JP3191947B2

JP3191947B2 - インピーダンス測定装置

Info

Publication number: JP3191947B2
Application number: JP05344391A
Authority: JP
Inventors: 登海東
Original assignee: アジレント・テクノロジー株式会社
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 2001-07-23
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JPH04269663A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フェイズディテクタを
用いたインピーダンス測定装置に関する。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】インピーダンスメータで
は、ベクトル電圧・電流を測定する必要があるが、この
ベクトル電圧・電流の測定には、全波整流方式やいわゆ
る北川方式等のフェイズディテクタが一般的に用いられ
る。これらのフェイズディテクタは、被測定信号（電
圧，電流チャンネル信号）を測定周波数信号に同期した
第１の検波信号及びこの信号と９０°位相がずれた第２
の検波信号で検波することによりベクトル成分を求める
ものである。このようなフェイズディテクタにおけるベ
クトルの基準座標系では、第１，第２の検波信号の何れ
かの位相を基準としているので、この基準となる検波信
号の位相に変化が生じると、該位相変化による影響はそ
の測定値の誤差となって現れるという不都合がある。

【０００３】ただし、インピーダンスメータにおいて
は、電圧チャンネルＶchと電流チャンネルＩchとの比を
測定するので、被測定信号と検波信号との位相関係が変
化しても基準座標系が一回の測定中（両チャンネルＶc
h，Ｉchとを測定している期間中）変化しなければ、上
記検波信号の位相変化に起因する誤差は相殺されるので
不都合は生じない。なお、この場合に、両チャンネルＶ
ch，Ｉchの位相関係が一回の測定中で相対的に変化して
も、そのずれが生じたこと及びそのずれの大きさを検知
することができれば該誤差を補正することもできる。

【０００４】一方、２つの検波信号の９０°の位相差が
相対的に変化すると（換言するなら両検波信号の位相差
が９０°でなくなると）、基準座標系自体がもはや直交
座標系を構成しなくなり、上記両検波信号の相対的な位
相変化がインピーダンス測定値に誤差となって現れる。
一般に、両検波信号の９０°の位相差はフェイズディテ
クタの検波信号の基準となるクロック信号のパルス数か
ら得ている。たとえば、北川方式では、図４の０°と９
０°の検波信号に示すように測定周波数の８倍のクロッ
ク信号を使用し、クロック信号の２パルス分だけ一方の
検波信号をシフトすることで、９０°の位相差の検波信
号を得るようにしている。ところで、一般的なインピー
ダンス・メータの構成として、フェイズディテクタの出
力側にＡ／Ｄ変換器が接続される。このため、Ａ／Ｄ変
換器のクロック信号とフェイズディテクタのクロック信
号との間に干渉が生じ、これが無視できない場合があ
る。なお、本願明細書でいうところのＡ／Ｄ変換器のク
ロック信号とフェイズディテクタのクロック信号との干
渉とは、ＰＤ＿ＣＬＫとＡＤ＿ＣＬＫとの間で信号のエ
ッジ等に生じる実質的な位相ずれで、インピーダンス測
定の誤差を与え得るものを言う。

【０００５】干渉により、フェイズディテクタのクロッ
ク信号の全てのエッジの位相が一様に変化した場合は、
９０°の位相差を有する両検波信号の位相が共に変化す
ることになるので、前述したようにインピーダンス測定
の誤差とはならない。しかし、干渉の仕方によっては、
各エッジによって位相変化が異なる場合があり、この場
合には、前述の２つの検波信号の位相差が相対的に変化
する場合に相当し、インピーダンスの測定値に誤差が生
じるという問題がある。

【０００６】

【目的】本発明は、上記のような問題を解決するために
提案されたものであって、Ａ／Ｄ変換器とフェイズディ
テクタのクロック信号間に干渉が生じた場合において、
干渉による位相ずれに起因する悪影響を最小にすること
のできるインピーダンス測定装置を提供することを目的
とする。

