JP6636368B2 - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号源から測定対象に測定用交流信号を印加し、これに伴って測定対象の両端間に発生する両端間電圧と測定対象に流れる電流とに基づいて測定対象のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関するものである。

この種のインピーダンス測定装置では、インピーダンスの測定（算出）には通常ＣＰＵなどのデジタル演算回路が用いられるため、上記の両端間電圧および測定対象に流れる電流を示す２つの電圧信号（以下では、この２つの電圧信号をまとめて測定信号ともいう）をデジタル演算回路の前段でＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換する構成を採用している。

この場合、例えば下記の特許文献１に記載されているインピーダンス測定装置のように、Ａ／Ｄ変換器の前段に周波数変換回路を配置して、上記の測定信号を周波数変換（一般的には、より低い周波数にダウンコンバート）してからＡ／Ｄ変換器に入力することが一般的に行われている。この周波数変換回路はヘテロダイン方式の周波数変換回路であり、この周波数変換回路には、上記の測定信号（周波数ｆ_Ｍ）に対してローカル発振器からの変調信号（ｆ_ＬＯ）を乗算する乗算器（ミキサ）と、乗算器から出力される周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）の和周波数信号および周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の差周波数信号のうちの差周波数信号を抽出するローパスフィルタとが含まれている。

このインピーダンス測定装置では、信号源およびローカル発振器は、それぞれの出力信号の周波数差ｆ_ＩＦ（＝ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）が所定の周波数（予め規定されたダウンコンバートの周波数（中間周波数ｆ_ＩＦ））になるように、ＣＰＵなどにより制御される。これより、このインピーダンス測定装置では、測定信号の周波数が予め規定された周波数範囲内で変化したとしても、周波数変換回路が測定信号の周波数を一定の周波数（この周波数範囲の下限値よりも低い中間周波数ｆ_ＩＦ（＝ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ））の信号に変換してＡ／Ｄ変換器に出力することが可能となっている。

特開２００４−２９４２６９号公報（第６−８頁、第１図）

ところが、上記したインピーダンス測定装置には、以下の改善すべき課題が存在する。すなわち、このインピーダンス測定装置では、乗算器から出力される信号の周波数（中間周波数ｆ_ＩＦ）を測定信号の周波数範囲の下限値よりも低くする構成のため、測定信号の周波数範囲の下限値が低周波側に伸びたときにはこれに伴い乗算器から出力される信号の周波数（中間周波数ｆ_ＩＦ）についてもより低くし、かつローパスフィルタのカットオフ周波数についてもより低くせざるを得なくなる。したがって、このインピーダンス測定装置には、このカットオフ周波数の低下に起因してローパスフィルタの応答性が悪化し、ひいてはインピーダンス測定に要する時間が長くなるという改善すべき課題が存在している。

本発明は、かかる改善すべき課題に鑑みてなされたものであり、測定信号の周波数範囲（測定周波数範囲）の下限値が低くなったとしてもインピーダンス測定に要する時間が長くなることを回避し得るインピーダンス測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく、請求項１記載のインピーダンス測定装置は、測定周波数範囲内の指定された測定周波数で測定対象に印加する測定用交流信号を生成する信号源と、指定されたローカル周波数でローカル信号を生成するローカル発振器と、前記測定用交流信号の印加時に前記測定対象に流れる電流を示す第１電圧信号と前記ローカル信号とを乗算することによって前記測定周波数および前記ローカル周波数の差周波数である変換周波数の第１変換電圧信号を出力する第１信号変換回路と、前記測定用交流信号の印加時に前記測定対象の両端間に発生する電圧を示す第２電圧信号と前記ローカル信号とを乗算することによって前記変換周波数の第２変換電圧信号を出力する第２信号変換回路と、前記第１変換電圧信号および前記第２変換電圧信号に対する信号処理を実行することによって前記測定対象のインピーダンスを算出するインピーダンス算出処理を実行する処理部とを備えているインピーダンス測定装置であって、前記変換周波数の候補として前記測定周波数範囲内に予め規定された複数の候補周波数と、前記測定周波数範囲の全域が前記候補周波数に対応付けられて連続状態で複数に分割されてなる複数の個別周波数範囲とを関連付ける周波数情報を記憶する記憶部を備え、前記処理部は、前記インピーダンス算出処理において、前記信号源に対して生成させる前記測定用交流信号の前記測定周波数を指定すると共に、前記記憶部に記憶されている前記周波数情報を参照して前記指定した測定周波数が含まれる１つの前記個別周波数範囲に対応する１つの前記候補周波数を前記変換周波数として特定し、かつ前記特定した変換周波数と前記指定した測定周波数とを加算して得られる周波数を前記ローカル周波数として指定して前記ローカル発振器に対して前記ローカル信号を生成させる。

請求項１のインピーダンス測定装置によれば、各信号変換回路から出力される各変換電圧信号の周波数（差周波数）を測定周波数範囲の下限値よりも低い周波数に規定する従来の構成とは異なり、各変換電圧信号の周波数（差周波数）を測定周波数範囲内に規定する構成（つまり、従来の構成よりも各変換電圧信号の周波数をより高い周波数に規定する構成）のため、各変換電圧信号の周波数（差周波数）の信号成分を抽出するフィルタリング処理での遅延時間を短縮することができ、これにより、インピーダンスの測定に要する時間を短縮することができる。特に、スイープ測定モードでのインピーダンス算出処理においては、測定周波数範囲内に規定された多くの測定周波数でのインピーダンスを個別に測定することになるため、１つの測定周波数でのインピーダンスの測定において短縮し得る時間が僅かなものであっても、測定周波数範囲の全域に亘るインピーダンスの測定に要する時間については大幅に短縮することができる。

