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計測器玉手箱

信号の回り込みとクロストーク

信号の回り込みとクロストーク

正しい測定値を得るためには、測定対象に混入する信号やノイズの影響をできるだけ取り除く配慮と工夫が大切です。


測定器は入力に加えられた信号を「正しく」表示・出力します。
言い換えると、入力する信号に余分なものが含まれていると、余分を含めて「正しく」表示・出力されてしまいます。
したがって、測定器の持つ精度を生かすためには、「測定の対象となる信号だけを捉えて入力する」ことが大切です。
そのためには「測定対象以外の信号(以下 目的外信号)の影響をできるだけ取り除く配慮や工夫」が欠かせません。


目的外信号として第一に挙げられるのは外部からのノイズです。
図1は、センサからの微弱な信号をプリアンプで増幅して測定器に接続する高感度な測定シーンです。
高感度測定では、周囲にあるパソコンなどの電子機器や、電灯線(商用ACライン)などから混入するノイズに対して、細心の注意を必要とするのはいうまでもありません。
特に、測定系またはその周辺に高周波設備や電力機器などがある場合は、それらが発する信号やノイズを拾わないための配慮が求められます。

図1:外部ノイズの混入

計測の目的外信号は外部からやってくるだけではありません。
測定系の内部や検出信号自身といったいわば身内にもその源が潜んでいます。
たとえば、図2はセンサで検出した信号に含まれる不要な信号を取り除く目的で測定器の前段にアンプやフィルタを前置する場合を示しています。
この場合、フィルタの入力と出力が近接しているなど入力と出力とを結合する要素が何らかのかたちで存在すると、フィルタで取り除かれるべき信号(目的外信号)がフィルタをすり抜けて測定器に導かれてしまいます。
信号が機器本来の伝達ルートを透過して伝わってしまうことを「フィードスルー(feed through)」といいます。
フィードスルーは、自分自身が目的外信号になる例だといえます。

図2:フィードスルー

目的外信号が測定の誤差を生む別の例としては、測定系内の同期信号やトリガ信号が測定信号に回り込んでしまうトラブルがあります。
同期信号やトリガ信号は、測定器にタイミング情報を渡すためのものですが、これらが測定信号中に紛れ込むと測定に大きな誤差を生じます。
一般に、同期信号やトリガ信号は測定信号に比べて信号レベルが高いので、わずかな回り込みでも影響は大きいからです。
なかでも同期信号は測定信号と同じ周波数成分を含むため、一度目的信号と混ざり合うと、その後の過程で分離することが難しいことも問題です。

図3:トリガや同期信号の回り込み

一方、図4は、測定対象物にセンサを多数取り付けた同時多チャネル計測の様子を示しています。
デジタル回路でパラレル・バス(並列の信号ライン)の信号を観測する場合なども同様です。
多チャネル計測では隣接する信号線、つまり別のチャネルから信号が漏れ込む危険があります。
別のチャネルからの信号の漏れ込みのことは「クロストーク(cross talk:漏話)」と呼ばれます。
隣接し合う信号は互いに類似していることから、多チャネル計測でのクロストークは気付きにくいうえ同期信号と同様に一度混ざり合うと分離が難しくなります。

図4:多チャネル計測でのクロストーク

計測目的外信号は多くの場合、配線など実装で生じる浮遊容量や寄生インダクタンスによって目的信号と結合され測定器に侵入します。(図5)
たとえば、多チャネル計測でセンサからの信号線が長く並行に配線されると、線間の浮遊容量がチェネル間の信号を結合するコンデンサとして作用し、配線の寄生インダクタンスは結合トランスとなって他へ信号が乗り移ります。
信号の飛びや回り込みの多くは、浮遊容量や寄生インダクタンスによって起こるので、これらができるだけ小さくなるように機器を配置・配線することがポイントです。
具体的には、配線はできるだけ短くして確実なシールドを施す、異なる信号の配線はできるだけ離す、信号ループをできるだけ小さく、といったことになります。
これらは、いわゆる「ノイズ対策」とよく似ています。

図5:目的外信号の侵入ルート

不要な信号はコモンモードで侵入してくることが多いことから、回路的な対策として測定器入力を差動方式に代えることなども有効です。
浮遊容量や寄生インダクタンスとは別に、不完全なグラウンドによって共通インピーダンスが形成されると、回路が他の影響を受けます。(アイソレーションアンプ参照)

図6では、Rがセンサの出力と他の回路の共通インピーダンスになっていて、測定器の入力電圧は [ (Io+Is)×R ] の電圧降下分が誤差として加わるため、結果として他の回路電流が変化すると測定器入力が変動します。
共通インピーダンスの影響をなくすには、各回路のグラウンドを1ヵ所で結ぶこと(1点接地)が望まれますが、配線の引き回しが長くなり逆効果となることもあります。
そうした場合は、各接地点で広い直近のグラウンド面に接続するベタアースにするなど、グラウンドを強化して共通インピーダンス(R)を小さくする方策を採ります。

図6:共通インピーダンスの影響

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