【０００７】

【発明の概要】上記目的を達成するために、本発明のイ
ンピーダンス測定装置は、被測定対象（ＤＵＴ）に測定
周波数信号に基づいて作られる正弦波等の測定用信号を
印加して生成される電圧，電流チャンネル信号と、相互
に９０°又は１８０°の位相差を有する検波信号とをフ
ェイズディテクタに入力してベクトル電圧・電流を求
め、これらベクトル電圧・電流をＡ／Ｄ変換器によりデ
ィジタル化した後、該電圧・電流の比を演算するインピ
ーダンス測定装置であって、前記検波信号を生成するた
めのフェイズディテクタのクロック信号を発生すると共
に、該クロック信号に同期しかつ前記測定周波数信号に
対して特定の位相関係を有したＡ／Ｄ変換器のクロック
信号を発生する手段を設けてなることを特徴とする。ま
た、フェイズディテクタと、このフェイズディテクタの
出力信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換器と、原発振の
信号を分周してフェイズディテクタのクロック信号を発
生する第１の分周器と、前記原発振の信号を分周して前
記Ａ／Ｄ変換器のクロック信号を発生する第２の分周器
と、前記第１の分周器の出力信号を分周して測定周波数
信号を発生する第３の分周器と、前記各分周器を同時に
リセットするリセット手段とを設けてなることを特徴と
し、更に第２の分周器が、その出力信号であるＡ／Ｄ変
換器のクロック信号の位相が測定周波数信号に対して特
定位相を有するようにプログラマブルに設定，変更でき
ることをも特徴とする。

【０００８】即ち、本発明は、発振器から出力されるク
ロック信号を基にして、Ａ／Ｄ変換器のためのクロック
信号、フェイズディテクタのためのクロック信号、及び
該フェイズディテクタのためのクロック信号を分岐して
測定周波数信号をそれぞれ形成し、該測定周波数信号を
基にして形成される測定用信号を被測定対象に印可して
生成される電圧・電流チャンネル信号、及び前記測定周
波数に同期して相互に９０°又は１８０°の位相差を有
する検波信号を前記フェイズディテクタに入力してベク
トル電圧、電流を求め、該ベクトル電圧・電流を前記Ａ
／Ｄ変換器によりディジタル化した後、電圧・電流の比
を演算するインピーダンス測定装置であって、前記発振
器から出力される前記クロック信号は、前記フェイズデ
ィテクタへのクロック信号を出力する第１分周器及び前
記Ａ／Ｄ変換器へのクロック信号を出力する第２分周器
の両方にそれぞれ別個に入力され、前記第１及び第２分
周器によって前記Ａ／Ｄ変換器へのクロック信号と前記
フェイズディテクタへのクロック信号との位相関係を選
択可能となるよう構成し、前記第１分周器で生成される
前記フェイズディテクタへのクロック信号は、前記測定
周波数信号を出力するための第３分周器に入力するよう
構成され、且つ前記発振器から出力される前記クロック
信号は、更に前記第１分周器、前記第２分周器及び前記
第３分周器の全てを前記クロック信号を基に同期してリ
セット可能となるよう設けられるリセット手段にも入力
されるよう構成される。好ましくは、前記リセット手段
は、Ｄフリップフロップ回路を含む。また、好ましく
は、前記Ａ／Ｄ変換器が、入力した信号をｋ分周するも
のであるとき、前記フェイズディテクタへのクロック信
号又は前記測定周波数信号に対して、前記Ａ／Ｄ変換器
へのクロック信号が等位相間隔とされるｋ通りの位相を
持つようにして設定され、それぞれの位相での測定を可
能とする。

