JP4164274B2 - Automatic balancing circuit for impedance measurement - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、LCRメータ、インピーダンスアナライザなどに適用されるインピーダンス測定用自動平衡回路に関し、さらに詳しく言えば、高周波帯域においても平衡状態がとれ、被測定試料のインピーダンスおよび位相角を高精度に測定可能とする技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
まず、LCRメータ、インピーダンスアナライザなどのインピーダンス測定器に用いられている自動平衡回路の基本的な構成を図6に示し、これについて説明する。この自動平衡回路300は、信号入力側のH端子から被測定試料304に所定周波数の正弦波信号を印加する発振器301と、被測定試料304の他方の端子側にL端子を介して接続される信号検出部とを備えている。
【0003】
この場合、信号検出部は電流−電圧変換器としての演算増幅器306を有し、その(−)入力端子側にL端子からの検出信号が入力され、(+)入力端子は接地されている。また、演算増幅器306の出力端子と(−)入力端子との帰還系には検出抵抗305が接続されている。
【0004】
演算増幅器306の利得が十分に大きい場合には、イマジナリショートによりL端子の電圧は0V(平衡状態)となるため、発振器301の振幅をA,その位相角をθa、演算増幅器306から出力される出力信号の振幅をB,その位相角をθb、検出抵抗305のインピーダンスをZf,その位相角をθfとすると、被測定試料304のインピーダンスZmと位相角θmは次式により求められる。
【0005】
Zm=Zf×A/B
θm=θf+θa−θb−180゜
【0006】
この自動平衡回路300は構成が簡単ではあるが、発振器301から被測定試料304に与えられる測定用正弦波信号の周波数が高くなると、演算増幅器306の利得が低くなるため、イマジナリショートが成立しなくなり、L端子に電圧が生ずる。その結果、L端子と接地(GND)との間に存在する入力容量Cに電流が流れ測定誤差が発生することになる。
【0007】
そこで、高周波帯域までL端子を0Vに維持できるようにするため、ヌルループ方式と呼ばれる自動平衡ループが提案されており、図7に図6の自動平衡回路にヌルループ方式を採用した回路構成を示す。
【0008】
このヌルループ方式においては、L端子に流れ込む被測定試料302の電流が反転型演算増幅器からなるヌル検出回路401で電圧に変換・増幅され、後段の乗算器402,403に入力される。一方の乗算器402には、発振器301の正弦波信号が基準信号として与えられ、他方の乗算器403には、発振器301の正弦波信号が90゜移相器404を介して余弦波信号として与えられ、これによりベクトル検波が行なわれる。
【0009】
続いて、乗算器402,403の各出力は、積分回路405,406でそれぞれ積分され平滑化される。そして、この平滑化されたベクトル検波信号は、乗算器407,408に与えられる。一方の乗算器407では、乗算器402でベクトル検波された正弦波成分に発振器301からの正弦波信号が乗算され、他方の乗算器408では、乗算器403でベクトル検波された余弦波成分に90゜移相器404からの余弦波信号が乗算される。
【0010】
これらの各乗算結果が加算器409で加算され、検出抵抗305を介してヌル検出回路401に帰還される。このヌルループ方式によれば、検出抵抗305を介してヌル検出回路401に帰還される電流は、被測定試料を流れる電流と同じ値となる。すなわち、ヌル検出回路401から出力される電圧が常に0Vとなるように、検出抵抗305による帰還電流が変化するため、自動平衡ループが構成される。
【0011】
ヌルループ方式によれば、測定用正弦波の周波数が高い場合でも、L端子の電圧を0Vに維持することが可能であり、したがって、L端子と接地(GND)間に存在する入力容量の影響を受けることなく、正確なインピーダンス測定を行なうことができるが、次のような問題が指摘されている。
【0012】
すなわち、多くの回路部品を要し、その構成が複雑で装置が大型化し、高価にならざるを得ない。また、アナログ的に平衡をとるようにしているため、回路が不安定になりがちである。さらには、同期検波用の乗算器や積分器の直流オフセットにより、完全な平衡状態を得ることが難しい。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
この点を解決するため、本出願人は、回路構成が簡単で、かつ、動作が安定しており、ディジタル制御によって容易に平衡状態を得ることができるようにしたインピーダンス測定用自動平衡回路を特願2001−46598,特願2001−328655として先に出願している(以下、これを先願発明という)。
【0014】
上記先願発明は、被測定試料に対して同一周波数の正弦波信号を印加する2つの発振器を備え、そのいずれか一方の発振器に異なる3つの位相角を設定することにより平衡位相角が求められ、また、その平衡位相角のもとで異なる2つの振幅値を設定することにより平衡振幅値が得られるのであるが、本発明は上記先願発明の改良に係り、その課題は、平衡条件をより速く、しかも正確に求められるようにすることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、被測定試料の一方の端子に所定周波数の正弦波信号を印加する第1発振器と、上記被測定試料の他方の端子側に所定の検出素子を介して上記第1発振器の正弦波信号と同一周波数の正弦波信号を出力する第2発振器と、上記被測定試料の他方の端子側の電圧を検出する電圧検出器およびその検出電圧をデジタルの電圧データに変換するA/D変換器と、上記電圧データに基づいて上記第1発振器もしくは上記第2発振器の振幅および位相角を制御する制御手段とを含み、上記制御手段により上記被測定試料の他方の端子側の電圧を最小電圧とした平衡状態の下で、上記第1発振器の振幅および位相角、上記第2発振器の振幅および位相角、上記検出抵抗のインピーダンスおよび位相角から上記被測定試料のインピーダンスおよび位相角を算出するインピーダンス測定用自動平衡回路であって、上記制御手段は、上記第1発振器もしくは上記第2発振器のいずれか一方の発振器に対して、
(1)その振幅を任意の第1振幅値Baとした状態で、任意の3つの異なる位相角θx,θyおよびθzを順次設定して、その各位相角ごとに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧Vx,VyおよびVzを測定するステップと、
(2)上記電圧Vx,VyおよびVzの平均値Vaveを求めるステップと、
(3)上記位相角θx,θyおよびθz,上記電圧Vx,VyおよびVzから、下記の式(A1),(A2)に基づいて上記平衡状態の第1成立要因候補としての位相角θbal1,θbal2を算出するステップと、
(4)振幅を上記第1振幅値Baとした状態で、位相角に上記位相角θbal1,θbal2のいずれか一方を第1位相角として設定して、上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧VθbalAを測定するステップと、
(5)上記電圧VθbalAと上記平均値Vaveとを比較し、
VθbalA>Vaveならば、上記(4)で設定したいずれか一方の第1位相角を変数θmax,いずれか他方の第2位相角を変数θmin,VθbalAを変数Vamaxとし、
VθbalA<Vaveならば、振幅を上記第1振幅値Baとした状態で、位相角に上記第2位相角を設定して、上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧VθbalBを測定して、上記第2位相角を変数θmax,上記第1位相角を変数θmin,VθbalBを変数Vamaxとするステップと、
(6)振幅を上記第1振幅値Baとは異なる第2振幅値Bbとし、位相角に上記変数θmaxを設定して、上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧Vbmaxを測定するステップと、
(7)上記第1振幅値Ba,上記第2振幅値Bb,上記変数Vamaxおよび上記電圧Vbmaxより、上記平衡状態の第2成立要因としての振幅Bminを、
Bmin=(Ba・Vbmax−Bb・Vamax)/(Vamax−Vbmax)
なる式により求めるステップとを実行し、上記振幅Bminおよび上記変数θminに基づいて上記被測定試料のインピーダンスおよび位相角を算出することを特徴としている。
【数3】

Figure 0004164274
【数4】
Figure 0004164274
【0016】
上記(5)において、位相角θbal1もしくはθbal2での電圧値VθbalAと平均値Vaveとを比較する場合、別の態様として、平均値Vaveに代えて、上記電圧Vx,Vy,Vzの中間値Vmidを採用してもよい。また、上記(5)での不等式VθbalA>Vave,VθbalA<Vaveのいずれか一方に等号を持たせてもよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1に本発明に係る自動平衡回路100のブロック図を示す。ハード的に構成は上記先願発明と同じであるが、本発明の実施形態を先願発明と対比しながら説明する。
【0018】
上記先願発明と同じく、この自動平衡回路100は、第1発振器101と第2発振器106の2つの発振器を備え、第1発振器101側のH端子点(信号印加側端子点)と第2発振器106側のL端子点(電流検出側端子点)との間に被測定試料102が装着される。
【0019】
第1発振器101から所定周波数の正弦波信号が被測定試料102に与えられる。第2発振器106からも上記測定用正弦波信号と同一周波数の正弦波信号が出力されるが、第2発振器106とL端子点との間には、検出素子としての検出抵抗105が接続されている。なお、検出抵抗105に代えて、インピーダンスが正確に分かっていることを条件として、コンデンサ(C)やコイル(L)を用いてもよい。
【0020】
