JP2554511B2 - ベクトル電流計 - Google Patents

ベクトル電流計

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は広帯域、高感度ベクトル電流計に関する。本
発明のベクトル電流計は、広帯域、高感度の電圧計やイ
ンピーダンス計としても応用される。本明細書における
ベクトル電流計とはある電流を同一周波数の電流あるい
は電圧に対する比として出力する測定器である。
〔従来技術とその問題点〕
広帯域、高感度ベクトル電流計の用途は多岐に渉る。
入力端子に抵抗を接続して電圧・電流変換すれば、その
抵抗の値を知って入力電圧を測定できる。
また、横河・ヒューレット・パッカード株式会社から
市販されているHP4274A:マルチ・フリケンシLCRメータ
などの電子素子測定器の広帯域ハーフ・ブリッジ回路の
主要部などとしても用いられている。第5図はその広帯
域ハーフ・ブリッジ回路を用いたインピーダンス測定器
としてのベクトル電流計である。
第5図において、交流信号源1で発生された交流信号
は、信号源抵抗2を介して、3つの成分に分流される。
第1の分流された成分は第1径路4を介してベクトル電
圧比計17へ導入され、第2の成分は被測定素子3(DUT3
と呼称する)を介して増幅器7の反転入力端子に導入さ
れ、第3の成分は径路5を介して信号分配回路9に導入
される。
増幅器7と帰還抵抗8は電流・電圧変換回路を構成し
ており、DUT3と基準抵抗6を介して入力される電流を電
圧に変換して位相検波器10,11のそれぞれの一方の端子
に入力する。位相検波器10,11のそれぞれの他方の入力
端子は信号分配器9から出力され互いは90゜位相の異る
前記交流信号と同一周波数の駆動信号により励振され
る。
位相検波器10,11の出力はそれぞれ積分器12,13により
平滑増幅され、それぞれ変調器14,15の一方の端子に導
入され、位相検波器10,11に入力された互いに90゜位相
の異る信号を変調して加算器16に入力せしめる。加算器
16の出力は基準抵抗6を介して増幅器7の反転入力端子
に入力される。DUT3を流れる電流は全て基準抵抗6を通
るように構成されており、増幅器7の反転入力端子は仮
想接地点となる。ベクトル電圧比計17は、加算器16の出
力と径路4を介してDUT3の駆動交流電圧を入力し、後者
に対する前者のベクトル比を計算する。ベクトル電圧比
の計算は前記HP4274A等で広く実施されており周知の技
術であるから、説明を省略する。なお、ベクトル比は2
入力の振幅比と位相差によって表わされることは言うま
でもない。
DUT3の駆動交流電圧をV3,加算器16の出力交流電圧をV
16とすると、DUT3のインピーダンスZは、基準抵抗6の
抵抗値R6をパラメータとして、次のように求められる。
上記の式において〔 〕内がベクトル電圧比を表す。
同様にして、DUT3を流れる電流I3をV3に対するベクトル
比で表せば、 一般に、V3,V16は信号分配器9からの第3入力V9に対す
るベクトル電圧比としてそれぞれが求められ、しかる後
V3とV16のベクトル電圧比がそれらから求められる。
(式2)の場合は、ベクトル電流はアドミタンスであ
る。
以上のような従来技術には、下記のような欠点があ
る。
(1) ベクトル電圧比計が必要であって、コスト,ス
ペースが必要となる。
(2) 第5図のベクトル電圧比計を除くブリッジ部が
安定した後にベクトル電圧比の計算を開始するので、測
定時間が長くなる。
(3) 高周波におけるブリッジ部の安定性の確保が困
難である。
〔発明の目的〕
従って本発明の目的は、デジタル信号処理装置(DS
P)を用いることにより、ベクトル電圧比計が不要で、
小型、高速で廉価なベクトル電流計を提供し、上記の欠
点を解消することにある。
〔発明の概要〕
本発明の一実施例によれば、(一般にはIC化された)
デジタル信号処理装置(DSP)が、ブリッジ部の順方向
増幅路に設けられる。DSPはマイクロプロセッサにより
制御されており、ブリッジ部の校正係数と動作の安定化
に必要ないくつかのパラメータが与えられている。
DSPはブリッジの平衡時の内部状態変数をマイクロプ
ロセッサに与えることにより、求めるZや1/Zを計算す
ることができる。マイクロプロセッサ内蔵のDSPではそ
の計算もDSP内で行うことができる。
〔発明の実施例〕
第1図と第2図は本発明の第1,第2の一実施例のブロ
ック図であり、第3図はそれらのシステム・モデルであ
り、第4図はより一般的な第3の実施例のシステム・モ
デルである。第1図から第5図を通して、同等の機能と
同等の性能を有する部分には同一の参照番号を付してあ
る。
第1図において、増幅器7の出力はアナログ・デジタ
ル変換器(ADC)21によりデジタル信号に変換されてDSP
23に入力される。DSP23の内部はデジタル位相検波器P1,
