JP2005214932A - 信号処理装置、この信号処理装置を用いた電圧測定装置及び電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な信号処理回路により信頼性のある交流信号の実効値を得ることのできる信号処理装置を提供する。
【解決手段】 信号処理装置１は、アナログの交流信号をディジタルの交流信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２と、このＡ／Ｄ変換回路２から出力されるディジタルの交流信号からレベル値の自乗値を演算し、その自乗値を示すディジタル信号を生成する自乗演算回路３と、この自乗演算回路３から出力されるディジタル信号のうち、直流成分の信号を抽出するディジタルフィルタ４と、このディジタルフィルタ４から出力されるディジタル信号を用いて当該ディジタル信号のレベル値の平方根を演算し、その平方根値を示すディジタル信号を生成する平方根演算回路５とからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電圧信号や交流電流信号などの交流信号に所定の信号処理を行うことにより当該交流信号の実効値を示す信号を生成する信号処理装置とこの信号処理装置を用いた電圧測定装置及び電流測定装置に関するものである。

正弦波の交流信号Ａm・ｓｉｎ（ωt＋φ）の実効値Ａrmsは、下記数式（１）に示すように、瞬時値の１周期分の平均値の平方根によって表される。このため、交流信号から実効値を示す信号（以下、実効値信号という。）を生成する場合、一般の計算機を用いた処理では、一般に交流信号を自乗した信号を生成し、この信号を１周期分積算した後、平方根の信号を生成する信号処理が行われる。

特に、アナログ信号として検出した交流電圧信号や交流電流信号などの交流信号をＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換した後、ディジタル信号処理によりディジタルの実効値信号を生成する場合は、従来、ディジタルの交流信号を構成する各サンプルリングデータＤ［ｎ］（ｎ＝１，２，…）を自乗回路により自乗演算してサンプリング値の自乗値Ｄ［ｎ］²を算出し、積分回路によりこの自乗値Ｄ［ｎ］²を１周期分積算した後、平方根演算回路によりその積算値ΣＤ［ｎ］²の平方根を算出する演算処理が行われている。

また、この演算処理方法は、交流信号の１周期におけるサンプリングの位置によって実効値の演算値が変化し、これにより誤差が生じるため、数周期分の実効値を演算した後、これらの実効値の平均値を演算することにより演算値の精度を高める方法も知られている。
特開平１０−１７０５５６号公報 特開平１０−１８５９６６号公報

従来の交流信号の実効値を求める信号処理は、瞬時値の自乗値を１周期分積算し、その積算値の平方根を求める、若しくは数周期分の実効値を求め、これらの実効値の平均値を取ることにより測定値としての実効値を求めるようにしているので、実効値の算出までに少なくとも１周期分の時間を要し、電圧測定装置などで交流電圧の実効値を測定する場合、最新の測定値は交流信号の１周期毎にしか得られない。

また、ディジタル信号処理により交流信号の実効値を算出する場合は、各サンプリング値の自乗値を１周期分積算した後、その積算値の平方根を演算する処理を繰り返すため、１周期毎に算出される実効値のばらつきが大きく、交流電圧信号や交流電流信号の測定装置に適用した場合、十分な電圧または電流の測定精度が得られないという問題がある。この問題を解消するため、複数周期分の実効値の演算結果を平均化して実効値を算出するようにした場合、交流電圧または交流電流の実効値の算出精度は向上するが、実効値を算出するまでの演算処理が多くなり、算出時間が長くなるという問題が生じる。

また、例えばＭＨｚ帯などの高周波信号の実効値をディジタル信号処理により得る場合は、十分な精度の実効値を得るにはサンプリング周波数を非常に高くする必要がある上、１波長に含まれるサンプリングデータ数が減少することから、複数の波を観測する必要が生じ、更にサンプリングデータからどこが正弦波の周期の始点となるかを判定するかについても容易にはできないので、ディジタル信号処理回路では実効値の演算は行わず、再度アナログの高周波信号に戻した後、アナログ信号処理により実効値を求めることが行われている。

