JP2008286551A - Voltage measurement circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧測定回路に係わり、とくに電圧信号源の出力インピーダンスによる測定誤差を除いた測定を行い得る電圧測定回路に関する。 The present invention relates to a voltage measurement circuit, and more particularly to a voltage measurement circuit capable of performing measurement without measurement errors due to output impedance of a voltage signal source.
電圧測定回路により電圧を測定する場合の信号源に計測器を接続した状態は、図6に示すように描くことができる。すなわち、出力インピーダンスがZ1で電圧V1の出力電圧を生じる信号源VSとして構成された電圧信号源SSに外部負荷Z2が接続されており、出力インピーダンスZ1に電流i1が流れ、外部負荷Z2には電流i2(=i1)が流れ、外部負荷Z2の両端間に電圧V2が生じる。 The state in which the measuring instrument is connected to the signal source when the voltage is measured by the voltage measuring circuit can be drawn as shown in FIG. That is, the output impedance is connected an external load Z 2 is the configured voltage signal source SS the output voltage of the voltages V 1 as a signal source VS generated by Z 1, current i 1 flows to the output impedance Z 1, external load Z is 2 current i 2 (= i 1) flows, the voltage V 2 generated across the external load Z 2.
このため、負荷Z2に現れる電圧V2は、
V2=V1−Z1i1
=V1−Z1i2 (1)
である。そして、上記式(1)の第2項(Z1i1,Z1i2)が誤差となる。
Therefore, the voltage V 2 appearing at the load Z 2 is
V 2 = V 1 −Z 1 i 1
= V 1 -Z 1 i 2 (1)
It is. Then, the second term (Z 1 i 1 , Z 1 i 2 ) of the above equation (1) is an error.
この負荷の有無による電圧の変化を軽減するため、図7に示すような演算増幅器を用いたインピーダンス変換器Aを用いた回路構成がある。これは、図6の回路における、出力インピーダンスZ1と外部負荷Z2との間にインピーダンス変換器Aを直列に挿入したものである。 In order to reduce the voltage change due to the presence or absence of the load, there is a circuit configuration using an impedance converter A using an operational amplifier as shown in FIG. This is obtained by inserting the impedance converter A in series between the circuit of Figure 6, the output impedance Z 1 and the external load Z 2.
図7に示した構成により、外部負荷Z2に現れる電圧は、信号源の電圧V1に高い精度で一致するようになる。ただし、演算増幅器Aの性能を限界とする差電圧が発生する。 The configuration shown in FIG. 7, the voltage appearing at the external load Z 2 will be consistent with high accuracy a voltage V 1 of the signal source. However, a differential voltage that limits the performance of the operational amplifier A is generated.
演算増幅器の性能の限界とは、直流電圧の場合、入力オフセット電圧が重畳されることであり、交流電圧の場合、周波数依存性による影響を受けることである。 The limit of the performance of the operational amplifier is that an input offset voltage is superimposed in the case of a DC voltage, and that it is affected by frequency dependence in the case of an AC voltage.
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、出力インピーダンスを有する信号源に入力インピーダンスを有する測定器を接続して誤差なく電圧測定することができる電圧測定回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object thereof is to provide a voltage measurement circuit capable of measuring a voltage without error by connecting a measuring instrument having an input impedance to a signal source having an output impedance. To do.
上記目的達成のため、本発明では、
出力インピーダンスを持ち電圧信号源に外部負荷を接続して、この外部負荷に印加される電圧を測定する電圧測定回路において、
前記外部負荷と並列に接続され、前記外部負荷に前記外部負荷への流入電流とほぼ等しい電流を供給する負性インピーダンス回路を接続した
ことを特徴とする電圧測定回路、
を提供するものである。
In order to achieve the above object, in the present invention,
In a voltage measurement circuit that has an output impedance and connects an external load to a voltage signal source and measures the voltage applied to the external load,
A voltage measuring circuit, connected in parallel with the external load, and connected to the external load a negative impedance circuit that supplies a current substantially equal to an inflow current to the external load;
Is to provide.
本発明は上述のように、外部負荷と並列に負性インピーダンス回路を接続して外部負荷への流入電流とほぼ等しい電流を供給するようにしたため、信号源から外部負荷に向かう電流が減じられて信号源の出力インピーダンスに通電することに起因した誤差を抑制することができる。 In the present invention, as described above, a negative impedance circuit is connected in parallel with the external load so as to supply a current substantially equal to the inflow current to the external load, so that the current from the signal source to the external load is reduced. An error caused by energizing the output impedance of the signal source can be suppressed.
