J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.11 (2014)７２７‐７３０講座 今日からはじめる磁場閉じ込めプラズマ実験

４．
プラズマのいろんなパラメータを測るよ！
４．
２ 信号を正しく伝送する！
4.2 Transmit Signals Correctly
江角直道
EZUMI Naomichi
国立高専機構長野高専電子制御工学科（原稿受付：２０１
４年８月４日）プラズマ計測における各種センサーの出力信号をデジタイザに入力するまでの，主に電気回路的な部分についての実践的な内容を取り扱う．雑音の要因としての実配線における寄生容量や寄生インダクタンス，ループ回路の影響とその対策について基礎的な事柄を述べるとともに，信号伝送用のケーブルや雑音除去に用いられるフィルタ，アンプの概要についても述べる．
Keywords:
normal mode noise, common mode noise, ground, earth, impedance, filter, amplifier

４．
２．
１ 信号と雑音る．実際の揺動計測等では，とにかくできるだけ高いサン

４．
２．
１．
１ 信号と雑音の違いプリング周波数でデータを集録しておき，データ解析の際プラズマ実験において，その目的に応じて様々な計測機にフィルタ処理や統計処理を行い，目的とする物理量を抽器により様々な物理量の計測が行われている．昨今の実験出する手法が取られることもある［２］．そのため，信号をの多くに共通するのは，物理量がセンサーで電気信号に変データとして取り込むまでにいかに「明らかに不要な雑換され，デジタイザ（AD 変換器）を介してコンピュータに音」を減らすかという課題は，データ精度の向上や的確な取り込まれるという流れであろう．実験に携わる多くの方解釈のために非常に重要である．

が経験しているように，電気信号にはいわゆる「雑音（ノ雑音全般に関する解説としては，文献［３］や Web サイトイズ）」が乗ることが多い．しかし，ここでいう雑音とはど［４］でも詳しく述べられているが，本章ではプラズマ実験のようなものか．信号と雑音は何が違うのか．これらの違における「明らかに不要な雑音」に注目して，その種類やいは実験者が何に注目して実験を行っているかによって異対策について述べてみたい．

なってくることは想像できるであろう．見方によっては雑

４．
２．
１．
２ 雑音の様々な要因

音と思っていた信号の中に重要な物理的な情報が含まれてさて，前節で述べた明らかに不要な雑音とはどのようないる可能性も大いにありうる．

ものであろう．当然であるが，プラズマ実験を行う立場か

例えば，プラズマの揺動に伴う信号の変化はその典型的らは，プラズマに起因しない雑音ということになる．つまなものである［１］．プローブ計測を行う際，通常のプローブり，プラズマ自身が発する信号ではなく，センサー機器が電流‐電圧特性にはプラズマの揺動に伴う信号のバラツキ発する雑音や，放電回路や計測回路の特性に起因する雑音が観測される．プローブ特性を解析しようとする場合にはのことである．

これら信号のバラツキは電子温度，密度評価の誤差の原因

センサーの発する雑音としては，素子内の電子の熱運動となるため，適当なローパスフィルタを入れたり，複数回に伴う「熱雑音」がある．微弱な信号が出力される場合にの特性を平均化したりする等して，雑音を除去する方法をはこの熱雑音の影響が無視できなくなるため，素子を冷却とる．一方，プラズマの揺動そのものに注目する場合，信する等の対策がとられることが多い．

号のバラツキは雑音ではなく意味のあるデータとして取扱

また，電源機器等から比較的大きな電流のスイッチングうことになる．

や変調に伴って空間に電磁波として放射される雑音である

このように一見雑音か意味のある信号かの区別が困難な「放射雑音」は，計測機器に影響を与えることが多い．空間信号が重要な物理的な情報を含むケースは，近年のデータを伝搬する電磁波については，いわゆる「静電シールド」

集録システムの高性能化によって直面する場面が増えていすることによってその影響を低減させることが可能である

National Institute of Technology, Nagano College, NAGANO 381-8550, Japanauthor’s e-mail: ezumi@nagano-nct.ac.jp

