JP3809223B2 - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に電流測定に係わり、特に電圧と電流を測定してインピーダンスを求めるインピーダンス測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
広い周波数帯域において広い測定範囲のインピーダンス測定装置を実現する方法は、従来から種々考案されていた。出願人は、特願平３−３１３８９８にて、１ＭＨｚから１ＧＨｚ程度の広い周波数帯域で、広範囲のインピーダンスを精度よく測定する電圧電流計法のインピーダンス測定装置を提案した。図５に回路構成を、図６にその等価回路を示す。
【０００３】
また出願人は、特願平５−３５２０１２にて、コアキシャル・ケーブル及びトライアキシャル・ケーブルを用い、特願平３−３１３８９８の特長を保持したまま遠隔測定が実現できることを示した。図７及び図８にその回路構成を、また図９及び図１０に等価回路を示す。
【０００４】
図６、図９及び図１０の等価回路において、測定対象６０に流れる電流を抵抗器３２又は抵抗器３２と抵抗器３８の並列回路からなる電流検出抵抗器に流している。該電流検出抵抗器の両端の電圧を電圧計３０で測定すれば測定対象６０の電流を測定できる。すなわち電流検出抵抗器と電圧計が電流計を構成している。等価回路が示すように、該電流計は接地電位から電位的に浮上している浮上型電流計である。
【０００５】
スイッチ４０がオフのときの図５及び図６、並びに、図１０は、低インピーダンス測定に適した回路である。電圧計１０の内部抵抗器１１に流れる電流が電流検出抵抗器にも流れるため、測定対象６０の電流が小さくなる高インピーダンスの測定には適さない。
【０００６】
図５及び図６において、スイッチ４０がオンのとき、高インピーダンス測定用の回路構成になる。また図７は、遠隔測定で高インピーダンス測定を実現する回路構成であり、等価回路は図９になる。この回路構成が高インピーダンス測定に適することは良く知られている
【０００７】
上記浮上型電流計は、図５、図７及び図８に示すように接地型の電圧計３０及びバラン３５で実現されている。バラン３５は、磁気コアに同軸ケーブル３６を貫通するか又は図１３に例示するように磁気コア７０に同軸ケーブル３６を１回以上巻き付けて構成されている。図１１に、バラン３５を示す等価回路を図示した。バラン３５は高周波において励磁インピーダンスが高いので、電圧計３０が接地されていても、電流検出抵抗器は接地電位から電位的に浮上することができる。
【０００８】
しかしバラン３５は、低周波において励磁インピーダンスが低下して、信号源２０の負荷となる。動作周波数の下限を伸ばすためには、バランを多数回巻きで、大きなコアにする必要がある。しかし巻線ケーブル長とコアの増大は、特に高い周波数において、温度係数の悪化や信号電力の損失を引き起こす。したがって、測定周波数上限を維持しつつ、バランのみで動作周波数をオーディオ周波数帯まで拡大することは事実上不可能である。
【０００９】
ところで、電流検出用抵抗器両端の電位差を差動増幅器で検出する方法で、浮上型電流計を実現できる事は良く知られている。この等価回路を図１２に示す。近年の差動増幅器によれば１００ｄＢを越える同相除去比が得られるので、実用上理想的と見なせる浮上型電流計が実現できる。ただし、これは低周波に限られ、周波数の増加と共に同相除去比は悪くなる。１０ＭＨｚで５０ｄＢ、あるいは１００ＭＨｚで３０ｄＢを得ることは容易でなく、まして１ＧＨｚでは１０ｄＢの実現さえも困難である。
【００１０】
同相除去比の悪化により、測定端子６１と６２間の開放時における測定電流値が零でなくなりオフセットが生じる。オフセットは、演算処理で補正可能である。しかし温度変化により同相除去比が変動するため、長期的に安定なオフセットの補正は不可能である。このため測定端子開放時におけるアドミタンス測定値にもオフセットを生じ測定誤差になる。
【００１１】
また、高インピーダンスを測定するためには、測定対象に流れる電流の測定感度を上げなければならない。そのために電流検出抵抗器の両端の電圧を増幅する必要があるが、電流零点オフセットが大きいと、大きな増幅ができない。すなわちインピーダンス測定装置の高インピーダンス測定能力は、上記同相除去比に大きく支配されているのである。
【００１２】
バランを使用すれば、高周波で安定かつ極めて高い同相除去比が得られ、１ＧＨｚを越える高い周波数までの浮上型電流計が実現できる。しかし低い周波数では不都合がある。一方差動増幅器は、高い周波数で不都合がある。したがって既存の方法では、高インピーダンス測定を可能とする周波数帯域は、高周波か低周波のどちらかに限られていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
インピーダンス測定装置の浮上型電流計において、広い周波数範囲で安定かつ高い同相除去比が得られないために、特に高インピーダンスの測定が不可能であった。本発明が解決しようとする課題は、広い周波数範囲で安定かつ高い同相除去比をもつ浮上型電流計を実現し、直流からＧＨｚ帯までの広帯域で、広い測定範囲のインピーダンス測定装置を供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同相除去作用を高周波帯域ではバランに、低周波帯域では差動増幅器に分担させることにより、広い周波数帯域にわたる浮上型電流計を実現し、広帯域で広いインピーダンス範囲の高精度測定を可能にする。