インピーダンス測定装置１の構成を示す構成図である。 測定周波数範囲、第１および第２候補周波数、並びに各候補周波数に対応する個別周波数範囲を説明するための説明図である。 記憶部１２に記憶されている周波数情報Ｄｆを説明するための説明図である。

以下、インピーダンス測定装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

まず、インピーダンス測定装置の一例である図１に示すインピーダンス測定装置１（以下、単に測定装置１ともいう）の構成について説明する。この測定装置１は、図１に示すように、信号源２、電流検出器３、電流用アンプ４、電圧用アンプ５、ローカル発振器６、信号切替回路７、混合器（ミキサ）８、Ａ／Ｄ変換器９、フィルタ部１０、処理部１１、記憶部１２、操作部１３および出力部１４を備え、測定対象５１（ＤＵＴ：Device Under Test ）のインピーダンスＺを測定可能に構成されている。

信号源２は、測定対象５１に測定用交流信号Ｓ１を印加する。本例では、信号源２は、一例として処理部１１によって周波数が制御される周波数可変型の交流定電圧電源で構成されて、処理部１１が指定した周波数（測定周波数）ｆ_Ｍで測定用交流信号Ｓ１を生成して測定対象５１に印加する。この測定周波数ｆ_Ｍ は、予め規定された測定周波数範囲（例えば、数十Ｈｚ以上数百ＭＨｚ以下の範囲。本例では一例として８０ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の範囲）に含まれる任意の周波数である。なお、信号源２は、処理部１１によって制御される周波数可変型の交流定電流電源で構成することもできる。

電流検出器３は、例えば、電流検出抵抗（抵抗値が十分に小さな抵抗）や磁気センサなどで構成されて、測定用交流信号Ｓ１の印加時に測定対象５１に流れる電流Ｉ（以下、測定用電流Ｉともいう）を検出すると共に電気信号Ｓｉに変換して出力する。電流用アンプ４は、電気信号Ｓｉを入力すると共に所定の増幅率で増幅することにより、測定用電流Ｉを示す電圧信号（第１電圧信号）Ｖｉ１を出力する。

電圧用アンプ５は、例えば演算増幅器などを用いて構成されて、測定用交流信号Ｓ１の印加時に測定対象５１に測定用電流Ｉが流れることによって測定対象５１の両端間に発生する電圧Ｖ（以下、両端間電圧Ｖともいう）を検出すると共に所定の増幅率で増幅することにより、両端間電圧Ｖを示す電圧信号（第２電圧信号）Ｖｖ１を出力する。

ローカル発振器６は、一例として処理部１１によって周波数が制御される周波数可変型の交流信号源で構成されて、処理部１１が指定した周波数（ローカル周波数）ｆ_ＬＯのローカル信号Ｓ_ＬＯを一定の振幅で生成して混合器８に出力する。

信号切替回路７は、例えば切替スイッチやマルチプレクサなどで構成されて、入力される電圧信号Ｖｉ１および電圧信号Ｖｖ１のうちの処理部１１によって選択（指定）された一方を選択信号Ｖｓとして出力する。混合器８は、選択信号Ｖｓとローカル信号Ｓ_ＬＯを乗算することにより、その周波数が変換周波数に変換された変換電圧信号Ｖｃｖを生成して出力する。具体的には、変換電圧信号Ｖｃｖは、選択信号Ｖｓおよびローカル信号Ｓ_ＬＯの両信号の周波数ｆ_Ｍ，ｆ_ＬＯの差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）である変換周波数の信号成分、および和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）である変換周波数の信号成分で主として構成されている。Ａ／Ｄ変換器９は、変換電圧信号Ｖｃｖを入力すると共に予め規定されたサンプリング周波数（少なくとも測定周波数範囲の上限値の２倍以上の周波数）のクロックに同期してサンプリングすることにより、変換電圧信号Ｖｃｖの瞬時値を示す波形データＤ１に変換して出力する。

フィルタ部１０は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Ｐrocessor ）などを用いて構成されて、処理部１１が指定した周波数範囲を通過帯域とする通過帯域可変型のバンドパスフィルタ（デジタルフィルタ）として機能する。本例ではフィルタ部１０は、通過帯域が処理部１１によって指定された状態において、波形データＤ１を入力すると共にこの波形データＤ１に対してデジタル処理（フィルタリング処理）を実行することにより、変換電圧信号Ｖｃｖに含まれる変換周波数の信号成分（差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分および和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）の信号成分）のうちの差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分を通過させ（抽出し）、この差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）以外の周波数の信号成分（和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）の信号成分を含む）については減衰させる。これにより、フィルタ部１０は、差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分についての波形データＤ１ａを、最終的な変換周波数の変換電圧信号として出力する。

この測定装置１では、上記の信号切替回路７、混合器８、Ａ／Ｄ変換器９およびフィルタ部１０により、信号変換回路が構成されている。この信号変換回路は、この構成により、信号切替回路７が電圧信号Ｖｉ１を選択信号Ｖｓとして出力しているときには、選択信号Ｖｓとしての電圧信号Ｖｉ１とローカル信号Ｓ_ＬＯとを乗算することにより、測定用交流信号Ｓ１の印加時に測定対象５１に流れる測定用電流Ｉを示す差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分についての波形データＤ１ａを最終的な変換周波数（つまり、ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の変換電圧信号（第１変換電圧信号）として出力する。また、この信号変換回路は、信号切替回路７が電圧信号Ｖｖ１を選択信号Ｖｓとして出力しているときには、選択信号Ｖｓとしての電圧信号Ｖｖ１とローカル信号Ｓ_ＬＯとを乗算することにより、測定用交流信号Ｓ１の印加時に測定対象５１の両端間に発生する両端間電圧Ｖを示す差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分についての波形データＤ１ａを最終的な変換周波数（つまり、ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の変換電圧信号（第２変換電圧信号）として出力する。