７２７!2014 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.11 November 2014

が，回路を介して混入する雑音については，後述の配線上ノーマルモード，コモンモード，いずれの雑音も現象との対策が必要になる．

しては電磁気学で学ぶ電磁誘導とインピーダンスに電流が計測回路の配線を伝わって混入する雑音は，「ノーマル流れることによる電圧降下に起因するものであるが，通常モードノイズ（ディファレンシャルモードノイズ）」と「コこれらは実際の配線の際に問題となるもので，回路図にはモンモードノイズ」に分類さ れ る．図１に 示 す ように，載っていないのが厄介なところである．特に，プラズマ実

ノーマルモードノイズ電流（実線矢印）は，回路内を伝搬

験では放電部で大電流やパルス電流を扱うことが多く，計する信号電流と同じように，回路を周回するように伝搬す

測回路や機器筐体のグランド，アースの取り方は不要な雑るので，信号の行き（信号線）と帰り（戻り線）でセンサー音を拾うのを避けるだけでなく，雑音を発生させないため等の信号源から見た向きが異なる．これは信号に重畳されにも重要である．そもそもプラズマ実験の電気回路は，定た形で観測される．一方，コモンモードノイズ電流（点線

常運転のプラズマであってもプラズマの揺動や雑音のこと矢印）は，信号線と戻り線に同じ向き（同相）で重畳されを考慮すると，直流回路ではなく，交流回路（周波数が高る．ノーマルモードノイズは，回路の実配線によってできい場合には高周波回路）として考えるべきで，直流電圧をるループ内の磁束の変化や，信号線間の寄生容量によっ観測している場合でも図２に示したように，配線間や配線て，互いの信号線を伝わる信号が他の信号線の信号に重畳‐グランド間に寄生容量と寄生インダクタンスを含んだ等するクロストーク等，外的要因によって生じる．特に信号価回路として表される．また，配線に用いられる導線やグレベル（電圧）の大きく異なる信号が平行に配線されていランド間は理想的には電気抵抗はないものとして扱うことる場合は，レベルの高い信号が低い方に影響を与える．こが多いが，実際には有限の値（共通インピーダンス）があれに対し，コモンモードノイズは真空容器，センサーのグるため，ここに電流が流れることによる電圧降下が雑音発ランド（GND1）と計測機器のグランド（GND2）間に存在生の一因となる．

するインピーダンスに由来する電位差やループ回路の形成（一点鎖線）に伴うものである．コモンモードノイズは，計

４．
２．
２ 雑音に強い信号の伝送測回路全体の電位がノイズ電圧で振られている状態である

４．
２．
２．
１ 回路配線上の対策といえるので，デジタイザで観測される線路間電圧に対しいくつかの雑音の要因を見てきたが，ここではそれら雑て陽に影響を与えるものではない．しかし，実際の計測で音を如何に低減するかの方策について述べる．まず，回路は，図２に示すように信号線と戻り線のインピーダンスがの配線の引き回しについて．共通インピーダンスや意図し異なる非平衡回路となるので，コモンモードノイズは両線ない配線ループ（グランドループ）を避け，コモンモード路を同方向に伝わるものの，それぞれの線路インピーダンノイズの発生を可能な限り抑制するためによく取られる措スの違いにより，電圧降下の大きさが異なり，結果として置が，「１点アース」である．文字通り，複数の計測系から線路間に電位差が生じ，これがノーマルモードノイズとしの信号の戻り線（シグナルグランド側）を一カ所に集め，て現れることになる．

アースに接続するという方法である．ただし，高周波回路
では各戻り線とグランド間の寄生容量の影響で実際には１点アースにならないので注意が必要である（本講座１．
２章参照）．１点アースを行うのが困難な場合は，グランド間での電位差の発生を抑えるため，グランドの質を上げる（インピーダンスを下げる）工夫が必要になる．つまり電気伝導率の高い材料（銅等）を太く短く用いることによって，グランドそのものの電気抵抗を小さくする．回路のシグナ
ルグランドとして金属製の筐体（フレームグランド）を用いる場合があるが，大電流や高周波回路の場合には，筐体のインピーダンスが大きいため，筐体の中で電位差が生