また、この自動平衡回路100は、L端子点の電圧を検出する電圧検出器107およびその検出電圧をディジタル信号に変換するA/D変換器108と、同A/D変換器108からの検出電圧データに基づいて第2発振器106の振幅および位相角を制御するとともに、被測定試料102のインピーダンスおよび位相角などを算出する機能を有する制御手段としてのCPU109とを備えている。
【0021】
本発明においても上記先願発明と同様に、CPU109により2つの発振器の内の例えば第2発振器106に対して、その振幅を任意の振幅Baとした状態で、3つの異なる位相角θx,θyおよびθzを順次設定して、その各位相角ごとに被測定試料102のL端子点側に現れる電圧Vx,VyおよびVzを測定することにより、下記の式(A1),(A2)により算出される位相角θbal1,θbal2のいずれか一方を平衡状態の第1成立要因としての平衡位相角θminとすることができる。
【0022】
【数5】
Figure 0004164274
【数6】
Figure 0004164274
【0023】
また、上記先願発明においては、第2発振器106の位相角を上記位相角θminに調整した後、振幅を2つの異なる振幅Ba,Bb(好ましくは同一レンジ内)に順次設定して、その各振幅ごとにL端子点側に現れる電圧Va,Vbを測定することにより、下記の式(B1),(B2)により算出されるいずれか一方の振幅を平衡状態の第2成立要因としての平衡振幅Bminとしている。なお、平衡状態とはL端子が最小電圧(好ましくは0V)となる状態を言う。
【0024】
【数7】
Figure 0004164274
【数8】
Figure 0004164274
【0025】
ここで、上記各式の導出過程を手短に説明する(詳しくは、上記先願発明を参照されたい)。第1発振器101の振幅をA,その位相角をθa、第2発振器106の振幅をB,その位相角をθb,検出抵抗105のインピーダンスをZf,その位相角をθf,L端子に発生する入力容量CのインピーダンスをZi,その位相角をθi,そして被測定試料102のインピーダンスをZm,その位相角をθmとする。なお、第1発振器101と第2発振器106の周波数はともに同一でωとする。
【0026】
L端子点の電圧をVLとして、キルヒホッフの法則によりL端子点に流れ込む電流の総和は0になるため、次式(1)が成立する。
【数9】
Figure 0004164274
【0027】
この式(1)を展開すると、L端子点の電圧VLの振幅は次式(2),位相は次式(3)となる。
【数10】
Figure 0004164274
【数11】
Figure 0004164274
ただし、式(2)中のYtは次式(4)である。
【数12】
Figure 0004164274
【0028】
平衡状態ではL端子点の電圧VLが0V(最小)になる。まず、平衡位相角θminを求めるため、第2発振器106に3つの異なる位相角を順次設定して、その各々のL端子点の電圧VLを測定して、上記式(A1),(A2)により平衡位相角候補としての2つの位相角θbal1,θbal2を算出するが、上記式(A1),(A2)での計算を容易にするため、3つの異なる位相角を90゜,180゜,270゜とする。
【0029】
振幅はいずれの場合もBaとして、位相を90゜としたときにL端子点で測定される電圧をV90,位相を180゜としたときにL端子点で測定される電圧をV180,位相を270゜としたときにL端子点で測定される電圧をV270とすると、上記式(A1),(A2)より、一方の位相角θbal1は次式(5)で表され、他方の位相角θbal2は次式(6)で表される。
【数13】
Figure 0004164274
【数14】
Figure 0004164274
【0030】
この式(5),(6)の根拠について説明する。L端子点の振幅は上記式(2)であるから、これを自乗すると次式(7)が得られる。
【数15】
Figure 0004164274
【0031】
式(7)中、変数は第2発振器106の位相角θbのみであるから、ここでα,β,γを定数として式(7)を次式(8)に置き換える。
VL=α+βcos(γ+θb)……(8)
【0032】
上記のように、第2発振器106の位相を90゜に設定し、そのときの電圧をV90とすると式(8)より、
90 =α+βcos(γ+90)=α−βsinγ……(9)
同じく式(8)より、第2発振器106の位相を180゜に設定し、そのときの電圧をV180とすると、
180 =α+βcos(γ+180)=α−βcosγ……(10)
同じく式(8)より、第2発振器106の位相を270゜に設定し、そのときの電圧をV270とすると、
270 =α+βcos(γ+270)=α+βsinγ……(11)
【0033】
上記式(9),(11)より、
90 +V270 =2α……(12)
上記式(10),(12)より、
180 =(V90 +V270 )/2−βcosγ
したがって、βcosγ=(V90 +V270 )/2−V180 ……(13)
上記式(9),(12)より、
90 =(V90 +V270 )/2−βsinγ
したがって、βsinγ=(V270 −V90 )/2……(14)
【0034】
上記式(13),(14)より、
tanγ=((V270 −V90 )/2)/((V90 +V270 )/2−V180
=(V270 −V90 )/(V90 +V270 −2V180
よって、
γ=tan−1((V270 −V90 )/(V90 +V270 −2V180 ))…(15)
【0035】
平衡状態では上記式(8)中のcos(γ+θb)=−1となるため、
γ+θmin=180……(16)
上記式(15),(16)より、平衡位相θminは、
θmin=180−γ、
したがってθmin=180−tan−1((V270 −V90 )/(V90 +V270 −2V180 ))……(17)
【0036】
上記のアルゴリズムで算出される位相角θminは、測定対象がコンデンサ,抵抗,コイルなどであるとして±90゜(90゜〜270゜)の範囲を想定してのものであるが、測定回路で使用されているオペアンプやフィルタなどで生ずる位相誤差や検出抵抗105の位相角θfによって位相角θminが±90゜の範囲外になる場合がある。
【0037】
一例として、コンデンサを測定した場合、被測定試料102の位相角θmは−90゜となるが、検出抵抗105の位相角θfが20゜であると仮定した場合、θmin=290゜(−70゜)となる。
【0038】
そこで、位相角θminが±180゜の範囲に存在する場合、上記式(15)は、
tan−1((V270 −V90 )/(V90 +V270 −2V180 ))=γまたは180+γ……(18)
となり、上記式(16),(18)により、
θmin(θbal1)=180−tan−1((V270 −V90 )/(V90 +V270 −2V180 ))……(19)
または
θmin(θbal2)=−tan−1((V270 −V90 )/(V90 +V270 −2V180 ))……(20)
となる。
【0039】
次に、平衡振幅Bminを算出する上記式(B1),(B2)の根拠について説明する。第2発振器106の位相をθmin,振幅をBaに設定したときのL端子点で測定される電圧をVaとする。また、第2発振器106の位相をθmin,振幅をBbに設定したときのL端子点で測定される電圧をVbとする。
【0040】
L端子点の振幅は上記式(2)で表されるため、位相をθminにしたときの式(2)は次式(21)または次式(22)のようになる。
VL=(A・Zf−B・Zm)/Zf・Zm・Yt……(21)
VL=−(A・Zf−B・Zm)/Zf・Zm・Yt……(22)
【0041】
これらの式(21),(22)に、振幅をBaに設定して上記L端子点で測定された電圧Vaをあてはめると、
Va=(A・Zf−Ba・Zm)/Zf・Zm・Ytから、
Zf・Zm・Yt=(A・Zf−Ba・Zm)/Va ……(23)
または、
Va=(−A・Zf+Ba・Zm)/Zf・Zm・Ytから、
Zf・Zm・Yt=(−A・Zf+Ba・Zm)/Va ……(24)
【0042】
また、上記式(21),(22)に、振幅をBbに設定して上記L端子点で測定された電圧Vbをあてはめると、
Vb=(A・Zf−Bb・Zm)/Zf・Zm・Ytから、
Zf・Zm・Yt=(A・Zf−Bb・Zm)/Vb ……(25)
または、
Vb=(−A・Zf+Bb・Zm)/Zf・Zm・Ytから、
Zf・Zm・Yt=(−A・Zf+Bb・Zm)/Vb ……(26)
【0043】
上記式(23),(25)から、
(A・Zf−Ba・Zm)/Va=(A・Zf−Bb・Zm)/Vb
したがって、
Zm=(Vb−Va)A・Zf/(Ba・Vb−Bb・Va)……(27)
また、上記式(23),(26)から、
(A・Zf−Ba・Zm)/Va=(−A・Zf+Bb・Zm)/Vb
したがって、
Zm=(Vb+Va)A・Zf/(Ba・Vb+Bb・Va)……(28)
【0044】
また、平衡状態では次式(29)が成立する。
A・Zf=Bmin・Zmから、
Bmin=A・Zf/Zm……(29)
上記式(27),(29)から、
Bmin=(Ba・Vb−Bb・Va)/(Vb−Va)……(30)
上記式(28),(29)から、
Bmin=(Ba・Vb+Bb・Va)/(Vb+Va)……(31)
このようにして、上記式(B1)のBmin1と上記式(B2)のBmin2とが導き出される。
【0045】
上記先願発明によると、L端子点を平衡状態とする要因としての位相条件および振幅条件のいずれにおいても解が2つ存在する。すなわち、位相についてはθbal1,θbal2、振幅についてはBmin1,Bmin2が存在するため、最適な方を選択する必要がある。この選択手順を含めて、上記先願発明の一連の動作を図2のフローチャートに沿って説明する。
【0046】
まず、ステップST21〜ST23で、第2発振器106の振幅をBaに設定した状態で、位相を90゜,180゜,270゜に順次設定して、その各々のL端子点電圧V90,V180,V270を測定する。そして、ステップST24で、これらの測定電圧の平均値Vaveを算出する。
【0047】
次に、ステップST25として、電圧V90,V180,V270を上記式(5),(6)に代入して、平衡位相候補θbal1,θbal2を算出する。しかる後、ステップST26で、第2発振器106の振幅をBaにしたまま、位相に例えば一方の平衡位相候補θbal1を設定してL端子点電圧VθbalAを測定する。
【0048】
