JP4175704B2

JP4175704B2 - 回路素子の測定装置

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Publication number: JP4175704B2
Application number: JP22028298A
Authority: JP
Inventors: 正三依田
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JP2000055952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗等の回路素子の特性を測定する回路素子の測定装置に関し、さらに詳しく言えば、交流電圧を加えて回路素子の特性を測定する回路素子の測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回路素子の測定装置においては、被測定物の特性を測定する際に、正弦波の交流電圧を被測定物に加え、このとき、被測定物に流れる交流電流を測定する。この後、回路素子の測定装置は、被測定物に加えた交流電圧と、測定した交流電流とを用いて、被測定物の実効抵抗成分Ｒ、リアクタンス分Ｘ、インピーダンスＺおよび誘電正接ｔａｎδ（＝Ｒ／Ｘ）などを、被測定物の特性として算出する。
【０００３】
特性の算出が終了すると、回路素子の測定装置は、算出した実効抵抗成分Ｒ、リアクタンス分Ｘ、インピーダンスＺおよび誘電正接ｔａｎδを表示装置やプリンタに出力し、測定装置の使用者にこれらの値を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先に述べた回路素子の測定装置には、交流電圧を加えたときに被測定物を流れる交流電流の状態によって、誤差が生じるという課題を有している。
【０００５】
すなわち、回路素子の測定装置は、被測定物の特性を算出する際に、正弦波の交流電圧を被測定物に加え、このとき被測定物から測定した交流電流を用いる。このとき、測定した交流電流が歪む場合がある。
【０００６】
例えば、被測定物がコンデンサである場合、コンデンサに用いられる誘電体の材料、厚さ、電極として用いられる金属の種類などの内部要因や、測定するときの温度や電界強度などの外部要因によって、被測定物に加えられた交流電圧に対して、オーミックな伝導特性を示さないことがある。このときには、測定した交流電流が歪むことになる。
【０００７】
回路素子の測定装置は、正弦波の交流電圧と、正弦波の交流電流とを用いて、被測定物の特性を算出しているので、測定した交流電流が歪むと、実効抵抗成分Ｒ、リアクタンス分Ｘ、インピーダンスＺおよび誘電正接ｔａｎδの正しい値を算出することができない。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、測定された電流の波形が歪む場合、歪み波形の高調波成分を含めた誘電損失の評価を可能にする回路素子の測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、被測定物に加えられる単一周波数の正弦波の交流信号と、上記被測定物から検出した検出信号とを用いて、上記被測定物の特性を算出する回路素子の測定装置において、上記検出信号に対してフーリエ変換を行なう処理手段と、上記処理手段からの変換結果を出力する表示装置とを備え、上記処理手段は、上記被測定物に加えられる上記単一周波数の正弦波の交流信号に対して、フェーズロックループを用いて上記検出信号の解析範囲を設定して上記検出信号をフーリエ変換し、その高調波の正弦成分と余弦成分とをグラフ化したデータを生成して、上記正弦成分と余弦成分のグラフと、上記正弦成分と余弦成分とに基づいて算出される上記検出信号の歪率とを上記表示装置に出力することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の技術的思想をよりよく理解するために、図１を参照しながら、その好適な一実施例について説明する。
【００１１】
この回路素子の測定装置は、テストリード１Ａ，１Ｂ、検出部２、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）３、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）４、表示装置（ＤＩＳＰＬＹ）５および操作部６を備える。この回路素子の測定装置では、処理手段が検出部２、ＣＰＵ３およびＲＡＭ４で構成され、出力手段が表示装置５である。
【００１２】
リード１Ａ，１Ｂは、被測定物１０１に対する測定の際に、被測定物１０１の端子に接続されて用いられる。操作部６には、使用者によって、各種の指示等が入力される。例えば、テストリード１Ａ，１Ｂが被測定物１０１に接続された後、使用者による操作で、測定開始の指示が入力される。操作部６は、入力された指示等をＣＰＵ３に出力する。
【００１３】
検出部２は、被測定物１０１に交流信号として正弦波電圧を加えたときに、被測定物１０１に流れる電流の波形と、この交流信号に同期する同期パルス信号とを検出して、これらの信号をＣＰＵ３に出力する。
【００１４】
このために、検出部２は、図２に示すように、交流信号発生回路２１、電流検出回路２２、サンプルホールド（ＳＨ）回路２３，２５、電圧検出回路２４、スイッチ回路２６、Ａ／Ｄコンバータ２７、クロック発生回路２８、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２９およびＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ：フェーズロックループ）回路３０を備える。