図１

ノーマルモードノイズとコモンモードノイズ．

じ，雑音の原因となることがある（高周波回路の筐体の内側に銅板が敷き詰めてあるのはこのためである）．
実験室では放射雑音対策として配線や機器をアルミホイルで覆う光景をよく目にする．静電シールドとして機能させるためには，アルミホイル自体をアースに繋ぐ必要があるが，上述のようにむやみにアースに繋ぐと不要なループが生じ，逆に雑音を拾ったり，まき散らしたりすることになる場合もあるため，アースを繋ぐ場所はよく吟味する必

図２

要がある．

信号伝送路の等価回路．信号線と戻り線のインピーダンスが異なる非平衡回路であるので，コモンモードノイズが線路を伝わる際の電圧降下により線路間に電位差が生じ，コモンモードノイズがノーマルモードノイズとして現れる．

４．
２．
２．
２ ケーブルとコネクタの特性
配線上の不要なループが生じるのを防ぎ，機器間を確実に接続するためには，信号伝送用ケーブルとコネクタを適７２８

Lecture Note

4.2 Transmit Signals Correctly

N. Ezumi

切に用いる必要がある．通常の計測用途であれば，特性イ

ではデジタイザのサンプリング能力が向上しているた

ンピーダンス 50 Ω の BNC コネクタと同軸ケーブル 3D-2V

め，４．
２．
１．
１でも述べたように，あえてフィルタは介さず，や 5D-FB 等の組み合わせで用いられることが多いであろ高いサンプリング周波数でデータ集録した後，データ解析

う．T 字やストレートアダプタ等のケーブル接続用アダプの際に適当なフィルタと統計的処理を行うことによって，タを用いることで容易に信号伝送用の回路を組むことがで必要なデータを抽出する方法が取られることもある．

きる．外部導体は網線となっているため，配線取り回しの４．
２．
３．
２ コモンモードフィルタ

柔軟性を確保しつつ，シールド効果をもつ．ただし，同軸コモンモードノイズの除去に用いられるフィルタに「コケーブルは非平衡線路であり，４．
２．
２．
１で述べたように外モンモードフィルタ（コモンモードチョークコイル）」が部導体のアースの取り方によっては，不要なループができある［５，６］．鉄心コアに２つのコイルを同じ向きに巻いたることがあるので注意を要する．また，電気的に浮いた部もので，それぞれのコイルが信号の行きと戻りに対応す分の電位差を測定する際には，接続先がグランドから切りる．ノーマルモードの信号は位相が逆であるため，それぞ離されている（接続される側の端子が絶縁入力端子あるいれのコイルで発生する磁束が打ち消され，信号に対するコは差動入力になっている）かどうか確認の上で接続するこイルの影響がなくなる．一方，コモンモードノイズに対しとが重要である．これを怠ると，意図しない短絡回路を構ては，２つのコイルのインピーダンスによって，その大き成してしまい，雑音対策以前に，機器を損傷することになさが減衰することになり，コモンモードノイズのみ除去する．