図1は、本発明の基本的構成を示した回路図である。この回路は、図6に示した従来の電圧測定回路における外部負荷Z2に並列に負性インピーダンスZ3を接続したものである。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of the present invention. This circuit is obtained by connecting the negative impedance Z 3 in parallel with the external load Z 2 in the conventional voltage measurement circuit shown in FIG.
負性インピーダンスとは、「電圧が与えられると与えられた電圧に向かって、大きさが電圧に比例しインピーダンスの大きさに反比例する電流を流す」ものである。 The negative impedance is “when a voltage is applied, a current having a magnitude proportional to the voltage and inversely proportional to the magnitude of the impedance flows toward the given voltage”.
負性インピーダンスZ3は、図1、図2に示した電圧、電流で表わすと、
Z3=−V2/i2 (2)
となる。
Negative impedance Z 3 is 1, the voltage shown in FIG. 2, when represented by the current,
Z 3 = −V 2 / i 2 (2)
It becomes.
負性インピーダンスZ3は、電圧V2が印加されると電圧の印加方向に向かって電流を発生する。ただし、外部負荷Z2に流れる電流との間に、振幅および位相角の差が生じる。 Negative impedance Z 3 generates a current toward the voltage V 2 is applied to the voltage application direction. However, between the current flowing through the external load Z 2, the difference in amplitude and phase angle occurs.
これは、負性負荷の誤差であり、同相誤差、直角相誤差に分けた表記、つまり(α+jβ)とすると、負性インピーダンスZ3から流れる電流i3は、
i3=i2{1+(α+jβ)} (3)
となる。誤差の大きさは、負性インピーダンスZ3の公称値、周波数特性、温度等の環境依存性、経年変化等により定まる。
This is the error of the negative load, phase error, notation divided into quadrature phase error, i.e. when the (α + jβ), current i 3 flowing from the negative impedance Z 3 is
i 3 = i 2 {1+ (α + jβ)} (3)
It becomes. The magnitude of the error is determined nominal value of the negative impedance Z 3, a frequency characteristic, the environment dependency of the temperature, due to aging or the like.
図1に示した回路構成により、電圧信号源SSの出力インピーダンスZ1に流れる差電流をidとすると、
id=i3−i2
=i2{1+(α+jβ)}―i2
=i2(α+jβ)
<<V2/Z2 (4)
となる。そして、出力インピーダンスZ1における電圧降下をdvとすると、
dv=idZ1
=i2(α+jβ)Z1 (5)
と表わされ、これが負性インピーダンスを用いても抑制し切れなかった、電圧v1と測定電圧v2との差である。
The circuit configuration shown in FIG. 1, when the differential current flowing through the output impedance Z 1 of the voltage signal source SS and i d,
i d = i 3 −i 2
= I 2 {1+ (α + jβ)} − i 2
= I 2 (α + jβ)
<< V 2 / Z 2 (4)
It becomes. Then, a voltage drop in the output impedance Z 1 When d v,
d v = i d Z 1
= I 2 (α + jβ) Z 1 (5)
This is the difference between the voltage v 1 and the measured voltage v 2 that could not be suppressed even when negative impedance was used.
ただし、
(α+jβ)<<1 (6)
であるから、上記式(1)との比較で、
dv<<i2Z1 (7)
であり、誤差は効果的に抑制されたことになる。
However,
(Α + jβ) << 1 (6)
Therefore, in comparison with the above formula (1),
dv << i 2 Z 1 (7)
Thus, the error is effectively suppressed.
ここで、外部負荷Z2に対する負のインピーダンスZ3を実現する際、Z3をZ2と同形式の素子で実現すれば、負荷の電圧特性、電流特性、周波数特性または温度特性などを揃え易く、より高度な特性改善を実現することができる。 Here, when implementing the negative impedance Z 3 to the external load Z 2, if implemented by an element of the same format Z 3 and Z 2, the voltage characteristics of the load, current characteristics, easily aligned and frequency characteristics or temperature characteristics More advanced characteristic improvement can be realized.
図2ないし図6は、本発明に係る具体的回路構成例を示したものである。 2 to 6 show specific circuit configuration examples according to the present invention.
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図2は、抵抗分圧器RDを持った直流電圧源DSの電圧測定回路の構成例であり、直流電圧源VSに抵抗分圧器RDを接続し、分圧出力を外部負荷Z2に与える。一方、外部負荷Z2には、負性負荷NLを並列接続する。負性負荷NLは、増幅度が「A」である演算増幅器Aの出力電圧A・V2を負性インピーダンスZ3{=(A−1)Z2}を帰還素子として持った帰還回路に与える構成である。 Figure 2 is an exemplary configuration of a voltage measuring circuit of the DC voltage source DS having a resistive divider RD, a resistive divider RD connected to a DC voltage source VS, give divided output to the external load Z 2. On the other hand, the external load Z 2, are connected in parallel a negative load NL. The negative load NL gives the output voltage A · V 2 of the operational amplifier A having an amplification degree “A” to a feedback circuit having a negative impedance Z 3 {= (A−1) Z 2 } as a feedback element. It is a configuration.
