JP2018063254A - 被試験デバイスの入力インピーダンスを求める方法及び波形測定装置 - Google Patents

被試験デバイスの入力インピーダンスを求める方法及び波形測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】AFGの波形を観測しながら、DUTの入力インピーダンスを測定する。
【解決手段】任意波形ファンクション生成部(AFG)100で、周波数fの正弦波信号を生成し、AFGのBNC出力端子184にマッチング負荷で終端した同軸ケーブルを接続した状態で、波形分析部200によって、BNC出力端子184の電圧を測定し、AFGの第1電圧Vmea_nomを得る。次に、同軸ケーブルがオープン負荷で終端された状態で、BNC出力端子184の電圧を測定して第2電圧Vmea_openを得て、複素数比kを計算する。更に、同軸ケーブルがDUTで終端された状態で第3電圧Vmea_loadを得て、複素数比kを計算する。そして、k及びkを用いて、DUTの入力インピーダンスを算出する。
【選択図】図1

Description

本発明は、被測定デバイス(DUT)の電気的な入力インピーダンス測定のための装置及び方法に関し、特に、波形を測定する手法を利用したDUTの電気的入力インピーダンス測定のための装置及び方法に関する。
任意波形ファンクション生成装置(AFG)は、電気回路の設計や試験のために、ユーザが定義した連続的な又はバーストによる数学的関数(ファンクション)波形信号を生成する用途で広く利用されている。AFGは、その動作周波数レンジにおいて、典型的には、50オームの出力インピーダンスを有している。AFGの出力信号をDUT(被試験デバイス)に供給して、DUTを試験する場合、DUTの入力インピーダンスが、AFGで生成された出力信号に影響を与えることが知られている。
特開2003−279609号公報 特開2004−198415号公報 特開2017−75932号公報
「AFG3000Cシリーズ任意波形/ファンクション・ジェネレータ」の紹介ページ、[online]、テクトロニクス社、[2017年10月13日検索]、インターネット<URL:https://jp.tek.com/signal-generator/afg3000-function-generator> 「TTR500 ベクトル ネットワーク アナライザ (VNA)」の紹介ページ、[online]、テクトロニクス社、[2017年10月10日検索]、インターネット<URL:https://jp.tek.com/ttr500> 「オシロスコープ」の紹介ページ、[online]、テクトロニクス社、[2017年10月13日検索]、インターネット<URL:https://jp.tek.com/oscilloscope>
広い周波数レンジに渡るDUTのインピーダンスを測定するには、典型的には、ベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA)が必要である。しかし、VNAからは、DUTに実際に印加された波形信号の情報は得られない。従って、AFGの波形を観測しながら、DUTのインピーダンスを測定することは、実現できていないままである。
本発明の実施形態は、これら及び他の課題を解決しようとするものである。
図1は、本発明の実施形態による波形観測機能を有する任意波形ファンクション生成装置のブロック図である。 図2は、インピーダンス測定を実行するために、本発明の実施形態で使用される種々の例示的な測定を示すブロック図である。 図3は、本発明の実施形態で使用される例示的な工程を示すフローチャートである。
本発明の実施形態には、被試験デバイス(DUT)上のアクティブな信号について、ケーブルの特性をディエンベッドしながら、リアルタイムで波形観測を行う技術が含まれる。また、本発明の実施形態は、ユーザがDUTの入力インピーダンスを求めて、動作を最適化し、問題を取り除くために、回路の特性を求めることを可能にする。後述のように、本発明の実施形態を使うことで、波形の観測とインピーダンス測定の両方を1台のAFG装置で実施することが可能になる。