ることを実現している．電源回路やセンサー，計測機器内部に組み込まれている場合も多い．

高い周波数の信号計測では，より高いシールド性と周波

４．
２．
３．
３ 絶縁アンプ数特性を有する同軸ケーブルであるセミリジッドケーブルとSMAコネクタ等の組み合わせが用いられる場合もある．

電気的に浮いた素子における電圧降下を測定する場合や

セミリジッドケーブルは外部導体が網線ではなく銅管が用

コモンモードノイズを除去するために有効なのが，絶縁アいられており，配線の取り回しの自由度は低いが，静電ンプ（アイソレーションアンプ）である［７］．入力と出力

シールド性は高く，ガス放出が少ないことから真空装置内の間にフォトカプラがあり，入力と出力が電気的に絶縁さで用いる機器での配線に用いられることもある．

れているのが特徴である．入力端子側の耐電圧に注意する同軸ケーブルが使えないような大きな電流を扱ったり，必要があるが，ゲイン調整やローパスフィルタ機能のつい同軸ケーブルから２つの端子に接続したりする場面では，た製品もあり，プローブ計測におけるプローブ電流計測にツイストペアケーブルも有効である．これは２本のビニー代表されるような，基準電位がグランド電位ではない場合ル被覆導線を編むように撚ったもので，回路を作製する際の電圧測定の際に有用なアンプである．にその場で施されることが多い．２本のケーブルを撚るこ

４．
２．
３．
４ ロックインアンプ・ボックスカー積分器とで，不要なループが生じるのを防ぐと同時に，それぞれ雑音の多い信号の中から，参照信号と同期し信号を抽出のケーブルの周りに発生する磁場が互いに打ち消されるたすることを可能にするのが，ロックインアンプやボックスめ，電磁誘導の影響を低減し，雑音の発生と受取の両方をカー積分器である［８］．例えば，レーザー誘起蛍光法では，防ぐことができる．簡便であるが雑音対策として有効な方

入射レーザーを変調させ，レーザー入射に伴ってプラズマ法である．

から放射される蛍光放射を光電子増倍管で検出し，その微小な出力信号とレーザー変調信号（参照信号）を，ロック

４．
２．
３ 雑音の除去と微小信号の抽出

インアンプやボックスカー積分器に入力し，蛍光を検出す雑音の除去方法や雑音に埋もれた微小信号を取り出す方る方法が用いられる［９］．

法には様々な方法があるが，ここではプラズマ計測でよく

４．
２．
４ おわりに利用されるものの中からいくつかを紹介する．
４．
２．
３．
１ 周波数フィルタ

本節ではプラズマを計測する際の信号伝送における雑音回路上の対策やケーブルの使用を適切に行っても雑音の影響と対策について，基本的な事柄を述べた．すでにプ（ノーマルモードノイズ）が残る場合もある．求める信号のラズマ実験に携わっている方々には今更の内容であったか

周波数と雑音の周波数が異なる場合には周波数フィルタがと思うが，これから実験をはじめる学生の方々等が，雑音有効である．周波数に応じて，ローパスフィルタ（LPF），に悩まされたときの一助になれば幸いである．プラズマ実

ハイパスフィルタ（HPF），バンドパスフィルタ（BPF）が

験は大電流を扱いつつも微小な信号を計測するという，難用いられる．電気回路の演習問題でもよく目にする，コン易度の高い計測が多い．筆者も日々雑音と格闘しているとデンサ，コイルと抵抗を組み合わせる方法やこれらにオペころであるが，今回の執筆を通じて改めて雑音に対する認アンプも組み合わせる方法がよく用いられる．実験室で自識を整理することができた．貴重な執筆の機会をいただい作することも多いが，カットオフ周波数が低いフィルタたことに感謝する次第である．

は，必要な信号もなまらせてしまうため，計測系で使用し参考文献ている信号の周波数をよく見極めた上でフィルタ周波数を設定する必要がある．高周波信号がカットされてしまうた［１］H. Tanaka et al., Nucl. Fusion 49, 065017 (2009).
［２］辻 義之他：プラズマ・核融合学会誌 85, 620 (2009).

め，そこに含まれる物理的な情報も失うことになる．近年
７２９Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.11 November 2014［３］例 え ば 伊 藤 健 一：ア ー ス と 雑 音（日 刊 工 業 新 聞 社，１９７４）．
［４］例えば，宮崎誠一：Web 講座良く分かる実用ノイズ対策技術 http://www.miyazaki-gijutsu.com/series2/［５］TDK：テ ク ノ マ ガ ジ ン な る ほ ど EMC 入 門，http://www.tdk.co.jp/techmag/emc/200412/［６］村田製作所：ノイズ対策 PLAZA，http://www.murata.
co.jp/products/emicon̲fun/2011/09/emc14.html［７］松井邦彦：トランジスタ技術５月号，185 (2008).
［８］内田照雄他：分光研究 23, 196 (1974).
［９］プラズマ・核融合学会編：プラズマ診断の基礎と 応用，163 (2006).