ステップST27で、平均値Vaveと電圧VθbalAとを比較する。VθbalA<Vaveであれば、ステップST28aで位相変数θminをθbal1とし、電圧変数VaをVθbalAとしてステップST29に至る。
【0049】
これに対して、Vave<VθbalAのときには、ステップST28bを実行する。すなわち、第2発振器106の振幅をBaとして、こんどは位相に他方の平衡位相候補θbal2を設定してL端子点電圧VθbalBを測定し、ステップST28cで平衡位相変数θminをθbal2とし、電圧変数VaをVθbalBとした上でステップST29に至る。
【0050】
ステップST29では、第2発振器106の振幅をBaとは異なる値のBbとし、また、位相に上記ステップで求めた平衡位相変数θminを設定して、L端子点電圧Vbを測定する。そして、ステップST30において、電圧変数Vaと電圧Vbとを上記式(B1),(B2)に代入して、平衡電圧Bmin1,Bmin2を算出した後、ステップST31で電圧VaとVbの平均値Vaveを算出する。
【0051】
ステップST32では、第2発振器106の振幅を例えば一方の平衡電圧Bmin1とし、位相に平衡位相変数θminを設定してL端子点電圧Vmin1を測定する。
【0052】
ステップST33で、平均値Vaveと電圧Vmin1を比較し、Vmin1<Vaveであれば、ステップST34aを実行して、平衡電圧変数BminにBmin1を置く。これに対して、Vmin1>Vaveのときには、ステップST34bで平衡電圧変数BminにBmin2を置く。
【0053】
上記のようにして、最適平衡位相角θminと最適平衡振幅Bminを選択した後、最終ステップST35において、
Zm=Zf×A/B
のBにBminを代入し、また、
θm=θf+θa−θb−180゜
のθbにθminを代入して、被測定試料102のインピーダンスZmと位相θmとをそれぞれ算出する。
【0054】
上記先願発明によれば、先の図7で説明したアナログ的に平衡をとる自動平衡ブリッジに比べて、回路構成が簡単であり、装置の小型化および低コスト化を実現できるとともに、ディジタルおよびソフト的に平衡をとるため、回路が安定である。また、上記の自動平衡ブリッジの場合、高周波数では位相の検出がきわめて難しいが、上記先願発明のアルゴリズムにしたがえば位相を検出する必要もない、などの利点がある。
【0055】
しかしながら、上記先願発明では、例えば第2発振器106の位相および振幅条件を変えながらL端子点(平衡点)の電圧を測定し、平衡条件を求めているため、その分、測定時間が遅くなる。ちなみに、測定回数は最小で6回(ステップST21,22,23,26,29,32)、最大で7回(さらにステップST28bが加わるため。)行う必要がある。
【0056】
また、平衡振幅Bminを求めるときに次の問題がある。すなわち、平衡振幅Bminを求めるにあたって、第2発振器106の位相をθminとして、振幅に任意の異なる2つの振幅Ba,Bbを設定し、それぞれのL端子点電圧Va,Vbを測定するようにしている。
【0057】
ところで、設定する振幅Ba(またはBb)がたまたま平衡振幅Bminの近傍の値である場合、L端子点電圧Va(またはVb)が約0〔V〕となる。しかしながら、0〔V〕近辺の電圧はノイズに埋もれやすく正確に検出することが困難でしばしば測定誤差を伴うため、これが平衡振幅Bmin(Bmin1,Bmin2)の算出誤差として表れることになる。
【0058】
本発明によれば、上記先願発明よりも測定回数が少なくて済み、また、平衡振幅Bminをより正確に求めることができる。すなわち、本発明では、平衡振幅Bminを求めるにあたって、第2発振器106の位相をθminではなくθmaxとして平衡振幅Bminを求める。
【0059】
これにより、平衡振幅Bminを求める過程で0〔V〕付近を検出することがなくなり、上記先願発明で問題とされたノイズによる測定誤差を解消することができる。また、上記先願発明では平衡振幅Bminの解が2つ(Bmin1,Bmin2)存在していたが、第2発振器106の位相をθmaxとすることにより、Va,Vbから算出される平衡振幅Bminの解が一つになる。
【0060】
先にも説明したように、L端子点の電圧は次式(7)によって表される。
【数16】
Figure 0004164274
【0061】
第2発振器106の位相をθmaxに設定した場合、上記式(7)中の(θf−θm−θb)=0でcos(θf−θm−θb)=1となることを意味するから、上記式(7)は次式(32)となる。
【数17】
Figure 0004164274
したがって、式(32)を解くと、次式(33),(34)が得られる。
【数18】
Figure 0004164274
【数19】
Figure 0004164274
【0062】
に、第2発振器106の位相をθmaxとした場合において、第2発振器106に設定される任意の異なる2つの振幅Ba,BbとL端子点電圧VL(平衡点電圧)との関係を示す。この図から分かるように、Ba,Bb設定時のL端子点電圧VLは上記式(33)上になるため、そのときの測定電圧Va,Vbから算出されるBminの結果が一つになる。
【0063】
これに対して、上記先願発明の場合(第2発振器106の位相をθminとした場合)には、図に示すように、測定電圧Va,Vbが上記式(33),(34)のいずれの上にあるか不明なため、平衡振幅Bminの解が2つ存在することになる。
【0064】
次に、本発明の一連の動作を図5のフローチャートに沿って説明する。ステップST21〜ST26までは、上記先願発明と同じである。すなわち、第2発振器106の振幅をBaとして、位相を90゜,180゜,270゜に順次設定してL端子点の電圧を測定し、平均値Vaveを求めるとともに、θbal1,θbal2を算出する。そして、第2発振器106の振幅をBaとし、位相にθbal1を設定して、そのときのL端子点の電圧VθbalAを測定する。
【0065】
しかる後、ステップST27で、平均値Vaveと電圧VθbalAとを比較するのであるが、本発明においては、Vave<VθbalAであれば、ステップST28a’で位相変数θmaxをθbal1,位相変数θminをθbal2,電圧変数VamaxをVθbalAとしてステップST29’に至る。
【0066】
これに対して、VθbalA<Vaveのときには、ステップST28bを実行する。すなわち、第2発振器106の振幅をBaとして、こんどは位相に他方の平衡位相θbal2を設定してL端子点電圧VθbalBを測定した後、ステップST28c’で位相変数θmaxをθbal2,位相変数θminをθbal1,電圧変数VamaxをVθbalBとしてステップST29’に至る。
【0067】
なお、上記ステップST27で比較基準値としてVaveを採用しているが、別の態様として、平均値Vaveに代えて、上記電圧Vx,Vy,Vzの中間値Vmidを採用してもよい。また、上記ステップST27における判定式VθbalA>Vave,VθbalA<Vaveのいずれか一方に等号を持たせてもよい。
【0068】
ステップST29’では、第2発振器106の振幅をBaとは異なる別の値Bbとし、また、位相に上記ステップで求めた位相変数θmaxを設定して、L端子点電圧Vbmaxを測定する。
【0069】
そして、ステップST30’において、次式(35)により平衡振幅Bminを算出する。
Bmin=(Ba・Vbmax−Bb・Vamax)/(Vamax−Vbmax)……(35)
【0070】
そして、最終ステップST31’において、上記ステップST30’で求めた平衡振幅Bminを、
Zm=Zf×A/B
のBに代入し、また、
上記ステップST28a’もしくは上記ステップST28c’で設定した位相変数θminを、
θm=θf+θa−θb−180゜
のθbに代入して、被測定試料102のインピーダンスZmと位相θmとをそれぞれ算出する。
【0071】
本発明によれば、測定回数は最小で5回(ステップST21,22,23,26,29’)、最大で6回(さらにステップST28bが加わるため。)となり、場合によっては、測定回数を上記先願発明よりも2回減らすことができる。また、平衡振幅Bminを求める過程で0〔V〕付近を検出することがなくなるため、ノイズによるBminの測定誤差を排除することが可能となる。
【0072】
なお、上記実施形態では、第2発振器106の振幅と位相を操作するようにしているが、第2発振器106の振幅と位相を固定とし、第1発振器101側の振幅と位相を操作するようにしてもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被測定試料に対して同一周波数の正弦波信号を印加する2つの発振器を備え、そのいずれか一方の発振器に異なる3つの位相角を設定することにより平衡位相角が求められ、また、その平衡位相角のもとで異なる2つの振幅値を設定することにより平衡振幅値が得られるのであるが、さらに平衡条件をより速く、しかも正確に求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるインピーダンス測定用自動平衡回路の概略的なブロック図。
【図2】先願発明の動作フローチャート。
【図3】第2発振器の位相をθmaxとした場合における任意の異なる2つの振幅とL端子点電圧との関係を示す本発明例のグラフ。
【図4】第2発振器の位相をθminとした場合における任意の異なる2つの振幅とL端子点電圧との関係を示す上記先願発明例のグラフ。
【図5】本発明の動作フローチャート。
【図6】インピーダンス測定用自動平衡回路の第1従来例を示すブロック図。
【図7】インピーダンス測定用自動平衡回路の第2従来例を示すブロック図。
【符号の説明】
100 自動平衡回路
101 第1発振器
102 被測定試料
105 検出素子
106 第2発振器
107 電圧検出器
108 A/D変換器
109 CPU[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an automatic balance circuit for impedance measurement applied to LCR meters, impedance analyzers, and the like. More specifically, a balanced state can be obtained even in a high frequency band, and the impedance and phase angle of a sample to be measured can be measured with high accuracy. It is related to the technology.