処理部１１は、例えばコンピュータで構成されて、信号源２に対する制御処理、ローカル発振器６に対する制御処理、信号切替回路７に対する制御処理、フィルタ部１０に対する制御処理、およびインピーダンス算出処理を実行する。また、処理部１１は、測定装置１のオペレータによる操作部１３に対する操作によって操作部１３から出力される測定周波数ｆ_Ｍを示す情報Ｄ_Ｍを取得する処理、およびインピーダンス算出処理の結果（インピーダンスＺ）を出力部１４に出力する処理についても実行する。

記憶部１２は、ＲＯＭやＲＡＭなどの半導体メモリやハードディスク装置などで構成されて、処理部１１のための動作プログラムおよび周波数情報Ｄｆが記憶されている。測定装置１では、上記した最終的な変換周波数（波形データＤ１ａで示される信号成分の差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ））の候補となる複数の候補周波数が上記の測定周波数範囲（８０ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の範囲）内に予め規定されると共に、この測定周波数範囲は、この複数の候補周波数のうちのいずれか１つに対応する複数の個別周波数範囲に連続状態で分割されている。記憶部１２には、この測定周波数範囲を示す情報（測定周波数範囲の下限値および上限値を示す情報）と、複数の候補周波数を示す情報と複数の個別周波数範囲を示す情報（各個別周波数範囲の下限値および上限値を示す情報）とを関連付ける情報とが周波数情報Ｄｆとして記憶されている。この周波数情報Ｄｆは、この複数の候補周波数のすべてと複数の個別周波数範囲のすべてとを、同一の個別周波数範囲が２つ以上の候補周波数に関連付けられることなく（つまり、１つの個別周波数範囲は１つの候補周波数だけに関連付けられるように）、関連付けるためのものである。

本例では一例として、図２に示すように、測定周波数範囲（８０ｋＨｚ（下限値）以上５００ＭＨｚ（上限値）以下の範囲）内に、複数の候補周波数として第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚおよび第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚの２つの候補周波数が規定されている。また、測定周波数範囲（８０ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の範囲）は、第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚに対応する４つの個別周波数範囲（８０ｋＨｚ以上３０３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、３６３ｋＨｚ以上６３７ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、６９７ｋＨｚ以上１３０３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、１３６３ｋＨｚ以上５０００００ｋＨｚ（５００ＭＨｚ）以下の個別周波数範囲）と、第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚに対応する３つの個別周波数範囲（３０３ｋＨｚ以上３６３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、６３７ｋＨｚ以上６９７ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、１３０３ｋＨｚ以上１３６３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲）とに、連続状態（隣接する個別周波数範囲同士が連続する状態）で分割されている。このため、記憶部１２には、図３に示すように、測定周波数範囲を示す情報（測定周波数範囲の下限値（８０ｋＨｚ）および上限値（５００ＭＨｚ＝５０００００ｋＨｚ）を示す情報（周波数値））と共に、この複数の個別周波数範囲を示す情報（各個別周波数範囲の下限値および上限値を示す情報（周波数値））が第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚおよび第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚに関連付けられて周波数情報Ｄｆとして記憶されている。

次に、各候補周波数およびこの各候補周波数に対応する個別周波数範囲の設定手法について説明する。まず、各候補周波数の設定手法について説明する。この場合、通過帯域可変型のバンドパスフィルタとして機能するフィルタ部１０での遅延時間を短くするためには測定周波数範囲（８０ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の範囲）内のより高域側に規定すべきであるが、Ａ／Ｄ変換器９でのクロックのサンプリング周波数を低い周波数に抑えることも必要である。このため、各候補周波数は、フィルタ部１０での遅延時間について許容し得る範囲内でより低周波側とするのが好ましい。また、フィルタ部１０は、混合器８から出力される変換電圧信号Ｖｃｖに含まれる差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分についてのデータと和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）の信号成分についてのデータのうちの候補周波数としての差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分（設定された通過帯域に含まれる周波数の信号成分）についてのデータを波形データＤ１ａとして選択的に通過させ、処理部１１は、後述するように、この波形データＤ１ａに対して信号処理を実行することにより、測定周波数ｆ_Ｍの信号成分（上記の変換電圧信号）に復調する。

この場合、測定周波数ｆ_Ｍが候補周波数と同じか若しくはその近傍の周波数（以下、「第１周波数範囲ＦＲ１内の周波数」ともいう）のとき、測定周波数ｆ_Ｍが候補周波数の整数倍（具体的には、２倍まで）の周波数と同じか若しくはその近傍の周波数（以下、「第２周波数範囲ＦＲ２内の周波数」ともいう）のとき、および測定周波数ｆ_Ｍが候補周波数の１／２の周波数と同じか若しくはその近傍の周波数（以下、「第３周波数範囲ＦＲ３内の周波数」ともいう）のときには、復調して得られる測定周波数ｆ_Ｍの信号成分は候補周波数に関連するこれらの周波数の信号成分の影響を受けることから、この測定周波数ｆ_Ｍの信号成分（変換電圧信号）に基づくインピーダンスＺの算出が正確に行えないことが実験的に確認されている。