【００１５】
クロック発生回路２８は、クロック信号を発生し、このクロック信号を交流信号発生回路２１、サンプルホールド回路２３，２５、スイッチ回路２６、Ａ／Ｄコンバータ２７、ＰＬＬ回路３０およびＣＰＵ３に加える。
【００１６】
交流信号発生回路２１は、図３（ａ）に示すように、測定に用いるための正弦波の電圧を発生する。このために、交流信号発生回路２１は、正弦波の電圧をあらかじめ内部のメモリ（図示を省略）に記憶している。交流信号発生回路２１は、クロック発生回路２８からのクロック信号の各パルスによって、メモリから正弦波の各電圧を読み出し、テストリード１Ａ，１Ｂを経て、この正弦波の各電圧を交流信号として被測定物１０１に加える。
【００１７】
電流検出回路２２は、交流信号発生回路２１によって交流信号が被測定物１０１に加えられたとき、被測定物１０１に流れる電流を検出する。電流検出回路２２は、図３（ｂ）に示すように、検出した電流を電流信号としてサンプルホールド回路２３に出力する。
【００１８】
サンプルホールド回路２３は、後段のＡ／Ｄコンバータ２７用として設けられている。すなわち、サンプルホールド回路２３は、クロック発生回路２８からのクロック信号に基づいて、電流検出回路２２から受け取った電流信号の各値を一時的に保持する。
【００１９】
電圧検出回路２４は、交流信号発生回路２１によって被測定物１０１に加えられる交流信号の電圧を検出する。電圧検出回路２４は、図３（ａ）に示す交流信号を電圧信号としてサンプルホールド回路２５に出力する。
【００２０】
サンプルホールド回路２５は、サンプルホールド回路２３と同じく、後段のＡ／Ｄコンバータ２７用である。すなわち、サンプルホールド回路２５は、クロック発生回路２８からのクロック信号に基づいて、電圧検出回路２４から受け取った電圧信号の各値を一時的に保持する。
【００２１】
スイッチ回路２６は、サンプルホールド回路２３が接続されている切替え端子２６ａと、サンプルホールド回路２５が接続されている切替え端子２６ｂとを備える。スイッチ回路２６は、クロック発生回路２８からのクロック信号に同期して、切替え端子２６ａ，２６ｂを切り替えて、サンプルホールド回路２３またはサンプルホールド回路２５をＡ／Ｄコンバータ２７に交互に接続する。
【００２２】
Ａ／Ｄコンバータ２７は、スイッチ回路２６からの信号、すなわち、サンプルホールド回路２３が保持する電流信号の各値と、サンプルホールド回路２５が保持する電圧信号の各値とをディジタル信号にそれぞれ変換する。Ａ／Ｄコンバータ２７は、電圧信号を変換した電圧データと電流信号を変換した電流データとをＣＰＵ３にそれぞれ出力する。
【００２３】
ローパスフィルタ２９は、電圧検出回路２４が検出した交流信号から低周波成分だけを通す。これによって、ローパスフィルタ２９は、交流信号発生回路２１が発生する交流信号の波形、つまり、ノイズ等を除いた波形をＰＬＬ回路３０に出力する。
【００２４】
ＰＬＬ回路３０は、クロック発生回路２８からのクロック信号と同期して動作する。すなわち、ＰＬＬ回路３０は、ローパスフィルタ２９から電圧波形を受け取ると、図３（ｃ）に示すように、この電圧波形と同期した同期パルス信号を生成する。
【００２５】
これによると、電圧波形すなわち交流信号の周期Ｔが、同期パルス信号のパルスＰ１と次のパルスＰ２とによって示される。ＰＬＬ回路３０は、パルスＰ１とパルスＰ２とによって示されるパルス間隔、すなわち、繰り返しパルス周期Ｔを持つ同期パルス信号をＣＰＵ３に出力する。ＲＡＭ４は、ＣＰＵ３から各種のデータを受け取ると、ＣＰＵ３の制御によって、これらのデータを一時的に記憶する。
【００２６】
ＣＰＵ３は、操作部６から指示を受け取ると、この指示に従って動作を開始する。この指示が測定開始である場合、Ａ／Ｄコンバータ２７から電圧データと電流データとを受け取ると、これらのデータをＲＡＭ４に記憶する。この後、ＣＰＵ３は、ＲＡＭ４に記憶している２つのデータを用いて、被測定物１０１の各種の特性を調べる。
【００２７】
例えば、被測定物１０１の特性として、ＣＰＵ３は、被測定物１０１の実効抵抗成分Ｒ、リアクタンス分Ｘ、インピーダンスＺおよび誘電正接ｔａｎδ（＝Ｒ／Ｘ）を算出する。この後、ＣＰＵ３は、算出した４つの値を示す特性データを表示装置５に出力する。
【００２８】
また、ＣＰＵ３は、電流信号が示す波形が歪み波になっているかどうかを調べる。このために、ＣＰＵ３は、検出部２から同期パルス信号を受け取ると、同期パルス信号の繰り返しパルス周期Ｔを解析領域とする。解析領域が決まると、ＣＰＵ３は、この解析領域内の電流信号の波形に対して、高速フーリエ変換（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）を行ない、波形を高調波に分解する。この後、ＣＰＵ３は、高調波の正弦成分ＩＳｉと余弦成分ＩＣｉ（ｉ＝１、２、…、Ｎ）とを表す数値データを、表示装置５に出力する。
【００２９】
また、ＣＰＵ３は、高調波の正弦成分ＩＳｉと、余弦成分ＩＳｉとをグラフ化したデータを生成し、このグラフ化データを表示装置５に出力する。また、ＣＰＵ３は、次に示す式（１）または式（２）のどちらかを用いて、電流信号の波形の歪率ＴＨＤを算出する。
【００３０】
【数１】