図1は、本発明の実施形態による任意波形ファンクション生成部(AFG)を含む試験システムのブロック図である。なお、図1に示すシステム全体を、例えば、1台の任意波形ファンクション生成装置として実現しても良い。AFG100は、回路やデバイスの設計と試験を行う際に役立つ任意のカスタムな及び標準的な波形信号を生成する。本発明の実施形態の説明は、AFGと関連させて行うが、波形を生成する任意のタイプの装置を使用できる。AFG100は、通常、信号増幅器180の出力端子に出力信号182を生成する。特定の所望の出力信号は、ユーザによって選択される。選択されると、時間/位相アドレス・マッパ120は、波形メモリ140中に所望の信号の中間形式を記憶するためのアドレスを生成する。アドレス・マッパ120は、システム・クロック110からの入力を受けて、波形メモリ140に入力されるアドレス・データとクロック・データの両方を生成する。高速デジタル・アナログ・コンバータ(DAC)160のようなデジタル・アナログ変換回路は、波形メモリ140からのデジタル信号をアナログ信号に変換する。波形再構成フィルタ170のようなフィルタは、アナログ信号が信号増幅器180に送られて出力信号182として出力される前にアナログ信号をフィルタ処理する。
AFG100からの出力信号182は、図示しない被試験デバイス(DUT)へ送ることができる。これによると、都合の良いことには、出力信号182を、図1に示す波形分析部200のような波形分析測定回路で分析することにより、AFGのBNC出力端子184に結合されたDUTの入力インピーダンスが求められる。
図1に示す波形分析部200には、入力信号を受ける高インピーダンスの増幅器210がある。この場合、波形分析部200への入力信号は、AFG100の出力信号182である。AFG100の出力信号182は、また、DUTに供給されても良い。波形分析部200への入力信号は、アナログ・デジタル・コンバータ(ADC)230に供給される前に、アンチ・エイリアシング・フィルタ220を通過する。ADC230は、アナログ信号をクロック信号及びデータ信号(波形データ)を含むデジタル信号に変換する。これらデータ信号及びクロック信号は、波形アクイジション(波形取り込み)コントローラ240に供給される。また、波形アクイジション・コントローラ240には、AFG100と波形分析部200との間に結合されたシンクロナイザ(トリガ生成回路)190で導出されたトリガ信号も供給される。トリガ信号は、基準位相として利用される。波形アクイジション・コントローラ240は、波形アクイジション・メモリ250に結合される。波形データは、波形ディエンベッド部260に送られ、表示装置(図示せず)に送られる前に、ケーブルの特性などをディエンベッドするようにしても良い。表示装置は、ディエンベッドされた波形データをユーザに波形として視覚的に表示する。
本発明の実施形態は、DUTに提供される波形を測定及び分析することによって、AFG100の出力端子184に結合されたDUTの入力インピーダンスを測定できる。
図2は、インピーダンス測定を実行するために、本発明の実施形態で使用される種々の例示的な測定を示すブロック図である。図3は、波形観測に基づいて、DUTの入力インピーダンスを求めるのに利用できる例示的な工程を説明する例示的なフローチャート300である。図2及び3を参照して、本発明の実施形態を説明する。DUTの入力インピーダンス測定における最初のステップ302では、AFG100の出力端子184における出力信号の電圧が測定される。AFG100は、典型的には、BNC(Bayonet Neill-Concelman)コネクタを有する同軸ケーブルを通してDUTと接続されるので、AFGの出力端子184は、BNC出力端子と呼ばれることもある。
より具体的には、ある実施形態では、最初の工程302において、BNC出力端子184に同軸ケーブルを結合し、更に、この同軸ケーブルの負荷とマッチングした負荷(マッチング負荷、つまり、マッチング負荷のインピーダンスは、同軸ケーブルの特性インピーダンスZに等しい)を同軸ケーブルに結合した状態、言い換えると、同軸ケーブルをマッチング負荷で終端した状態で、AFG100が周波数fの正弦波(サイン)信号を生成しているときに、出力端子184の電圧を測定し、同期した波形アクイジション(波形取り込み)によって、AFG100の公称出力電圧Vmea_nomという複素測定結果を生成する。言い換えると、Vmea_nomは、次のように複素形式で表すことができる。
Figure 2018063254
ここで、同期トリガ信号が基準位相として利用される。
次に、工程304では、同軸ケーブルがオープン負荷で終端された状態で、同期した波形アクイジション(取り込み)によって、周波数fの正弦波信号について、出力端子184の電圧を測定する。即ち、信号は、負荷で完全に反射され、公称出力電圧(Vmea_nom)に対する測定結果(Vmea_open)の複素数比kが、工程306において、次のように計算できる。
