JP2005189184A - Automatic balanced circuit for measuring impedance - Google Patents

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力 山口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To dispense with range switching, when measuring electrostatic capacity. <P>SOLUTION: The automatic balanced circuit includes a first oscillator 101 for applying a sine wave signal on one terminal of a sample to be measured 102; a second oscillator 106 for outputting a sine wave signal of the same frequency as that of the first oscillator via a detection element 105 on the other terminal side of the specimen to be measured; a voltage detector 107 for detecting the voltage of the other terminal side of the sample to be measured and an A/D converter 108 for converting the detection voltage into a digital signal; and a control means 109 for controlling the amplitude and the phase angle of the first oscillator or the second oscillator, on the basis of voltage data. In the automatic balanced circuit for measuring the impedance, for calculating the amplitude and the phase angle of each oscillator, and the impedance and the phase angle of the sample to be measured from the impedance and phase angle of the detection element under a balanced state setting prescribed amplitude and phase angle on any one of the oscillators by the control means and making the voltage of the other terminal side of the specimen to be measured minimal, a capacitor 105b is used as the detection element, when measuring the electrostatic capacity of the specimen to be measured. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、LCRメータ、インピーダンスアナライザなどに適用されるインピーダンス測定用自動平衡回路に関し、さらに詳しく言えば、高周波帯域においても平衡状態がとれ、被測定試料のインピーダンスおよび位相角を高精度に測定可能とする技術に関するものである。   The present invention relates to an automatic balance circuit for impedance measurement applied to LCR meters, impedance analyzers, and the like. More specifically, a balanced state can be obtained even in a high frequency band, and the impedance and phase angle of a sample to be measured can be measured with high accuracy. It is related to the technology.

まず、LCRメータ、インピーダンスアナライザなどのインピーダンス測定器に用いられている自動平衡回路の基本的な構成を図3に示す。この自動平衡回路300は、信号入力側のH端子から被測定試料304に所定周波数の正弦波信号を印加する発振器301と、被測定試料304の他方の端子側にL端子を介して接続される信号検出部とを備えている。   First, FIG. 3 shows a basic configuration of an automatic balancing circuit used in an impedance measuring instrument such as an LCR meter or an impedance analyzer. The automatic balancing circuit 300 is connected to an oscillator 301 for applying a sine wave signal having a predetermined frequency from the H terminal on the signal input side to the sample 304 to be measured, and to the other terminal side of the sample 304 to be measured via the L terminal. And a signal detection unit.

この場合、信号検出部は電流−電圧変換器としての演算増幅器306を有し、その(−)入力端子側にL端子からの検出信号が入力され、(+)入力端子は接地されている。また、演算増幅器306の出力端子と(−)入力端子との帰還系には検出抵抗305が接続されている。   In this case, the signal detection unit has an operational amplifier 306 as a current-voltage converter, the detection signal from the L terminal is input to the (−) input terminal side, and the (+) input terminal is grounded. A detection resistor 305 is connected to a feedback system between the output terminal and the (−) input terminal of the operational amplifier 306.

演算増幅器306の利得が十分に大きい場合には、イマジナリショートによりL端子は0Vとなるため、発振器301の振幅をA,その位相角をθa、演算増幅器306から出力される出力信号の振幅をB,その位相角をθb、検出抵抗305のインピーダンスをZf,その位相角をθfとすると、被測定試料304のインピーダンスZmと位相角θmは次式により求められる。   When the gain of the operational amplifier 306 is sufficiently large, since the L terminal becomes 0 V due to an imaginary short, the amplitude of the oscillator 301 is A, the phase angle is θa, and the amplitude of the output signal output from the operational amplifier 306 is B. If the phase angle is θb, the impedance of the detection resistor 305 is Zf, and the phase angle is θf, the impedance Zm and the phase angle θm of the sample 304 to be measured can be obtained by the following equations.

Zm=Zf×A/B
θm=θf+θa−θb−180゜
Zm = Zf × A / B
θm = θf + θa−θb−180 °

この自動平衡回路300は構成が簡単ではあるが、発振器301から被測定試料304に与えられる測定用正弦波信号の周波数が高くなると、演算増幅器306の利得が低くなるため、イマジナリショートが成立しなくなり、L端子に電圧が生ずる。その結果、L端子と接地(GND)との間に存在する入力容量Cに電流が流れ測定誤差が発生することになる。   Although the automatic balancing circuit 300 has a simple configuration, when the frequency of the measurement sine wave signal given from the oscillator 301 to the sample 304 to be measured is increased, the gain of the operational amplifier 306 is decreased, so that an imaginary short circuit is not established. A voltage is generated at the L terminal. As a result, a current flows through the input capacitance C existing between the L terminal and the ground (GND), resulting in a measurement error.

そこで、高周波帯域までL端子を0Vに維持できるようにするため、ヌルループ方式と呼ばれる自動平衡ループが提案されている(一例として特許文献1参照)。図4に図3の自動平衡回路にヌルループ方式を採用した回路構成を示す。   Therefore, an automatic balancing loop called a null loop method has been proposed in order to maintain the L terminal at 0 V up to the high frequency band (see Patent Document 1 as an example). FIG. 4 shows a circuit configuration in which a null loop method is adopted in the automatic balancing circuit of FIG.

このヌルループ方式においては、L端子に流れ込む被測定試料302の電流が反転型演算増幅器からなるヌル検出回路401で電圧に変換・増幅され、後段の乗算器402,403に入力される。一方の乗算器402には、発振器301の正弦波信号が基準信号として与えられ、他方の乗算器403には、発振器301の正弦波信号が90゜移相器404を介して余弦波信号として与えられ、これによりベクトル検波が行なわれる。   In this null loop method, the current of the sample 302 to be measured flowing into the L terminal is converted and amplified to a voltage by a null detection circuit 401 composed of an inverting operational amplifier, and input to the subsequent multipliers 402 and 403. One multiplier 402 is supplied with the sine wave signal of the oscillator 301 as a reference signal, and the other multiplier 403 is supplied with the sine wave signal of the oscillator 301 through the 90 ° phase shifter 404 as a cosine wave signal. Thus, vector detection is performed.

続いて、乗算器402,403の各出力は、積分回路405,406でそれぞれ積分され平滑化される。そして、この平滑化されたベクトル検波信号は、乗算器407,408に与えられる。一方の乗算器407では、乗算器402でベクトル検波された正弦波成分に発振器301からの正弦波信号が乗算され、他方の乗算器408では、乗算器403でベクトル検波された余弦波成分に90゜移相器404からの余弦波信号が乗算される。   Subsequently, the outputs of the multipliers 402 and 403 are integrated and smoothed by the integrating circuits 405 and 406, respectively. The smoothed vector detection signal is supplied to multipliers 407 and 408. In one multiplier 407, the sine wave component vector-detected by the multiplier 402 is multiplied by the sine wave signal from the oscillator 301, and in the other multiplier 408, the cosine wave component vector-detected by the multiplier 403 is multiplied by 90. The cosine wave signal from the phase shifter 404 is multiplied.

