JP5190969B2 - 電圧増倍回路 - Google Patents

Description

本発明は、計測標準の技術分野において、基準電圧に基づいて高精度に電圧値を増倍できる高精度な電圧増倍回路に関するものであり、特に、電圧標準として利用できる電圧増倍回路に関するものである。

精密計測分野においては、従来から、Ｎ個の抵抗器を用いて精密なＮの２乗の抵抗比を実現する方法は、ヘイモン抵抗として、広く利用されている。

この種の電圧を正確に増倍できる標準電圧回路に関係する技術文献として、次のような特許文献１又は特許文献２が参照できる。

特許文献１に記載の「アナログ・デジタル変換器」の発明では、電圧標準ダイオードの基準電圧源に接続される抵抗ストリングを用いて分圧された比較用電圧を用いる発明である。モノリシックＩＣの同一チップ上においては抵抗値の比は高精度に作成できるので、抵抗ストリングを用いて分圧された比較用電圧を用いることで、高精度なアナログ・デジタル変換器が提供できる。

特許文献２に記載の「電圧倍増回路」の発明は、入力に印加される電圧に所定の係数をかける一体型チャージポンプを備えた電圧処理ユニットの発明である。チャージポンプでは、コンデンサを並列に充電し、次にスイッチで直列につなぎ変えて、そこに蓄えられていた電荷エネルギで電圧を上昇させる。

特開平５−２２１４５号公報 特表２００５−５３７７７２号公報

計測標準の技術分野において、電圧を正確にＮ（２以上の整数）倍する方法は、原理的には、電池またはコンデンサを並列接続すると全て同じ電圧になるので、それらを直列接続することによりＮ倍の電圧が得られる。

しかしながら、上記方法を用いる場合、内部出力抵抗の小さな半導体基準電圧源の出力電圧を並列につなぐと、わずかの電圧差によって過大電流が流れて誤差を生じ、場合によっては過熱や破壊に至る。このため、電池または半導体基準電圧源の並列接続が実際に用いられることはない。

その代わりに、現在、最も広く用いられている方法は、互いに電気的に絶縁されたＮ個の基準電圧源の電圧を、順番に全て精密に測定し、その後、電圧源を直列に接続し、それらの電圧を加算し、倍率Ｎの電圧を得る手法である。しかしながら、この方法では、倍率Ｎの電圧を得るために、高精度な電圧測定を事前にＮ回行っておく必要があり、測定に時間を要する。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、基準電圧に基づいて、高精度に電圧値を増倍できる高精度な電圧増倍回路を提供することにある。

上記のような目的を達成するため、本発明の電圧増倍回路においては、基本的には高精度とするためにヘイモン抵抗器の原理を用いる。すなわち、出力電圧値のわずかに異なる複数の基準電圧源の出力に抵抗値が互いにマッチングされた精密抵抗を各々組み合わせて並列に接続すると、全ての基準電圧源の電圧の平均電圧が得られる（ヘイモン抵抗器の原理）ので、電圧比Ｎの誤差αは、基準電圧源の出力電圧値の相対精度βと、精密抵抗の相対精度γの積（α＝β×γ）となり、大幅に軽減される。すなわち、相対精度０．１％程度の電圧源と、同じく相対精度０．１％程度の抵抗を組み合わせることによって、０．０００１％の電圧比を実現する。

したがって、本発明による電圧増倍回路の回路構成においては、互いに電気的に絶縁されたＮ（２以上の整数）個の基準電圧源（本発明では高精度可変電圧源）の直列・並列変換によって、倍率がＮの精密な電圧比を得るような回路構成とする。