P2,アナログ積分器をシミュレートするデジタル積分器
としての累算器S1,S2増幅度を与える利得調整器K1,K2
ら構成されている。DSP23の利得調整K1,K2の出力はそれ
ぞれ4象限乗算形デジタル・アナログ変換器(MDAC)2
4,25にそれぞれ入力される。MDAC25,24には、DUT3の駆
動交流電圧とその90゜移相した信号電圧も入力されてお
り、MDAC24,25の出力は加算器16で加算される。90゜移
相器26は入力信号移相を90゜推移させてMDAC24に入力す
る。
また、デジタル位相検波器P1,P2には、DSP23内部で発
生された(あるいは外部より受信した)デジタル正弦波
(SIN)、デジタル余弦波(COS)が入力され、ADC21の
出力との乗算が行われる。
本ベクトル電流計に必要なタイミング信号は、タイミ
ング発生器22から駆動電圧V3に同期して出力され、それ
を必要とするデジタル素子、デジタル・アナログ混在素
子に分配される。
ADC21の変換レートは入力信号のナイキスト・レート
より十分大きなオーバーサンプリングを行うのが好まし
い。第2図の回路ではタイミング発生器22と同等なタイ
ミング発生器32のタイミングに従うDSP33の内部に復調
用のデジタル変調器M1,M2とデジタル加算器Aが設けら
れ、その出力はデジタル・アナログ変換器(DAC)35に
おいて基準直流電圧VRに比例した交流出力に変換され
る。DSP33の内部構成はDSP33が行う処理のアルゴリズム
を等価的に示したものであり、図示の方法が唯一でない
ことは勿論である。また順方向増幅を行う場合に位相調
整を行うときは、図示しないが、S1,S2の出力からK2,K1
の出力への径路が追加して設けられる。その径路におい
て、信号には係数が乗ぜられるが、その処理はK1,K2
おけると同様である。
第1図の第1の実施例と第2図の第2の実施例の長所
欠点は以下の通りである。
第1の実施例では、信号源1の出力レベル変動に抱わ
らずベクトル電流比が求められる。それは、V3が変化す
るとMDAC24,25への入力も比例して変化するためであ
る。又MDAC24,25の動作も信号振幅の調整であり、交流
駆動電圧と同じ周波数の信号の瞬時値に応答する必要は
ない。しかしながら2個のMDACが必要である。
一方、第2の実施例では、信号源1の出力レベル変動
が直接誤差を与えるので、頻繁に校正を行う必要があ
る。また、DAC35も交流の瞬時値に応答する必要があり
高速でなければならないが、DAC351個あればよい。
第3図は第1,第2の実施例のシステム・モデルであ
る。周知のZ変換を用いることにより、下記の方程式群
を得ることができる。第3図の( )内の参照番号は第
1図の参照番号と各作要素の対応関係を示している。
入力電流U(i),累算器出力x(i),x(i+1)
は直交成分を要素とする2行1列のベクトルでありシス
テムの状態変数となる。各作用素は2×2行列で各行列
が図示されている。
i,i+1はひきつづく離散時刻を表わしている。Z-1
遅延を示す。時刻i+1におけ累算器出力x(i+1)
は時刻iのU(i)とx(i)から次のように与えられ
る。
x(i+1)=A(i)x(i)+B(i)U(i)…
…(式3) ここに、 A(i)=H(i)DYrFMK+I…… B(i)=H(i)D 但し、Iは単位行列、Wは2π/nで、nは駆動電圧周
波数1周期内のサンプル数(離散時刻数)で、θC
は位相パラメータである。
今測定電流のサンプル値I3(i)はU(i)から次の
ように表わされる。
I3(i)=UC(i)cosω0i+US(i)sinω0i 但し、 ここでは狭帯域電流を考えているので、U(i)は十
分ゆっくり変化するものとします。i=0においてステ
ップ入力U(i)が入力したとき交流一周期分の漸化式
は、U(i)を一定として次のようになる。
従って、1周期単位の状態方程式は、 x(n)=x(0)+U(0) ……(式4) ここに、 =(−I)(YrFMK)-1 o 交流駆動電圧の周期を単位に時間を刻時すれば、周期
番号をkとし、 x(k+1)=x(k)+U(k) ……(式5) が得られる。
の固有値を0にできれば有限整定応答がなされる。
をどのように選ぶかは設計の問題であるが、その理論
は周知である。を適正に選べば、ステップ応答の最終
値x(∞)=x(k+1)=x(k)は、(式4),
(式5)から次式のように求められる。
x(∞)=−(YrFMK)-1U(∞) 従って、 U(∞)=−(YrFMK)x(∞) ……(式6)。
オフセットε(2行1列のベクトル)が(位相検波
器の信号もれ等で)存在するときは、 U(∞)=−(YrFMK)x(∞)+ε ……(式7) となる。
(式7)からYrFMKとεが校正されていれば、x
(∞)からU(∞)が求められる。
校正はU(∞)=0,U(∞)=[UC,0]T,U(∞)
=[0,USを用いて行われる(Tは行列の転置を示