【００１５】
【実施例】
本発明の第１の実施例として、図１に回路構成を、図４に簡略化した等価回路を示す。従来技術と同様の構成要素には同じ参照符号を付している。電圧計３０、差動増幅器３１、２つの抵抗器３２及び抵抗器３８、並びにバラン３５が本発明の電流計の基本構成要素である。またバラン３５は、同軸ケーブル３６を巻線として構成されている。さらに同軸ケーブル３６の外部導体のバラン３５の入出力間に抵抗器３７が接続されている。同軸ケーブル３６の外部導体の差動増幅器入力側と接地間には、コンデンサ３３が接続されている。
【００１６】
実施例には電流計のほか、電圧計１０、信号源２０、同軸ケーブル１２、２２及びスイッチ４０等を有している。また演算制御部は図示していない。これらは従来技術の例と同様である。抵抗器３２及び抵抗器３８は、高周波帯域における整合のために、同軸ケーブルの特性インピーダンスに等しくしてある。この部分については特願平５−３５２０１２に詳しい説明がある。
【００１７】
本発明の第２の実施例を図２に示す。本実施例は、特願平５−３５２０１２に提示した高インピーダンス測定向きの実施例に、本発明を実施した例を示すものである。第１の実施例にたいして第２の実施例は、遠隔測定のためにコアキシャル・ケーブル５１及びトライアキシャル・ケーブル５２を有している点が異なる。電流計部分に注目すれば、第２の実施例の等価回路も図４になる。
【００１８】
従来技術では、図５、図７、図８及び等価回路図１１に示すようにバラン３５の出力側のケーブルの外部導体が接地されていた。本発明の第１及び第２の実施例では、図１、図２及び等価回路図４に示すように、バラン３５の出力側のケーブルの外部導体（図４に示す節点ｂ）はコンデンサ３３を介して接地されている。
【００１９】
低周波域ではコンデンサ３３のインピーダンスが高いので、バラン３５の励磁インピーダンスが低くなっても、バラン３５が信号源２０を短絡することはない。励磁インピーダンスが低いため、同相電圧は、そのまま差動増幅器３１に伝えられるが、差動増幅器３１の大きな同相除去作用によって差動電圧のみが増幅される。抵抗器３２と抵抗器３８との並列回路が電流検出抵抗器を構成し、その両端電圧が差動電圧である。差動増幅器の出力を電圧計３０が測定する。この結果、低周波帯で浮上型電流計が実現される。
【００２０】
高周波帯域では、コンデンサ３３のインピーダンスが低いので、バラン３５、抵抗器３２及びコンデンサ３３の共通接続点（図４に示す節点ｂ）が等価的に接地された状態になる。これは従来技術の実施例の図５、図７、図８及び等価回路図１１と等価の状態である。
【００２１】
節点ａから節点ｂ及び節点ｃを経由して節点ｄに至る経路において、バラン３５の等価的巻数は零だから、抵抗器３２は、バラン３５を介して抵抗器３８と並列接続された状態と等価とみなせる。すなわち低周波帯域と同様に、電流検出抵抗器は抵抗器３２と抵抗器３８の並列回路になる。このようにして、電流検出抵抗器の両端の電圧のみが差動増幅器３１で増幅され、電圧計３０で測定されて、高周波帯の浮上型電流計が実現される。
【００２２】
低周波帯域と高周波帯域の境界を次に説明する。バラン３５の励磁インピーダンスとコンデンサ３３のインピーダンスが同一になる周波数が、バラン３５と差動増幅器３１の同相除去作用の分担周波数帯の境目、いわゆるクロスオーバー周波数である。クロスオーバー周波数におけるバラン３５の励磁インピーダンスあるいはコンデンサ３３のインピーダンスが、全周波数帯域を通じて信号源２０に対する最大負荷になる。したがって、信号源２０の出力抵抗器２１に対してクロスオーバー周波数におけるコンデンンサ３３のインピーダンス及び励磁インピーダンスが高くなるように、それぞれの大きさを選ぶ。
【００２３】
抵抗器３７の役割は、バラン３５の励磁インダクタンスとコンデンサ３３からなる直列共振のＱをダンプする事にある。バラン３５のコアの損失が大きければ抵抗器３７はなくてもよい。Ｑが高いと上記クロスオーバー周波数における推移特性が悪化する。すなわち、その周波数で差動増幅器３１の入力端子に大きな同相電圧が生じるだけでなく信号源２０にとって大きな負荷になる。そこで共振を損失的にするよう、抵抗器３７の値を選ぶ。
【００２４】
なおコンデンサ３３の機能を機械的あるいは半導体スイッチで代行することができる。図３に本発明の第３の実施例としてスイッチで代行する例を示す。クロスオーバー周波数を境にスイッチ３４をオンまたはオフして、バラン３５と差動増幅器３１の分担を切り換える。スイッチ３４の制御は、測定周波数の設定に伴って演算制御部が行う。
【００２５】
ところで、特願平３−３１３８９８及び特願平５−３５２０１２に示したように、特性インピーダンスで整合した回路構成を本発明に適用し、この構成を２組使用して、それぞれの信号源を交互にオンオフできるようにすれば、Ｓパラメータ測定装置が実現できる。この２ポート測定装置は、特性インピーダンス（例えば５０Ω）のポートインピーダンスでありながら、高入出力インピーダンスを持つ測定対象のＳ１１、Ｓ２２を精度よく測定することができる。