しかし、この方法では信号処理や回路構成が複雑になり、高周波領域で比較的簡単な回路構成により信頼性のある交流信号の実効値を得ることは困難となっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な信号処理回路により信頼性のある交流信号の実効値を得ることのできる信号処理装置及びこの信号処理装置を用いた電圧測定装置、電流測定装置を提供するものである。

本発明は、入力される交流信号に所定の信号処理を行って当該交流信号の実効値を示す信号を生成する信号処理装置であって、前記交流信号を自乗した信号を生成する自乗信号生成手段と、前記自乗信号生成手段から出力される自乗信号のうち、直流成分の信号を抽出する濾波手段と、前記濾波手段により抽出された直流成分の信号に基づいて、当該直流成分のレベル値の平方根のレベル値を有する信号を生成する信号生成手段と、からなることを特徴とする（請求項１）。

また、本発明は、入力されるアナログの交流信号に所定の信号処理を行って当該交流信号の実効値を示す信号を生成する信号処理装置であって、前記交流信号を予め設定された所定の周期でサンプリングし、各サンプリングのレベル値を示すディジタル信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段から各サンプリングのレベル値を示すディジタル信号が出力される毎に、当該ディジタル信号を用いて前記レベル値を自乗した値を演算し、その自乗値を示すディジタル信号を生成する自乗信号生成手段と、前記自乗信号生成手段から出力されるディジタル信号のうち、直流成分を抽出する、ディジタルフィルタからなる濾波手段と、前記濾波手段から出力されるディジタル信号を用いて当該ディジタル信号のレベル値の平方根を演算し、その平方根値を示すディジタル信号を生成する平方根信号生成手段と、からなることを特徴とする（請求項２）。

なお、前記濾波手段は、単一の共振周波数を有するフィルタを複数個、縦続接続して構成するとよい（請求項３）。

また、本発明は、交流の電圧信号を検出する電圧信号検出手段と、請求項１〜３に記載の信号処理装置を備え、前記電圧信号検出手段で検出された電圧信号を前記信号処理装置で信号処理することにより前記電圧信号の実効値の信号を生成して出力することを特徴とする、電圧測定装置であり（請求項４）、交流の電流信号を検出する電流信号検出手段と、請求項１〜３に記載の信号処理装置を備え、前記電流信号検出手段で検出された電流信号を前記信号処理装置で信号処理することにより前記電流信号の実効値の信号を生成して出力することを特徴とする、電流測定装置である（請求項５）。

請求項１に係る信号処理装置によれば、自乗信号生成手段に交流信号が入力されると、当該自乗信号生成手段により当該交流信号を自乗した信号が生成され、濾波手段によりこの自乗した信号のうち、直流成分の信号が抽出される。

自乗信号生成手段に入力される交流信号をＡm・sin（ωｔ）とすると、自乗信号生成手段から｛Ａm・sin（ωｔ）｝²の交流信号が出力される。｛Ａm・sin（ωｔ）｝²＝Ａm²・［１＋cos（２ωｔ）］／２であるから、自乗信号生成手段からはＡm²／２の直流成分とＡm²・cos（２ωｔ）／２の交流成分が出力されるが、濾波手段により直流成分Ａm²／２のみが出力される。

濾波手段から出力される直流成分Ａm²／２の信号は信号生成手段に入力され、当該信号生成手段により直流成分Ａm²／２の平方根Ａm／√（２）のレベル値を有する信号が生成される。

請求項２に係る信号処理装置によれば、アナログの交流信号が入力されると、信号変換手段によりアナログ交流信号は、所定の周期でサンプリングし、そのサンプリング時のレベル値（以下、サンプリング値という。）を示す数値データからなるディジタル信号に変換されて自乗信号生成手段に入力される。自乗信号生成手段にディジタル信号が入力されると、サンプリング値が入力される毎に当該サンプリング値の自乗値が演算され、その自乗値を示すディジタル信号が生成される。このディジタル信号は濾波手段に入力され、更に直流成分のみが抽出される。

信号変換手段に入力される交流信号をＡm・sin（ωｔ）とすると、信号変換手段でこの交流信号のレベル値が所定の周期でサンプリングされ、各サンプリング値を数値データで示すディジタル信号に変換されて自乗信号生成手段に出力される。自乗信号生成手段ではディジタル信号が入力されると、各サンプリング値の自乗値が演算され、その演算値を示すディジタル信号が生成される。このディジタル信号は、濾波手段に入力されるが、濾波手段は直流成分のみを通過させるので、当該濾波手段からは（Ａm・sin（ωｔ））²の直流成分であるＡm²／２のレベル値を示すディジタル信号が出力される。