【００３１】
【数２】

【００３２】
なお、式（１）および式（２）の中で、値Ａｒｍｓは、電流信号が示す電流の実効値である。ＣＰＵ３は、歪率ＴＨＤを算出すると、この値を示す歪率データを表示装置５に出力する。
【００３３】
さらに、ＣＰＵ３は、次の式（３）〜（６）を用いて、高調波を基にした実効抵抗成分Ｒｉ、リアクタンス分Ｘｉ、インピーダンスＺｉおよび誘電正接ｔａｎδ（＝Ｒ／Ｘ）を算出する。
【００３４】
【数３】

【００３５】
【数４】

【００３６】
【数５】

【００３７】
【数６】

【００３８】
なお、式（３）〜（６）の中で、値Ｖｉは、電圧信号の実効値である。また、ＣＰＵ３は、式（６）の代わりに、次の式（７）を用いて、高調波を基にした誘電正接ｔａｎδを算出してもよい。
【００３９】
【数７】

【００４０】
この後、ＣＰＵ３は、高調波を基にした特性データを表示装置５に出力する。表示装置５は、特性データ、数値データ、グラフ化データおよび歪率データを表示装置５から受け取ると、特性データ、数値データおよび歪率データが示す各値を表示すると共に、グラフ化データが示すグラフを表示する。
【００４１】
次に、この実施例の動作について説明する。使用者が、テストリード１Ａ，１Ｂを被測定物１０１に接続し、操作部６を操作して、測定開始の指示を入力すると、操作部６がこの指示をＣＰＵ３に出力する。この後、検出部２の交流信号発生回路２１が被測定物１０１に正弦波の電圧を被測定物１０１に加える。
【００４２】
被測定物１０１に電流が流れると、電流検出回路２２がこの電流を検出して、電流信号をサンプルホールド回路２３に出力する。サンプルホールド回路２３は、電流検出回路２２から受け取った電流信号の各値を一時的に保持する。
【００４３】
また、電圧検出回路２４は、交流信号発生回路２１が被測定物１０１に加える正弦波の電圧を検出して、電圧信号をサンプルホールド回路２５とローパスフィルタ２９とに出力する。サンプルホールド回路２５は、電圧検出回路２４から受け取った電圧信号の各値を一時的に保持する。
【００４４】
スイッチ回路２６は、クロック発生回路２８からのクロック信号に同期して、サンプルホールド回路２３からの電流信号の各値とサンプルホールド回路２５からの電圧信号の各値とを交互にＡ／Ｄコンバータ２７に出力する。Ａ／Ｄコンバータ２７は、サンプルホールド回路２３からの電流信号の各値と、サンプルホールド回路２５からの電圧信号の各値とを用いて、電流信号と電圧信号とをデジタルに変換する。Ａ／Ｄコンバータ２７は、変換によって生成した電流データと電圧データとをＣＰＵ３に出力する。
【００４５】
一方、ＰＬＬ回路３０は、ローパスフィルタ２９を経て、電圧検出回路２４から電圧波形を受け取ると、この電圧波形に基づいて、繰り返しパルス周期Ｔの同期パルス信号を生成する。ＰＬＬ回路３０は、生成した同期パルス信号をＣＰＵ３に出力する。
【００４６】
ＣＰＵ３は、Ａ／Ｄコンバータ２７から電圧データと電流データとを受け取ると、これらのデータをＲＡＭ４に記憶する。この後、ＣＰＵ３は、ＲＡＭ４に記憶している２つのデータを用いて、被測定物１０１の各種の特性を調べる。すなわち、ＣＰＵ３は、被測定物１０１の実効抵抗成分Ｒ、リアクタンス分Ｘ、インピーダンスＺおよび誘電正接ｔａｎδを算出し、これらの４つの値を示す特性データを、表示装置５に出力する。
【００４７】
また、ＣＰＵ３は、電流信号が示す波形が歪み波になっているかどうかを調べる。このために、ＣＰＵ３は、検出部２から同期パルス信号を受け取ると、同期パルス信号に基づいて解析領域を設定する。ＣＰＵ３は、この解析領域内の電流信号の波形に対して高速フーリエ変換を行い、波形を高調波に分解する。この後、ＣＰＵ３は、高調波の正弦成分ＩＳｉおよび余弦成分ＩＣｉを表す数値データを、表示装置５に出力する。