Figure 2018063254
ここで、αは、未知の減衰係数であり、βは、未知の波形数、lは、同軸ケーブルの未知の長さである。
工程302、304及び306は、全周波数レンジをスキャンし、特定の周波数ステップΔf毎に同軸ケーブルのkの特性を求めるために、異なる周波数で繰り返される。周波数ステップΔfは、通常、周波数に応じて定められる。図3では、この処理に関し、工程308において、全周波数レンジがスキャンされたか判断するとして示されている。もしAFG100の全周波数レンジがスキャンされていないのなら、工程310において周波数が変更され、この新しい周波数を用いて、工程302、304及び306が繰り返される。上述のように、周波数は、工程310において、周波数ステップΔfで変更される。
次に、AFG100は、DUTに接続され、工程312では、同軸ケーブルがDUTで終端された状態で、周波数fの正弦波信号について、出力端子182の電圧を測定する。次いで、工程314では、同期波形アクイジションによって、AFG100の公称出力電圧(Vmea_nom)に対する測定結果(Vmea_load)の複素数比kが、次の数式に従って計算される。
Figure 2018063254
ここで、ZDUTは、DUTの未知の入力インピーダンスである。
工程312及び314は、全周波数レンジをスキャンし、特定の周波数ステップΔf毎に同軸ケーブルのkの特性を求めるために、異なる周波数で繰り返される。周波数ステップΔfは、通常、周波数に応じて定められる。図3では、この処理に関し、工程316において、全周波数レンジがスキャンされたか判断するとして示されている。もしAFG100の全周波数レンジがスキャンされていないのなら、工程318において周波数が変更され、この新しい周波数を用いて、工程312及び314が繰り返される。上述のように、周波数は、工程318において、周波数ステップΔfで変更される。
工程302〜318を利用してk及びkl特性を求めた後、工程320では、周波数fの正弦波信号について、数式4を利用して、特性を求めたk及びklの値を使用して、DUTの複素入力インピーダンスを求める。
Figure 2018063254
サンプルされた周波数の全てについて工程320を実行することによって、AFG100の全周波数レンジが、特定周波数ステップΔf毎に、DUTの入力インピーダンスであるZDUT(2πf)の特性を完全に求めるのに利用される。なお、特定周波数ステップΔfは、周波数に依存して決定される。
別の実施形態では、上述の周波数スキャンの測定処理を速くするために、正弦波信号の代わりに、パルス信号又は他の任意波形信号を利用することも実現可能である。この処理は、Vmea_nom、Vmea_open、Vmea_load、kO、lのフーリエ変換により周波数領域へ変換する計算を行うことを除けば、先の処理とほぼ同じであり、これによって、図2及び数式5に示すように、周波数依存複素インピーダンスがZDUT得られる。
Figure 2018063254
DUTの入力インピーダンスの特性を求めるのに、上述のように正弦波信号の代わりにパルス信号を代用すると、正弦波信号よりもパルス信号の方が速く分析できるので、測定時間を節約できる。しかし、このパルス信号(矩形波信号)による方法は、ノイズの影響を受けやすいので、正弦波による方法よりも精度では劣る。
上述の実施形態は、図1に示すシステム全体を、例えば、1台のAFG装置として実現可能である。しかし、実際にこうしたAFG装置等を製造する前に、上述したインピーダンス測定が現実に動作すること検証した手法を以下に説明する。即ち、本願出願人である米国テクトロニクス社(Tektronix, Inc.)が製造販売するAFG3252C型任意波形/ファンクション・ジェネレータ(非特許文献1参照、以下、単にAFGとも呼ぶ)と、同、MSO4104B型オシロスコープ(以下、単にMSOとも呼ぶ)とを使用して、以下に示すインストラクションに従うことでエミュレートできる。
1)AFGに10MHz、1Vpp(ピーク・トゥ・ピーク電圧)、50オームの出力信号を設定すると共に、AFGのトリガ出力信号をMSOの波形アクイジションに利用する。
2)AFGからのケーブルをMSOに接続し、MSOの終端を50オームに設定し、AFGのBNC出力端子の電圧をプローブで測定する。