【０００９】すなわち、本発明のインピーダンス測定装
置では、フェイズディテクタのクロック信号に同期しか
つ測定周波数信号に対して特定の位相関係を有するよう
にＡ／Ｄ変換器を駆動することで、インピーダンスの測
定値に現れる前記干渉により生じた誤差の補正を容易に
している。具体的には、リセット手段により各分周器を
同時にリセットするようにすることで、インピーダンス
の測定値に現れる干渉による誤差を一通りとし、この誤
差を補正により取り除くことを可能とする。また、Ａ／
Ｄ変換器のクロック信号を発生する分周器が原発振の信
号を例えばｋ分周し、測定周波数の信号を出力する分周
器のリセット信号に対してｋ通りの所定の位相を持つよ
うにＡ／Ｄ変換器のクロック信号の位相を設定するよう
にしている。このようにすることで、ｋ通りの誤差をも
つインピーダンス測定値が得られるので、これらの平均
をとることで誤差をキャンセルし正確なインピーダンス
測定値を得ることができる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示すブロック図で
ある。同図において、原発振の発振器１は所定周波数の
クロック（後述する同図３の原発振信号参照）を出力し
ている。この発振器１からのクロックはＤフリップフロ
ップ回路２、該フリップフロップ回路２の出力信号によ
りリセットされる第２の分周器３及び第１の分周器４に
入力される。第２の分周器３は原発振のクロック信号を
１／ｋの周波数に分周して図示しないＡ／Ｄコンバータ
のクロック信号ＡＤ＿ＣＬＫを生成し、第１の分周器４
は原発振のクロック信号を１／ｎの周波数に分周して図
示しないフェイズディテクタのクロック信号ＰＤ＿ＣＬ
Ｋを生成する。また、このＰＤ＿ＣＬＫは、第３の分周
器５に入力される。そして、第３の分周器５はＰＤ＿Ｃ
ＬＫを１／ｍの周波数に分周して、測定周波数信号を生
成する。上記各分周器３，４，５は、Ｄフリップフロッ
プ回路２により同時にリセットされる。

【００１１】図２はフェイズディテクタの動作原理を示
す図である。同図においてにフェイズディテクタ４０の
電圧チャンネルＶchの入力信号をｖ_iV、電流チャンネル
Ｉchの入力信号をｖ_iI、検波信号をｖ_L、出力信号をｖ_o
とした場合に入力信号ｖ_iV，ｖ_iIが、ｖ_iV＝Ｖsin(ωｔ＋θ) ｖ_iI＝Ｉsin(ωｔ＋θ＋π/２) で表されるものとする。検波信号ｖ_Lとして、位相が０°，９０°，１８０°，
２７０°の信号、ｖ_L＝sinωｔｖ_L＝sin(ωｔ＋π/２) ｖ_L＝sin(ωｔ＋π）ｖ_L＝sin(ωｔ＋３π/２) を順次フェイズディテクタ４０に与えると、出力信号ｖ
_oからベクトル電圧〈Ｖ〉（ｖ_iVの振幅Ｖ，位相θ），
ベクトル電流〈Ｉ〉（ｖ_iIの振幅Ｉ，位相θ＋π／２）
が得られる。なお、〈〉はベクトルを表すものとす
る。

【００１２】以下、上記インピーダンス測定装置の動作
を詳細に説明するが、その前にまずフェイズディテクタ
における誤差発生を説明する。ここで、フェイズディテ
クタとして北川方式、軸回転方式のものを使用し、イン
ピーダンス測定のＤＵＴはコンデンサであるとする。図
３に原発振，Ａ／Ｄコンバータのクロック信号ＡＤ＿Ｃ
ＬＫ１〜４，フェイズディテクタのクロック信号ＰＤ＿
ＣＬＫ及び測定信号の周波数の関係を示す。図３におい
て、Ａ／Ｄコンバータのクロック信号ＡＤ＿ＣＬＫ１〜
４は、原発振の１／４の周波数である。また、フェイズ
ディテクタのクロック信号ＰＤ＿ＣＬＫは原発振の１／
３，測定周波数の８倍の周波数である。図３からわかる
ように、クロック信号ＡＤ＿ＣＬＫ１〜４とＰＤ＿ＣＬ
Ｋとの位相関係の態様は４通り存在する。ここで、フェ
イズディテクタのクロック信号のｎ番目及びｎ＋４番目
のエッジは、Ａ／Ｄコンバータのクロック信号に対して
同じ関係にある。