す。) U(∞)はDUT3を開放とし、U(∞)とU(∞)
を抵抗標準と容量標準で与えられる。
なおDUT3を単に開放するだけでなく、増幅器7の入力
端子部分をシールドする必要があろう。
上記の例では、DSPは位相検波後に単に累算と利得付
加のみ行っているが、ADC入力にアンチエリアシング・
フィルタ挿入時の動的補償や、高周波位相推移の補償な
どを行うアルゴリズムのインプリメントも容易に行なえ
る。又ADCの前にヘテロダイン回路を設けて、ADC入力周
波数を低下させるなどの変形はアナログ系のばあいと同
様である。
第4図は第2図のDSP33を2次の巡回フィルタアルゴ
リズムで実現したもののモデルである。第3図の場合と
異なり、状態変数x(i)やU(i),W(i)はDUTの
駆動交流電圧と同一周波数の信号正弦波の瞬時値のサン
プル値である。第4図においてW(i)はADC出力がDSP
33でサンプルされるときの遅れを表わすために用いられ
る。以下にZ変換を用いて伝達関数を求める。
状態方程式は、G1=G2=1と仮定し、 測定角周波数ω、サンプリング周期Tのとき、内部
モデル条件(定常エラー0となる条件)α=−2cos(ω
0T)、β=1を課せば、K1,K2はつぎのように求めるこ
とができる。まず望ましい共役複素極λ1と選べば、 となり結果として、実極λは、 λ=2(1−γ)cosω0T ……(式13) である。
ベクトル電流計が安定であるためには|λ3|<1でな
ければならないから、ω0Tが十分小さい(サンプル間隔
が短い)ときはCOSω0T1となり、 0.5<γ<1 (式14) と選べばよい。
定常状態ではU(i)=Y(i)となる。
G1,G2が1と異なる場合は、 U(i)=G2 -1G1Y(i) ……(式15) であるから、いずれのばあいもY(i)よりもU(i)
を求めることが可能である。
U(i),Y(i)は瞬時値であるのでY(i)の時々
刻々の値をある整数周期分記憶しておき、このデータに
デジタル位相検波とデジタル積分を行うことにより、Y
(i)の振幅と位相を求めることができる。従って、
(式15)により入力電流U(i)の振幅と位相が求めら
れる。
校正の方法は第3図のモデルで行ったと同様である
が、デジタル位相検波が正確に行われるので、電流0と
cosω0tあるいはsinω0tの一方を入力して校正できる。
以上述べた実施例のDSP33の構成は本発明を限定する
ために用いられるべきものではない。実施例と異るアル
ゴリズムによって、実施例とは別の特長をなにがしかの
妥協点を伴って実現される。またYrやKは一般に2次の
伝達マトリクスの非対角要素が0でない2ポート装置を
包含するものである。特に順方向増幅路の位相調整を行
うときは、Kの4つのマトリクス要素が調整される。
〔発明の効果〕 上述の実施例により明らかなように、本発明の実施に
より、ベクトル電圧比計が不要であるから、回路部品数
の削減によるコスト低減、測定の高速化が行われる。
さらにDSPは容易に小型に集積化されるので、小型化
の一層の推進と高信頼化が計られる。
また、DSPのアルゴリズムは容易に変更できるから、
ベクトル電流計の安定度を向上させるための補償を容易
に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明の第1、第2の一実施例のベク
トル電流計のブロック図、第3図は第1、第2の一実施
例のシステム・モデルを表わす図、第4図は第3の一実
施例のシステム・モデルを表わす図、第5図は従来技術
のベクトル電流計のブロック図である。 1:交流信号源;3:被測定素子(DUT); 6:基準抵抗;7:増幅器;9:信号分配器; 10,11:位相検波器;12,13:積分器; 14,15:変調器;16:加算器; 17:ベクトル電圧比計; 21:アナログ・デジタル変換器(ADC); 22,32:タイミング発生器; 23,33:デジタル信号処理装置(DSP); 24,25:乗算形デジタル・アナログ変換器(MDAC); 26:90゜移相器; 35:デジタル・アナログ変換器(DAC); P1,P2:デジタル位相検波器; S1,S2:累算器;K1,K2:利得調整器; M1,M2:デジタル変調器;VR:基準直流電圧; A:加算器

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流入力電流が印加される増幅器とアナロ
    グ・デジタル変換器とデジタル信号処理装置とデジタル
    ・アナログ変換器とを縦続接続して成る順方向増幅部と
    該順方向増幅部の出力と前記増幅器入力間に挿入された
    帰還回路を有し、前記デジタル信号処理装置がその入出
    力信号から前記交流入力電流の直交分解を行うことを特
    徴とするベクトル電流計。
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