具体的な回路構成として、本発明による電圧増倍回路は、参照用電圧源が接続される電圧入力端子と、前記参照用電圧源の電圧値に設定される出力可変型のＮ（２以上の整数）個の高精度可変電圧源と、前記高精度可変電圧源を前記参照用電圧源の電圧値に設定する際に前記Ｎ個の高精度可変電圧源にそれぞれ直列に接続される抵抗値の揃ったＮ個の高精度抵抗器と、前記Ｎ個の高精度可変電圧源の出力極性を反転する極性反転リレーと、前記Ｎ個の高精度可変電圧源の直列接続および並列接続の切り替えを行う直列・並列切替リレーと、前記直列・並列切替リレーによりそれぞれ対応して接続されている前記高精度抵抗器を介して並列接続された前記Ｎ個の高精度可変電圧源の出力電圧と、前記電圧入力端子に接続された前記参照用電圧源の電圧との差電圧を検出する零検出器と、前記極性反転リレー，前記直列・並列切替リレーおよび前記零検出器の制御を行い、前記直列・並列切替リレーにより前記Ｎ個の高精度可変電圧源をそれぞれ対応して接続されている前記高精度抵抗器を介して並列接続し、並列接続された前記Ｎ個の高精度可変電圧源の第１の極性の出力電圧と前記電圧入力端子に接続された前記参照用電圧源の電圧との第１の差電圧を前記零検出器により検出するとともに、並列接続された前記Ｎ個の高精度可変電圧源の前記極性反転リレーにより極性反転された第２の極性の出力電圧と前記電圧入力端子に接続された前記参照用電圧源の電圧の反転電圧との第２の差電圧を前記零検出器により検出し、前記第１及び第２の差電圧に応じて前記Ｎ個の高精度可変電圧源の電圧値を調整し、続いて前記直列・並列切替リレーにより前記Ｎ個の高精度可変電圧源を直列接続して電圧を出力する制御を行う制御回路と、前記直列・並列切替リレーにより前記Ｎ個の高精度可変電圧源が直列接続された電圧を出力して、前記参照用電圧源の電圧値が正確にＮ倍された電圧を出力する電圧出力端子と、を備えることを特徴とする電圧増倍回路である。

本発明による電圧増倍回路によれば、高精度可変電圧源の直列・並列変換だけで入力される参照電圧源の電圧値の精密なＮ倍の電圧比を得ることができる。このため、簡便かつ迅速に電圧増倍を実現することができる。さらに、相対精度０．１％程度の電圧源や、相対精度０．１％程度の抵抗器は、既に汎用の電子部品として安価に入手することができるため、簡単な回路構成で高精度な増倍電圧を得ることができる。

本発明による電圧増倍回路の構成を説明する回路図である。 本発明による電圧増倍回路を用いて行った３４５８Ａ型ＤＶＭのリニアリティ（１０：１）評価の結果を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明による電圧増倍回路の構成を説明する回路図である。図１において、１０１は電圧入力端子、１０２は高精度可変電圧源、１０３は高精度抵抗器、１０４は極性反転リレー、１０５は直列・並列切替リレー、１０６は零検出器、１０７は制御回路、１０８は電圧出力端子である。

電圧入力端子１０１には、ジョセフソン電圧標準等の正確にＮ（２以上の整数）倍する基準電圧となる参照用電圧源Ｖｉｎが接続される。高精度可変電圧源１０２は、精密ＤＡコンバータ等を用いて構成される出力可変型のＮ個の定電圧源である。この高精度可変電圧源１０２は、後述するように、抵抗器を介して並列接続されて、電圧入力端子１０１に接続される参照用電圧源Ｖｉｎの電圧値に高精度に設定される。

高精度抵抗器１０３は、高精度可変電圧源１０２を参照用電圧源の電圧値に設定する際に各高精度可変電圧源１０２に直列に接続される抵抗値の揃ったＮ個の抵抗器である。極性反転リレー１０４は、制御回路１０７により制御されて、高精度可変電圧源１０２の出力極性を反転するために用いられる。同様に、直列・並列切替リレー１０５は、制御回路１０７により制御されて、高精度可変電圧源１０２の直列接続および並列接続の切り替えを行う。

零検出器１０６は、直列・並列切替リレー１０５により高精度可変電圧源１０２が精密抵抗器１０３を介して並列接続され、並列接続された高精度可変電圧源１０２と電圧入力端子１０１に接続された参照用電圧源の差電圧を検出する。この差電圧が零となるような電圧値に、精密ＤＡコンバータの高精度可変電圧源１０２の電圧値が設定される。

