JP2012211883A - 測定装置、信号測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を出力し、試験信号に対する測定信号から各周波数成分を抽出する際の処理負荷を軽減する。
【解決手段】試験信号を出力する試験信号出力部と、測定信号をサンプリングするサンプリング部と、サンプルデータから、周波数成分を抽出する周波数成分抽出部とを備え、試験信号出力部が出力する試験信号は、ナイキスト周波数以下であるｆ₁…ｆ_qの周波数信号と、ナイキスト周波数超であるｆ_q+1…ｆ_nの周波数信号とを重畳した信号であり、かつｆ_q+1…ｆ_nについて折り返しで出現する周波数それぞれが、ｆ₁…ｆ_qのいずれの周波数および折り返しで出現する他のいずれの周波数とも異なる信号であり、周波数成分抽出部は、折り返しで出現した周波数のそれぞれを、その周波数に基づいてｆ_q+1…ｆ_nのいずれかの周波数に対応付けて周波数成分を抽出する測定装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に係り、特に、被測定物に交流信号を印加し、被測定物に生じる電位差と、被測定物に流れる電流とから被測定物のインピーダンスを測定するのに適した測定装置および信号測定方法に関する。

電池等の被測定装置（DUT:Device under test）の性能を測るため、インピーダンスを測定することが一般的に行なわれている。このようなインピーダンス測定では、図４に示すように、ＤＵＴ３００に対して、発振器３１０からある周波数の交流信号を印加し、電圧計３２０でＤＵＴ３００の端子電圧を測定し、電流計３２０でＤＵＴ３００に流れる電流を測定する。そして、測定された電圧値を電流値で割ることによりその周波数におけるインピーダンスを算出する。

また、材料の特性評価、劣化診断等においては、複数の周波数についてインピーダンスを測定し、横軸を実部、縦軸を虚部とする複素平面上に各周波数における複素インピーダンスを表示する場合が多い。特に、虚部の極性を逆にしたものは、Cole-cole plotと呼ばれ、電気化学分野で多用されている。図５は、Cole-cole plotの一例を示す図である。

複数の周波数についてインピーダンスを測定する場合、各周波数について個別に測定を実施すると多くの測定時間を要することなる。このため、異なる複数の周波数信号を重畳した合成波形を入力し、測定信号のサンプリングデータに対してＤＦＴ（discrete Fourier transform）演算を行なうことにより各周波数の信号成分を抽出して、周波数毎のインピーダンスを算出することが行なわれている。図６は、異なる複数の周波数信号を重畳してＤＵＴ３００に印加する合成波形を生成する例を示しており、図６（ａ）に示す１Ｈｚの信号と、図６（ｂ）に示す１０Ｈｚの信号と、図６（ｃ）に示す１００Ｈｚの信号とを重畳して、図６（ｄ）に示す合成波形を生成している。

特開２００４−１６３３４４号公報

複数の周波数信号を重畳した合成波形を用いることにより、それぞれの周波数信号を１つずつ掃引する測定法よりも測定時間を短縮することができる。しかしながら、測定信号のサンプリングデータの取得に際し、最も周波数の高い信号成分に対しても十分なサンプル点数を確保する必要から、最高周波数の少なくとも２倍、現実的には１０倍程度のサンプリングレートが要求される。このため、高性能のＡＤ変換器を用いなければならず、コスト上昇を招来する。

また、最も周波数の高い信号成分に対して十分なサンプル点数を確保すると、他の周波数の信号成分に対しては過剰なサンプル点数でデータが取得され、結果として、ＤＦＴ演算やデータ転送の負荷が大きくなり、ＤＦＴ演算やデータ転送に長い時間を要することになっていた。

そこで本発明は、複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を出力し、試験信号に対する測定信号から各周波数成分を抽出する際の処理負荷を軽減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の測定装置は、複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を出力する試験信号出力部と、前記試験信号に対する測定信号をサンプリング周波数ｆ_sでサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部により得られたサンプルデータから、周波数成分を抽出する周波数成分抽出部とを備え、前記試験信号出力部が出力する試験信号は、前記サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数以下であるｆ₁…ｆ_qの周波数信号と、ナイキスト周波数超であるｆ_q+1…ｆ_nの周波数信号とを重畳した信号であり、かつｆ_q+1…ｆ_nについて折り返しで出現する周波数それぞれが、前記ｆ₁…ｆ_qのいずれの周波数および折り返しで出現する他のいずれの周波数とも異なる信号であり、前記周波数成分抽出部は、折り返しで出現した周波数のそれぞれを、その周波数に基づいてｆ_q+1…ｆ_nのいずれかの周波数に対応付けて周波数成分を抽出することを特徴とする。