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えずみ

なおみち

江 角 直 道!!!!!!!!!!!!!!!!

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国立高専機構 長野高専 電子制御工学科，准教授．境界プラズマと大気圧プラズマという相異なるプラズマを研究対象としていますが，プラズマ‐ガス相互作用をキーに研究を進めています．計測のためにプローブを作ることが多く，最近はプローブ職人化しています．長野に来て早１６年になりますが，未だに事務職員に学生扱いされることがあるのが残念です．
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コラム５一寸の光軽んずべからず#"""""""""""""""""""""#""""""""""""""""""""""""
大昔の実験装置の時代，デジタルストレージオシロス

圧は差動増幅器が使用している電源電圧程度であり低いコープもまだなかった時代の話です．機器のリレーのオ場合が多いです．そこで，グランドアイソレーション

ンオフ時やコンデンサーバンクの充電中にオシロスコー（接地線を開ループにする）にもなる絶縁増幅器の登場

プのトリガー信号にノイズがのり，再度レディボタンをとなります．入力のグランドに対する耐電圧は高いで押すために専任の学生が一人つきっきりということがあす．しかし，高帯域の既製品の種類は少ないです．低周

りました．また，機器単体では正常動作しているのに，波帯域用であれば自作可能ですが，絶縁電源をどうする

別の機器に信号線を接続すると誤動作するということもかが問題となります．電池交換が煩わしいですが，電池ありました．原因のほとんどはコモンモードノイズ（２駆動も一つの手です．絶縁増幅器は設置場所を考えれば本の信号伝送線とグランド間の雑音）とグランドループ前置増幅器にもなり，一石二鳥です．

（接地線が閉ループになっている）によるものでした．実

さて，その後の話です．実験装置を新設することにな

験者は計測器からの信号を見ないと実験になりませんかり，設計時にいろいろな方針を定めましたが，その中のら計測器からの信号は注視しています．したがって，実一つ，機器間の信号線をどういう方法で結線するかを策験者はノーマルモードノイズ（２本の信号伝送線間の雑定しました．「機器はすべて一点アースとし，グランド音）には敏感で，S/N 比がよくない場合にはノーマルループを作らない」です．具体的な対策としては「計測モードノイズを減らす努力をします．静電シールド，磁器からのアナログ信号線はすべて絶縁増幅器によりグラ気シールドの付加，機器の出力インピーダンスを下げる

ンドアイソレーションする．制御機器からのデジタル信などをしてみるわけです．特に，微小電流信号を計測す

号線はパルストランス，光ケーブル，フォトカップラにる場合はノーマルモードノイズが乗りやすく，また，信よりすべてグランドアイソレーションする」ということ

号源インピーダンスが大きいと周波数特性が悪化し，前です．このような対策のおかげで耐ノイズ性が格段に向置増幅器が必要となるかもしれません．一方，トラブル上し，結果は非常に良好でした．ところがある時，あるの原因であったコモンモードノイズについてですが，こ時間帯だけ機器が誤動作する事態が発生しました．原因のノイズを注視することはあまり行わない，というかみをいろいろ調査しましたがなかなか発見できず，半ば諦ていない場合が多いです．したがって，コモンモードノめていた頃，なんと，トラブルが発生する時間帯になるイズを由来とするノーマルモードノイズで異常が発生しとほんの小さな隙間から朝日が機器に差し込むことがわていることに気付くのが遅れる場合があります．このコ

かりました．隙間から漏れた朝日が保護カバーをつけ忘

モンモードノイズ除去には差動入力にすることが教科書れた光ケーブル入力端子にあたって，誤動作するという的回答ですが，差動増幅器のグランドに対する入力耐電珍事でした．

（北島純男，東北大学工）#""""""""""""""""""""""""
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