これらの各乗算結果が加算器409で加算され、検出抵抗305を介してヌル検出回路401に帰還される。このヌルループ方式によれば、検出抵抗305を介してヌル検出回路401に帰還される電流は、被測定試料を流れる電流と同じ値となる。すなわち、ヌル検出回路401から出力される電圧が常に0Vとなるように、検出抵抗305による帰還電流が変化するため、自動平衡ループが構成される。   These multiplication results are added by the adder 409 and fed back to the null detection circuit 401 via the detection resistor 305. According to this null loop method, the current fed back to the null detection circuit 401 via the detection resistor 305 has the same value as the current flowing through the sample to be measured. That is, since the feedback current by the detection resistor 305 changes so that the voltage output from the null detection circuit 401 is always 0 V, an automatic balancing loop is configured.

上記ヌルループ方式によれば、測定用正弦波の周波数が高い場合でも、L端子の電圧を0Vに維持することが可能であり、したがって、L端子と接地(GND)間に存在する入力容量の影響を受けることなく、正確なインピーダンス測定を行なうことができるが、次の点に問題がある。   According to the null loop method, even when the frequency of the measurement sine wave is high, the voltage at the L terminal can be maintained at 0 V, and therefore the influence of the input capacitance existing between the L terminal and ground (GND). However, there is a problem in the following points.

すなわち、多くの回路部品を要し、その構成が複雑で装置が大型化し、高価にならざるを得ない。また、アナログ的に平衡をとるようにしているため、回路が不安定になりがちである。さらには、同期検波用の乗算器や積分器の直流オフセットにより、完全な平衡状態を得ることが難しい。   That is, many circuit parts are required, the configuration is complicated, the apparatus becomes large, and the cost must be increased. In addition, the circuit tends to become unstable because it is balanced in an analog manner. Furthermore, it is difficult to obtain a complete equilibrium state due to the DC offset of the multiplier and integrator for synchronous detection.

そこで、本出願人は、回路構成が簡単かつ安定しており、ディジタル制御によって容易に平衡状態を得ることができるようにしたインピーダンス測定用自動平衡回路を先に提案している(特許文献2参照)。   Therefore, the present applicant has previously proposed an automatic balance circuit for impedance measurement which has a simple and stable circuit configuration and can easily obtain a balanced state by digital control (see Patent Document 2). ).

上記インピーダンス測定用自動平衡回路は、被測定試料の一方の端子に所定周波数の正弦波信号を印加する第1発振器と、上記被測定試料の他方の端子側に所定の検出素子を介して上記第1発振器の正弦波信号と同一周波数の正弦波信号を出力する第2発振器と、上記被測定試料の他方の端子側の電圧を検出する電圧検出器およびその検出電圧をデジタルの電圧データに変換するA/D変換器と、上記電圧データに基づいて上記第1発振器もしくは上記第2発振器の振幅および位相角を制御する制御手段とを含み、上記制御手段により上記いずれか一方の発振器の振幅および位相角を制御して上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧が最小となる平衡条件としたうえで、上記第1発振器の振幅および位相角,上記第2発振器の振幅および位相角,上記検出抵抗のインピーダンスおよび位相角から上記被測定試料のインピーダンスおよび位相角を算出する。   The automatic balance circuit for impedance measurement includes a first oscillator that applies a sine wave signal having a predetermined frequency to one terminal of the sample to be measured, and a first detection element on the other terminal side of the sample to be measured via a predetermined detection element. A second oscillator that outputs a sine wave signal having the same frequency as the sine wave signal of one oscillator, a voltage detector that detects a voltage on the other terminal side of the sample to be measured, and converts the detected voltage into digital voltage data. An A / D converter; and control means for controlling the amplitude and phase angle of the first oscillator or the second oscillator based on the voltage data, and the amplitude and phase of any one of the oscillators by the control means. The angle is controlled so that the voltage appearing on the other terminal side of the sample to be measured is minimized, and the amplitude and phase angle of the first oscillator, the amplitude of the second oscillator, and Phase angle, calculates the impedance and phase angle of the measured sample from the impedance and the phase angle of the detection resistor.

特許第2846926号公報Japanese Patent No. 2846926 特開2002−323520号公報JP 2002-323520 A

上記インピーダンス測定用自動平衡回路によれば、信号印加側の第1発振器とは別に信号検出側にも第1発振器と発振周波数が同一の第2発振器を設け、制御手段によりその2発振器の振幅と位相角を調整することにより、回路構成が簡単かつ安定しており、ディジタル制御によって容易に平衡状態を得ることができるが、測定対象が静電容量(コンデンサ)の場合に次のような問題がある。   According to the automatic balancing circuit for impedance measurement, a second oscillator having the same oscillation frequency as the first oscillator is provided on the signal detection side separately from the first oscillator on the signal application side, and the amplitude of the two oscillators is controlled by the control means. By adjusting the phase angle, the circuit configuration is simple and stable, and a balanced state can be easily obtained by digital control. However, the following problems occur when the measurement target is a capacitance (capacitor). is there.

すなわち、上記第2発振器側の検出素子に抵抗素子を用いて静電容量を測定する場合、静電容量は周波数によってそのインピーダンス値が変化するため、同一の静電容量を周波数を変えて測定する場合、その抵抗素子によるレンジを切り替える必要がある。また、測定周波数が広範囲にわたる場合には、それに伴ってレンジ数も多く用意する必要がある。   That is, when the capacitance is measured using a resistance element as the detection element on the second oscillator side, since the impedance value of the capacitance changes depending on the frequency, the same capacitance is measured by changing the frequency. In this case, it is necessary to switch the range depending on the resistance element. Further, when the measurement frequency covers a wide range, it is necessary to prepare a large number of ranges accordingly.

一例として、コンデンサの静電容量を測定周波数100kHz〜100MHz範囲で可変して測定する場合、インピーダンスが1000倍異なるため、この範囲をカバーするには3〜4レンジが必要となる。また、測定周波数100kHz〜100MHz範囲でコンデンサの測定範囲が1pF〜100pFである場合には6レンジが必要となる。   As an example, when the capacitance of the capacitor is measured in a measurement frequency range of 100 kHz to 100 MHz, the impedance differs by 1000 times, so 3 to 4 ranges are required to cover this range. Moreover, when the measurement frequency is in the range of 100 kHz to 100 MHz and the measurement range of the capacitor is 1 pF to 100 pF, 6 ranges are required.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、上記特許文献2に基づく構成のインピーダンス測定用自動平衡回路において、静電容量を測定する場合のレンジ切り替えを不要とすることにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to eliminate the need for range switching when measuring capacitance in an impedance measurement automatic balancing circuit having a configuration based on Patent Document 2. There is to do.