[0002]
[Prior art]
First, a basic configuration of an automatic balancing circuit used in an impedance measuring instrument such as an LCR meter or an impedance analyzer is shown in FIG. 6 and will be described. The automatic balancing circuit 300 is connected to an oscillator 301 for applying a sine wave signal having a predetermined frequency from the H terminal on the signal input side to the sample 304 to be measured, and to the other terminal side of the sample 304 to be measured via the L terminal. And a signal detection unit.
[0003]
In this case, the signal detection unit has an operational amplifier 306 as a current-voltage converter, the detection signal from the L terminal is input to the (−) input terminal side, and the (+) input terminal is grounded. A detection resistor 305 is connected to a feedback system between the output terminal and the (−) input terminal of the operational amplifier 306.
[0004]
When the gain of the operational amplifier 306 is sufficiently large, the voltage at the L terminal becomes 0 V (equilibrium state) due to an imaginary short, so that the amplitude of the oscillator 301 is A, the phase angle is θa, and the operational amplifier 306 outputs the voltage. Assuming that the amplitude of the output signal is B, the phase angle is θb, the impedance of the detection resistor 305 is Zf, and the phase angle is θf, the impedance Zm and the phase angle θm of the sample 304 to be measured are obtained by the following equations.
[0005]
Zm = Zf × A / B
θm = θf + θa−θb−180 °
[0006]
Although the automatic balancing circuit 300 has a simple configuration, when the frequency of the measurement sine wave signal given from the oscillator 301 to the sample 304 to be measured is increased, the gain of the operational amplifier 306 is decreased, so that an imaginary short circuit is not established. A voltage is generated at the L terminal. As a result, a current flows through the input capacitance C existing between the L terminal and the ground (GND), resulting in a measurement error.
[0007]
In order to maintain the L terminal at 0 V up to the high frequency band, an automatic balancing loop called a null loop method has been proposed. FIG. 7 shows a circuit configuration in which the null loop method is adopted for the automatic balancing circuit of FIG.
[0008]
In this null loop method, the current of the sample 302 to be measured flowing into the L terminal is converted and amplified to a voltage by a null detection circuit 401 composed of an inverting operational amplifier, and input to the subsequent multipliers 402 and 403. One multiplier 402 is supplied with the sine wave signal of the oscillator 301 as a reference signal, and the other multiplier 403 is supplied with the sine wave signal of the oscillator 301 through the 90 ° phase shifter 404 as a cosine wave signal. Thus, vector detection is performed.
[0009]
Subsequently, the outputs of the multipliers 402 and 403 are integrated and smoothed by the integrating circuits 405 and 406, respectively. The smoothed vector detection signal is supplied to multipliers 407 and 408. In one multiplier 407, the sine wave component vector-detected by the multiplier 402 is multiplied by the sine wave signal from the oscillator 301, and in the other multiplier 408, the cosine wave component vector-detected by the multiplier 403 is multiplied by 90. The cosine wave signal from the phase shifter 404 is multiplied.
[0010]
These multiplication results are added by the adder 409 and fed back to the null detection circuit 401 via the detection resistor 305. According to this null loop method, the current fed back to the null detection circuit 401 via the detection resistor 305 has the same value as the current flowing through the sample to be measured. That is, since the feedback current by the detection resistor 305 changes so that the voltage output from the null detection circuit 401 is always 0 V, an automatic balancing loop is configured.
[0011]
According to the null loop method, even when the frequency of the measurement sine wave is high, it is possible to maintain the voltage at the L terminal at 0 V. Therefore, the influence of the input capacitance existing between the L terminal and the ground (GND) can be reduced. Although accurate impedance measurement can be performed without receiving it, the following problems have been pointed out.