具体的に、候補周波数を第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚおよび第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚの２つとする本例について説明すると、図２に示すように、候補周波数を第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚとしたときには、測定周波数ｆ_Ｍが第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚと同じか若しくはその近傍の周波数（第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚを含む第１周波数範囲ＦＲ１内の周波数）のとき、測定周波数ｆ_Ｍが第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚの２倍の周波数（１３３３．３４ｋＨｚ）と同じか若しくはその近傍の周波数（１３３３．３４ｋＨｚを含む第２周波数範囲ＦＲ２内の周波数）のとき、および測定周波数ｆ_Ｍが第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚの１／２の周波数（３３３．３４ｋＨｚ）と同じか若しくはその近傍の周波数（３３３．３４ｋＨｚを含む第３周波数範囲ＦＲ３内の周波数）のときには、復調して得られる測定周波数ｆ_Ｍの信号成分は、第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚに関連するこれらの周波数（６６６．６７ｋＨｚ、１３３３．３４ｋＨｚおよび３３３．３４ｋＨｚ）の信号成分の影響を受ける。

このため、本例では、図２に示すように、候補周波数を第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚとしたときには、第１周波数範囲ＦＲ１を含むより広い第１特定周波数範囲ＦＲ１１（本例では一例として、６３７ｋＨｚ以上６９７ｋＨｚ未満の範囲）、第２周波数範囲ＦＲ２を含むより広い第２特定周波数範囲ＦＲ１２（本例では一例として、１３０３ｋＨｚ以上１３６３ｋＨｚ未満の範囲）、および第３周波数範囲ＦＲ３を含むより広い第３特定周波数範囲ＦＲ１３（本例では一例として、３０３ｋＨｚ以上３６３ｋＨｚ未満）を規定すると共に、測定周波数範囲（８０ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の範囲）からこれらの特定周波数範囲ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３を除いた残りの範囲（同図中において右上がりの斜線を付した範囲）を、第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚについての個別周波数範囲として規定している。本例では、第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚについての個別周波数範囲は、図３に示すように、８０ｋＨｚ以上３０３ｋＨｚ未満の範囲、３６３ｋＨｚ以上６３７ｋＨｚ未満の範囲、６９７ｋＨｚ以上１３０３ｋＨｚ未満の範囲、および１３６３ｋＨｚ以上５０００００ｋＨｚ（５００ＭＨｚ）以下の範囲の４つ規定される。

また、上記のように測定周波数範囲（８０ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の範囲）から除いた３つの特定周波数範囲ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３については、図２において右下がりの斜線で示すように、候補周波数を第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚとしたときの第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚについての個別周波数範囲として規定する。このため、本例では、第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚについての個別周波数範囲は、図３に示すように、３０３ｋＨｚ以上３６３ｋＨｚ未満の範囲、６３７ｋＨｚ以上６９７ｋＨｚ未満の範囲、および１３０３ｋＨｚ以上１３６３ｋＨｚ未満の範囲の３つ規定される。

なお、候補周波数を第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚとした場合にも、上記した候補周波数を第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚとしたときと同様にして、測定周波数ｆ_Ｍが第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚと同じか若しくはその近傍の周波数（第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚを含む図２中の第４周波数範囲ＦＲ４内の周波数）のとき、測定周波数ｆ_Ｍが第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚの２倍の周波数（１５３８．４６ｋＨｚ）と同じか若しくはその近傍の周波数（１５３８．４６ｋＨｚを含む図２中の第５周波数範囲ＦＲ５内の周波数）のとき、および測定周波数ｆ_Ｍが第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚの１／２の周波数（３８４．６２ｋＨｚ）と同じか若しくはその近傍の周波数（３８４．６２ｋＨｚを含む第６周波数範囲ＦＲ６内の周波数）のときには、復調して得られる測定周波数ｆ_Ｍの信号成分は、第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚに関連するこれらの周波数（７６９．２３ｋＨｚ、１５３８．４６ｋＨｚおよび３８４．６２ｋＨｚ）の信号成分の影響を受けることから、この測定周波数ｆ_Ｍの信号成分（変換電圧信号）に基づくインピーダンスＺの算出が正確に行えないことが実験的に確認されている。

しかしながら、この測定装置１では、このように第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚからある程度離れた周波数７６９．２３ｋＨｚを第２候補周波数に規定したことにより、第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚを候補周波数としたときの上記の第４周波数範囲ＦＲ４、第５周波数範囲ＦＲ５および第６周波数範囲ＦＲ６は、図２に示すように、特定周波数範囲ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３のいずれにも重ならない構成となっている。したがって、測定装置１では、上記したように、３つの特定周波数範囲ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３を、候補周波数を第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚとしたときの第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚについての個別周波数範囲として規定して、各特定周波数範囲ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３に含まれる各測定周波数ｆ_Ｍの信号成分（変換電圧信号）に基づくインピーダンスＺの算出を正確に行うことが可能となっている。

操作部１３は、例えば、測定装置１に配設されたテンキーを含む操作キーで構成されて、操作キーに対する操作によって入力（指定）された測定モードを指定するための情報や測定開始指示を示す情報や測定周波数ｆ_Ｍを示す情報Ｄ_Ｍを処理部１１に対して出力可能に構成されている。出力部１４は、例えば、測定装置１に配設されたディスプレイ装置（液晶ディスプレイなど）で構成されて、測定された測定対象５１のインピーダンスＺを出力（表示）可能に構成されている。