上記目的を達成するため、本発明は、被測定試料の一方の端子に所定周波数の正弦波信号を印加する第1発振器と、上記被測定試料の他方の端子側に所定の検出素子を介して上記第1発振器の正弦波信号と同一周波数の正弦波信号を出力する第2発振器と、上記被測定試料の他方の端子側の電圧を検出する電圧検出器およびその検出電圧をデジタルの電圧データに変換するA/D変換器と、上記電圧データに基づいて上記第1発振器もしくは上記第2発振器の振幅および位相角を制御する制御手段とを含み、上記制御手段により上記他方の端子側の電圧を最小とする平衡状態とした下で、上記第1発振器の振幅および位相角,上記第2発振器の振幅および位相角,上記検出抵抗のインピーダンスおよび位相角から上記被測定試料のインピーダンスおよび位相角を算出するインピーダンス測定用自動平衡回路において、上記被測定試料の静電容量を測定する場合、上記検出素子としてコンデンサが用いられることを特徴としている。   In order to achieve the above object, the present invention provides a first oscillator that applies a sine wave signal having a predetermined frequency to one terminal of a sample to be measured, and a predetermined detection element on the other terminal side of the sample to be measured. A second oscillator that outputs a sine wave signal having the same frequency as the sine wave signal of the first oscillator, a voltage detector that detects the voltage on the other terminal side of the sample to be measured, and the detected voltage as digital voltage data An A / D converter for conversion, and control means for controlling the amplitude and phase angle of the first oscillator or the second oscillator based on the voltage data, and the voltage on the other terminal side is controlled by the control means. The impedance of the sample to be measured is determined from the amplitude and phase angle of the first oscillator, the amplitude and phase angle of the second oscillator, and the impedance and phase angle of the detection resistor under the minimum equilibrium state. In impedance measurement auto-balancing circuit for calculating the scan and the phase angle, when measuring electrostatic capacity of the measuring sample, it is characterized in that a capacitor is used as the sensor element.

本発明において、上記検出素子にはスイッチ手段により選択的に切り替えられる抵抗とコンデンサとが含まれていることが好ましい。   In the present invention, the detection element preferably includes a resistor and a capacitor that are selectively switched by a switch means.

また、本発明において、上記制御手段は、上記第1発振器もしくは上記第2発振器のいずれか一方に対して、その振幅を任意の振幅aとした状態で任意の異なる位相角θx,θy,θzを順次設定して、その位相角ごとに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧Vx,Vy,Vzを測定し、下記の式(A)により上記他方の端子側の電圧を最小とする平衡状態の第1成立要因としての位相角θminを求めて上記いずれか一方の発振器の位相角を上記位相角θminに調整したのち、その発振器の振幅を2つの異なる振幅B1,B2に順次設定して、その各振幅ごとに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧V1,V2を測定し、下記の式(B)もしくは(C)により上記平衡状態の第2成立要因としての振幅Bminを求めて上記いずれか一方の発振器の振幅を上記振幅Bminに調整して上記平衡状態を得る。

Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184
In the present invention, the control means sets any different phase angles θx, θy, θz to either the first oscillator or the second oscillator in a state where the amplitude is an arbitrary amplitude a. The voltage Vx, Vy, Vz appearing on the other terminal side of the sample to be measured is measured for each phase angle, and the balance is set to minimize the voltage on the other terminal side by the following equation (A). After obtaining the phase angle θmin as the first establishment factor of the state and adjusting the phase angle of one of the oscillators to the phase angle θmin, the amplitude of the oscillator is sequentially set to two different amplitudes B1 and B2. The voltages V1 and V2 appearing on the other terminal side of the sample to be measured are measured for each amplitude, and the amplitude Bmin as the second establishment factor of the equilibrium state is obtained by the following equation (B) or (C). Above The balanced state is obtained by adjusting the amplitude of one of the oscillators to the amplitude Bmin.
Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184

また、本発明において、上記制御手段は上記いずれか一方の発振器の位相角を上記式(A)による位相角θminに調整したのち、その発振器の振幅を上記振幅aとしたときに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧がVaであるとして、その電圧Vaが上記電圧Vx,Vy,Vz以上である場合には、上記いずれか一方の発振器に設定する位相角θminを下記式(D)により求められる値とする。

Figure 2005189184
In the present invention, the control means adjusts the phase angle of any one of the oscillators to the phase angle θmin according to the formula (A), and then sets the amplitude of the oscillator to the amplitude a. Assuming that the voltage appearing on the other terminal side is Va, and the voltage Va is equal to or higher than the voltages Vx, Vy, and Vz, the phase angle θmin set for one of the oscillators is expressed by the following formula (D) The value obtained by
Figure 2005189184

本発明によれば、測定対象が静電容量の場合、検出素子としてコンデンサが用いられるため、測定周波数を可変しても測定対象と検出素子(コンデンサ)のインピーダンス比は変化しないため、レンジを測定周波数に応じて変える必要がなくなる。   According to the present invention, when the measurement object is a capacitance, a capacitor is used as a detection element. Therefore, even if the measurement frequency is varied, the impedance ratio between the measurement object and the detection element (capacitor) does not change, so the range is measured. There is no need to change the frequency.

また、被測定試料として微小容量(高インピーダンス)の素子を測定する場合には、電圧検出器の入力インピーダンスを高くする必要があるが、上記検出素子が抵抗素子であると、入力容量のインピーダンス値が測定周波数により変化することになるため、被測定試料の他方の端子の電圧が高周波数になるほど低い値になり、後段のゲイン回路の設計が難しくなる。これに対して、本発明のように検出素子としてコンデンサを用いれば、入力容量と検出コンデンサとの比が測定周波数に関係なく一定となるため、被測定試料の他方の端子の電圧も測定周波数に関係なく一定となり、後段のゲイン回路の設計が容易になる、という効果もある。   Also, when measuring an element with a very small capacitance (high impedance) as a sample to be measured, it is necessary to increase the input impedance of the voltage detector. However, if the detection element is a resistance element, the impedance value of the input capacitance Changes depending on the measurement frequency, the lower the voltage of the other terminal of the sample to be measured, the lower the value, and the design of the subsequent gain circuit becomes difficult. On the other hand, if a capacitor is used as the detection element as in the present invention, the ratio between the input capacitance and the detection capacitor is constant regardless of the measurement frequency, so the voltage at the other terminal of the sample to be measured is also set to the measurement frequency. Regardless of the constant, there is also an effect that the design of the subsequent gain circuit becomes easy.