濾波手段から出力されるＡm²／２のレベル値を示すディジタル信号は信号生成手段に入力され、当該信号生成手段によりＡm²／２の平方根Ａm／√（２）＝０．７０７×Ａmが演算され、この演算値のレベル値を示すディジタル信号が生成される。

本発明に係る実効値演算装置によれば、入力された交流信号を自乗した信号を生成する自乗信号生成手段と、直流成分のみを出力する濾波手段と、平方根の信号を生成する信号生成手段からなる簡単な信号処理の構成により信頼性のある交流信号の実効値を得ることができる。また、この信号処理装置を利用することにより比較的簡単な回路構成で高周波の交流電圧信号若しくは交流電流信号の測定装置を実現することができる。

図１は、本発明に係る信号処理装置のブロック構成図である。

図１に示す信号処理装置１は、ディジタル信号処理により交流信号の実効値を得る装置である。信号処理装置１は、Ａ／Ｄ変換回路２、自乗演算回路３、ディジタルフィルタ４及び平方根演算回路５により構成されている。Ａ／Ｄ変換回路２は、入力されるアナログの交流信号をディジタルの交流信号に変換するものである。より具体的には、Ａ／Ｄ変換回路２は、アナログの交流信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリングのレベル値を複数ビットの数値データで構成したディジタル信号（以下、サンプリングデータという。）を生成する。このディジタル信号は、自乗演算回路３に入力される。

自乗演算回路３は、ディジタル信号を構成するサンプリングデータが入力される毎に、そのサンプリングデータの示すレベル値を自乗した値を演算し、その演算結果（自乗値）を示す複数ビットの数値データからなるディジタル信号を生成する。自乗演算回路３は、図２に示すように乗算器３１からなり、入力されるサンプリングデータＤ［ｎ］が２つに分離されてそれぞれこの乗算器３１に入力される。従って、自乗演算回路３では乗算器３１によりＤ［ｎ］×Ｄ［ｎ］＝Ｄ［ｎ］²の演算処理が行われ、この演算結果（Ｄ［ｎ］²）を示す複数ビットの数値データ（以下、自乗値データＤ［ｎ］²という。）が出力され、この自乗値データＤ［ｎ］²はディジタルフィルタ４に入力される。

ディジタルフィルタ４は、図３に示すように、ＩＩＲ（infinite impulse response）ローパスフィルタからなり、自乗演算回路３から入力される自乗値データＤ［ｎ］²のうち、所定の遮断周波数以上の周波数成分を除去するものである。

図３に示すＩＩＲローパスフィルタ４は、２個のフードバックパートを有する２次のＩＩＲローパスフィルタである。ＩＩＲローパスフィルタのフィルタ特性は、周知のように係数ａにより遮断周波数ｆｏが決定され、係数ｂにより遮断周波数における減衰特性が決定される。本実施形態に係るＩＩＲローパスフィルタ４は、図４に示すように、遮断周波数ｆｏが数Ｈｚとなるように係数ａが設定されており、実質的に交流信号を自乗した信号の直流成分のみを抽出するようになっている。

すなわち、信号処理回路１に入力される交流信号をＡm・sin（ωｔ）とすると、自乗回演算路２からディジタルフィルタ４には｛Ａm・sin（ωｔ）｝²の信号が入力される。｛Ａm・sin（ωｔ）｝²＝Ａm²／２+｛Ａm²・cos（２ωt）｝／２であるから、自乗演算回路３からディジタルフィルタ４に入力される信号は、図４に示すように直流成分Ａm²／２と２倍波成分｛Ａm²・cos（２ωｔ）｝／２となるが、２倍波成分｛Ａm²・cos（２ωｔ）｝／２は、ディジタルフィルタ４により遮断されるため、ディジタルフィルタ４からは直流成分Ａm²／２のみが出力される。すなわち、直流成分Ａm²／２をレベル値とするサンプリングデータが出力される。