3)ケーブルをMSOの入力端子から外してケーブルをオープンのままにし、AFGのBNC出力端子の電圧をプローブで測定する。
4)DUTにケーブルを(例えば、並列な複数のBNC−BNC型50オーム負荷(MSOの入力インピーダンスを含めて)のケーブルを利用して)接続し、DUTをMSOの1つのチャンネルに接続し、そのチャンネルを50オーム終端に設定し、次いで、プローブを使って別のチャンネルでAFGのBNC出力端子の電圧を測定する。
5)図2及び3を参照して説明した工程を利用して、DUTの入力インピーダンスを算出する。これは、以下の表1に示すように、エラーの絶対値が11%未満であることを示す。
Figure 2018063254
上記エミュレーションのエラーの原因としては、以下のものが有り得る。
a)トリガ・エラー:オシロスコープが、AFGと非同期で動作しているのが原因
b)測定エラー:例えば、位相エラー、振幅エラー、プローブによる外乱(disturbance:擾乱)など
c)システム・エラー:負荷、AFG及びケーブルの理想インピーダンス値は、推定である
本発明の実施形態は、先の段落において「a」及び「b」でリストアップしたエラーの原因の大部分を除去できる。また、「c」のエラーについても、AFG100の出力インピーダンス、負荷インピーダンス及びケーブル・インピーダンスの変動を最小化することによって、低減するようにできる。言い換えると、本発明の実施形態は、現在実現可能なレベルに比較して、大幅に高いレベルで測定精度を改善するであろう。
上述の手法を用いることで、DUTの入力インピーダンスを、波形の観測結果から求めることができる。DUTの実際の波形と共に、DUTのインピーダンスの情報によって、AFGは、DUTについて動作を最適化し、問題を取り除くために、回路の特性を求めることができるようになる。
本発明の実施形態は、特別に制作されたハードウェア、ファームウェア、デジタル・シグナル・プロセッサ、又はプログラムされた命令に従って動作するプロセッサを含む特別にプログラムされた汎用コンピュータ上で動作できる。本願で使用する「コントローラ」又は「プロセッサ」という用語は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ASIC、及び専用ハードウェア・コントローラを含むことを意図している。本発明の1つ以上の態様は、1つ以上のコンピュータ(モニタリング・モジュールを含む)又は他のデバイスによって実行される1つ以上のプログラム・モジュールなどのコンピュータ使用可能データ及びコンピュータ実行可能命令で実施できる。一般に、プログラム・モジュールは、特定のタスクを実行するルーチン又はプログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含み、コンピュータ又は他のデバイスのプロセッサによって実行されるときに特定の抽象データ型を実現する。コンピュータ実行可能命令は、ハードディスク、光ディスク、リムーバブル記憶媒体、ソリッド・ステート・メモリ、RAM等のような非一時的なコンピュータ可読媒体に記憶されてもよい。当業者には理解されるように、様々な実施形態において、必要に応じて、プログラム・モジュールのうちの1つを組み合わせるか、又は分散させることができる。更に、機能は、集積回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)などのようなファームウェア又はハードウェア同等物において全体的又は部分的に実現できる。特定のデータ構造を使用して、本発明の1つ以上の態様をより効果的に実施することができ、そのようなデータ構造は、本願に記載されたコンピュータ実行可能命令及びコンピュータ使用可能データの範囲内で考えられる。
開示された主題の前述のバージョンは、上述したか、又は、当業者には明らかであろう多くの効果を有する。そうだとしても、開示された装置、システム又は方法の全てバージョンにおいて、これらの効果又は特徴の全てが必要とされるわけではない。
更に、本願は、特定の特徴に言及している。本願における開示は、それらの特定の特徴の全ての可能な組み合わせを含むと理解されるべきである。例えば、特定の特徴が、特定の態様又は実施形態という状況において開示されている場合、その特徴は、可能な限り、他の態様及び実施形態の状況においても使用できる。
また、本願において、2つ以上の定義された工程又は動作を有する方法を参照する場合、定義された工程又は動作は、状況がそれらの可能性を排除しない限り、任意の順序で又は同時に実行できる。