次に、測定装置１の動作について説明する。なお、信号源２、電流検出器３および電圧用アンプ５については、図１に示すように、不図示のプローブを介して測定対象５１に接続されているものとする。

最初に、操作キーを操作することにより、測定モードとしてスイープ測定モード（測定周波数範囲の全域に亘って周波数を掃引しつつ各周波数でのインピーダンスＺを測定する測定モード）を指定する情報が処理部１１に入力されたときの動作について説明する。

この場合、処理部１１は、記憶部１２から測定周波数範囲およびすべての個別周波数範囲を示す周波数情報Ｄｆを読み出して、読み出した測定周波数範囲の下限周波数（本例では８０ｋＨｚ）および上限周波数（本例では５００ＭＨｚ）のいずれか一方側から予め規定された周波数ステップで測定周波数ｆ_Ｍを設定（変更）しながら（掃引しながら）、各測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺを測定するインピーダンス測定処理を、測定周波数ｆ_Ｍが下限周波数および上限周波数のいずれか他方側に達するまで実行する。

このスイープ測定モードでのインピーダンス測定処理では、処理部１１は、１つの測定周波数ｆ_Ｍを新たに設定したときには、信号源２に対して測定用交流信号Ｓ１の周波数としてこの測定周波数ｆ_Ｍを指定する制御処理を実行する。これにより、信号源２は、この測定周波数ｆ_Ｍで測定用交流信号Ｓ１を生成すると共に測定対象５１に印加する動作を実行する。

また、処理部１１は、１つの測定周波数ｆ_Ｍを新たに設定したときには、記憶部１２から読み出した周波数情報Ｄｆを参照することにより、この測定周波数ｆ_Ｍがいずれの個別周波数範囲に含まれるのかを特定する。この場合、各個別周波数範囲は、測定周波数範囲の全域に亘って隙間のない状態で、かつ互いに重ならない状態（連続状態）で規定されている。このため、処理部１１は、測定周波数ｆ_Ｍが含まれる個別周波数範囲を１つだけ特定する。また、処理部１１は、この個別周波数範囲を特定したときには、この特定した個別周波数範囲が複数の候補周波数（この例では、第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚおよび第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚの２つの候補周波数）のいずれに対応付けられているかを特定する。

また、処理部１１は、この候補周波数を特定したときには、信号源２に対して指定している現在の測定周波数ｆ_Ｍにこの特定した候補周波数を加算してローカル周波数ｆ_ＬＯを算出して、ローカル発振器６に対してローカル信号Ｓ_ＬＯの周波数としてこのローカル周波数ｆ_ＬＯを指定する制御処理を実行する。これにより、ローカル発振器６は、このローカル周波数ｆ_ＬＯでローカル信号Ｓ_ＬＯを生成して混合器８に出力する。なお、本例の測定装置１では、ローカル発振器６は、このローカル信号Ｓ_ＬＯを予め規定された一定の振幅で生成して出力するが、操作部１３に対する操作によって操作部１３から処理部１１に対してローカル信号Ｓ_ＬＯの振幅を設定するための情報を出力可能とし、処理部１１がこの情報に基づいてローカル発振器６に対してこの設定された振幅でローカル信号Ｓ_ＬＯを生成させる構成（ローカル信号Ｓ_ＬＯの振幅を変更可能とする構成）にすることもできる。

また、処理部１１は、この候補周波数を特定したときには、フィルタ部１０に対して、差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分および和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）の信号成分のうちの差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分を通過させ、和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）の信号成分については減衰させる通過帯域（具体的には、差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）およびその近傍の周波数を含む狭い通過帯域。例えば、第１周波数範囲ＦＲ１）を指定する処理を実行する。この場合、ローカル周波数ｆ_ＬＯは、上記したように測定周波数ｆ_Ｍに特定した候補周波数を加算した周波数のため、フィルタ部１０は、特定した候補周波数の信号成分を通過させ、この候補周波数以外の周波数の信号成分については減衰させることにより、主として特定した候補周波数の信号成分を示す波形データＤ１ａを最終的な変換周波数の変換電圧信号として出力し得る構成となる。これにより、本例では、フィルタ部１０は、処理部１１が特定した候補周波数が第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚのときには、主としてこの第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚの信号成分を示す波形データＤ１ａを最終的な変換周波数の変換電圧信号として出力し、処理部１１が特定した候補周波数が第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚのときには、主としてこの第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚの信号成分を示す波形データＤ１ａを最終的な変換周波数の変換電圧信号として出力する構成となる。

このように信号源２からの測定用交流信号Ｓ１（測定周波数ｆ_Ｍ）が測定対象５１に印加されている状態では、測定対象５１には、測定用電流Ｉ（測定周波数ｆ_Ｍ）が流れている。このため、電流検出器３はこの測定用電流Ｉを検出して電気信号Ｓｉを出力し、電流用アンプ４はこの電気信号Ｓｉを増幅して測定用電流Ｉを示す電圧信号Ｖｉ１を信号切替回路７に出力する。また、電圧用アンプ５は測定用電流Ｉが流れることによって測定対象５１の両端間に発生する両端間電圧Ｖ（測定周波数ｆ_Ｍ）を検出して増幅することにより、両端間電圧Ｖを示す電圧信号Ｖｖ１を信号切替回路７に出力する。