制御回路１０７は、極性反転リレー１０４，直列・並列切替リレー１０５および零検出器１０６をそれぞれ制御して、直列・並列切替リレー１０５により高精度可変電圧源１０２を精密抵抗器１０３を介して並列接続し、並列接続された高精度可変電圧源１０２と電圧入力端子１０１に接続された参照用電圧源との差電圧を零検出器１０６により検出することにより、高精度可変電圧源１０２を参照電圧源の電圧に設定する。また、その後に、直列・並列切替リレー１０５を制御して、高精度可変電圧源１０２を直列接続して電圧を出力する制御を行う。これにより、電圧出力端子１０８からは、直列・並列切替リレー１０５により高精度可変電圧源１０２が直列接続された電圧が出力されるので、参照用電圧源の電圧が正確にＮ倍された電圧値が出力される。

具体的な実施例について説明する。高精度可変電圧源１０２としては、精密ＤＡコンバータを用いた出力可変型のＮ個の定電圧源とする。高精度抵抗器１０３としては、特性と共に抵抗値の揃ったＮ個の高精度抵抗器を用いる。高精度可変電圧源１０２を並列接続する際に、各電圧源１０２に直列にそれぞれ直列接続して用いられる。高精度可変電圧源１０２を直列接続する際には、使用しない。極性反転リレー１０４としては低熱起電力リレーまたはスイッチを用いる。高精度可変電圧源１０２の出力極性を反転するためのスイッチとする。直列・並列切替リレー１０５としては、同じく、低熱起電力リレーまたはスイッチを用いる。高精度可変電圧源１０２の直列接続・並列接続の切り替えを行う。

零検出器１０６は、微小電圧測定回路を用いる。この微小電圧測定回路により、並列接続された高精度可変電圧源１０２と、電圧入力端子１０１に接続された参照用電圧源の差電圧を測定する。制御回路１０７は、図点線内の、極性反転リレー１０４、直列・並列切替リレー１０５および零検出器１０６の制御を行うコントローラ回路である。制御用ＰＣを用いる。電圧入力端子１０１にジョセフソン電圧標準等の参照用電圧源を接続すると、電圧出力端子１０８からは正確に参照用電圧源の電圧値のＮ倍の電圧が出力される。

制御回路１０７による電圧倍増の制御方法について、順を追って説明すると、
ステップ１：電圧入力端子１０１に参照用電圧源Ｖｉｎを接続する。
ステップ２：高精度可変電圧源１０２を高精度抵抗器１０３を介して直列・並列切替リレー１０５により並列接続する。
ステップ３：並列接続された高精度可変電圧源１０２の電圧入力端子１０１に接続された参照用電圧源に対する差電圧ｄＶ（＋）を零検出器１０６を用いて測定する。ただし、測定された差電圧が、基準値より大きな場合には、高精度可変電圧源１０２の値を調整して再度測定する。
ステップ４：高精度可変電圧源１０２の極性および電圧入力端子１０１に接続された参照用電圧源の極性を反転して、同様に差電圧ｄＶ（−）を零検出器１０６を用いて測定する。
ステップ５：高精度可変電圧源１０２を直列・並列切替リレー１０５により直列接続する。これにより、電圧出力端子１０８にＮ倍に増幅された正電圧Ｖｏｕｔ（＋）が出力される。
ステップ６：高精度可変電圧源１０２の極性を極性反転リレー１０４を用いて反転することによって、電圧出力端子１０８には、Ｎ倍に増幅された負電圧Ｖｏｕｔ（−）が出力される。

以上の制御を行うことによって、正確にＮ倍に増倍された出力電圧

［Ｖｏｕｔ（＋）−Ｖｏｕｔ（−）］／２
＝Ｎ×｛Ｖｉｎ＋［ｄＶ（＋）−ｄＶ（−）］／２｝ 式（１）

が得られる。
ここで述べた「基準値」は、式（１）の補正項［ｄＶ（＋）−ｄＶ（−）］／２の測定誤差が許容誤差範囲を超えないような、Ｅ（零検出器）の入力電圧範囲に対応する。

次に、具体的に計測実験した結果について説明する。実験した回路では、極性反転リレー及び直列・並列切替リレーのリレー回路部と、高精度可変電圧源とする精密ＤＡコンバータのＤＡＣ回路および零検出器のｎＶ検出回路は、温度安定化のためにアルミニウム製のシールドボックス内に実装した。