この構成により、外部負荷Z2には、直流電源VSによる電流i2とほぼ等しい大きさの電流i3(≒i2)が流れるため、抵抗分圧器RDの一部をなす出力インピーダンスZ1を流れる電流は、差電流id(=i3−i2)となる。この結果、抵抗分圧器RDには差電流idが流れるのみであり、分圧器の分圧精度に近い値の電圧として測定することができる。 With this configuration, the external load Z 2 includes a DC power supply VS current i 3 of approximately equal size as the current i 2 by (≒ i 2) for flow, the output impedance Z 1 forming part of a resistive divider RD The flowing current is the difference current i d (= i 3 −i 2 ). As a result, the resistor divider RD is only flows difference current i d, can be measured as a voltage close to the partial pressure accuracy of the voltage divider values.
図3は、誘導分圧器IDを持った交流電圧源ASの電圧測定回路の構成例であり、交流電圧源VSに誘導分圧器IDを接続し、分圧出力を外部負荷Z2に与える。一方、外部負荷Z2には、負性負荷NLを接続する。負性負荷NLは、電圧増幅度が「1」の電力増幅器A(1)の出力電圧を昇圧変圧器Tに与えて、昇圧された出力電圧kV2(kは、昇圧倍数である)を負性インピーダンスZ3を帰還素子として持った帰還回路に与える構成である。負性インピーダンスZ3は、外部負荷Z2の値に対して
Z3=(k−1)Z2 (8)
なる値を持つ。
Figure 3 is an example of the configuration of the voltage measuring circuit of the induction voltage divider ID AC voltage source AS having, connect the inductive divider ID to an AC voltage source VS, give divided output to the external load Z 2. On the other hand, the external load Z 2, connecting the negative load NL. The negative load NL applies the output voltage of the power amplifier A (1) having the voltage amplification degree “1” to the step-up transformer T, and negatively increases the boosted output voltage kV 2 (k is a step-up multiple). it is configured to provide sexual impedance Z 3 to the feedback circuit having a feedback element. The negative impedance Z 3 is Z 3 = (k−1) Z 2 (8) with respect to the value of the external load Z 2.
Has the value
この構成により、外部負荷Z2には、交流電源VSによる電流i2とほぼ等しい大きさの電流i3(≒i2)が流れるため、誘導分圧器IDの一部をなす出力インピーダンスZ1には小さな電流が流れるのみとなる。この結果、誘導分圧器の分圧精度に近い値の電圧として測定することができる。 With this configuration, the external load Z 2, since the AC power source VS current i 3 of approximately equal size as the current i 2 by the (≒ i 2) flows, the output impedance Z 1 forming part of the inductive divider ID Only a small current flows. As a result, the voltage can be measured as a voltage close to the voltage dividing accuracy of the induction voltage divider.
この図3の回路において、外部負荷Z2が抵抗であればZ3も抵抗、外部負荷Z2が抵抗とコンデンサとの並列回路であればZ3も抵抗とコンデンサとの並列回路を想定している。ただし、外部負荷Z2は直列回路としても実現でき、その逆もあり得るので、Z2に対するZ3の構成には自由度がある。 In the circuit of FIG. 3, if the external load Z 2 is the resistance Z 3 the resistance, Z 3 if the parallel circuit of the external load Z 2 is a resistor and a capacitor also assumes a parallel circuit of a resistor and a capacitor Yes. However, the external load Z 2 can also be implemented as a series circuit, since the reverse is also there may, to the configuration of the Z 3 for Z 2 have the freedom degree.
電力増幅器A(1)の電圧増幅度が「1」でなく「A」倍であれば、
Z3=(Ak−1)Z2 (9)
であり、また、増幅度が「A」の増幅器のみ利用し、昇圧変圧器Tを用いない場合は、
Z3=(A−1)Z2 (10)
として負性インピーダンス回路を実現することができる。
If the voltage amplification factor of the power amplifier A (1) is not "1" but "A" times,
Z 3 = (Ak-1) Z 2 (9)
In addition, when using only an amplifier having an amplification degree of “A” and not using the step-up transformer T,
Z 3 = (A-1) Z 2 (10)
As a negative impedance circuit can be realized.