説明の都合上、本発明の特定の実施形態を図示し説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な改変がなされ得ることが理解されよう。
本発明の概念1は、出力端子から波形情報である試験波形を供給する波形生成部と、該波形生成部の上記出力端子に結合される入力端子を有する波形測定部とを含む回路網における被試験デバイス(DUT)の電気的な入力インピーダンスを求める方法であって、
上記波形生成部の上記出力端子にケーブルを結合すると共に、上記ケーブルの負荷とマッチングするマッチング負荷を上記ケーブルに結合する処理と、
1つ以上の周波数において、上記試験波形の第1電圧を測定する処理と、
上記波形生成部の上記出力端子をオープン負荷に結合する処理と、
上記周波数と同じ1つ以上の周波数において、上記試験波形の第2電圧を測定する処理と、
上記ケーブルの上記負荷と同じ負荷を有するケーブルを介して上記波形生成部の上記出力端子を上記DUTに結合する処理と、
上記周波数と同じ1つ以上の周波数において、上記試験波形の第3電圧を測定する処理と、
上記第1、第2及び第3電圧の測定値(それぞれ、第1測定値、第2測定値及び第3測定値)から上記DUTの上記入力インピーダンスを求める処理と
を具えている。
本発明の概念2としては、上記概念1による電気的な入力インピーダンスを求める方法があり、上記マッチング負荷を用いた上記試験波形の上記測定値(第1測定値)と、上記オープン負荷を用いた上記試験波形の上記測定値(第2測定値)とを用いた測定結果として複素数比kを求める処理を更に具えている。
本発明の概念3としては、上記概念1又は2による電気的な入力インピーダンスを求める方法があり、上記マッチング負荷を用いた上記試験波形の上記測定値(第1測定値)と、上記波形生成部を上記DUTに結合したときの上記試験波形の上記測定値(第3測定値)とを用いた測定結果として複素数比kl を求める処理を更に具えている。
本発明の概念4としては、上記概念3による電気的な入力インピーダンスを求める方法があり、上記複素数比kと上記複素数比klとを用いて、上記DUTの上記入力インピーダンスを求める処理を更に具えている。
本発明の概念5としては、上記概念3による電気的な入力インピーダンスを求める方法があり、このとき、上記DUTの上記入力インピーダンスを求める処理が、測定された上記周波数の少なくとも1つについて、上記周波数をfとして、上記数式5を解く処理を有している。
本発明の概念6としては、上記概念1による電気的な入力インピーダンスを求める方法があり、このとき、上記試験波形は、正弦波信号である。
本発明の概念7としては、上記概念1による電気的な入力インピーダンスを求める方法があり、このとき、上記試験波形は、パルス波形(矩形波)信号である。
本発明の概念8は、波形生成部の出力端子に結合され、上記波形生成部によって生成される試験信号の情報を入力として受けて、被試験デバイス(DUT)の電気的な入力インピーダンスを求める波形測定装置であって、
上記波形生成部の上記出力端子をケーブルの負荷とマッチングしているマッチング負荷に結合しているときに、1つ以上の周波数において、上記試験波形の第1電圧を測定する第1測定装置と、
上記波形生成部の上記出力端子をオープン負荷に結合しているときに、1つ以上の同じ周波数において、上記試験波形の第2電圧を測定する第2測定装置と、
上記ケーブルの上記負荷とマッチングする負荷を有するケーブルを介して上記波形生成部の上記出力端子を上記DUTに結合しているときに、上記周波数と同じ1つ以上の周波数において、上記試験波形の第3電圧を測定する第3測定装置と、
上記第1測定装置、上記第2測定装置及び上記第3測定装置によって測定された上記第1電圧、上記第2電圧及び上記第3電圧から、上記DUTの電気的な上記入力インピーダンスを求めるよう構成されるプロセッサと
を具えている。
本発明の概念9は、上記概念8の波形測定装置であって、このとき、上記プロセッサが、上記第1測定装置及び上記第2測定装置の上記第1電圧及び第2電圧の測定値を用いた測定結果として複素数比kを求めるよう構成されている。
本発明の概念10は、上記概念8又は9の波形測定装置であって、このとき、上記プロセッサが、上記第1測定装置及び上記第3測定装置の上記第1電圧及び上記第3電圧の測定値を用いた測定結果として複素数比kを求めるよう構成されている。