次に、図1を参照しながら、本発明の実施態様について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, but the present invention is not limited to this.

本発明によるインピーダンス測定用自動平衡回路100は、第1発振器101と第2発振器106の2つの発振器を備え、第1発振器101側のH端子(信号印加側端子)と第2発振器106側のL端子(電流検出側端子)との間に被測定試料102が装着される。   The automatic balance circuit 100 for impedance measurement according to the present invention includes two oscillators, a first oscillator 101 and a second oscillator 106, and includes an H terminal (signal application side terminal) on the first oscillator 101 side and an L terminal on the second oscillator 106 side. The sample to be measured 102 is mounted between the terminal (current detection side terminal).

第1発振器101から所定周波数の正弦波信号が被測定試料102に与えられ、また、第2発振器106からも上記測定用正弦波信号と同一周波数の正弦波信号が出力されるが、第2発振器106とL端子との間には検出素子105が接続されている。   A sine wave signal having a predetermined frequency is supplied from the first oscillator 101 to the sample 102 to be measured, and a sine wave signal having the same frequency as the measurement sine wave signal is also output from the second oscillator 106. A detection element 105 is connected between 106 and the L terminal.

本発明において、検出素子105にはスイッチSWにて選択的に切り替えられる検出抵抗105aと検出コンデンサ105bとが含まれている。以下、スイッチSWにて検出抵抗105aが選択されているものとして説明する。   In the present invention, the detection element 105 includes a detection resistor 105a and a detection capacitor 105b that are selectively switched by a switch SW. In the following description, it is assumed that the detection resistor 105a is selected by the switch SW.

また、この自動平衡回路100は、L端子の電圧を検出する電圧検出器107およびその検出電圧をディジタル信号に変換するA/D変換器108と、同A/D変換器108からの検出電圧データに基づいて第2発振器106の振幅および位相角を制御するとともに、被測定試料102のインピーダンスおよび位相角などを算出する機能を有する制御手段としてのCPU109とを備えている。   The automatic balancing circuit 100 includes a voltage detector 107 that detects the voltage at the L terminal, an A / D converter 108 that converts the detected voltage into a digital signal, and detected voltage data from the A / D converter 108. And a CPU 109 as a control means having a function of calculating the impedance and the phase angle of the sample 102 to be measured.

本発明によれば、CPU109により第2発振器106に対して、その振幅を任意の振幅aとした状態で、任意の異なる3つの位相角を設定することにより、上記式(A)に基づいてL端子を最小電圧(好ましくは0V)とする第1成立要因としてのθminが求められ、しかる後、CPU109により第2発振器106に対して任意の異なる2つの振幅値を設定することにより、上記式(B)もしくは式(C)に基づいてL端子を最小電圧(好ましくは0V)とする第2成立要因としてのBminが求められる。本発明において、平衡状態とはL端子が0Vに設定された状態のほかに、その近辺で最小電圧に設定された状態をも含むものとする。   According to the present invention, the CPU 109 sets any three different phase angles to the second oscillator 106 in the state where the amplitude is the arbitrary amplitude a. Θmin as a first establishment factor for setting the terminal to the minimum voltage (preferably 0 V) is obtained, and then the CPU 109 sets two different amplitude values for the second oscillator 106 to obtain the above formula ( Bmin or Bmin as a second establishment factor for setting the L terminal to the minimum voltage (preferably 0 V) is obtained based on (B) or (C). In the present invention, the balanced state includes not only the state where the L terminal is set to 0 V but also the state where the minimum voltage is set in the vicinity thereof.

まず、上記式(A)の導出過程について説明する。第1発振器101の振幅をA,その位相角をθa、第2発振器106の振幅をB,その位相角をθb,検出抵抗105aのインピーダンスをZf,その位相角をθf,L端子に発生する入力容量CのインピーダンスをZi,その位相角をθi,そして被測定試料102のインピーダンスをZm,その位相角をθmとする。なお、第1発振器101と第2発振器106の周波数はともに同一でωとする。   First, the process of deriving the above formula (A) will be described. The amplitude of the first oscillator 101 is A, the phase angle is θa, the amplitude of the second oscillator 106 is B, the phase angle is θb, the impedance of the detection resistor 105a is Zf, the phase angle is generated at the θf, and the L terminal is generated. The impedance of the capacitor C is Zi, its phase angle is θi, the impedance of the sample 102 to be measured is Zm, and its phase angle is θm. The frequencies of the first oscillator 101 and the second oscillator 106 are the same and are ω.

L端子には第1発振器101側と第2発振器106側から電流が流れ込むが、キルヒホッフの電流則から、L端子の電圧をVLとして各電流間には下記の式(1)の関係が成り立つ。

Figure 2005189184
Current flows into the L terminal from the first oscillator 101 side and the second oscillator 106 side. From Kirchhoff's current law, the voltage of the L terminal is VL, and the relationship of the following formula (1) is established between the currents.
Figure 2005189184

式(1)を変形してVLで括り下記の式(2)とする。

Figure 2005189184
The expression (1) is modified and bundled with VL to obtain the following expression (2).
Figure 2005189184

式を簡略化するため、式(2)の左辺の{1/(Zm∠θm)+1/(Zi∠θi)+1/(Zf∠θf)}をYt∠θtとして、式(2)を下記の式(3)のように変形する。

Figure 2005189184
In order to simplify the equation, {1 / (Zm∠θm) + 1 / (Zi∠θi) + 1 / (Zf∠θf)} on the left side of the equation (2) is defined as Yt∠θt. It is transformed as shown in equation (3).
Figure 2005189184

したがって、VLは下記の式(4)で表される。

Figure 2005189184
Therefore, VL is represented by the following formula (4).
Figure 2005189184

ここで、任意の2つの複素ベクトルV1,V2の合成ベクトルの絶対値|V|は下記式(5)の一般式で表され、また、その合成ベクトルの位相角θは下記式(6)の一般式で表される。なお、式中θ1は複素ベクトルV1の位相角、θ2は複素ベクトルV2の位相角である。

Figure 2005189184

Figure 2005189184
Here, the absolute value | V | of the combined vector of any two complex vectors V1 and V2 is expressed by the general formula of the following formula (5), and the phase angle θ of the combined vector is expressed by the following formula (6). Represented by the general formula. In the equation, θ1 is the phase angle of the complex vector V1, and θ2 is the phase angle of the complex vector V2.
Figure 2005189184

Figure 2005189184

したがって、上記一般式(5)のV1に、上記式(4)中の右辺第1項(Zf∠θf)・Asin(ωt+θa)/{(Zm∠θm)(Zf∠θf)(Yt∠θt)}を代入し、V2に上記式(4)中の右辺第2項(Zm∠θm)・Bsin(ωt+θb)/{(Zm∠θm)(Zf∠θf)(Yt∠θt)}を代入することにより、次式(7)に示されるVLの合成ベクトルの絶対値と、次式(8)に示されるVLの合成ベクトルの位相角θが得られる。   Therefore, the first term (Zf∠θf) · Asin (ωt + θa) / {(Zm∠θm) (Zf∠θf) (Yt∠θt) in the above formula (4) is added to V1 of the general formula (5). } And substitute the second term (Zm∠θm) · Bsin (ωt + θb) / {(Zm∠θm) (Zf∠θf) (Yt∠θt)} in the above equation (4) into V2. Thus, the absolute value of the VL composite vector shown in the following equation (7) and the phase angle θ of the VL composite vector shown in the following equation (8) are obtained.