処理部１１は、信号切替回路７に対する制御を実行して、例えば、電圧信号Ｖｉ１および電圧信号Ｖｖ１を所定の時間ずつ選択して選択信号Ｖｓとして混合器８に順次出力させる。これにより、混合器８は、選択信号Ｖｓとしての電圧信号Ｖｉ１とローカル信号Ｓ_ＬＯとの乗算によって生成されるた変換電圧信号Ｖｃｖ（電圧信号Ｖｉ１およびローカル信号Ｓ_ＬＯの両信号の周波数ｆ_Ｍ，ｆ_ＬＯの差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）である変換周波数の信号成分（つまり、特定した候補周波数の信号成分）、および和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）である変換周波数の信号成分で主として構成される測定用電流Ｉについての変換電圧信号）と、選択信号Ｖｓとしての電圧信号Ｖｖ１とローカル信号Ｓ_ＬＯとの乗算によって生成されるた変換電圧信号Ｖｃｖ（電圧信号Ｖｖ１およびローカル信号Ｓ_ＬＯの両信号の周波数ｆ_Ｍ，ｆ_ＬＯの差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）である変換周波数の信号成分（つまり、特定した候補周波数の信号成分）、および和周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_Ｍ）である変換周波数の信号成分で主として構成される両端間電圧Ｖについての変換電圧信号）とを、所定の時間ずつＡ／Ｄ変換器９に順次出力する。

Ａ／Ｄ変換器９は、この測定用電流Ｉについての変換電圧信号Ｖｃｖとこの両端間電圧Ｖについての変換電圧信号Ｖｃｖとを順次入力して、測定用電流Ｉについての変換電圧信号Ｖｃｖの瞬時値を示す波形データＤ１と、両端間電圧Ｖについての変換電圧信号Ｖｃｖの瞬時値を示す波形データＤ１とに順次変換して所定の時間ずつフィルタ部１０に順次出力する。フィルタ部１０は、この測定用電流Ｉについての波形データＤ１と両端間電圧Ｖについての波形データＤ１とを順次入力して、上記したように、測定用電流Ｉについての波形データＤ１に含まれる信号成分のうちの特定した候補周波数の信号成分を示す波形データと、両端間電圧Ｖについての波形データＤ１に含まれる信号成分のうちの特定した候補周波数の信号成分を示す波形データをそれぞれ波形データＤ１ａとして（最終的な変換周波数の変換電圧信号として）処理部１１に順次出力する。

処理部１１は、このようにしてフィルタ部１０から順次出力される測定用電流Ｉについての波形データＤ１ａ（特定した候補周波数の信号成分を示す波形データ）と、両端間電圧Ｖについての波形データＤ１ａ（特定した候補周波数の信号成分を示す波形データ）とを入力して、この各波形データＤ１ａに対して信号処理を実行することにより、測定周波数ｆ_Ｍの測定用電流Ｉについての波形データと、測定周波数ｆ_Ｍの両端間電圧Ｖについての波形データとに復調すると共に、この復調した各波形データに基づいて現在の測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺを測定（算出）する。また、処理部１１は、算出したインピーダンスＺを現在の測定周波数ｆ_Ｍに対応させて記憶部１２に記憶させる。

その後、処理部１１は、１つの測定周波数ｆ_Ｍを新たに設定したときの上記の各処理（信号源２に対して測定用交流信号Ｓ１の周波数としてこの測定周波数ｆ_Ｍを指定する制御処理から、インピーダンスＺを算出して記憶部１２に記憶させる処理までの各処理）を、測定周波数ｆ_Ｍを変更しながら（掃引しながら）、測定周波数範囲の下限周波数および上限周波数の他方側に達するまで実行する。これにより、測定周波数範囲の全域に亘って測定周波数ｆ_Ｍを変更したとき（掃引したとき）の各測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺの測定が完了する。

この場合、各候補周波数６６６．６７ｋＨｚ，７６９．２３ｋＨｚに対応する個別周波数範囲が図３に示すように規定されているため、処理部１１は、新たに設定した測定周波数ｆ_Ｍが４つの個別周波数範囲（８０ｋＨｚ以上３０３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、３６３ｋＨｚ以上６３７ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、６９７ｋＨｚ以上１３０３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、１３６３ｋＨｚ以上５０００００ｋＨｚ（５００ＭＨｚ）以下の個別周波数範囲）のいずれかに含まれるときには、各候補周波数６６６．６７ｋＨｚ，７６９．２３ｋＨｚのうちの第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚを新たに設定した測定周波数ｆ_Ｍでの候補周波数として特定して、信号源２に対する上記した処理やフィルタ部１０に対する上記した処理を実行する。また、処理部１１は、新たに設定した測定周波数ｆ_Ｍが３つの個別周波数範囲（３０３ｋＨｚ以上３６３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、６３７ｋＨｚ以上６９７ｋＨｚ未満の個別周波数範囲、１３０３ｋＨｚ以上１３６３ｋＨｚ未満の個別周波数範囲）のいずれかに含まれるときには、各候補周波数６６６．６７ｋＨｚ，７６９．２３ｋＨｚのうちの第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚを新たに設定した測定周波数ｆ_Ｍでの候補周波数として特定して、信号源２に対する上記した処理やフィルタ部１０に対する上記した処理を実行する。

最後に、処理部１１は、測定した測定周波数範囲の全域に亘る各測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺを出力部１４に出力して表示させる。

次に、操作キーを操作することにより、測定モードとして周波数指定測定モード（測定周波数範囲内の任意の１つの周波数を測定周波数ｆ_Ｍとして指定して、この測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺを測定する測定モード）を指定する情報と共に、この指定された測定周波数ｆ_Ｍを示す情報が処理部１１に入力されたときの動作について説明する。

