JP2017003425A - ノイズ電圧測定装置およびノイズ電圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一般的なオシロスコープや、安価な測定器を用いて電源線間の電圧の高周波成分の電圧値を測定する手段を提供すること。
【解決手段】交流電源により動作する測定対象機器と交流電源との間の電源線に挿入され、該測定対象機器のノイズ電圧を測定するノイズ電圧測定装置であって、前記交流電源の出力電圧に対応した周波数成分と振幅を持つ同相の参照電圧を生成する参照電圧生成部と、前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧の一方に前記生成した参照電圧を加算して得られる測定用の交流電圧と電源線の交流電圧の他方から差動出力を得る差動出力部とを備え、前記差動出力部は、前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧から前記生成した参照電圧を差し引いた値の電圧を対地電位に変換し測定装置に出力することを特徴とするノイズ電圧測定装置。
【選択図】図２

Description

本発明はノイズ電圧を測定するノイズ電圧装置およびノイズ電圧測定方法に関する。

電気機器が接続されている電源線に重畳するノイズ電圧を測定する方法として、例えばJEITAのスイッチング電源試験方法（AC-DC）には雑音端子電圧測定方法が規定されている（非特許文献１）。

しかし雑音端子電圧測定には、高価なスペクトラムアナライザが必要である。また疑似電源回路網を使用する際に基準大地（グランド）に接続する必要がある。適切なグランドに接続しないと測定値が安定しないが、測定現場によっては適切なグランドに接続することが困難な場合もある。雑音端子電圧測定に代わる手段として電源線の線間電圧を測定する手法もある。線間電圧を測定するため、グランドの品質は測定結果に影響しない。オシロスコープ等の測定器を用いてスイッチング周波数で振動する交流成分のピーク電圧を測定すれば高価なスペクトラムアナライザは必要ない。

スイッチング電源技術専門委員会、"JEITAのスイッチング電源試験方法（AC-DC）"、[online]、一般社団法人電子情報技術産業協会、[平成２７年５月１４日検索]、インターネット（http://www.jeita.or.jp/japanese/standard/book/RC-9131C）

しかし、測定対象の線間には、商用電源（日本国内ではピーク電圧約141V）が接続されている。評価したいスイッチング周波数の電圧値は数m〜数十mVであるため、そのまま測定しようとすると測定器には、15bit以上の分解能を持つか、141V以上のオフセットを持ちつつ10mV/DIV程度の測定レンジを設定できる必要がある。高周波成分のみ分離・抽出する手法もある。一般的にはハイパスフィルタやノッチフィルタを用いるが、商用電源周波数において十分な減衰量を確保すると、測定したい周波数成分についても減衰してしまうことがある。

本発明の目的は、評価したい周波数帯域を減衰させることなく、商用電源周波数成分のみを減衰させることで、一般的なオシロスコープや、安価な測定器を用いて電源線間の電圧の高周波成分の電圧値を測定する手段を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、交流電源により動作する測定対象機器と交流電源との間の電源線に挿入され、該測定対象機器のノイズ電圧を測定するノイズ電圧測定装置であって、前記交流電源の出力電圧に対応した周波数成分と振幅を持つ同相の参照電圧を生成する参照電圧生成部と、前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧の一方に前記生成した参照電圧を加算して得られる測定用の交流電圧と電源線の交流電圧の他方から差動出力を得る差動出力部とを備え、前記差動出力部は、前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧から前記生成した参照電圧を差し引いた値の電圧を対地電位に変換し測定装置に出力することを特徴とするノイズ電圧測定装置である。

他の実施形態に記載の発明は、測定対象機器と商用電源との間の電源線に挿入されたノイズ電圧測定装置により測定対象機器のノイズ電圧を測定するノイズ電圧測定方法であって、前記商用電源の出力電圧に対応した周波数成分と振幅を持つ同相の参照電圧を生成する第１のステップと、前記測定対象機器と交流電源との間の交流電圧の一方に前記生成した参照電圧を加算して得られる測定用の交流電圧と電源線の交流電圧の他方から差動出力を得る第２のステップとを含み、前記第２のステップは、前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧から前記生成した参照電圧を差し引いた値の電圧を対地電位に変換し測定装置に出力することを特徴とするノイズ電圧測定方法である。