Figure 2005189184
Figure 2005189184

Figure 2005189184
Figure 2005189184

上記式(7)を簡略化するため、
・Zf+B・Zm/(Zf・Zm・Yt)=C
2・A・Zf・B・Zm/(Zf・Zm・Yt)=D
と置き換えて、VLを次式(9)とする。

Figure 2005189184
In order to simplify equation (7) above,
A 2 · Zf 2 + B 2 · Zm 2 / (Zf · Zm · Yt) 2 = C
2 · A · Zf · B · Zm / (Zf · Zm · Yt) 2 = D
And replace VL with the following equation (9).
Figure 2005189184

ここで、第1発信器101の位相θaと検出抵抗105aの位相角θfが、あらかじめ0゜に調整済とすると、VLは次式(10)で表される。

Figure 2005189184
Here, if the phase θa of the first transmitter 101 and the phase angle θf of the detection resistor 105a have been adjusted to 0 ° in advance, VL is expressed by the following equation (10).
Figure 2005189184

したがって、第2発信器106の位相角θbを任意の異なる3つの位相角θx,θy,θzとすると、そのときにL端子に現れる各出力電圧Vx,Vy,Vzは次式(11)〜(13)で表される。

Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184
Therefore, when the phase angle θb of the second oscillator 106 is arbitrarily set to three different phase angles θx, θy, θz, the output voltages Vx, Vy, Vz appearing at the L terminal at that time are expressed by the following equations (11) to (11): 13).
Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184

上記の各式(11)〜(13)を自乗した後、cos展開すると次式(14)〜(16)が得られる。

Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184
When the above equations (11) to (13) are squared and then cos expansion is performed, the following equations (14) to (16) are obtained.
Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184

次に、上記式(14)と式(15)との差と、式(15)と式(16)との差をとって次式(17)と(18)とを得る。

Figure 2005189184

Figure 2005189184
Next, the following equations (17) and (18) are obtained by taking the difference between the above equations (14) and (15) and the difference between equations (15) and (16).
Figure 2005189184

Figure 2005189184

続いて、上記式(17)と式(18)の比をとって次式(19)を得る。

Figure 2005189184
Subsequently, the following formula (19) is obtained by taking the ratio of the above formula (17) and formula (18).
Figure 2005189184

上記式(19)を正接関数tanθmについて解くと、次式(20)が得られる。

Figure 2005189184
When the above equation (19) is solved for the tangent function tanθm, the following equation (20) is obtained.
Figure 2005189184

上記式(20)を逆正接関数に書き換えることにより、θmについての次式(21)が求められる。なお、ここで求められるθmはL端子が未だ平衡状態に調整されていないときの計算上での被測定試料102の位相角である。

Figure 2005189184
By rewriting the above equation (20) into an arctangent function, the following equation (21) for θm is obtained. Note that θm obtained here is a phase angle of the sample 102 to be measured in calculation when the L terminal is not yet adjusted to the equilibrium state.
Figure 2005189184

L端子の電圧VLについての上記式(10)によると、VL={C+D・cos(θb+θm)}1/2であるから、この式においてVLが最小となるのは、cos(θb+θm)=−1、すなわちθb+θm=180゜のときである。 According to the above equation (10) for the voltage VL at the L terminal, VL = {C + D · cos (θb + θm)} 1/2 . Therefore, in this equation, VL has the minimum value as cos (θb + θm) = − 1. That is, when θb + θm = 180 °.

したがって、第2発振器106の位相角をθbを180゜−θmに設定することにより、L端子の電圧VLを0Vに近づけることができる。このときの第2発振器106の位相角をθminとすれば上記式(21)により、
θmin=180゜−θm
=180゜−tan−1[{(Vx−Vy)・(cosθy−cos
θz)−(Vy−Vz)・(cosθx−cosθy)}/
{(Vx−Vy)・(sinθy−sinθz)−(Vy−V
)・(sinθx−sinθy)}]
となり、この式がL端子を平衡状態(最小電圧、好ましくは0V)とする第1成立要因としての式(A)である。
Therefore, by setting the phase angle of the second oscillator 106 to θb of 180 ° −θm, the voltage VL at the L terminal can be brought close to 0V. If the phase angle of the second oscillator 106 at this time is θmin,
θmin = 180 ° −θm
= 180 ° −tan −1 [{(Vx 2 −Vy 2 ) · (cos θy−cos
θz) − (Vy 2 −Vz 2 ) · (cos θx−cos θy)} /
{(Vx 2 −Vy 2 ) · (sin θy−sin θz) − (Vy 2 −V
z 2 ) · (sin θx−sin θy)}]
This equation is an equation (A) as a first establishment factor for setting the L terminal in a balanced state (minimum voltage, preferably 0 V).

このようにして算出される位相角θminは、90゜〜180゜〜270゜の範囲になる。測定対象がコンデンサ,抵抗,コイルなどである場合には、位相角θminは、通常、90゜〜180゜〜270゜の範囲内に納まるため、上記のアルゴリズムで特に問題はない。しかしながら、測定回路に使用されているオペアンプやフィルタなどで生ずる位相誤差によっては位相角θminが90゜〜180゜〜270゜の範囲外になる場合がある。   The phase angle θmin calculated in this way is in the range of 90 ° to 180 ° to 270 °. When the object to be measured is a capacitor, resistor, coil or the like, the phase angle θmin normally falls within the range of 90 ° to 180 ° to 270 °, and therefore there is no particular problem with the above algorithm. However, the phase angle θmin may be outside the range of 90 ° to 180 ° to 270 ° depending on the phase error caused by the operational amplifier or filter used in the measurement circuit.