ここで、前記測定信号は、電流信号と電圧信号であり、抽出された周波数成分毎にインピーダンスを算出するインピーダンス演算部をさらに備えるようにしてもよい。

上記課題を解決するため、本発明の信号測定方法は、複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を出力する試験信号出力ステップと、前記試験信号に対する測定信号をサンプリング周波数ｆ_sでサンプリングするサンプリングステップと、前記サンプリング部により得られたサンプルデータから、周波数成分を抽出する周波数成分抽出ステップとを含み、試験信号出力ステップにおいて出力する試験信号は、前記サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数以下であるｆ₁…ｆ_qの周波数信号と、ナイキスト周波数超であるｆ_q+1…ｆ_nの周波数信号とを重畳した信号であり、かつｆ_q+1…ｆ_nについて折り返しで出現する周波数それぞれが、前記ｆ₁…ｆ_qのいずれの周波数および折り返しで出現する他のいずれの周波数とも異なる信号であり、前記周波数成分抽出ステップは、折り返しで出現した周波数のそれぞれを、その周波数に基づいてｆ_q+1…ｆ_nのいずれかの周波数に対応付けて周波数成分を抽出することを特徴とする。

本発明によれば、複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を出力し、試験信号に対する測定信号から各周波数成分を抽出する際の処理負荷を軽減することができる。

本実施形態に係るインピーダンス測定装置の構成例を示すブロック図である。 試験信号のスペクトラムとサンプリングデータのスペクトラムとを示す図である。 シミュレーションの結果を示す図である。 ＤＵＴのインピーダンスを測定する回路例を示す図である。 Cole-cole plotの一例を示す図である。 異なる複数の周波数信号を重畳してＤＵＴに印加する合成波形を生成する例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、本発明の測定装置をインピーダンス測定装置に適用した場合について説明する。図１は、本実施形態に係るインピーダンス測定装置１０の構成例を示すブロック図である。

インピーダンス測定装置１０は、複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号をＤＵＴ２０に出力し、ＤＵＴ２０に流れる電流およびＤＵＴ２０の端子電圧を測定する。そして、測定信号をサンプリングして、サンプリングデータからＤＦＴ演算によって各周波数成分を抽出する。このときのサンプリングレートは、試験信号に含まれる最高周波数よりも低い周波数とすることができる。このため、サンプルデータ数を減らすことができ、ＤＦＴ演算やデータ転送の負荷を軽減することができる。そして、抽出された電流と電圧の周波数成分から各周波数におけるＤＵＴ２０のインピーダンスを算出する。

本図に示すように、インピーダンス測定装置１０は、試験信号出力部１１０、電流測定部１２０、電圧測定部１３０、サンプリング部１４０、周波数成分抽出部１５０、電流データ格納部１６０、電圧データ格納部１７０、インピーダンス演算部１８０、測定結果出力部１９０を備えている。なお、試験信号出力部１１０と、サンプリング部１４０と、周波数成分抽出部１５０とで本発明の測定装置１００として機能する。

インピーダンス測定装置１０は、ＣＰＵ、メモリ、補助記憶装置、入出力装置等を備えたＰＣ等の情報処理装置を用いて構成することができ、インピーダンス測定装置１０が備える機能ブロックは、ソフトウェアによって実現してもよいし、ハードウェアによって実現してもよい。

試験信号出力部１４０は、複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を生成して、ＤＵＴ２０に出力する。複数の異なる周波数は、後述する条件を満たすように設定されている。

電流測定部１２０は、試験信号を印加されたＤＵＴ２０に流れる電流を測定する。電圧測定部１３０は、試験信号を印加されたＤＵＴ２０の端子電圧を測定する。

サンプリング部１４０は、電流測定部１２０および電圧測定部１３０の測定結果を示すアナログ信号を、サンプリング周波数ｆ_sでサンプリングする。上述のように、サンプリング周波数ｆ_sは、試験信号に含まれる最高周波数よりも低い周波数とすることができる。

周波数成分抽出部１５０は、サンプリング部１４０で得られた測定電流のサンプルデータと、測定電圧のサンプルデータとに対してＤＦＴ演算を施すことにより、所望の周波数成分を抽出する。そして、抽出された周波数成分を試験信号に含まれている周波数に対応付けて、試験信号に含まれているそれぞれの周波数における電流値および電圧値とする。

なお、ＤＦＴ（離散フーリエ変換：discrete Fourier transform）演算では、対象とする区間を基本周波数の周期とすれば、波形ｆ_iにおける基本周波数の倍数成分ｃ_k（ｋ＝１，２，３）を、［数１］にしたがって計算することができる。ここで、ｋ＝１は基本周波数である。つまり、合波信号において、ｋ＝１，２，３…を順次計算することにより、基本周波数の倍数成分の振幅と位相とを抽出することができる。