第１の実施形態にかかるノイズ電圧測定装置の構成例を示す図である。 ノイズ電圧測定装置測定時の接続状態を示す図である。 第２の実施形態のノイズ電圧測定装置の構成例を示す図である。 参照電圧生成部の構成例を示す。 第３の実施形態にかかるノイズ電圧測定装置の測定時における接続状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
(第１の実施形態)
本実施形態では、商用電源周波数（50/60Hz）の交流電圧に重畳されたスイッチング周波数成分の微小な電圧を分離するため、測定用プローブ（ノイズ電圧測定装置）の内部に商用電源周波数交流電圧と同等の参照電圧を生成する回路を持ち、測定対象部分の電圧と参照電圧との差分を出力する。この構成により、測定対象の周波数成分を減衰させることなしに、商用電源の電圧成分だけを減衰させることができる。

図１はノイズ電圧測定装置の要部構成例を示す図であり、図２は、第１の実施形態にかかるノイズ電圧測定装置の構成例を示す図である。ノイズ電圧測定装置１００は、測定対象の電源線へ接続される入力接続端子１０、１１と、オシロスコープなどの測定器へ接続される出力接続端子１２との間に、電源電圧をキャンセルするための参照電圧を生成する参照電圧生成部１３と、生成した参照電圧の振幅を調整する電圧振幅調整部１４と、入力接続端子１０、１１に接続された２線間の電圧を対地電圧値に変換し出力する差動出力部１５とを主に備えた構成である。本実施形態のノイズ電圧測定装置１００は、さらに図２に示すように、商用電源２２からのノイズをカットするノイズカットトランス１６を備えている。

図２に示すように、ノイズ電圧測定装置１００は、交流電圧で動作する測定対照機器２１と商用電源２２との間に挿入して接続され、測定対象機器２１が発生させる電源線へのノイズ電圧を測定する。商用電源２２からの電圧信号がノイズカットトランス１６を介して、図１に示す要部構成に入力される構成となる。

ノイズカットトランス１６は、商用電源２２（50/60Hz、100Vrms）の電圧成分を通過させ、高周波帯域の電圧成分を減衰させる。すなわち。ノイズカットトランス１６があることにより、商用電源２２に接続される他の機器から発せられるノイズ電圧が測定器へ入ることを防ぐことができる。測定対象機器２１とノイズカットトランス１６の間の２つの電源線のそれぞれの電源電圧が、図１に示すノイズ電圧測定装置の要部構成における入力接続端子１０、１１に電気的に接続されることとなる。入力接続端子１０、１１間には、商用電源電圧と測定対象機器２１が発するノイズ電圧とが足しあわせられた電圧が発生することとなる。

参照電圧生成部１３は、参照電圧発生回路において商用電源２２の周期的な出力電圧と周波数と位相が揃った参照電圧を発生させ、PORT1から入力される電位に、発生した参照電圧を加算させた電位を、PORT3から出力することが出来る。参照電圧の周波数と位相は、PORT1とPORT2の間に発生する電圧と等しくなるように自動的に調整される。

電圧振幅調整部１４は、参照電圧生成部１３のport４と接続されており、参照電圧生成部１３で発生する参照電圧の振幅を調整する。具体的には、参照電圧の電圧値が商用電源２２の電圧値と等しくなるように調整することができる。出力接続端子１２に接続された測定器において測定された値を見ながら調整してもよいし、商用電源として既知の例えば１４１Vなどの値に設定してもよい。電圧振幅調整部１４は、外部からの操作によって手動もしくは自動で設定値を変更できるユーザインタフェースを備え、使用者が任意に参照電圧の振幅を調整できる。参照電圧生成部１３に接続される商用電源２２の電圧振幅と生成した参照電圧振幅との間に差があった場合、電圧振幅調整部１４を用いることで、その差をなくすことができる。

差動出力部１５は、２つの入力ポート（PORT5、PORT６）から入力される２つの入力電圧の差動電圧を出力する。差動出力部１５の入力ポート5（PORT5）には、片方の入力接続端子１０の電圧が入力される。入力ポート6（PORT６）にはもう一方の入力接続端子１１の電圧に参照電圧が加算された電圧が印加される。したがって入力ポート5と入力ポート6の間の電圧は測定対象機器２１と商用電源２２との間の２本の電源線間の電圧値から参照電圧値を差し引いた値になる。参照電圧と商用電源２２の電圧を等しくしておけば、入力ポート5と入力ポート6の間の電圧のうち商用電源２２の電圧成分だけを完全になくすことができる。