本発明の概念11は、上記概念10の波形測定装置であって、このとき、上記プロセッサが、上記複素数比kと上記複素数比klとから、上記DUTの上記入力インピーダンスを求めるよう構成されている。
本発明の概念12は、上記概念8の波形測定装置であって、このとき、上記プロセッサが、上記数式5を解くことによって、上記DUTの上記入力インピーダンスを求めるよう構成されている。
本発明の概念13は、上記概念8の波形測定装置であって、このとき、上記試験波形は、正弦波信号である。
本発明の概念14は、上記概念8の波形測定装置であって、このとき、上記試験波形は、パルス波形(矩形波)信号である。
100 任意波形ファンクション生成部(AFG)
110 システム・クロック生成部
120 時間/位相アドレス・マッパ
140 波形メモリ
160 高速デジタル・アナログ・コンバータ(DAC)
170 波形再構成フィルタ
180 信号増幅器
182 出力信号
184 AFGのBNC出力端子
190 シンクロナイザ(トリガ生成回路)
200 波形分析部(波形測定部)
210 高インピーダンス増幅回路
220 アンチ・エイリアシング・フィルタ
230 アナログ・デジタル・コンバータ(ADC)
240 波形アクイジション・コントローラ
250 波形アクイジション・メモリ
260 波形ディエンベッド部

Claims (5)

  1. 出力端子から波形情報である試験波形を供給する波形生成部と、該波形生成部の上記出力端子に結合される入力端子を有する波形測定部とを含む回路網における被試験デバイス(DUT)の電気的な入力インピーダンスを求める方法であって、
    上記波形生成部の上記出力端子をケーブルの負荷とマッチングしているマッチング負荷に結合する処理と、
    1つ以上の周波数において、上記試験波形の第1電圧を測定する処理と、
    上記波形生成部の上記出力端子をオープン負荷に結合する処理と、
    上記周波数と同じ1つ以上の周波数において、上記試験波形の第2電圧を測定する処理と、
    上記ケーブルの上記負荷と同じ負荷を有するケーブルを介して上記波形生成部の上記出力端子を上記DUTに結合する処理と、
    上記周波数と同じ1つ以上の周波数において、上記試験波形の第3電圧を測定する処理と、
    上記第1、第2及び第3電圧の測定値から上記DUTの上記入力インピーダンスを求める処理と
    を具える被試験デバイスの入力インピーダンスを求める方法。
  2. 上記マッチング負荷を用いた上記試験波形の上記測定値と、上記オープン負荷を用いた上記試験波形の上記測定値とを用いた測定結果として複素数比kを求める処理を更に具える請求項1による被試験デバイスの入力インピーダンスを求める方法。
  3. 上記マッチング負荷を用いた上記試験波形の上記測定値と、上記波形生成部を上記DUTに結合したときの上記試験波形の上記測定値とを用いた測定結果として複素数比klを求める処理を更に具える請求項1又は2による被試験デバイスの入力インピーダンスを求める方法。
  4. 上記kと上記klとを用いて、上記DUTの上記入力インピーダンスを求める処理を更に具える請求項3による被試験デバイスの入力インピーダンスを求める方法。
  5. 波形生成部の出力端子に結合され、上記波形生成部によって生成される試験信号の情報を入力として受けて、被試験デバイス(DUT)の電気的な入力インピーダンスを求める波形測定装置であって、
    上記波形生成部の上記出力端子をケーブルの負荷とマッチングしているマッチング負荷に結合しているときに、1つ以上の周波数において、上記試験波形の第1電圧を測定する第1測定装置と、
    上記波形生成部の上記出力端子をオープン負荷に結合しているときに、上記周波数と同じ1つ以上の周波数において、上記試験波形の第2電圧を測定する第2測定装置と、
    上記ケーブルの上記負荷とマッチングする負荷を有するケーブルを介して上記波形生成部の上記出力端子を上記DUTに結合しているときに、上記周波数と同じ1つ以上の周波数において、上記試験波形の第3電圧を測定する第3測定装置と、
    上記第1測定装置、上記第2測定装置及び上記第3測定装置によって測定された上記第1電圧、上記第2電圧及び上記第3電圧から、上記DUTの電気的な上記入力インピーダンスを求めるよう構成されるプロセッサと
    を具える波形測定装置。
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