【００４８】
ＣＰＵ３は、高調波の正弦成分ＩＳｉと、余弦成分ＩＳｉとをグラフ化したデータを生成し、このグラフ化データを表示装置５に出力する。ＣＰＵ３は、式（１）または式（２）のどちらかを用いて、電流信号の波形の歪率ＴＨＤを算出し、この値を示す歪率データを表示装置５に出力する。
【００４９】
ＣＰＵ３は、式（３）〜（６）を用いて、高調波を基にした実効抵抗成分Ｒｉ、リアクタンス分Ｘｉ、インピーダンスＺｉおよび誘電正接ｔａｎδ（＝Ｒ／Ｘ）を算出し、これらの値を表示装置５に出力する。
【００５０】
表示装置５は、特性データ、数値データ、グラフ化データおよび歪率データを受け取ると、これらのデータが示す各値を表示すると共に、グラフ化データが示すグラフを表示する。例えば、電流信号が図３（ｂ）に示す波形である場合、表示装置５は、図４に示すように、高調波の余弦成分がゼロの波形を表示し、また、図５に示す、高調波の正弦成分を表示する。
【００５１】
使用者は、表示装置５に表示されたデータに基づいて、高調波解析を行う。これによって、電流波形が歪んでいるかどうか、また、得られたデータが適正であるかどうかを判断することができる。
【００５２】
このようにして、本発明によれば、測定した電流信号の高調波の正弦成分および余弦成分を出力して、測定した電流信号に歪みが発生しているかどうかを示すことができる。また、電流信号の高調波の正弦成分および余弦成分を用いて、高調波についての各種の特性を、高調波解析用のデータとして提供することができる。
【００５３】
以上、実施例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、上記実施例では、ＣＰＵ３は、特性データに加えて、高調波の正弦成分ＩＳｉおよび余弦成分ＩＣｉを表す数値データ、高調波の正弦成分ＩＳｉと余弦成分ＩＳｉとをグラフ化したデータ、歪率ＴＨＤおよび高調波を基にした特性データを表示装置５に表示したが、歪み発生の有無を知らせるために、これらのデータの中の１つを表示するようにしてもよい。
【００５４】
また、出力手段として表示装置５を用いたが、表示装置５の代わりにプリンタ等の出力装置を用いてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被測定物からの検出信号のフーリエ変換結果を出力するので、検出信号に歪みが発しているかどうかを示すことができる。また、フーリエ変換の結果を、高調波解析等のためのデータとして提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示したブロック図。
【図２】上記実施例の検出部を示したブロック図。
【図３】上記検出部を説明するための波形図。
【図４】高調波の余弦成分を示す波形図。
【図５】高調波の正弦成分を示す波形図。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂテストリード
２検出部
３ＣＰＵ
４ＲＡＭ
５表示装置
６操作部

Claims

被測定物に加えられる単一周波数の正弦波の交流信号と、上記被測定物から検出した検出信号とを用いて、上記被測定物の特性を算出する回路素子の測定装置において、
上記検出信号に対してフーリエ変換を行なう処理手段と、上記処理手段からの変換結果を出力する表示装置とを備え、
上記処理手段は、上記被測定物に加えられる上記単一周波数の正弦波の交流信号に対して、フェーズロックループを用いて上記検出信号の解析範囲を設定して上記検出信号をフーリエ変換し、その高調波の正弦成分と余弦成分とをグラフ化したデータを生成して、上記正弦成分と余弦成分のグラフと、上記正弦成分と余弦成分とに基づいて算出される上記検出信号の歪率とを上記表示装置に出力することを特徴とする回路素子の測定装置。