差動出力部１５では、入力ポート5、入力ポート6の間に発生する電圧を、基準大地面（グランド）からの電位に変換し出力する。出力された電圧値をオシロスコープやその他の測定器で観測することで測定対象から発せられるノイズ電圧を評価することが可能となる。測定器に印加される電圧からは商用電源周波数の高電圧成分は除去されているため、測定器はダイナミックレンジが小さい安価な測定器で測定することが出来る。

なお、本実施形態では、測定対象機器２１から発せられるノイズ電圧を評価する構成としたが、測定対象機器２１とノイズカットトランス１６を使用せず、図１に示すノイズ電圧測定装置の要部構成のみを入力接続端子１０、１１を介して商用電源２２の２線に接続すれば、商用電源２２に混入しているノイズや、商用電源電圧の歪みを評価することもできる。

また、参照電圧に任意の電圧値（振幅、周波数、位相）を設定することで、商用電源以外の任意の電圧成分を減衰させることもできる。

以上の構成により、ハイパスフィルタを用いずに商用電源周波数成分の影響を受けなくすることで、一般的なオシロスコープや、安価な測定器を用いて電源線間の電圧の高周波成分の電圧値を測定することが出来る。すなわち、本実施形態では、測定対象の周波数成分を減衰させることなしに、商用電源の電圧成分だけをカットすることができる。

（第２の実施形態）
測定対象が接続されている商用電源の波形がもともと歪んでいる場合、商用電源起因の歪みも同時にカットできることが望ましい。そこで、第２の実施形態では、第１の実施形態における任意の参照電圧を生成する方法に代えて、商用電源の歪みも含めた参照電圧を生成する構成とした。

第１の実施形態のノイズ電圧測定装置においては、参照電圧は歪みのない正弦波であった。ノイズカットトランスは通常、ｋＨｚ、ＭＨｚ帯の高周波は減衰させるが、１ｋＨｚ以下の低周波（歪み成分）は通過させてしまうため、第１の実施形態では、出力値には商用電源の歪み成分も含まれることになる。測定対象機器からのノイズのみを評価するためには商用電源の歪み成分も減衰させ、出力値に含まれないことが望ましい。

図３は、第２の実施形態のノイズ電圧測定装置の構成例を示す図である。本実施形態のノイズ電圧測定装置１０１は、第１の実施形態のノイズ電圧測定装置１００において、商用電源は歪みのないものとした参照電圧を生成する参照電圧生成部１３に代えて商用電源の歪みも含めた参照電圧を生成する参照電圧生成部１８を設けている点で第１の実施形態の構成と異なる。本実施形態のノイズ電圧測定装置１０１は、測定対照機器２１のノイズ電圧をカットするノイズカットトランス１７をさらに設けて、２つのノイズカットトランス１６、１７の間の線間電圧を参照電圧生成部１８に入力し、測定対照機器２１の線間電圧を参照電圧生成部１８を介して差動出力部１５に入力される電圧信号とした。図３において、第１の実施形態のノイズ電圧測定装置と同一の符号は同一の構成を示し、その説明は省略する。

参照電圧生成部１８は、PORT1から入力される電位に対し、PORT21、PORT22の間の電圧と等しい振幅と位相を有する参照電圧を加算した値をPORT3に出力する。PORT1から入力される電位には、歪み成分も含んだ商用電源電圧と測定対象機器２１から発せられるノイズ電圧とが足し合わせられた電圧が発生していることとなる。

参照電圧生成部１８のPORT21、PORT22には、ノイズカットトランス１６、１７を介して、商用電源２２および測定対象機器２１が接続されている。このため、kHz帯以上の高周波成分は減衰されており、1kHz未満の商用電源周波数およびその歪み成分の電圧のみ、PORT21,PORT22の間に生じる。このPORT21,PORT22の間に生じた電圧を参照電圧としてPORT1からの電位に加算した電位をPORT3に出力することにより、差動出力部１５の出力値は、測定対象機器２１から発せられるノイズ電圧のみとなる。

参照電圧生成部１８において、PORT21、PORT22の間の電圧と等しい振幅と位相を有する参照電圧を生成する方法については限定しないが、例えば図4のように同じ極性をもつトランスを使うことで実現することが可能である。