電流データ格納部１６０は、周波数成分抽出部１５０により抽出された各周波数における電流値を格納し、電圧データ格納部１７０は、周波数成分抽出部１５０により抽出された各周波数における電圧値を格納する。

インピーダンス演算部１８０は、電流データ格納部１６０に格納された周波数毎の電流値と、電圧データ格納部１７０に格納された周波数毎の電圧値とから周波数毎のインピーダンスを演算する。測定結果出力部１９０は、インピーダンス演算部１８０の演算結果を表示装置に表示したり、電子データとして出力したり、印刷出力する。

次に、本実施形態の特徴部分である、試験信号として重畳する周波数信号と、サンプリング周波数ｆ_sとの関係について説明する。

一般に、サンプリング周波数ｆ_sの１／２の周波数は、ナイキスト周波数と呼ばれ、ナイキスト周波数以下の周波数成分は、忠実に再現できるのに対し、ナイキスト周波数を超える周波数成分は、折り返し（エイリアシング）という現象が生じる。この結果、ナイキスト周波数を超える周波数成分ｆについて、ＤＦＴ演算の結果、［数２］に示すようなｆ_image（Ｎ）という周波数成分が抽出されることになる。ここで、Ｎは、任意の整数である。

本実施形態では、ナイキスト周波数を超える周波数成分ｆを、ｆ_image（Ｎ）を抽出することにより間接的に抽出する。このため、試験信号に含まれる周波数信号を、サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数よりも高くすることができる。これは、本実施形態のインピーダンス測定装置１０が、測定データから未知の周波数成分を抽出するのではなく、既知の周波数成分を抽出するものであることから実現できるものである。

ただし、得られた周波数成分と元の周波数成分とを対応付けることができるようにするために、試験信号に以下のような制約を設けるものとする。

すなわち、本実施形態において試験信号は、サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数以下であるｆ₁…ｆ_qの周波数信号と、ナイキスト周波数超であるｆ_q+1…ｆ_nの周波数信号とを重畳した信号であり、かつｆ_q+1…ｆ_nについて折り返しで出現する周波数それぞれが、前記ｆ₁…ｆ_qのいずれの周波数および折り返しで出現する他のいずれの周波数とも異なる周波数信号を重畳した信号とする。この条件を満たす限り、重畳する周波数信号の数に制限はない。

また、周波数成分抽出部１５０は、ＤＦＴ演算の結果得られた各周波数成分について、以下のような手順により、試験信号に含まれる周波数信号に対応付けるものとする。

すなわち、サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数以下であるｆ₁…ｆ_qの周波数と同じ周波数成分については、そのまま周波数ｆ₁…ｆ_qに対応付け、それ以外の周波数成分については、得られた周波数成分を折り返しで出現させるｆ_q+1…ｆ_nいずれかの周波数に対応付ける。

例えば、サンプリング周波数ｆ_sを１００Ｈｚとし、試験信号として、１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１０３Ｈｚ、１００４Ｈｚの重畳信号を用いた場合について説明する。ここで、試験信号に含まれる１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１０３Ｈｚ、１００４Ｈｚおよびサンプリング周波数ｆ_sの１００Ｈｚは、上述の条件を満たしている。すなわち、ナイキスト周波数超の１０３Ｈｚ、１００４Ｈｚについて折り返しで出現する周波数は３Ｈｚ、４Ｈｚであり、ナイキスト周波数以下である１Ｈｚと１０Ｈｚとも異なっている。

図２の上段は、試験信号の周波数スペクトラムを示したものであり、サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数以下に１Ｈｚと１０Ｈｚが分布し、ナイキスト周波数超に１０３Ｈｚと１００４Ｈｚとが分布している。

図２の下段は、測定信号のサンプリングデータの周波数スペクトラムを示したものである。ナイキスト周波数以下の１Ｈｚと１０Ｈｚの成分は、そのまま１Ｈｚと１０Ｈｚに表われ、ナイキスト周波数超の１０３Ｈｚと１００４Ｈｚの成分は、折り返されて３Ｈｚと４Ｈｚとに表われている。なお、本例の場合、サンプリング区間は最低周波数１Ｈｚの１周期分とすれば、１０Ｈｚ、３Ｈｚ、４Ｈｚそれぞれの信号の整数周期分となり、正確なＤＦＴ演算が可能となる。

周波数成分抽出部１５０は、１Ｈｚ、１０Ｈｚの周波数成分は、そのまま１Ｈｚ、１０Ｈｚの周波数成分とし、３Ｈｚ、４Ｈｚの周波数成分を、１０３Ｈｚ、１００４Ｈｚに対応付けることで、試験信号に含まれる各周波数についての測定データを得ることができる。