【００１３】説明を簡単にするため、クロック信号ＡＤ
＿ＣＬＫ１〜４の立ち上りが、クロック信号ＰＤ＿ＣＬ
Ｋの立ち上りと一致したときには、ＰＤ＿ＣＬＫのエッ
ジの位相が相対的に進んだ状態になると仮定する。例え
ば、１番目のエッジと５番目のエッジの位相が進んだ場
合、図４のＰＤ＿ＣＬＫと各検波信号のタイミングチャ
ートからわかるように、検波信号の０°と１８０°の位
相が進む。この場合、インピーダンス測定値に誤差を生
じることになる。このように、ＡＤ＿ＣＬＫ１〜４，Ｐ
Ｄ＿ＣＬＫ相互間で生じるところの干渉による相対的な
位相ずれにより、ＰＤ＿ＣＬＫのエッジの位相に周期的
な変化が生じるとインピーダンス測定値に誤差が生じ
る。

【００１４】一般には、Ａ／Ｄコンバータのクロック信
号ＡＤ＿ＣＬＫ１〜４が原発振のｋ分周であり、フェイ
ズディテクタのクロック信号ＰＤ＿ＣＬＫが原発振のｎ
分周、測定周波数のｍ倍の周波数であり、ｍｎ／４ｋが
整数とならないときに、測定値に誤差が生じる。即ち、
ｍｎ／４ｋが整数のときには位相ずれは生じるものの、
後続のインピーダンス演算の工程ではその影響は相殺さ
れてそれによる誤差は生じなくなる。ところで、Ａ／Ｄ
コンバータのクロック信号ＡＤ＿ＣＬＫとフェイズディ
テクタのクロック信号ＰＤ＿ＣＬＫとの位相関係の態様
は上述のように４通りであるので、インピーダンスの誤
差も４通りとなる。従って、周波数設定時等において、
クロック信号がリセットされるたびに誤差がランダムに
変化する。このため、この誤差を補正によって取り除く
ことも困難となる。

【００１５】上記の誤差を詳細に検討すると以下のよう
になる。干渉によりフェイズディテクタのクロック信号
ＰＤ＿ＣＬＫの１番目と５番目のエッジの位相が進んだ
場合、前述のように検波信号の０°と１８０°の位相が
進む（図４参照）。この進んだ位相をδとし、０°，９
０°，１８０°，２７０°の検波信号を与えた場合、フ
ェイズディテクタの出力信号の直流成分Ｖ，Ｉは、Ｖ(0)＝(Ｖ/２）cos(θ−δ) Ｖ(90)＝(Ｖ/２)sinθ Ｖ(180)＝−(Ｖ/２)cos(θ−δ) Ｖ(270)＝−(Ｖ/２)sinθ Ｖ(0)＝−(Ｉ/2)sin(θ−δ) Ｖ(90)＝(Ｉ/２)cosθ Ｖ(180)＝(Ｉ/２)sin(θ−δ) Ｖ(270)＝−(Ｉ/２)cosθ で表される。Ｖch，Ｉchの０°成分をＶre，Ｉre、９０°成分をＶi
m，Ｉimとすると、Ｖre＝Ｖ(0)−Ｖ(180)≒Ｖ（cosθ＋δsinθ) Ｉre＝Ｉ(0)−Ｉ(180)≒Ｉ(−sinθ＋δsinθ) Ｖim＝Ｖ(90)−Ｖ(270)≒Ｖsinθ Ｉim＝Ｉ(90)−Ｉ(270)≒Ｉcosθ となる。なお、δ≪１である。ベクトル電圧〈Ｖ〉，ベ
クトル電流〈Ｉ〉は、 |〈Ｖ〉|≒Ｖ(１＋δsin２θ) ∠〈Ｖ〉≒θ−δsin²θ |〈Ｉ〉|≒Ｉ(１−δsin２θ) ∠〈Ｉ〉≒θ＋(π/２)−δcos²θ で表される。なお、∠はベクトル〈Ｖ〉，〈Ｉ〉の位相
角を表している。従って、正しいインピーダンスを〈Ｚ
o〉とすると、この場合のインピーダンス〈Ｚ〉は、 |〈Ｚ〉|≒|〈Ｚo〉|×(１＋２δsin２θ) ∠〈Ｚ〉≒∠〈Ｚo〉＋δcos２θ となる。