[0012]
That is, many circuit parts are required, the configuration is complicated, the apparatus becomes large, and the cost must be increased. In addition, the circuit tends to become unstable because it is balanced in an analog manner. Furthermore, it is difficult to obtain a complete equilibrium state due to the DC offset of the multiplier and integrator for synchronous detection.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve this problem, the applicant of the present invention has specified an automatic balance circuit for impedance measurement that has a simple circuit configuration, is stable in operation, and can easily obtain a balanced state by digital control. The application has already been filed as Japanese Patent Application No. 2001-46598 and Japanese Patent Application No. 2001-328655 (hereinafter referred to as the prior invention).
[0014]
The invention of the prior application includes two oscillators that apply a sine wave signal of the same frequency to the sample to be measured, and the balanced phase angle is obtained by setting three different phase angles to one of the oscillators. In addition, the balanced amplitude value can be obtained by setting two different amplitude values under the balanced phase angle. The present invention relates to the improvement of the above-mentioned prior application, and the problem is that the balanced condition is The goal is to be faster and more accurate.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a first oscillator that applies a sine wave signal having a predetermined frequency to one terminal of a sample to be measured, and a predetermined detection element on the other terminal side of the sample to be measured. A second oscillator that outputs a sine wave signal having the same frequency as the sine wave signal of the first oscillator, a voltage detector that detects the voltage on the other terminal side of the sample to be measured, and the detected voltage as digital voltage data An A / D converter for conversion, and control means for controlling the amplitude and phase angle of the first oscillator or the second oscillator based on the voltage data, and the other terminal of the sample to be measured by the control means The sample to be measured is obtained from the amplitude and phase angle of the first oscillator, the amplitude and phase angle of the second oscillator, and the impedance and phase angle of the detection resistor under an equilibrium state where the side voltage is the minimum voltage. An automatic balancing circuit for impedance measurement to calculate the impedance and phase angle, the control means, to the one of the oscillator of the first oscillator or the second oscillator,
(1) Arbitrary three different phase angles θx, θy, and θz are sequentially set in a state where the amplitude is an arbitrary first amplitude value Ba, and the other terminal of the sample to be measured is set for each phase angle. Measuring the voltages Vx, Vy and Vz appearing on the side;
(2) obtaining an average value Vave of the voltages Vx, Vy and Vz;
(3) From the phase angles θx, θy and θz and the voltages Vx, Vy and Vz, the phase angles θbal1, θbal2 as the first establishment factor candidates of the equilibrium state based on the following formulas (A1), (A2) Calculating steps,
(4) With the amplitude set to the first amplitude value Ba, one of the phase angles θbal1 and θbal2 is set as the first phase angle, and appears on the other terminal side of the sample to be measured. Measuring a voltage VθbalA;
(5) Compare the voltage VθbalA with the average value Vave,
If VθbalA> Vave, one of the first phase angles set in (4) is set as a variable θmax, the other second phase angle is set as a variable θmin, and VθbalA is set as a variable Vamax.
If VθbalA <Vave, the voltage VθbalB appearing on the other terminal side of the measured sample is measured by setting the second phase angle as the phase angle in the state where the amplitude is the first amplitude value Ba, Setting the second phase angle as a variable θmax, the first phase angle as a variable θmin, and VθbalB as a variable Vamax;
(6) measuring the voltage Vbmax appearing on the other terminal side of the sample to be measured by setting the amplitude θmax as the second amplitude value Bb different from the first amplitude value Ba and setting the variable θmax as the phase angle; ,
(7) From the first amplitude value Ba, the second amplitude value Bb, the variable Vamax, and the voltage Vbmax, an amplitude Bmin as a second establishment factor of the equilibrium state is obtained.
Bmin = (Ba · Vbmax−Bb · Vamax) / (Vamax−Vbmax)
And calculating the impedance and phase angle of the sample to be measured based on the amplitude Bmin and the variable θmin.
[Equation 3]
Figure 0004164274
[Expression 4]
Figure 0004164274
[0016]
In the above (5), when the voltage value VθbalA at the phase angle θbal1 or θbal2 and the average value Vave are compared, as another aspect, instead of the average value Vave, an intermediate value Vmid of the voltages Vx, Vy, Vz is used. It may be adopted. Further, an equal sign may be given to any one of the inequalities VθbalA> Vave and VθbalA <Vave in the above (5).
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a block diagram of an automatic balancing circuit 100 according to the present invention. Although the hardware configuration is the same as that of the prior application invention, the embodiment of the present invention will be described in comparison with the prior application invention.
[0018]
Similar to the prior application invention, the automatic balancing circuit 100 includes two oscillators, a first oscillator 101 and a second oscillator 106, and an H terminal point (signal application side terminal point) on the first oscillator 101 side and a second oscillator. The sample to be measured 102 is mounted between the L terminal point on the 106 side (current detection side terminal point).
[0019]
A sine wave signal having a predetermined frequency is supplied from the first oscillator 101 to the sample 102 to be measured. The second oscillator 106 also outputs a sine wave signal having the same frequency as that of the measurement sine wave signal, and a detection resistor 105 as a detection element is connected between the second oscillator 106 and the L terminal point. Yes. In place of the detection resistor 105, a capacitor (C) or a coil (L) may be used on condition that the impedance is accurately known.
[0020]
The automatic balancing circuit 100 includes a voltage detector 107 that detects the voltage at the L terminal, an A / D converter 108 that converts the detected voltage into a digital signal, and a detection voltage from the A / D converter 108. A CPU 109 is provided as a control unit that controls the amplitude and phase angle of the second oscillator 106 based on the data and has a function of calculating the impedance and phase angle of the sample 102 to be measured.
[0021]
Also in the present invention, as in the above-mentioned prior application, the CPU 109 controls, for example, the second oscillator 106 out of the two oscillators with three different phase angles θx, θy and By sequentially setting θz and measuring the voltages Vx, Vy, and Vz appearing on the L terminal point side of the sample to be measured 102 for each phase angle, they are calculated by the following equations (A1) and (A2). Any one of the phase angles θbal1 and θbal2 can be set as the equilibrium phase angle θmin as the first establishment factor of the equilibrium state.
[0022]
[Equation 5]
Figure 0004164274
[Formula 6]
Figure 0004164274
[0023]
In the prior invention, after adjusting the phase angle of the second oscillator 106 to the phase angle θmin, the amplitudes are sequentially set to two different amplitudes Ba and Bb (preferably within the same range). By measuring the voltages Va and Vb appearing on the L terminal point side for each amplitude, one of the amplitudes calculated by the following equations (B1) and (B2) is used as an equilibrium amplitude as a second establishment factor of the equilibrium state. Bmin. The equilibrium state means a state where the L terminal is at the minimum voltage (preferably 0 V).
[0024]
[Expression 7]
Figure 0004164274
[Equation 8]
Figure 0004164274
[0025]
Here, the derivation process of the above equations will be briefly described (for details, refer to the above-mentioned prior invention). The amplitude of the first oscillator 101 is A, the phase angle is θa, the amplitude of the second oscillator 106 is B, the phase angle is θb, the impedance of the detection resistor 105 is Zf, and the phase angle is generated at the θf and L terminals. The impedance of the capacitor C is Zi, its phase angle is θi, the impedance of the sample 102 to be measured is Zm, and its phase angle is θm. The frequencies of the first oscillator 101 and the second oscillator 106 are the same and are ω.
[0026]
Assuming that the voltage at the L terminal point is VL and the sum of the currents flowing into the L terminal point is 0 according to Kirchhoff's law, the following equation (1) is established.
[Equation 9]
Figure 0004164274
[0027]
When this expression (1) is developed, the amplitude of the voltage VL at the L terminal point is expressed by the following expression (2), and the phase is expressed by the following expression (3).
[Expression 10]
Figure 0004164274
[Expression 11]
Figure 0004164274
However, Yt in Formula (2) is following Formula (4).