なお、本実施形態では、単一の共振周波数を有するＩＩＲローパスフィルタを１段だけでディジタルフィルタ４を構成しているが、ＩＩＲローパスフィルタを複数段縦続接続してディジタルフィルタ４を構成するようにしてもよい。このようにすれば、より通過帯域の狭い直流成分のみを抽出することのできるフィルタを構成することができる。

図５（ａ）は、自乗演算回路３に入出力されるサンプリングデータの波形を示す図であり、図５（ｂ）は、ディジタルフィルタ４から出力されるサンプリングデータの波形を示す図である。なお、図５に示す交流信号の振幅Ａmは「１」に正規化している。

図５（ａ）に示すように、自乗演算回路３にsin（ωｔ）の交流信号のサンプリングデータＤ［ｎ］が順次入力されると、自乗演算回路３からはＤ［ｎ］²のレベル値を有するサンプリングデータが順次出力される。このＤ［ｎ］²のレベル値を有するサンプリングデータはディジタルフィルタ４に入力されるが、２倍波成分｛cos（２ωｔ）｝／２の出力は「０」となるから、ディジタルフィルタ４からは、図５（ｂ）に示すように、直流成分１／２のみのディジタルデータ、すなわち、０．５のレベル値を示すサンプリングデータＤ［ｎ］’²が出力される。

図１に戻り、平方根演算回路５は、ディジタルフィルタ４から出力されるサンプリング値Ｄ［ｎ］’の平方根を演算するものである。平方根演算回路５に、例えば図５（ｂ）に示す０．５のレベル値を有するサンプリングデータ値Ｄ［ｎ］’が入力されると、平方根演算回路５からは、０．５／√（２）＝０．３５４のレベル値を有するサンプリングデータが出力される。

上記のように、本実施形態に係る信号処理装置１は、交流信号を自乗した信号の直流成分Ａm²／２を抽出し、その直流成分の平方根を演算するものであるが、この演算結果はＡm／√（２）となり、上述した交流信号Ａm・sin（ωｔ）の実効値Ａm／√（２）＝０．７０７×Ａmと等しくなる。

本実施形態に係る信号処理装置１では、各サンプリングデータＤ［ｎ］を自乗した自乗値データＤ［ｎ］²を１周期分若しくはそれ以上の周期分積算し、その積算値をサンプリング数で平均化する処理を行わず、自乗値データＤ［ｎ］²の直流成分のみを抽出し、その直流成分について平方根を演算するようにしているので、簡単なディジタル信号処理回路により信頼性の高い交流信号の実効値を得ることができる。

また、本実施形態に係る実効値演算装置１は、サンプリングデータＤ［ｎ］が入力されると、直ちにそのサンプリングデータＤ［ｎ］から実効値が演算されるので、交流信号が高周波であっても十分に信頼性を有する実効値を早い時点で確定することができる。従って、高周波の交流電圧信号や交流電流信号の測定装置に適用することができる。

例えば、図６に示すように、高周波電源装置６からインピーダンス整合装置７を介してプラズマチャンバー９に高周波を供給し、このプラズマチャンバー９で半導体ウェハのプラズマエッチングを行うプラズマ処理システムにおいて、インピーダンス整合装置７とプラズマチャンバー９との間に設けられ、プラズマチャンバー９の入力端における高周波の電圧信号と電流信号とを測定する電圧／電流測定装置８などに本実施形態に係る信号処理装置１を適用することができる。

電圧／電流測定装置８は、図７に示すように、主として交流電圧信号を検出する電圧検出部８１ａとアナログの交流電流信号を検出する電流検出部８１ｂとからなるアナログ信号処理部８１とこのアナログ信号処理部８１から出力されるアナログ信号（交流電圧信号と交流電流信号）をディジタル信号に変換して交流電圧信号の実効値Ｖrmsと交流電流信号の実効値Ｉrmsとを算出するディジタル信号処理部８２とで構成されている。

ディジタル信号処理部８２は、図８に示すように、アナログ信号処理部８１から入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部８２１、Ａ／Ｄ変換部８２１から出力されるディジタルの交流信号から所望の周波数の交流信号を抽出するディジタルフィルタ８２２、交流電圧信号の実効値Ｖrmsを演算する実効値演算装置８２３、交流電流信号の実効値Ｉrmsを演算する実効値演算装置８２４及び交流電圧信号と交流電流信号との間の位相差φを演算する位相差演算装置８２５により構成されている。