そこで、本発明においては、いずれか一方の発振器、この実施例では第2発振器106の位相角を上記式(A)による位相角θminに調整した後、第2発振器106の振幅を上記電圧Vx,Vy,Vzを求めたときの振幅aとして、L端子に現れる電圧Vaを測定する。   Therefore, in the present invention, after adjusting the phase angle of one of the oscillators, in this embodiment, the second oscillator 106, to the phase angle θmin according to the above formula (A), the amplitude of the second oscillator 106 is adjusted to the voltage Vx, The voltage Va appearing at the L terminal is measured as the amplitude a when Vy and Vz are obtained.

そして、その電圧Vaと上記電圧Vx,Vy,Vzとを比較し、電圧Va≧(Vx,Vy,Vz)の場合には、位相角θminの範囲外であると判断して、位相角θminを下記式(D)により求められる値とし、この式(D)による位相角θminを上記平衡状態の第1成立要因として第2発振器106に設定する。   Then, the voltage Va is compared with the voltages Vx, Vy, Vz, and when the voltage Va ≧ (Vx, Vy, Vz), it is determined that the phase angle θmin is out of the range, and the phase angle θmin is A value obtained by the following equation (D) is set, and the phase angle θmin according to the equation (D) is set in the second oscillator 106 as the first establishment factor of the equilibrium state.

θmin=−θm
=−tan−1[{(Vx−Vy)・(cosθy−cosθz)
−(Vy−Vz)・(cosθx−cosθy)}/
{(Vx−Vy)・(sinθy−sinθz)−(Vy−V
)・(sinθx−sinθy)}]……式(D)
θmin = −θm
= −tan −1 [{(Vx 2 −Vy 2 ) · (cos θy−cos θz)
− (Vy 2 −Vz 2 ) · (cos θx−cos θy)} /
{(Vx 2 −Vy 2 ) · (sin θy−sin θz) − (Vy 2 −V
z 2 ) · (sin θx−sin θy)}] …… Formula (D)

なお、電圧Vaが上記電圧Vx,Vy,Vzよりも低い場合には、上記式(A)による位相角θminをそのまま採用する。このように、位相角θminを算出するにあたって、上記式(A)と上記式(D)とを用意したことにより、平衡条件の位相を360゜全域で捉えることができ、例えば実装回路基板による位相誤差が生じたとしても、上記アルゴリズムは正確に動作する。   When the voltage Va is lower than the voltages Vx, Vy, Vz, the phase angle θmin according to the above formula (A) is adopted as it is. As described above, when the phase angle θmin is calculated, the equation (A) and the equation (D) are prepared, so that the phase of the equilibrium condition can be captured over the entire 360 ° range. Even if errors occur, the algorithm works correctly.

上記式(A)および上記式(D)から分かるように、第2発振器106の最適位相角θminは、第2発振器106の位相角を任意の3つの異なる値θx,θy,θzに設定することにより算出することができる。   As can be seen from the above equations (A) and (D), the optimum phase angle θmin of the second oscillator 106 is set to any three different values θx, θy, and θz as the phase angle of the second oscillator 106. Can be calculated.

上記式(A)および式(D)を簡略化するには、同式に含まれているsin項およびcos項をそれぞれ1,−1,0のいずれかとなるようにすればよい。例えば、
θx=90゜,そのときのL端子電圧をV90,
θy=180゜,そのときのL端子電圧をV180,
θz=270゜,そのときのL端子電圧をV270,
とすると、上記式(A)および式(D)はそれぞれ下記の簡略化された式(A−1)および式(D−1)で表される。
In order to simplify the above formulas (A) and (D), the sin term and the cos term included in the formula may be either 1, -1, or 0, respectively. For example,
θx = 90 °, the L terminal voltage at that time is V90,
θy = 180 °, the L terminal voltage at that time is V180,
θz = 270 °, and the L terminal voltage at that time is V270,
Then, the above formula (A) and formula (D) are represented by the following simplified formula (A-1) and formula (D-1), respectively.

Figure 2005189184

Figure 2005189184

この式(A−1)もしくは式(D−1)によれば、制御手段としてのCPU109の負担を軽減することができる。
Figure 2005189184

Figure 2005189184

According to the formula (A-1) or the formula (D-1), the burden on the CPU 109 as the control unit can be reduced.

本発明では、CPU109により第2発振器106の位相角を上記θminに設定した後、さらにL端子が平衡状態(最小電圧、好ましくは0V)に近づくように、第2発振器106の振幅BをCPU109により第2発振器106に対して任意の異なる2つの振幅値(好ましくは同一レンジ内の異なる2つの振幅値)を設定することにより、L端子を平衡状態とする第2成立要因としてのBminに調整する。   In the present invention, after setting the phase angle of the second oscillator 106 to the above-mentioned θmin by the CPU 109, the amplitude B of the second oscillator 106 is adjusted by the CPU 109 so that the L terminal further approaches an equilibrium state (minimum voltage, preferably 0V). By setting two different amplitude values (preferably two different amplitude values within the same range) for the second oscillator 106, the second terminal 106 is adjusted to Bmin as a second establishment factor that brings the L terminal into an equilibrium state. .

上記式(7)のように、L端子の電圧VLの合成ベクトルの絶対値は、
VL={A・Zf+B・Zm+2・A・Zf・B・Zm・cos(θa−
θb+θf−θm)}1/2/(Zf・Zm・Yt)
で表され、θminに設定した場合、cos(θa−θb+θf−θm)=1となるため、この平方根を外すと、次式(22)となる。

Figure 2005189184
As in the above equation (7), the absolute value of the combined vector of the voltage VL at the L terminal is
VL = {A 2 · Zf 2 + B 2 · Zm 2 + 2 · A · Zf · B · Zm · cos (θa−
θb + θf−θm)} 1/2 / (Zf · Zm · Yt)
When it is set to θmin, cos (θa−θb + θf−θm) = 1, so when this square root is removed, the following equation (22) is obtained.
Figure 2005189184

上記式(22)において、第2発振器106の振幅を任意の振幅をB1とした場合のL端子の電圧VLをV1とし、任意の振幅をB2とした場合のL端子の電圧VLをV2とすると、V1に関する次式(23)、式(24)と、V2に関する次式(25)、式(26)が得られる。   In the above equation (22), when the amplitude of the second oscillator 106 is an arbitrary amplitude B1, the voltage VL at the L terminal is V1, and the voltage VL at the L terminal when the arbitrary amplitude is B2 is V2. , The following expressions (23) and (24) relating to V1, and the following expressions (25) and (26) relating to V2 are obtained.

Figure 2005189184

または、
Figure 2005189184
Figure 2005189184

Or
Figure 2005189184

Figure 2005189184

または、
Figure 2005189184
Figure 2005189184

Or
Figure 2005189184

上記式(23)と(24)との両辺に(Zf・Zm・Yt)/V1を乗ずると、次式(27)と式(28)とが得られ、上記式(25)と式(26)との両辺に(Zf・Zm・Yt)/V2を乗ずると、次式(29)と式(30)とが得られる。   When both sides of the above formulas (23) and (24) are multiplied by (Zf · Zm · Yt) / V1, the following formulas (27) and (28) are obtained, and the above formulas (25) and (26) are obtained. ) Are multiplied by (Zf · Zm · Yt) / V2 to obtain the following equations (29) and (30).