[Expression 12]
Figure 0004164274
[0028]
In the equilibrium state, the voltage VL at the L terminal is 0 V (minimum). First, in order to obtain the balanced phase angle θmin, three different phase angles are sequentially set in the second oscillator 106, the voltage VL at each L terminal point is measured, and the above equations (A1) and (A2) are used. Two phase angles θbal1 and θbal2 are calculated as equilibrium phase angle candidates, but three different phase angles are set to 90 °, 180 °, and 270 ° in order to facilitate the calculation using the equations (A1) and (A2). And
[0029]
In all cases, the amplitude is Ba, and the voltage measured at the L terminal point when the phase is 90 ° is V90, The voltage measured at the L terminal when the phase is 180 °, V180, The voltage measured at the L terminal when the phase is 270 ° is V270Then, from the above formulas (A1) and (A2), one phase angle θbal1 is represented by the following formula (5), and the other phase angle θbal2 is represented by the following formula (6).
[Formula 13]
Figure 0004164274
[Expression 14]
Figure 0004164274
[0030]
The basis of these formulas (5) and (6) will be described. Since the amplitude of the L terminal point is the above equation (2), when this is squared, the following equation (7) is obtained.
[Expression 15]
Figure 0004164274
[0031]
In Expression (7), since the variable is only the phase angle θb of the second oscillator 106, Expression (7) is replaced with the following Expression (8) with α, β, and γ as constants.
VL2= Α + βcos (γ + θb) (8)
[0032]
As described above, the phase of the second oscillator 106 is set to 90 °, and the voltage at that time is set to V90Then, from equation (8),
V90 2= Α + βcos (γ + 90) = α−βsinγ (9)
Similarly, from the equation (8), the phase of the second oscillator 106 is set to 180 °, and the voltage at that time is set to V180Then,
V180 2= Α + βcos (γ + 180) = α−βcosγ (10)
Similarly, from the equation (8), the phase of the second oscillator 106 is set to 270 °, and the voltage at that time is set to V270Then,
V270 2= Α + βcos (γ + 270) = α + βsinγ (11)
[0033]
From the above formulas (9) and (11),
V90 2+ V270 2= 2α …… (12)
From the above formulas (10) and (12),
V180 2= (V90 2+ V270 2) / 2-βcosγ
Therefore, βcosγ = (V90 2+ V270 2) / 2-V180 2(13)
From the above formulas (9) and (12),
V90 2= (V90 2+ V270 2) / 2-βsinγ
Therefore, βsinγ = (V270 2-V90 2) / 2 …… (14)
[0034]
From the above equations (13) and (14),
tanγ = ((V270 2-V90 2) / 2) / ((V90 2+ V270 2) / 2-V180 2)
= (V270 2-V90 2) / (V90 2+ V270 2-2V180 2)
Therefore,
γ = tan-1((V270 2-V90 2) / (V90 2+ V270 2-2V180 2)) ... (15)
[0035]
Since cos (γ + θb) = − 1 in the above equation (8) in the equilibrium state,
γ + θmin = 180 (16)
From the above equations (15) and (16), the equilibrium phase θmin is
θmin = 180−γ,
Therefore, θmin = 180−tan-1((V270 2-V90 2) / (V90 2+ V270 2-2V180 2)) …… (17)
[0036]
The phase angle θmin calculated by the above algorithm is assumed to be in the range of ± 90 ° (90 ° to 270 °) assuming that the object to be measured is a capacitor, resistor, coil, etc. In some cases, the phase angle θmin falls outside the range of ± 90 ° due to a phase error caused by an operational amplifier or a filter, or the phase angle θf of the detection resistor 105.
[0037]
As an example, when a capacitor is measured, the phase angle θm of the sample 102 to be measured is −90 °, but when it is assumed that the phase angle θf of the detection resistor 105 is 20 °, θmin = 290 ° (−70 °). )
[0038]
Therefore, when the phase angle θmin is in the range of ± 180 °, the above equation (15) is
tan-1((V270 2-V90 2) / (V90 2+ V270 2-2V180 2)) = Γ or 180 + γ …… (18)
From the above equations (16) and (18),
θmin (θbal1) = 180−tan-1((V270 2-V90 2) / (V90 2+ V270 2-2V180 2)) …… (19)
Or
θmin (θbal2) = − tan-1((V270 2-V90 2) / (V90 2+ V270 2-2V180 2)) …… (20)
It becomes.
[0039]
Next, the basis of the above formulas (B1) and (B2) for calculating the equilibrium amplitude Bmin will be described. The voltage measured at the L terminal point when the phase of the second oscillator 106 is set to θmin and the amplitude is set to Ba is Va. The voltage measured at the L terminal point when the phase of the second oscillator 106 is set to θmin and the amplitude is set to Bb is Vb.
[0040]
Since the amplitude of the L terminal point is expressed by the above formula (2), the formula (2) when the phase is θmin is expressed by the following formula (21) or the following formula (22).
VL = (A · Zf−B · Zm) / Zf · Zm · Yt (21)
VL = − (A · Zf−B · Zm) / Zf · Zm · Yt (22)
[0041]
When the voltage Va measured at the L terminal point with the amplitude set to Ba is applied to these equations (21) and (22),
From Va = (A · Zf−Ba · Zm) / Zf · Zm · Yt,
Zf.Zm.Yt = (A.Zf-Ba.Zm) / Va (23)
Or
From Va = (− A · Zf + Ba · Zm) / Zf · Zm · Yt,
Zf · Zm · Yt = (− A · Zf + Ba · Zm) / Va (24)
[0042]
Further, when the voltage Vb measured at the L terminal point with the amplitude set to Bb is applied to the equations (21) and (22),
From Vb = (A · Zf−Bb · Zm) / Zf · Zm · Yt,
Zf.Zm.Yt = (A.Zf-Bb.Zm) / Vb (25)
Or
From Vb = (− A · Zf + Bb · Zm) / Zf · Zm · Yt,
Zf · Zm · Yt = (− A · Zf + Bb · Zm) / Vb (26)
[0043]
From the above equations (23) and (25),
(A · Zf−Ba · Zm) / Va = (A · Zf−Bb · Zm) / Vb
Therefore,
Zm = (Vb−Va) A · Zf / (Ba · Vb−Bb · Va) (27)
From the above equations (23) and (26),
(A · Zf−Ba · Zm) / Va = (− A · Zf + Bb · Zm) / Vb
Therefore,
Zm = (Vb + Va) A.Zf / (Ba.Vb + Bb.Va) (28)
[0044]
In the equilibrium state, the following equation (29) is established.
From A · Zf = Bmin · Zm,
Bmin = A · Zf / Zm (29)
From the above equations (27) and (29),
Bmin = (Ba · Vb−Bb · Va) / (Vb−Va) (30)
From the above equations (28) and (29),
Bmin = (Ba · Vb + Bb · Va) / (Vb + Va) (31)
In this way, Bmin1 of the above formula (B1) and Bmin2 of the above formula (B2) are derived.
[0045]
According to the invention of the prior application, there are two solutions for both the phase condition and the amplitude condition as factors for bringing the L terminal point into an equilibrium state. That is, θbal1 and θbal2 exist for the phase, and Bmin1 and Bmin2 exist for the amplitude. Therefore, it is necessary to select the optimum one. A series of operations of the invention of the prior application including this selection procedure will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0046]
First, in steps ST21 to ST23, with the amplitude of the second oscillator 106 set to Ba, the phases are sequentially set to 90 °, 180 °, and 270 °, and the respective L terminal point voltages V are set.90, V180, V270Measure. In step ST24, an average value Vave of these measurement voltages is calculated.
[0047]
  Next, as step ST25, the voltage V90, V180, V270Is substituted into the above formulas (5) and (6) to calculate balanced phase candidates θbal1 and θbal2. Thereafter, in step ST26, while the amplitude of the second oscillator 106 is set to Ba, for example, one balanced phase candidate θbal1 is set as the phase, and the L terminal point voltage VθbalAMeasure.