本実施形態において電圧調整部１４は必ずしも必要ないが、ノイズカットトランスの性能によって、商用電源の周波数成分の振幅も減衰する場合があり、その時、電圧調整部１４を用いることにより減衰した分の振幅を補正することが出来る。

本実施形態のノイズ電圧測定装置によれば、測定対象の周波数成分を減衰させることなしに、商用電源起因の歪みも同時にカットできる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、第２の実施形態のノイズ電圧測定装置１０１において、差動出力部１５に入力される測定対象機器２１とノイズカットトランス１７との間の線間電圧を商用電源と擬似的に同じインピーダンスにするインピーダンス擬似回路を介した構成とし、かかる線間電圧のノイズ電圧を測定することで、商用電源に直接接続した時と同じノイズ電圧を測定することを可能な構成としている。図５は、第３の実施形態にかかるノイズ電圧測定装置１０２の構成例を示す図である。

第２の実施形態の構成では、測定対象機器２１と商用電源２２の間にノイズカットトランス１６、１７があるため、ｋＨｚ、ＭＨｚ周波数帯においては、測定対象機器２１から見た電源線のインピーダンスは非常に高くなる。このため、商用電源に直接測定対象機器を接続した場合と、間にノイズカットトランスを挟んだ場合で測定対象から発せられるノイズ電圧が異なってくる場合がある。そこで、第３の実施形態においては、図５に示すように第２の実施形態のノイズ電圧測定装置による測定時の配線構成に、測定対象機器２１とノイズカットトランス１６の間にインピーダンス擬似回路２４を配置して測定を行う。インピーダンス擬似回路２４は、測定対象機器側からみたインピーダンスを商用電源のインピーダンスと同程度にしておくことで、商用電源に直接接続した時と等しいノイズ電圧を測定することができる。

以上の実施形態では、電源が商用電源である場合のみを例に挙げて説明したが、交流電源であればよく、商用に限定されない。

１０、１１ 入力接続端子
１２ 出力接続端子
１３、１８ 参照電圧生成部
１４ 電圧振幅調整部
１５ 差動出力部
１６、１７ ノイズカットトランス
１００、１０１、１０２ ノイズ電圧測定装置

Claims (6)

1. 交流電源により動作する測定対象機器と交流電源との間の電源線に挿入され、該測定対象機器のノイズ電圧を測定するノイズ電圧測定装置であって、
   前記交流電源の出力電圧に対応した周波数成分と振幅を持つ同相の参照電圧を生成する参照電圧生成部と、
   前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧の一方に前記生成した参照電圧を加算して得られる測定用の交流電圧と電源線の交流電圧の他方から差動出力を得る差動出力部とを備え、
   前記差動出力部は、前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧から前記生成した参照電圧を差し引いた値の電圧を対地電位に変換し測定装置に出力することを特徴とするノイズ電圧測定装置。
2. 前記電圧生成部で生成する電圧の振幅を調整する電圧振幅調整部をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のノイズ電圧測定装置。
3. 前記交流電圧に含まれる商用電源のノイズ電圧をカットする第１のノイズカットトランスをさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のノイズ電圧測定装置。
4. 前記交流電圧に含まれる測定対照機器のノイズ電圧をカットする第２のノイズカットトランスをさらに備え、
   前記参照電圧生成部は、前記第１および第２のノイズカットトランスによりノイズ電圧をカットした電圧に対応する参照電圧を生成することを特徴とする請求項３に記載のノイズ電圧測定装置。
5. 前記差動出力部において変換される前記交流電圧を前記商用電源と擬似的に同じインピーダンスにするインピーダンス擬似回路をさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載のノイズ電圧測定装置。
6. 測定対象機器と商用電源との間の電源線に挿入されたノイズ電圧測定装置により測定対象機器のノイズ電圧を測定するノイズ電圧測定方法であって、
   前記商用電源の出力電圧に対応した周波数成分と振幅を持つ同相の参照電圧を生成する第１のステップと、
   前記測定対象機器と交流電源との間の交流電圧の一方に前記生成した参照電圧を加算して得られる測定用の交流電圧と電源線の交流電圧の他方から差動出力を得る第２のステップとを含み、
   前記第２のステップは、前記測定対象機器と交流電源との間の電源線の交流電圧から前記生成した参照電圧を差し引いた値の電圧を対地電位に変換し測定装置に出力することを特徴とするノイズ電圧測定方法。