【００１６】次に、２番目と６番目のエッジの位相が進
んだ場合は、図４からわかるように、すべての検波信号
の位相が進む。これをδ′（δ′≪１）とする。また、
０°と１８０°の場合はパルス幅が広がるのでゲインが
増加し、９０°と２７０°の場合は逆にパルス幅が狭く
なるのでゲインが減少する。この割合をαとすると、０
°と１８０°の場合と同様の考え方により、インピーダ
ンス〈Ｚ〉は、 |〈Ｚ〉|≒|〈Ｚo〉|×(１＋４αcos２θ) ∠〈Ｚ〉≒∠〈Ｚo〉−２αsin２θ となる。また、詳述はしないが、３番目と７番目のエッ
ジの位相が進んだ場合、４番目と８番目のエッジの位相
が進んだ場合も同様に考えることができ、これらをまと
めると以下の表１のようになる。

【００１７】

【表１】

【００１８】実際には、もっと複雑であるが、Ａ／Ｄ変
換器のクロック信号の位相によって測定値に現れる誤差
が４通り生じることに変わりはない。Ａ／Ｄ変換器が原
発振のｋ分周の場合には、この誤差はｋ通り生じること
になる。本実施例においては、周波数設定時にＣＰＵか
らリセット信号を送り、分周器３，４，５の分周開始の
タイミングの同期をとる。これにより、Ａ／Ｄ変換器の
クロック信号ＡＤ＿ＣＬＫの位相が図３に示すうちの一
つに固定される。従って、インピーダンス測定値に現れ
る誤差が表１の中の１通りになるので、この誤差は補正
により取り除くことが可能となる。

【００１９】また、第２の分周器３′の出力信号（Ａ／
Ｄ変換器のクロック信号）の位相をプログラマブルに設
定・変更できるようにすることもできる。第２の分周器
３′は、図示はしないが例えば同期カウンタを有してお
り、該カウンタに書き込むデータを変化させることによ
り、Ｄフリップフロップ２からのリセット信号に対する
Ａ／Ｄ変換器のクロック信号ＡＤ＿ＣＬＫ１〜４の位相
のうち何れかを選択することでその位相を変化させるこ
とができる。なお、分周器３′の出力信号の位相をプロ
グラマブルに設定・変更することができれば、上記カウ
ンタに代えて例えばフリップフロップ等を組み合わせて
構成した回路を使用することもできる。ところで、表１
に示された４通りの誤差のうち、１番目及び５番目のエ
ッジに位相変化が生じた場合の誤差と、３番目及び７番
目のエッジに位相変化が生じた場合の誤差では、絶対値
が等しく符号が反転している。また、２番目及び６番目
のエッジの場合と４番目及び８番目のエッジの場合の誤
差も同様の関係にある。一般に、Ａ／Ｄ変換器のクロッ
ク信号が原発振のｋ分周である場合、絶対値が等しく符
号が反転したｋ／２個の誤差の組み合わせが存在するこ
とになる。従って、分周器３′の例えば同期カウンタに
書き込むデータによりＡ／Ｄ変換器のクロック信号の位
相をｋ通りとして、インピーダンスの測定を行い、測定
値の平均をとればその誤差をキャンセルすることができ
る。