[0048]
  In step ST27, average value Vave and voltage VθbalAAnd compare. VθbalAIf <Vave, the phase variable θmin is set to θbal1 in step ST28a, and the voltage variable Va is set to VθbalATo step ST29.
[0049]
  In contrast, Vave <VθbalAIn the case of step ST28b is executed. That is, assuming that the amplitude of the second oscillator 106 is Ba, the other balanced phase candidate θbal2 is set as the phase, and the L terminal voltage VθbalBIn step ST28c, the equilibrium phase variable θmin is set to θbal2, and the voltage variable Va is set to VθbalBThen, the process proceeds to step ST29.
[0050]
In step ST29, the amplitude of the second oscillator 106 is set to Bb having a value different from Ba, and the balanced phase variable θmin obtained in the above step is set to the phase, and the L terminal voltage Vb is measured. In step ST30, the voltage variables Va and Vb are substituted into the above formulas (B1) and (B2) to calculate the balanced voltages Bmin1 and Bmin2. Then, in step ST31, the average value Vave of the voltages Va and Vb is calculated. calculate.
[0051]
In step ST32, the amplitude of the second oscillator 106 is set to one balanced voltage Bmin1, for example, the balanced phase variable θmin is set as the phase, and the L terminal point voltage Vmin1 is measured.
[0052]
In step ST33, the average value Vave and the voltage Vmin1 are compared. If Vmin1 <Vave, step ST34a is executed to place Bmin1 in the balanced voltage variable Bmin. On the other hand, when Vmin1> Vave, Bmin2 is set in the equilibrium voltage variable Bmin in step ST34b.
[0053]
After selecting the optimal equilibrium phase angle θmin and the optimal equilibrium amplitude Bmin as described above, in the final step ST35,
Zm = Zf × A / B
Substitute Bmin for B, and
θm = θf + θa−θb−180 °
The impedance Zm and the phase θm of the sample to be measured 102 are respectively calculated by substituting θmin for θb.
[0054]
According to the above-mentioned prior application, the circuit configuration is simple and the apparatus can be reduced in size and cost as compared with the analog balanced automatic balancing bridge described in FIG. The circuit is stable because it is balanced in terms of software. In the case of the above automatic balancing bridge, it is very difficult to detect the phase at a high frequency, but there is an advantage that it is not necessary to detect the phase according to the algorithm of the prior invention.
[0055]
However, in the above-mentioned prior invention, for example, the voltage at the L terminal point (equilibrium point) is measured while changing the phase and amplitude conditions of the second oscillator 106, and the equilibrium condition is obtained. . Incidentally, the number of measurements needs to be performed at a minimum of 6 times (steps ST21, 22, 23, 26, 29, and 32) and a maximum of 7 times (because step ST28b is added).
[0056]
Further, there are the following problems when obtaining the balanced amplitude Bmin. That is, when obtaining the balanced amplitude Bmin, the phase of the second oscillator 106 is set to θmin, two different amplitudes Ba and Bb are set as the amplitude, and the respective L terminal point voltages Va and Vb are measured. .
[0057]
By the way, when the set amplitude Ba (or Bb) happens to be a value near the balanced amplitude Bmin, the L terminal voltage Va (or Vb) becomes about 0 [V]. However, since the voltage near 0 [V] is easily buried in noise and difficult to detect accurately, and often involves measurement errors, this appears as a calculation error of the balanced amplitude Bmin (Bmin1, Bmin2).
[0058]
According to the present invention, the number of times of measurement is less than that of the prior invention, and the equilibrium amplitude Bmin can be determined more accurately. That is, in the present invention, when obtaining the balanced amplitude Bmin, the balanced amplitude Bmin is obtained by setting the phase of the second oscillator 106 to θmax instead of θmin.
[0059]
As a result, the vicinity of 0 [V] is not detected in the process of obtaining the balanced amplitude Bmin, and the measurement error due to noise, which is a problem in the prior application invention, can be eliminated. In the above-mentioned prior invention, there are two solutions (Bmin1, Bmin2) of the balanced amplitude Bmin. By setting the phase of the second oscillator 106 to θmax, the balanced amplitude Bmin calculated from Va, Vb The solution becomes one.
[0060]
As described above, the voltage at the L terminal point is expressed by the following equation (7).
[Expression 16]
Figure 0004164274
[0061]
When the phase of the second oscillator 106 is set to θmax, it means that (θf−θm−θb) = 0 in the above equation (7) and cos (θf−θm−θb) = 1, so that (7) becomes the following equation (32).
[Expression 17]
Figure 0004164274
Therefore, when the equation (32) is solved, the following equations (33) and (34) are obtained.
[Expression 18]
Figure 0004164274
[Equation 19]
Figure 0004164274
[0062]
  Figure3The relationship between any two different amplitudes Ba and Bb set in the second oscillator 106 and the L terminal point voltage VL (equilibrium point voltage) when the phase of the second oscillator 106 is θmax is shown. As can be seen from this figure, since the L terminal point voltage VL at the time of setting Ba and Bb is on the above equation (33), the result of Bmin calculated from the measured voltages Va and Vb at that time is one.
[0063]
  On the other hand, in the case of the above-mentioned invention (when the phase of the second oscillator 106 is θmin),4As shown in FIG. 2, since it is unknown whether the measured voltages Va and Vb are above the above equations (33) and (34), there are two solutions of the balanced amplitude Bmin.
[0064]
  Next, a series of operations of the present invention will be described along the flowchart of FIG. Steps ST21 to ST26 are the same as the prior invention. That is, assuming that the amplitude of the second oscillator 106 is Ba, the phase is sequentially set to 90 °, 180 °, and 270 °, the voltage at the L terminal point is measured, the average value Vave is obtained, and θbal1 and θbal2 are calculated. Then, the amplitude of the second oscillator 106 is set to Ba, the phase is set to θbal1, and the voltage V at the L terminal point at that time is set.θbalAMeasure.
[0065]
  Thereafter, in step ST27, the average value Vave and the voltage VθbalAIn the present invention, Vave <VθbalAIn step ST28a ', the phase variable θmax is set to θbal1, the phase variable θmin is set to θbal2, and the voltage variable Vamax is set to VθbalAAs a result, step ST29 'is reached.
[0066]
  In contrast, VθbalAIf <Vave, step ST28b is executed. That is, assuming that the amplitude of the second oscillator 106 is Ba, and this time, the other balanced phase θbal2 is set as the phase, and the L terminal voltage VθbalBIn step ST28c ', the phase variable θmax is set to θbal2, the phase variable θmin is set to θbal1, and the voltage variable Vamax is set to V.θbalBAs a result, step ST29 'is reached.
[0067]
  Although Vave is adopted as the comparison reference value in step ST27, as another aspect, an intermediate value Vmid of the voltages Vx, Vy, Vz may be adopted instead of the average value Vave. Also, aboveIn step ST27Either one of the determination formulas VθbalA> Vave and VθbalA <Vave may have an equal sign.
[0068]
In step ST29 ', the amplitude of the second oscillator 106 is set to another value Bb different from Ba, and the phase variable θmax obtained in the above step is set to the phase, and the L terminal voltage Vbmax is measured.
[0069]
In step ST30 ', the equilibrium amplitude Bmin is calculated by the following equation (35).
Bmin = (Ba · Vbmax−Bb · Vamax) / (Vamax−Vbmax) (35)
[0070]
In the final step ST31 ', the equilibrium amplitude Bmin obtained in step ST30' is
Zm = Zf × A / B
Substituting for B, and
The phase variable θmin set in step ST28a ′ or step ST28c ′ is
θm = θf + θa−θb−180 °
The impedance Zm and the phase θm of the sample 102 to be measured are calculated respectively.
[0071]
According to the present invention, the minimum number of measurements is 5 (steps ST21, 22, 23, 26, 29 ') and the maximum is 6 (because step ST28b is added). This can be reduced twice compared to the prior invention. Further, since it is no longer possible to detect the vicinity of 0 [V] in the process of obtaining the balanced amplitude Bmin, it is possible to eliminate the measurement error of Bmin due to noise.