Figure 2005189184
Figure 2005189184

Figure 2005189184
Figure 2005189184

Figure 2005189184
Figure 2005189184

Figure 2005189184
Figure 2005189184

上記式(27)と式(29)の左辺が等しいことから、下記の式(31)が得られ、同様に、上記式(27)と式(30)とから、下記の式(32)が得られる。また、上記式(28)と式(29)とからも、同様に、下記の式(32)が得られ、上記式(28)と式(30)とからも、同様に、下記の式(31)が得られる。   Since the left sides of the above formula (27) and the formula (29) are equal, the following formula (31) is obtained. Similarly, from the above formula (27) and the formula (30), the following formula (32) is obtained. can get. Similarly, from the above formula (28) and formula (29), the following formula (32) is obtained, and from the above formula (28) and formula (30), the following formula ( 31) is obtained.

Figure 2005189184
Figure 2005189184

Figure 2005189184
Figure 2005189184

上記式(31)、式(32)をZmについて解くと、次式(33)、式(34)が得られる。

Figure 2005189184

Figure 2005189184
When the above equations (31) and (32) are solved for Zm, the following equations (33) and (34) are obtained.
Figure 2005189184

Figure 2005189184

ここで、L端子の電流に関するキルヒホッフの電流則、B/Zf−A/Zm=0から導かれるB=A・Zf/Zmに、上記式(33),式(34)のZmを代入すると、L端子を平衡状態(0V)とする第2成立要因としてのBminを得るための次式(B)もしくは式(C)が得られる。   Here, by substituting Zm in the above equations (33) and (34) into Kirchoff's current law for the current at the L terminal, B = A · Zf / Zm derived from B / Zf−A / Zm = 0, The following equation (B) or equation (C) for obtaining Bmin as a second factor for setting the L terminal to the equilibrium state (0 V) is obtained.

Bmin=(B1・V2−B2・V1)/(V2−V1)・・・式(B)
Bmin=(B1・V2+B2・V1)/(V2+V1)・・・式(C)
Bmin = (B1 · V2−B2 · V1) / (V2−V1) Expression (B)
Bmin = (B1 · V2 + B2 · V1) / (V2 + V1) Expression (C)

以上説明してきたように、本発明によれば、CPU109により第2発振器106に対して任意の異なる3つの位相角を設定することにより、L端子を最小電圧(好ましくは0V)とする第1成立要因としてのθminが求められ、しかる後、CPU109により第2発振器106に対して任意の異なる2つの振幅値を設定することにより、L端子を0Vとする第2成立要因としてのBminが求められ、L端子を平衡状態(好ましくは0V)とすることが可能となる。   As described above, according to the present invention, the CPU 109 sets the three different phase angles with respect to the second oscillator 106 so that the L terminal is set to the minimum voltage (preferably 0 V). Θmin as a factor is obtained, and then the CPU 109 sets two arbitrarily different amplitude values for the second oscillator 106 to obtain Bmin as a second establishment factor for setting the L terminal to 0V. The L terminal can be brought into a balanced state (preferably 0 V).

なお、平衡条件をより精度よく求めるには、上記の位相角θx,θy,θzおよび振幅B1,B2の各値を変えて上記のアルゴリズムを数回繰り返し、その中からθmin,Bminの最適値を選択すればよい。また、上記のようにしてθmin,Bminを求めた後、それらの値を+,−方向にわずかずつスイープしてL端子の電圧が0Vとなるように調整することもできる。また、変形例として、第2発振器106側の発振周波数を固定し、CPU109により第1発振器101側を上記実施形態と同様に制御するようにしてもよい。   In order to obtain the equilibrium condition more accurately, the above algorithm is repeated several times while changing the values of the phase angles θx, θy, θz and the amplitudes B1, B2, and the optimum values of θmin, Bmin are determined from among them. Just choose. Further, after obtaining θmin and Bmin as described above, the values can be swept slightly in the + and − directions to adjust the voltage at the L terminal to 0V. As a modification, the oscillation frequency on the second oscillator 106 side may be fixed, and the CPU 109 may control the first oscillator 101 side in the same manner as in the above embodiment.

ところで、被測定試料101がコンデンサであったり、被測定試料101に含まれている静電容量を測定する場合、すなわち測定対象が静電容量である場合、その静電容量のインピーダンス値は測定周波数によって変化するため、同一の静電容量を測定周波数を変えて測定するとき、検出素子105として検出抵抗105aを用いた場合には、測定周波数に応じてその検出抵抗によるレンジを適宜切り替える必要が生ずる。図1には検出抵抗105aが一つしか示されていないが、複数の抵抗を並列としてそのうちの一つを選択する必要がある。   By the way, when the sample 101 to be measured is a capacitor or when the capacitance included in the sample 101 to be measured is measured, that is, when the measurement target is a capacitance, the impedance value of the capacitance is measured frequency. Therefore, when the same capacitance is measured by changing the measurement frequency, when the detection resistor 105a is used as the detection element 105, it is necessary to appropriately switch the range of the detection resistor according to the measurement frequency. . Although only one detection resistor 105a is shown in FIG. 1, it is necessary to select one of a plurality of resistors in parallel.

そこで、本発明においては、測定対象が静電容量である場合、検出素子105としてスイッチSWにより検出コンデンサ105bを選択する。これによれば、測定周波数を可変しても被測定試料101の静電容量と検出コンデンサ105bの比は変化しないため、測定周波数に応じてレンジを切り替える必要がなくなる。   Therefore, in the present invention, when the measurement target is capacitance, the detection capacitor 105b is selected by the switch SW as the detection element 105. According to this, even if the measurement frequency is varied, the ratio between the capacitance of the sample 101 to be measured and the detection capacitor 105b does not change, so it is not necessary to switch the range according to the measurement frequency.

なお、測定対象を静電容量とする場合も平衡状態とするアルゴリズムは上記の例と同じであり、平衡状態のときのL端子の電圧は最小(好ましくは0V)となるため、入力容量の影響を受けることなく、第1および第2発振器101,106の振幅と位相角の設定値から被測定試料102のインピーダンスZm,位相角θmは次式によって求められる。   Note that even when the measurement target is a capacitance, the algorithm for making the equilibrium state is the same as in the above example, and the voltage at the L terminal in the equilibrium state is minimum (preferably 0 V), so the influence of the input capacitance The impedance Zm and the phase angle θm of the sample 102 to be measured are obtained from the following equations from the set values of the amplitude and the phase angle of the first and second oscillators 101 and 106 without being subjected to the above.