【００２０】

【発明の効果】本発明のインピーダンス測定装置によれ
ば、発振器から出力されるクロック信号は、フェイズデ
ィテクタへのクロック信号を出力する第１分周器及びＡ
／Ｄ変換器へのクロック信号を出力する第２分周器の両
方にそれぞれ別個に入力され、第１及び第２分周器によ
ってＡ／Ｄ変換器へのクロック信号とフェイズディテク
タへのクロック信号との位相関係を選択可能となるよう
構成され、更に発振器から出力されるクロック信号は、
更に第１分周器、第２分周器及び第３分周器の全てをク
ロック信号を基に同期してリセット可能となるよう設け
られるリセット手段にも入力され、第１分周器で生成さ
れるフェイズディテクタへのクロック信号は、分岐され
て測定周波数信号を出力するための第３分周器に入力さ
れるよう構成されるので、発振器からのクロック信号に
同期するリセット手段をリセット動作させるときに、互
いにＡ／Ｄ変換器へのクロックとフェイズディテクタへ
のクロックとの間の位相関係を複数の関係の中から選択
して正確に設定することによって最も誤差が小さくなる
位相関係を選択することができ、即ちこれによって誤差
を最小にすることができる。更に、位相関係が選択可能
であるので、必要な場合に複数の位相関係のそれぞれに
対してのインピーダンス測定を行い、それらの平均値を
とることによって誤差をキャンセルすることも可能とな
る。換言すれば、本発明によれば、周波数信号とフェイ
ズディテクタへのクロック信号との同期をとって正確な
タイミングでの動作を可能にしつつ、Ａ／Ｄ変換器への
クロック信号については、それを変更可能とすることに
より、位相関係を選択して誤差を最小にし、又はその後
の補正により誤差をキャンセル可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインピーダンス測定装置の一実施例を
示す構成図である。

【図２】本発明のインピーダンス測定装置に使用される
フェイズディテクタの原理を示す図である。

【図３】インピーダンス測定装置の各信号の位相関係を
示すタイミングチャートである。

【図４】本発明のインピーダンス測定装置に使用される
フェイズディテクタのクロック信号と各検波信号との関
係を示す波形図である。

【符号の説明】

１原発振の発振器２Ｄフリップフロップ３，３′ 第２の分周器４第１の分周器５第３の分周器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発振器から出力されるクロック信号を基に
して、Ａ／Ｄ変換器のためのクロック信号、フェイズデ
ィテクタのためのクロック信号、及び該フェイズディテ
クタのためのクロック信号を分岐して測定周波数信号を
それぞれ形成し、該測定周波数信号を基にして形成され
る測定用信号を被測定対象に印可して生成される電圧・
電流チャンネル信号、及び前記測定周波数に同期して相
互に９０°又は１８０°の位相差を有する検波信号を前
記フェイズディテクタに入力してベクトル電圧、電流を
求め、該ベクトル電圧・電流を前記Ａ／Ｄ変換器により
ディジタル化した後、電圧・電流の比を演算するインピ
ーダンス測定装置であって、前記発振器から出力される前記クロック信号は、前記フ
ェイズディテクタへのクロック信号を出力する第１分周
器及び前記Ａ／Ｄ変換器へのクロック信号を出力する第
２分周器の両方にそれぞれ別個に入力され、前記第１及
び第２分周器によって前記Ａ／Ｄ変換器へのクロック信
号と前記フェイズディテクタへのクロック信号との位相
関係を選択可能となるよう構成し、前記第１分周器で生成される前記フェイズディテクタへ
のクロック信号は、前記測定周波数信号を出力するため
の第３分周器に入力するよう構成され、且つ前記発振器
から出力される前記クロック信号は、更に前記第１分周
器、前記第２分周器及び前記第３分周器の全てを前記ク
ロック信号を基に同期してリセット可能となるよう設け
られるリセット手段にも入力されるよう構成されること
を特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項２】前記リセット手段は、Ｄフリップフロップ
回路を含むことを特徴とする請求項１のインピーダンス
測定装置。
【請求項３】前記Ａ／Ｄ変換器が、入力した信号をｋ分
周するものであるとき、前記フェイズディテクタへのク
ロック信号又は前記測定周波数信号に対して、前記Ａ／
Ｄ変換器へのクロック信号が等位相間隔とされるｋ通り
の位相を持つようにして設定され、それぞれの位相での
測定を可能とすることを特徴とする請求項１のインピー
ダンス測定装置。