[0072]
In the above embodiment, the amplitude and phase of the second oscillator 106 are manipulated. However, the amplitude and phase of the second oscillator 106 are fixed, and the amplitude and phase of the first oscillator 101 are manipulated. May be.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, two oscillators for applying a sine wave signal of the same frequency to a sample to be measured are provided, and three different phase angles are set for one of the oscillators. An equilibrium phase angle is obtained, and by setting two different amplitude values under the equilibrium phase angle, an equilibrium amplitude value can be obtained. However, it is possible to obtain an equilibrium condition faster and more accurately. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of an automatic balancing circuit for impedance measurement according to the present invention.
FIG. 2 is an operation flowchart of the prior invention.
FIG. 3 is a graph of an example of the present invention showing the relationship between any two different amplitudes and the L terminal point voltage when the phase of the second oscillator is θmax.
FIG. 4 is a graph of the prior invention example showing the relationship between any two different amplitudes and the L terminal point voltage when the phase of the second oscillator is θmin.
FIG. 5 is an operation flowchart of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a first conventional example of an impedance measuring automatic balancing circuit.
FIG. 7 is a block diagram illustrating a second conventional example of an automatic balancing circuit for impedance measurement.
[Explanation of symbols]
100 automatic balancing circuit
101 First oscillator
102 Sample to be measured
105 Detection element
106 Second oscillator
107 Voltage detector
108 A / D converter
109 CPU

Claims (3)

被測定試料の一方の端子に所定周波数の正弦波信号を印加する第1発振器と、上記被測定試料の他方の端子側に所定の検出素子を介して上記第1発振器の正弦波信号と同一周波数の正弦波信号を出力する第2発振器と、上記被測定試料の他方の端子側の電圧を検出する電圧検出器およびその検出電圧をデジタルの電圧データに変換するA/D変換器と、上記電圧データに基づいて上記第1発振器もしくは上記第2発振器の振幅および位相角を制御する制御手段とを含み、上記制御手段により上記被測定試料の他方の端子側の電圧を最小電圧とした平衡状態の下で、上記第1発振器の振幅および位相角、上記第2発振器の振幅および位相角、上記検出抵抗のインピーダンスおよび位相角から上記被測定試料のインピーダンスおよび位相角を算出するインピーダンス測定用自動平衡回路であって、
上記制御手段は、上記第1発振器もしくは上記第2発振器のいずれか一方の発振器に対して、
(1)その振幅を任意の第1振幅値Baとした状態で、任意の3つの異なる位相角θx,θyおよびθzを順次設定して、その各位相角ごとに上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧Vx,VyおよびVzを測定するステップと、
(2)上記電圧Vx,VyおよびVzの平均値Vaveを求めるステップと、
(3)上記位相角θx,θyおよびθz,上記電圧Vx,VyおよびVzから、下記の式(A1),(A2)に基づいて上記平衡状態の第1成立要因候補としての位相角θbal1,θbal2を算出するステップと、
(4)振幅を上記第1振幅値Baとした状態で、位相角に上記位相角θbal1,θbal2のいずれか一方を第1位相角として設定して、上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧VθbalAを測定するステップと、
(5)上記電圧VθbalAと上記平均値Vaveとを比較し、
VθbalA>Vaveならば、上記(4)で設定したいずれか一方の第1位相角を変数θmax,いずれか他方の第2位相角を変数θmin,VθbalAを変数Vamaxとし、
VθbalA<Vaveならば、振幅を上記第振幅値Baとした状態で、位相角に上記第2位相角を設定して、上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧VθbalBを測定して、上記第2位相角を変数θmax,上記第1位相角を変数θmin,VθbalBを変数Vamaxとするステップと、
(6)振幅を上記第1振幅値Baとは異なる第2振幅値Bbとし、位相角に上記変数θmaxを設定して、上記被測定試料の他方の端子側に現れる電圧Vbmaxを測定するステップと、
(7)上記第1振幅値Ba,上記第2振幅値Bb,上記変数Vamaxおよび上記電圧Vbmaxより、上記平衡状態の第2成立要因としての振幅Bminを、
Bmin=(Ba・Vbmax−Bb・Vamax)/(Vamax−Vbmax)
なる式により求めるステップとを実行し、上記振幅Bminおよび上記変数θminに基づいて上記被測定試料のインピーダンスおよび位相角を算出することを特徴とするインピーダンス測定用自動平衡回路。
Figure 0004164274
Figure 0004164274
A first oscillator that applies a sine wave signal of a predetermined frequency to one terminal of the sample to be measured, and the same frequency as the sine wave signal of the first oscillator via a predetermined detection element on the other terminal side of the sample to be measured A second oscillator that outputs a sine wave signal, a voltage detector that detects a voltage on the other terminal side of the sample to be measured, an A / D converter that converts the detected voltage into digital voltage data, and the voltage Control means for controlling the amplitude and the phase angle of the first oscillator or the second oscillator based on the data, and the control means is in an equilibrium state with the voltage on the other terminal side of the measured sample as the minimum voltage. Below, the impedance and phase angle of the sample to be measured are calculated from the amplitude and phase angle of the first oscillator, the amplitude and phase angle of the second oscillator, and the impedance and phase angle of the detection resistor. An automatic balancing circuit for that impedance measurement,
The control means is for either one of the first oscillator and the second oscillator.
(1) Arbitrary three different phase angles θx, θy, and θz are sequentially set in a state where the amplitude is an arbitrary first amplitude value Ba, and the other terminal of the sample to be measured is set for each phase angle. Measuring the voltages Vx, Vy and Vz appearing on the side;
(2) obtaining an average value Vave of the voltages Vx, Vy and Vz;
(3) From the phase angles θx, θy and θz and the voltages Vx, Vy and Vz, the phase angles θbal1, θbal2 as the first establishment factor candidates of the equilibrium state based on the following equations (A1), (A2) Calculating steps,
(4) With the amplitude set to the first amplitude value Ba, one of the phase angles θbal1 and θbal2 is set as the first phase angle, and appears on the other terminal side of the sample to be measured. Measuring a voltage VθbalA;
(5) Compare the voltage VθbalA with the average value Vave,
If VθbalA> Vave, one of the first phase angles set in (4) is set as a variable θmax, the other second phase angle is set as a variable θmin, and VθbalA is set as a variable Vamax.
If VθbalA <Vave, the voltage VθbalB appearing on the other terminal side of the sample to be measured is measured by setting the second phase angle as the phase angle in the state where the amplitude is the first amplitude value Ba, and Setting the second phase angle as a variable θmax, the first phase angle as a variable θmin, and VθbalB as a variable Vamax;
(6) measuring the voltage Vbmax appearing on the other terminal side of the sample to be measured by setting the amplitude θmax as the second amplitude value Bb different from the first amplitude value Ba and setting the variable θmax as the phase angle; ,
(7) From the first amplitude value Ba, the second amplitude value Bb, the variable Vamax, and the voltage Vbmax, an amplitude Bmin as a second establishment factor of the equilibrium state is obtained.
Bmin = (Ba · Vbmax−Bb · Vamax) / (Vamax−Vbmax)
And calculating the impedance and the phase angle of the sample to be measured based on the amplitude Bmin and the variable θmin.
Figure 0004164274
Figure 0004164274
上記(2)の平均値Vaveに代えて、上記電圧Vx,Vy,Vzの中間値Vmidを採用する請求項1に記載のインピーダンス測定用自動平衡回路。  The automatic balancing circuit for impedance measurement according to claim 1, wherein an intermediate value Vmid of the voltages Vx, Vy, Vz is adopted instead of the average value Vave of (2). 上記(5)での不等式VθbalA>Vave,VθbalA<Vaveのいずれか一方に等号を持たせる請求項1または2に記載のインピーダンス測定用自動平衡回路。  The automatic balancing circuit for impedance measurement according to claim 1 or 2, wherein an equal sign is given to one of the inequalities VθbalA> Vave and VθbalA <Vave in (5).
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