【００２６】
また図２において、バラン３５と抵抗器３２間の同軸ケーブル３６に更に外部シールドを施して、本発明の効果を損なうことなく外部からの雑音の混入を防止することもできる。以上に本発明の実施例を示したが、例示の様式、配置、その他に限定するものでなく、必要に応じて本発明の要旨を失うことなく構成の変化も許容される。
【００２７】
【発明の効果】
特願平５−３５２０１２にて提案した１ＭＨｚから１ＧＨｚ程度の広い周波数帯域で広範囲のインピーダンス値を精度よく遠隔測定する電圧電流計法に、本発明を適用すれば、高周波帯域の特性を損なわないで周波数下限を直流まで延長できるようになり、実用に供して有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図４】本発明の等価回路を示す図である。
【図５】従来技術のインピーダンス測定装置の例を示す図である。
【図６】電圧電流計法のインピーダンス測定装置の原理を示す図である。
【図７】従来技術のケーブル延長型インピーダンス測定装置の例を示す図である。
【図８】従来技術のケーブル延長型インピーダンス測定装置の例を示す図である。
【図９】図７の等価回路を示す図である。
【図１０】図８の等価回路を示す図である。
【図１１】バランを用いた浮上型電流計の例を示す図である。
【図１２】差動増幅器を用いた浮上型電流計の例を示す図である。
【図１３】同軸ケーブルによるバランの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０：電圧計
１１：抵抗器
１２：同軸ケーブル
２０：信号源
２１：抵抗器
２２：同軸ケーブル
３０：電圧計
３１：差動増幅器
３２：抵抗器
３３：コンデンサ
３４：スイッチ
３５：バラン
３６：同軸ケーブル
３７：抵抗器
３８：抵抗器
４０：スイッチ
５１：コアキシャル・ケーブル
５２：トライアキシャル・ケーブル
６０：測定対象
６１：測定端子
６２：測定端子
７０：磁気コア

Claims (8)

1. 被測定電流を電流検出抵抗器に流し、前記電流検出抵抗器の両端の電圧を測定して前記被測定電流を測定する電流計において、
   磁気コアに同軸ケーブルを巻き付けるか貫通させて成るバランと、
   一方の入力端子が前記バランの同軸ケーブルの一端の中心導体に接続され、他方の入力端子が前記バランの同軸ケーブルの一端の外部導体に接続された差動増幅器と、
   前記バランの同軸ケーブルの他端の中心導体と外部導体との間に接続された前記電流検出抵抗器と、
   前記バランの同軸ケーブルの一端の外部導体を選択的に接地する接地手段と、
   前記差動増幅器の出力電圧を測定して前記被測定電流を決定する電圧計と、
   を備えて成り、
   前記接地手段は、前記被測定電流が高周波である場合には前記バランの同軸ケーブルの一端の外部導体を接地し、前記被測定電流が低周波である場合には前記バランの同軸ケーブルの一端の外部導体と接地との間を開放することを特徴とする電流計。
2. 前記電流検出抵抗器は、前記バランの同軸ケーブルの一端の中心導体と外部導体との間に接続され、
   前記被測定電流は、前記バランの同軸ケーブルの他端の中心導体と外部導体との間に流されることを特徴とする請求項１記載の電流計。
3. 前記電流検出抵抗器は、前記バランの同軸ケーブルの他端の中心導体と外部導体との間に接続される第１の抵抗器と、および、前記バランの同軸ケーブルの一端の中心導体と外部導体との間の接続される第２の抵抗器と備えて成り、
   前記第１の抵抗器および前記第２の抵抗器は、前記同軸ケーブルの特性インピ ーダンスに等しい、
   ことを特徴とする請求項１記載の電流計。
4. 前記接地手段は、コンデンサ手段であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電流計。
5. 前記接地手段は、スイッチ手段を有し、
   前記スイッチ手段は、前記被測定電流が高周波である場合には前記バランの同軸ケーブルの一端の外部導体を接地し、前記被測定電流が低周波である場合には前記バランの同軸ケーブルの一端の外部導体と接地との間を開放することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電流計。
6. 前記バランの同軸ケーブルの他端の外部導体と前記バランの同軸ケーブルの一端の外部導体との間に抵抗器が接続されていることを特徴とする請求項４記載の電流計。
7. 前記バランの同軸ケーブルの一端は、更に外部シールドを有することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電流計。
8. 測定対象に印加される電圧及び電流を測定し、前記電圧及び電流の測定値から測定対象のインピーダンス等の回路定数や材料の特性値を演算処理によって求める測定装置において、請求項１乃至７のいずれかに記載の電流計を有することを特徴とする測定装置。

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