この場合、処理部１１は、操作キーから入力される情報に基づいて周波数指定測定モードでのインピーダンス測定処理を実行する。このインピーダンス測定処理では、処理部１１は、まず、記憶部１２に記憶されている個別周波数範囲を示す周波数情報Ｄｆを参照して、指定された測定周波数ｆ_Ｍがいずれの個別周波数範囲に含まれているかを特定することにより、この測定周波数ｆ_Ｍでの候補周波数を特定する。

次いで、処理部１１は、スイープ測定モードでのインピーダンス測定処理のときと同様にして、信号源２、ローカル発振器６およびフィルタ部１０に対する処理を実行する。具体的には、処理部１１は、信号源２に対して測定用交流信号Ｓ１の周波数としてこの測定周波数ｆ_Ｍを指定する制御処理を実行することにより、信号源２にこの測定周波数ｆ_Ｍでの測定用交流信号Ｓ１の生成を開始させると共に測定対象５１に対する印加を開始させる。また、処理部１１は、この測定周波数ｆ_Ｍにこの特定した候補周波数を加算してローカル周波数ｆ_ＬＯを算出すると共に、ローカル発振器６に対してローカル信号Ｓ_ＬＯの周波数としてこのローカル周波数ｆ_ＬＯを指定する制御処理を実行することにより、ローカル発振器６にこのローカル周波数ｆ_ＬＯでのローカル信号Ｓ_ＬＯの生成を開始させると共に混合器８への出力を開始させる。また、処理部１１は、フィルタ部１０に対して、差周波数（ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）およびその近傍の周波数を含む狭い通過帯域を指定する処理を実行することにより、主として特定した候補周波数の信号成分を示す波形データＤ１ａを最終的な変換周波数の変換電圧信号として処理部１１に出力させる。

このように測定対象５１に信号源２から測定用交流信号Ｓ１（測定周波数ｆ_Ｍ）が印加されている状態では、測定対象５１には、測定用電流Ｉ（測定周波数ｆ_Ｍ）が流れている。このため、電流検出器３はこの測定用電流Ｉを検出して電気信号Ｓｉを出力し、電流用アンプ４はこの電気信号Ｓｉを増幅して測定用電流Ｉを示す電圧信号Ｖｉ１を信号切替回路７に出力する。また、電圧用アンプ５は測定用電流Ｉが流れることによって測定対象５１の両端間に発生する両端間電圧Ｖ（測定周波数ｆ_Ｍ）を検出して増幅することにより、両端間電圧Ｖを示す電圧信号Ｖｖ１を信号切替回路７に出力する。

続いて、処理部１１は、スイープ測定モードでのインピーダンス測定処理のときと同様にして、信号切替回路７に対する制御を実行して、電圧信号Ｖｉ１および電圧信号Ｖｖ１を所定の時間ずつ選択して選択信号Ｖｓとして混合器８に順次出力させる。これにより、スイープ測定モードでのインピーダンス測定処理のときと同様にして、フィルタ部１０から、測定用電流Ｉについての波形データＤ１に含まれる信号成分のうちの特定した候補周波数の信号成分を示す波形データと、両端間電圧Ｖについての波形データＤ１に含まれる信号成分のうちの特定した候補周波数の信号成分を示す波形データとが、波形データＤ１ａとして（最終的な変換周波数の変換電圧信号として）処理部１１に順次出力される。

処理部１１は、スイープ測定モードでのインピーダンス測定処理のときと同様にして、このようにしてフィルタ部１０から順次出力される測定用電流Ｉについての波形データＤ１ａ（特定した候補周波数の信号成分を示す波形データ）と、両端間電圧Ｖについての波形データＤ１ａ（特定した候補周波数の信号成分を示す波形データ）とを入力して、この各波形データＤ１ａに対して信号処理を実行することにより、測定周波数ｆ_Ｍの測定用電流Ｉについての波形データと、測定周波数ｆ_Ｍの両端間電圧Ｖについての波形データとに復調すると共に、この復調した各波形データに基づいて現在の測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺを測定（算出）する。また、処理部１１は、算出したインピーダンスＺを現在の測定周波数ｆ_Ｍに対応させて記憶部１２に記憶させる。これにより、指定された測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺの測定が完了する。

最後に、処理部１１は、測定した測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺを出力部１４に出力して表示させる。

このように、この測定装置１では、測定周波数範囲内に変換周波数（混合器８において、選択信号Ｖｓとローカル信号Ｓ_ＬＯを乗算することによって得られる変換電圧信号Ｖｃｖの周波数（差周波数：ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ））の候補となる複数の候補周波数（第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚおよび第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚ）が予め規定されると共に、測定周波数範囲の全域はこれらの候補周波数に対応付けられた複数の個別周波数範囲に連続状態で複数に分割され、この複数の候補周波数とこの複数の個別周波数範囲とを関連付ける周波数情報Ｄｆが記憶部１２に記憶され、処理部１１が、スイープ測定モードおよび周波数指定測定モードでのインピーダンス算出処理において、信号源２に対して生成させる測定用交流信号Ｓ１の測定周波数ｆ_Ｍを指定すると共に、記憶部１２に記憶されている周波数情報Ｄｆを参照して指定した測定周波数ｆ_Ｍが含まれる１つの個別周波数範囲に対応する１つの候補周波数を変換周波数として特定し、かつローカル発振器６に対してこの特定した変換周波数にこの指定した測定周波数ｆ_Ｍを加算して得られる周波数をローカル周波数ｆ_ＬＯとして指定してローカル信号Ｓ_ＬＯを生成させる。