図4は、ある程度の高周波電圧を測定する構成例を示したもので、図3における誘導分圧器IDと外部抵抗(負荷)Rとを結ぶ線路を同軸ケーブルCにより構成し、図3における帰還素子を抵抗(k−1)R’およびコンデンサ(k−1)C’の並列回路として構成したものである。 FIG. 4 shows a configuration example for measuring a certain high-frequency voltage. The line connecting the induction voltage divider ID and the external resistance (load) R in FIG. 3 is configured by the coaxial cable C, and the feedback element in FIG. Is configured as a parallel circuit of a resistor (k−1) R ′ and a capacitor (k−1) C ′.
ここで、同軸ケーブルCは容量10000pFであり、容量C’は同軸ケーブルと概ね等しい容量を有し、抵抗Rは抵抗値100kΩであり、抵抗R’は抵抗Rと概ね等しい抵抗値を有するものであり、kは昇圧変圧器Tの変成比である。 Here, the coaxial cable C has a capacity of 10,000 pF, the capacity C ′ has a capacity substantially equal to that of the coaxial cable, the resistance R has a resistance value of 100 kΩ, and the resistance R ′ has a resistance value substantially equal to the resistance R. K is the transformation ratio of the step-up transformer T.
図5(a),(b)は、図4に示した回路の、10Hzないし10000Hzに範囲における周波数対比誤差および周波数対位相角の実測特性図である。何れも実線で示した特性は、図4の負性インピーダンスを接続した回路により得られたものであり、破線で示した特性は、同軸ケーブルC(10000pF)および外部抵抗R(100kΩ)を接続したのみの回路により得られたものである。 FIGS. 5A and 5B are measured characteristic diagrams of frequency contrast error and frequency versus phase angle in the range of 10 Hz to 10000 Hz of the circuit shown in FIG. All the characteristics shown by the solid line are obtained by the circuit with the negative impedance shown in FIG. 4 connected, and the characteristics shown by the broken line are the coaxial cable C (10000 pF) and the external resistor R (100 kΩ) connected. It was obtained by the circuit of only.
この実線の特性を破線の特性と比較することにより、比誤差および位相角をともに大幅に改善することができた。 By comparing the characteristic of the solid line with the characteristic of the broken line, both the ratio error and the phase angle can be greatly improved.
Z1 出力インピーダンス
Z2 外部負荷
Z3 負性インピーダンス
VS 電圧源
SS 電圧信号源
RD 抵抗分圧器
NL 負性インピーダンス
DS 直流信号源
A 電圧増幅器
A(1) 電力増幅器
ID 誘導変圧器
R,R’ 抵抗
C,C’ 容量
v 電圧
i 電流
Z 1 output impedance Z 2 external load Z 3 negative impedance VS voltage source SS voltage signal source RD resistance voltage divider NL negative impedance DS DC signal source A voltage amplifier A (1) power amplifier ID induction transformer R, R 'resistance C, C 'capacity v voltage i current
Claims (3)
前記外部負荷と並列に接続され、前記外部負荷に前記外部負荷への流入電流とほぼ等しい電流を供給する負性インピーダンス回路を接続した
ことを特徴とする電圧測定回路。 In a voltage measurement circuit that has an output impedance and connects an external load to a voltage signal source and measures the voltage applied to the external load,
A voltage measurement circuit, connected in parallel with the external load, and connected to the external load a negative impedance circuit that supplies a current substantially equal to an inflow current to the external load.
前記負性インピーダンス回路は、
負性インピーダンスの帰還回路を有する電圧増幅器により構成されたことを特徴とする電圧測定回路。 The voltage measuring circuit according to claim 1,
The negative impedance circuit is:
A voltage measuring circuit comprising a voltage amplifier having a negative impedance feedback circuit.
前記負性インピーダンス回路は、
電圧増幅度が1である電力増幅器と、
前記電力増幅器の出力電圧を昇圧比kで昇圧した電圧に変換する昇圧変圧器と、
前記昇圧変圧器の昇圧出力を帰還させる帰還回路と
をそなえた電圧測定回路。 The voltage measuring circuit according to claim 1,
The negative impedance circuit is:
A power amplifier having a voltage amplification factor of 1,
A step-up transformer that converts the output voltage of the power amplifier into a voltage boosted by a step-up ratio k;
A voltage measurement circuit comprising: a feedback circuit that feeds back the boost output of the step-up transformer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007129635A JP2008286551A (en) | 2007-05-15 | 2007-05-15 | Voltage measurement circuit |
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Cited By (1)
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CN102288802A (en) * | 2010-05-12 | 2011-12-21 | 吉歌网络有限公司 | Method and circuit for measuring voltage |
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2007
- 2007-05-15 JP JP2007129635A patent/JP2008286551A/en active Pending
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