このように、本実施形態では、サンプリング周波数ｆ_sを、試験信号に含まれる最高周波数よりも低い周波数とすることができる。このため、サンプルデータ数を減らすことができ、ＤＦＴ演算やデータ転送の負荷を軽減することができるのに加え、演算時間も短縮される。また、高価なＡＤ変換器や多量のメモリ容量が不要となるため、コスト削減を実現することができる。

ここで、［数３］で表わされる重畳信号を用いたシミュレーション結果について説明する。

図３（ａ）は、重畳信号の波形を示しており、図３（ｂ）は、１００Ｈｚのサンプリング周波数で重畳信号を１秒間サンプリングした結果を示している。また、図３（ｃ）は、［数３］において、ｆ₁＝１Ｈｚ、ｆ₂＝１０Ｈｚ、ｆ₃＝３Ｈｚ、ｆ₄＝４Ｈｚとしたときの波形を示しており、図３（ｂ）において、１０３Ｈｚ、１００４Ｈｚが３Ｈｚ、４Ｈｚに折り返されて出現していることが分かる。

図３（ｄ）は、サンプリングデータに対して［数４］に示すＤＦＴ演算を行ない、演算結果を元の周波数に対応付けて複素平面上にプロットした図である。本図から、ｆ₁＝１Ｈｚ、ｆ₂＝１０Ｈｚ、ｆ₃＝１０３Ｈｚ、ｆ₄＝１００４Ｈｚの各周波数について、振幅情報、位相データとも正確に抽出されていることが分かる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限られず、種々の態様をとることができる。例えば、試験信号出力部１１０からの出力信号は、電圧信号だけではなく、電流信号としてもよい。また、電圧測定部１３０、電流測定部１２０の信号をフィードバックすることにより、所望の信号をＤＵＴ２０に印加するようにしてもよい。

また、本発明の測定装置１００は、電池、コンデンサ等の電子部品、人間の体脂肪、生物の細胞等のインピーダンス測定のみならず、コンクリート、鉄鋼の強度診断等に広く適用することができる。

１０…インピーダンス測定装置
２０…ＤＵＴ
１００…測定装置
１１０…試験信号出力部
１２０…電流測定部
１３０…電圧測定部
１４０…サンプリング部
１４０…試験信号出力部
１５０…周波数成分抽出部
１６０…電流データ格納部
１７０…電圧データ格納部
１８０…インピーダンス演算部
１９０…測定結果出力部
３００…ＤＵＴ
３１０…発振器
３２０…電圧計
３２０…電流計

Claims (3)

1. 複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を出力する試験信号出力部と、
   前記試験信号に対する測定信号をサンプリング周波数ｆ_sでサンプリングするサンプリング部と、
   前記サンプリング部により得られたサンプルデータから、周波数成分を抽出する周波数成分抽出部とを備え、
   前記試験信号出力部が出力する試験信号は、
   前記サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数以下であるｆ₁…ｆ_qの周波数信号と、ナイキスト周波数超であるｆ_q+1…ｆ_nの周波数信号とを重畳した信号であり、かつｆ_q+1…ｆ_nについて折り返しで出現する周波数それぞれが、前記ｆ₁…ｆ_qのいずれの周波数および折り返しで出現する他のいずれの周波数とも異なる信号であり、
   前記周波数成分抽出部は、
   折り返しで出現した周波数のそれぞれを、その周波数に基づいてｆ_q+1…ｆ_nのいずれかの周波数に対応付けて周波数成分を抽出すること、
   を特徴とする測定装置。
2. 前記測定信号は、電流信号と電圧信号であり、
   抽出された周波数成分毎にインピーダンスを算出するインピーダンス演算部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 複数の異なる周波数信号を重畳した試験信号を出力する試験信号出力ステップと、
   前記試験信号に対する測定信号をサンプリング周波数ｆ_sでサンプリングするサンプリングステップと、
   前記サンプリング部により得られたサンプルデータから、周波数成分を抽出する周波数成分抽出ステップとを含み、
   試験信号出力ステップにおいて出力する試験信号は、
   前記サンプリング周波数ｆ_sのナイキスト周波数以下であるｆ₁…ｆ_qの周波数信号と、ナイキスト周波数超であるｆ_q+1…ｆ_nの周波数信号とを重畳した信号であり、かつｆ_q+1…ｆ_nについて折り返しで出現する周波数それぞれが、前記ｆ₁…ｆ_qのいずれの周波数および折り返しで出現する他のいずれの周波数とも異なる信号であり、
   前記周波数成分抽出ステップは、
   折り返しで出現した周波数のそれぞれを、その周波数に基づいてｆ_q+1…ｆ_nのいずれかの周波数に対応付けて周波数成分を抽出すること、
   を特徴とする信号測定方法。