ出力されるパルス信号Ｐ１、（ロ）は受光増幅回路６から出力される受光信号ＬＳ、（ハ）はＡ／Ｄ変換器７へ出力されるサンプリングパルスＰＳ、（ニ）はＡ／Ｄ変換器７から出力されるデータＤ１である。なお、これらの信号，データのタイミングおよび波形（データ値）は前述した図１の場合と同じである。
【００２２】図８（ホ）はメモリ制御回路４１内で作られるアドレス出力パルス、（ヘ）はメモリ制御回路４１内で作られ、上述したアドレス出力パルスの立ち上がりタイミングでメモリ４０のアドレス端子へ出力されるメモリアドレスＡＤである。（ト）はメモリリード信号ＭＲであり、このメモリリード信号ＭＲがメモリ４０へ出力されると、上記メモリアドレスＡＤが指示するメモリ４０のアドレスからデータが読み出され、メモリ制御回路４１へ入力される。（チ）は、メモリ制御回路４１内で作られるデータ読込みパルスであり、このデータ読込みパルスが出力されると、Ａ／Ｄ変換器７の出力データＤ１がメモリ制御回路４１に読み込まれ、次いで、読み込まれたデータと上述したメモリリード信号ＭＲによってメモリ４０から読み出されたデータとが加算される。（リ）はメモリ制御回路４１内で作られるメモリライト信号ＭＷである。このメモリライト信号ＭＷがメモリ４０へ出力され、この時同時に、上述した加算データがメモリ４０のデータ入力端へ供給される。これにより、上記加算データがメモリ４０のアドレスＡＤが指示するアドレス内に書き込まれる。（ヌ）はメモリ４０の入出力データを示す図であり、ＭＤ１は１番地（図８（ヘ）参照）から読み出された前回までの加算データ（加算検出データ）、ＭＤ２は１番地の前回までの加算データに今回のデータＤ１（Ａ／Ｄ変換器７・出力；検出データ）を加算したデータでメモリ４０の書き込みデータ、ＭＤ３は２番地から読み出された前回までの加算データ（加算ノイズデータ）、ＭＤ４は２番地の前回までの加算データに今回のデータＤ１（ノイズデータ）を加算したデータでメモリ４０の書き込みデータである。図９はメモリ４０のアドレスと、メモリ４０に書き込まれるデータと、画像表示との関係を示す図である。
【００２３】このように、図７に示す実施形態では、各サンプル点のデータの各測定周期毎の加算値（言い換えれば平均値）をメモリ４０に蓄えるようになっている。そして、蓄えられたデータは所定のタイミングでメモリ４０から読み出され、減算回路１４においてノイズ分が減算され、処理回路８において画像表示される。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、２つの異なるタイミングで被測定信号をサンプリングして、一方のデータから他方のデータを減算することにより、お互いの低周波雑音成分が相殺されて信号成分のみが残るので、受光増幅回路に外部から漏れ込んだ雑音、受光増幅回路で発生した雑音、光パルス発生の時点で発生した光雑音の低周波成分等を除去あるいは低減することができ、Ｓ／Ｎ比の良い測定波形が得られるという効果が得られる。また、本発明によれば、大きくレベルが異なる低周波雑音に対しても除去効果を得ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００１１７７４４
【氏名又は名称】安藤電気株式会社
【識別番号】０００００４２２６
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）３月１９日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外９名）
【公開番号】 特開平１１−２７１３６３
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】 特願平１０−７０８７２