Ａ／Ｄ変換部８２１は、交流電圧信号に対するＡ／Ｄ変換回路８２１ａと交流電流信号に対するＡ／Ｄ変換回路８２１ｂを有している。また、ディジタルフィルタ８２２は、交流電圧信号に対して所望の周波数の交流電圧信号を抽出するための適応型ディジタルフィルタ８２２ａと交流電流信号に対して所望の周波数の交流電流信号を抽出するための適応型ディジタルフィルタ８２２ｂとを有している。ここに所望の周波数とは、高周波電源装置６から出力される高周波電源の周波数で、例えばプラズマ処理システムに使用される１３．５６Ｈｚの周波数である。

また、適応型ディジタルフィルタ８２２ａ，８２２ｂとは、例えば図３に示すＩＩＲディジタルフィルタ４の係数ａを変更することにより、当該ＩＩＲディジタルフィルタ４の共振周波数ｆｏを所望の周波数ｆｄに追従させることのできるディジタルフィルタである。適応型ディジタルフィルタとしては、例えば特開平６−１８８６８3号公報に記載の適応型ディジタルフィルタを適用することができる。

この適応型ディジタルフィルタは、ＩＩＲディジタルフィルタ４に、サンプリングデータが入力される毎に次のサンプリングデータのフィルタリング処理のための係数ａを演算し、その演算値を当該ＩＩＲディジタルフィルタ４の係数ａにフードバックする係数制御回路を設けたものである。

図８に示す電圧／電流測定装置８によれば、アナログ信号処理部８１の電圧検出部８１ａによりプラズマチャンバー９の入力端における高周波電源の交流電圧信号が検出され、所定のアナログ信号処理（レベル調整や不要なノイズを除去するフィルタリング処理など）が行われた後、ディジタル信号処理部８２に入力される。ディジタル信号処理部８２では、Ａ／Ｄ変換回路８２１ａによりアナログの電圧信号がディジタルの電圧信号（サンプリングデータＶ［ｎ］）に変換された後、適応型ディジタルフィルタ８２２ａで所望の周波数ｆｄ（この例では、１３．５６ＭＨｚ）の電圧信号が抽出され、その電圧信号が実効値演算装置８２３と位相差演算装置８２５に入力される。

また、アナログ信号処理部８１の電流検出部８１ａによりプラズマチャンバー９の入力端における高周波電源の交流電流信号が検出され、上述と同様の所定のアナログ信号処理が行われた後、ディジタル信号処理部８２に入力される。ディジタル信号処理部８２では、Ａ／Ｄ変換回路８２１ｂによりアナログの電流信号がディジタルの電流信号（サンプリングデータＩ［ｎ］）に変換された後、適応型ディジタルフィルタ８２２ｂで所望の周波数ｆｄ（この例では、１３．５６ＭＨｚ）の電流信号のみが抽出され、その電流信号が実効値演算装置８２４と位相差演算装置８２５に入力される。

そして、実効値演算装置８２３で、上述したディジタル信号処理により周波数１３．５６ＭＨｚの交流電圧信号Ｖの実効値Ｖrmsを示すディジタルデータが生成され、外部に出力される。同様に実効値演算装置８２４で、上述したディジタル信号処理により周波数１３．５６ＭＨｚの交流電流信号Ｉの実効値Ｉrmsを示すディジタルデー
タが生成され、外部に出力される。また、位相差演算装置８２５により交流電圧信号Ｖと交流電流信号Ｉとの位相差φが演算され、その演算値を示すディジタルデータが生成され、外部に出力される。

なお、上記実施形態では、ディジタル信号処理の場合について説明したが、本発明は、アナログ信号処理にも適用することができる。この場合は、図１に示す自乗演算回路３を、例えば２乗特性を有する非線形増幅素子などからなる信号自乗回路で構成し、ディジタルフィルタ４を直流成分のみを通過させるアナログフィルタで構成し、平方根演算回路５をアナログフィルタから出力される直流信号のレベルを平方根のレベルに変換するレベル変換回路で構成することにより実現される。