ＤＡＣ回路には１８ｂｉｔ高精度ＤＡコンバータを用いた。またｎＶ検出回路には、ΣΔ変換型２４ｂｉｔ精密ＡＤコンバータを用いた。各ＤＡＣ回路とｎＶ検出回路の制御信号はオプトカプラーで光絶縁し、電源回路もそれぞれ互いに絶縁されている。

一方、リレー回路の基板には、１巻線ラッチング型低熱起電力型リレーを３２個使用した。これらのリレーの熱起電力の安定度および再現性は、十分に温度安定化された状態においては、１０ｎＶ以下と評価されている。これらのリレーを用いて、ＤＡＣ回路からの出力の直列接続／並列接続および正出力／負出力の切り替えを行っている。また、これらの基板は、制御用ＰＣからＵＳＢインターフェイスを介してＰＩＣマイクロコントローラにより制御を行っている。

製作した電圧増倍回路を用いて、高精度ＤＶＭとして広く利用されているアジレント社３４５８Ａ型ＤＶＭのリニアリティ評価を試みた。具体的には、電圧増倍回路から１Ｖと１０Ｖの電圧を発生させ、３４５８Ａを１０Ｖレンジ固定で測定して、１Ｖと１０Ｖのそれぞれの測定値から、１：１０の比誤差を導出した。

その結果を図２に示す。図２に示す測定結果は、４時間の測定時間に７０回の比誤差測定を行い、その結果をｐｐｍ単位でプロットしている。測定結果のバラツキ（１σで約０．５ｐｐｍ）は、１０Ｖレンジで５×１０^−８のバラツキに相当するため、ほぼ３４５８Ａの短時間安定度の限界に対応している。

汎用電子部品を用いて、比較的簡単な回路構成で高精度な電圧比を得ることができるため、精密電圧発生器や校正用の計測器等に採用される可能性がある。

１０１ 電圧入力端子
１０２ 高精度可変電圧源
１０３ 高精度抵抗器
１０４ 極性反転リレー
１０５ 直列・並列切替リレー
１０６ 零検出器
１０７ 制御回路
１０８ 電圧出力端子

Claims (1)

1. 参照用電圧源が接続される電圧入力端子と、
   前記参照用電圧源の電圧値に設定される出力可変型のＮ（２以上の整数）個の高精度可変電圧源と、
   前記高精度可変電圧源を前記参照用電圧源の電圧値に設定する際に前記Ｎ個の高精度可変電圧源にそれぞれ直列に接続される抵抗値の揃ったＮ個の高精度抵抗器と、
   前記Ｎ個の高精度可変電圧源の出力極性を反転する極性反転リレーと、
   前記Ｎ個の高精度可変電圧源の直列接続および並列接続の切り替えを行う直列・並列切替リレーと、
   前記直列・並列切替リレーによりそれぞれ対応して接続されている前記高精度抵抗器を介して並列接続された前記Ｎ個の高精度可変電圧源の出力電圧と、前記電圧入力端子に接続された前記参照用電圧源の電圧との差電圧を検出する零検出器と、
   前記極性反転リレー，前記直列・並列切替リレーおよび前記零検出器の制御を行い、前記直列・並列切替リレーにより前記Ｎ個の高精度可変電圧源をそれぞれ対応して接続されている前記高精度抵抗器を介して並列接続し、並列接続された前記Ｎ個の高精度可変電圧源の第１の極性の出力電圧と前記電圧入力端子に接続された前記参照用電圧源の電圧との第１の差電圧を前記零検出器により検出するとともに、並列接続された前記Ｎ個の高精度可変電圧源の前記極性反転リレーにより極性反転された第２の極性の出力電圧と前記電圧入力端子に接続された前記参照用電圧源の電圧の反転電圧との第２の差電圧を前記零検出器により検出し、前記第１及び第２の差電圧に応じて前記Ｎ個の高精度可変電圧源の電圧値を調整し、続いて前記直列・並列切替リレーにより前記Ｎ個の高精度可変電圧源を直列接続して電圧を出力する制御を行う制御回路と、
   前記直列・並列切替リレーにより前記Ｎ個の高精度可変電圧源が直列接続された電圧を出力して、前記参照用電圧源の電圧値が正確にＮ倍された電圧を出力する電圧出力端子と、
   を備えることを特徴とする電圧増倍回路。
   

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