したがって、この測定装置１によれば、混合器８から出力される変換電圧信号Ｖｃｖの周波数（差周波数：ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）を測定周波数範囲の下限値よりも低い周波数に規定する従来の構成とは異なり、変換電圧信号Ｖｃｖの周波数（差周波数：ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）を測定周波数範囲内に規定する構成（つまり、従来の構成よりも変換電圧信号Ｖｃｖの周波数をより高い周波数に規定し得る構成）のため、この周波数（差周波数：ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）の信号成分を抽出するフィルタリング処理での遅延時間を短縮することができ、これにより、インピーダンスＺの測定に要する時間を短縮することができる。特に、スイープ測定モードでのインピーダンス算出処理においては、測定周波数範囲内に規定された多くの測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺを個別に測定することになるため、１つの測定周波数ｆ_ＭでのインピーダンスＺの測定において短縮し得る時間が僅かなものであっても、測定周波数範囲の全域に亘るインピーダンスＺの測定に要する時間については大幅な短縮が可能となる。

また、この測定装置１によれば、このように変換電圧信号Ｖｃｖの周波数（差周波数：ｆ_ＬＯ−ｆ_Ｍ）を測定周波数範囲内に規定する構成のため、測定周波数範囲の下限値をより低くせざるを得ない状況下においても、インピーダンスＺの測定に要する時間が長くなることを回避することができる。

なお、上記の測定装置１では、複数の候補周波数の一例として、第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚおよび第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚの２つの候補周波数を規定する構成を採用しているが、各候補周波数は６６６．６７ｋＨｚおよび７６９．２３ｋＨｚに限定されない。つまり、各候補周波数のうちの一方を実際の候補周波数としたときに、この候補周波数の影響を受ける特定周波数範囲については、他方の候補周波数を実際の候補周波数としたときのこの候補周波数の個別周波数範囲として規定できる関係にある限り、各候補周波数は測定周波数範囲内の任意の周波数とすることができる。また、上記の測定装置１では、複数の候補周波数の一例として２つの候補周波数（第１候補周波数６６６．６７ｋＨｚおよび第２候補周波数７６９．２３ｋＨｚ）を規定する構成を採用しているが、３つ以上の候補周波数を規定する構成を採用してもよいのは勿論である。

また、上記の測定装置１では、信号切替回路７を使用する構成を採用することにより、混合器８、Ａ／Ｄ変換器９およびフィルタ部１０の数をそれぞれ１つにして装置コストを低減しているが、図示はしないが、信号切替回路７を使用することなく、測定用電流Ｉを示す電圧信号Ｖｉ１専用の混合器、Ａ／Ｄ変換器およびフィルタ部と、両端間電圧Ｖを示す電圧信号Ｖｖ１専用の混合器、Ａ／Ｄ変換器およびフィルタ部とを配置して処理部１１に接続する構成、つまり、測定用電流Ｉ用の信号変換回路（第１信号変換回路）と両端間電圧Ｖ用の信号変換回路（第２信号変換回路）とを別々に配置する構成を採用することもできる。この構成によれば、混合器、Ａ／Ｄ変換器およびフィルタ部の組が２組となることから装置コストが上昇するものの、測定用電流Ｉを示す電圧信号Ｖｉ１および両端間電圧Ｖを示す電圧信号Ｖｖ１を並列的に処理して処理部１１に出力することができるため、インピーダンスＺの測定に要する時間をさらに短縮することができる。

１ 測定装置
２ 信号源
６ ローカル発振器
７ 信号切替回路
８ 混合器
９ Ａ／Ｄ変換器
１０ フィルタ部
１１ 処理部
１２ 記憶部
５１ 測定対象
ｆ_ＬＯ ローカル周波数
ｆ_Ｍ 測定周波数
Ｉ 測定用電流
Ｓ１ 測定用交流信号
Ｓ_ＬＯ ローカル信号
Ｚ インピーダンス

Claims (1)

1. 測定周波数範囲内の指定された測定周波数で測定対象に印加する測定用交流信号を生成する信号源と、指定されたローカル周波数でローカル信号を生成するローカル発振器と、前記測定用交流信号の印加時に前記測定対象に流れる電流を示す第１電圧信号と前記ローカル信号とを乗算することによって前記測定周波数および前記ローカル周波数の差周波数である変換周波数の第１変換電圧信号を出力する第１信号変換回路と、前記測定用交流信号の印加時に前記測定対象の両端間に発生する電圧を示す第２電圧信号と前記ローカル信号とを乗算することによって前記変換周波数の第２変換電圧信号を出力する第２信号変換回路と、前記第１変換電圧信号および前記第２変換電圧信号に対する信号処理を実行することによって前記測定対象のインピーダンスを算出するインピーダンス算出処理を実行する処理部とを備えているインピーダンス測定装置であって、
   前記変換周波数の候補として前記測定周波数範囲内に予め規定された複数の候補周波数と、前記測定周波数範囲の全域が前記候補周波数に対応付けられて連続状態で複数に分割されてなる複数の個別周波数範囲とを関連付ける周波数情報を記憶する記憶部を備え、
   前記処理部は、前記インピーダンス算出処理において、前記信号源に対して生成させる前記測定用交流信号の前記測定周波数を指定すると共に、前記記憶部に記憶されている前記周波数情報を参照して前記指定した測定周波数が含まれる１つの前記個別周波数範囲に対応する１つの前記候補周波数を前記変換周波数として特定し、かつ前記特定した変換周波数と前記指定した測定周波数とを加算して得られる周波数を前記ローカル周波数として指定して前記ローカル発振器に対して前記ローカル信号を生成させるインピーダンス測定装置。

Images