アナログ信号処理では、信号自乗回路により、入力されるアナログの交流信号Ｓ＝Ａｍ・sin（ωｔ）が交流信号Ｓ²＝｛Ａｍ・sin（ωｔ）｝²に変換され、アナログフィルタによりこの交流信号｛Ａｍ・sin（ωt）｝²のうち、直流成分Ａｍ²／２のみが抽出される。そして、レベル変換回路により直流成分の信号レベルがＡｍ／√（２）のレベルに変換されて出力される。

本発明に係る信号装置のブロック構成図である。 自乗回路の構成を示す図である。 ディジタルフィルタの具体的な構成例を示す図である。 交流信号を自乗した信号の信号成分とディジタルフィタルのフィルタ特性を示す図である。 （ａ）は自乗演算回路に入出力されるサンプリングデータの波形を示す図、（ｂ）はディジタルフィルタから出力されるサンプリングデータの波形を示す図である。 プラズマ処理システムの構成を示すブロック図である。 電圧／電流測定装置の基本構成を示すブロック図である。 電圧／電流測定装置におけるディジタル信号処理部の基本構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 信号処理装置
２ Ａ／Ｄ変換回路（信号変換手段）
３ 自乗演算回路（自乗信号生成手段）
４ ディジタルフィルタ（濾波手段）
５ 平方根演算回路（平方根信号生成段）
６ 高周波電源装置
７ インピーダンス整合装置
８ 電圧／電流測定装置
８１ アナログ信号処理部
８１ａ 電圧検出部（電圧信号検出手段）
８１ｂ 電流検出部（電流信号検出手段）
８２ ディジタル信号処理部
８２１ Ａ／Ｄ変換部
８２２ 適応型ディジタルフィルタ
８２３ 実効値演算装置（電圧用）
８２４ 実効値演算装置（電流用）
８２５ 位相差演算装置
９ プラズマチャンバー

Claims (5)

1. 入力される交流信号に所定の信号処理を行って当該交流信号の実効値を示す信号を生成する信号処理装置であって、
   前記交流信号を自乗した信号を生成する自乗信号生成手段と、
   前記自乗信号生成手段から出力される自乗信号のうち、直流成分の信号を抽出する濾波手段と、
   前記濾波手段により抽出された直流成分の信号に基づいて、当該直流成分のレベル値の平方根のレベル値を有する信号を生成する信号生成手段と、
   からなることを特徴とする信号処理装置。
2. 入力されるアナログの交流信号に所定の信号処理を行って当該交流信号の実効値を示す信号を生成する信号処理装置であって、
   前記交流信号を予め設定された所定の周期でサンプリングし、各サンプリングのレベル値を示すディジタル信号に変換する信号変換手段と、
   前記信号変換手段から各サンプリングのレベル値を示すディジタル信号が出力される毎に、当該ディジタル信号を用いて前記レベル値を自乗した値を演算し、その自乗値を示すディジタル信号を生成する自乗信号生成手段と、
   前記自乗信号生成手段から出力されるディジタル信号のうち、直流成分の信号を抽出する、ディジタルフィルタからなる濾波手段と、
   前記濾波手段から出力されるディジタル信号を用いて当該ディジタル信号のレベル値の平方根を演算し、その平方根値を示すディジタル信号を生成する平方根信号生成手段と、
   からなることを特徴とする信号処理装置。
3. 前記濾波手段は、単一の共振周波数を有するフィルタを複数個、縦続接続して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号処理装置。
4. 交流の電圧信号を検出する電圧信号検出手段と、
   請求項１〜３に記載の信号処理装置を備え、
   前記電圧信号検出手段で検出された電圧信号を前記信号処理装置で信号処理することにより前記電圧信号の実効値の信号を生成して出力することを特徴とする、電圧測定装置。
5. 交流の電流信号を検出する電流信号検出手段と、
   請求項１〜３に記載の信号処理装置を備え、
   前記電流信号検出手段で検出された電流信号を前記信号処理装置で信号処理することにより前記電流信号の実効値の信号を生成して出力することを特徴とする、電流測定装置。

Images