Zm=Zc×A/B [Ω]
θm=θc+θa−θb−180 [゜]
ただし、Aは第1発振器101の振幅,Bは第1発振器106の振幅,Zcは検出コンデンサ105bのインピーダンス,θaは第1発振器101の位相角,θbは第2発振器106の位相角,θcは検出コンデンサ105bの位相角である。
Zm = Zc × A / B [Ω]
θm = θc + θa−θb−180 [°]
Where A is the amplitude of the first oscillator 101, B is the amplitude of the first oscillator 106, Zc is the impedance of the detection capacitor 105b, θa is the phase angle of the first oscillator 101, θb is the phase angle of the second oscillator 106, and θc is This is the phase angle of the detection capacitor 105b.

本発明によるインピーダンス測定用自動平衡回路を示すブロック図。The block diagram which shows the automatic balance circuit for impedance measurement by this invention. インピーダンス測定用自動平衡回路の基本的な構成を示すブロック図。The block diagram which shows the basic composition of the automatic balance circuit for impedance measurements. 従来例としてヌルループ方式による自動平衡回路を示すブロック図。The block diagram which shows the automatic balance circuit by a null loop system as a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

100 自動平衡回路
101 第1発振器
102 被測定試料
105 検出素子
105a 検出抵抗
105b 検出コンデンサ
106 第2発振器
107 電圧検出器
108 A/D変換器
109 CPU
SW スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Automatic balance circuit 101 1st oscillator 102 Sample to be measured 105 Detection element 105a Detection resistance 105b Detection capacitor 106 Second oscillator 107 Voltage detector 108 A / D converter 109 CPU
SW switch

Claims (4)

被測定試料の一方の端子に所定周波数の正弦波信号を印加する第1発振器と、上記被測定試料の他方の端子側に所定の検出素子を介して上記第1発振器の正弦波信号と同一周波数の正弦波信号を出力する第2発振器と、上記被測定試料の他方の端子側の電圧を検出する電圧検出器およびその検出電圧をデジタルの電圧データに変換するA/D変換器と、上記電圧データに基づいて上記第1発振器もしくは上記第2発振器の振幅および位相角を制御する制御手段とを含み、上記制御手段により上記他方の端子側の電圧を最小とする平衡状態とした下で、上記第1発振器の振幅および位相角,上記第2発振器の振幅および位相角,上記検出抵抗のインピーダンスおよび位相角から上記被測定試料のインピーダンスおよび位相角を算出するインピーダンス測定用自動平衡回路において、
上記被測定試料の静電容量を測定する場合、上記検出素子としてコンデンサが用いられることを特徴とするインピーダンス測定用自動平衡回路。
A first oscillator that applies a sine wave signal of a predetermined frequency to one terminal of the sample to be measured, and the same frequency as the sine wave signal of the first oscillator via a predetermined detection element on the other terminal side of the sample to be measured A second oscillator that outputs a sine wave signal, a voltage detector that detects a voltage on the other terminal side of the sample to be measured, an A / D converter that converts the detected voltage into digital voltage data, and the voltage Control means for controlling the amplitude and phase angle of the first oscillator or the second oscillator based on the data, and under the equilibrium state in which the voltage on the other terminal side is minimized by the control means, Impedance for calculating the impedance and phase angle of the sample to be measured from the amplitude and phase angle of the first oscillator, the amplitude and phase angle of the second oscillator, and the impedance and phase angle of the detection resistor. In the auto-balancing circuit for Nsu measurement,
An automatic balancing circuit for impedance measurement, wherein a capacitor is used as the detection element when measuring the capacitance of the sample to be measured.
上記検出素子にはスイッチ手段により選択的に切り替えられる抵抗とコンデンサとが含まれている請求項1に記載のインピーダンス測定用自動平衡回路。   2. The automatic balancing circuit for impedance measurement according to claim 1, wherein the detection element includes a resistor and a capacitor that are selectively switched by a switching means. 上記制御手段は、上記第1発振器もしくは上記第2発振器のいずれか一方に対して、その振幅を任意の振幅aとした状態で任意の異なる位相角θx,θy,θzを順次設定して、その位相角ごとに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧Vx,Vy,Vzを測定し、下記の式(A)により上記他方の端子側の電圧を最小とする平衡状態の第1成立要因としての位相角θminを求めて上記いずれか一方の発振器の位相角を上記位相角θminに調整したのち、その発振器の振幅を2つの異なる振幅B1,B2に順次設定して、その各振幅ごとに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧V1,V2を測定し、下記の式(B)もしくは(C)により上記平衡状態の第2成立要因としての振幅Bminを求めて上記いずれか一方の発振器の振幅を上記振幅Bminに調整して上記平衡状態を得る請求項1または2に記載のインピーダンス測定用自動平衡回路。
Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184
The control means sequentially sets any different phase angles θx, θy, θz to any one of the first oscillator or the second oscillator in a state where the amplitude is an arbitrary amplitude a, The voltage Vx, Vy, Vz appearing on the other terminal side of the sample to be measured is measured for each phase angle, and the first establishment factor of the equilibrium state that minimizes the voltage on the other terminal side by the following equation (A) And the phase angle of one of the oscillators is adjusted to the phase angle θmin, and the amplitude of the oscillator is sequentially set to two different amplitudes B1 and B2 for each amplitude. The voltages V1 and V2 appearing on the other terminal side of the sample to be measured are measured, and the amplitude Bmin as the second establishment factor of the equilibrium state is obtained by the following equation (B) or (C), and either one of the above Oscillator amplitude The automatic balance circuit for impedance measurement according to claim 1 or 2, wherein the balanced state is obtained by adjusting the amplitude to the amplitude Bmin.
Figure 2005189184

Figure 2005189184

Figure 2005189184
上記制御手段は、上記いずれか一方の発振器の位相角を上記式(A)による位相角θminに調整したのち、その発振器の振幅を上記振幅aとしたときに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧がVaであるとして、その電圧Vaが上記電圧Vx,Vy,Vz以上である場合には、上記いずれか一方の発振器に設定する位相角θminを下記式(D)により求められる値とする請求項1または2に記載のインピーダンス測定用自動平衡回路。
Figure 2005189184

The control means adjusts the phase angle of any one of the oscillators to the phase angle θmin according to the equation (A), and then sets the amplitude of the oscillator to the amplitude a to the other terminal side of the measured sample. If the voltage Va is equal to or higher than the voltages Vx, Vy, and Vz, the phase angle θmin set for any one of the oscillators is obtained by the following equation (D): The automatic balancing circuit for impedance measurement according to claim 1 or 2.
Figure 2005189184

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