JP6797527B2

JP6797527B2 - 試験装置の校正係数生成方法

Info

Publication number: JP6797527B2
Application number: JP2015247826A
Authority: JP
Inventors: マーティン・ジェイ・ライス
Original assignee: Keithley Instruments LLC
Current assignee: Keithley Instruments LLC
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: CN105717473B; US20160178721A1; EP3035062A2; US10338185B2; CN105717473A; EP3035062A3; JP2016118553A

Description

本発明は、概して、種々の形式の試験装置を校正する方法に関し、特に、その中の測定回路を線形にするための校正係数を生成する方法に関する。

今日の電子計装のユーザは、一般に、試験装置のレンジ全体に渡って、電圧又は電流の測定の線形性が高いこと（例えば、そのレンジに渡り、＜＜１００ｐｐｍ）を望んでいる。その試験装置は、被試験デバイス（ＤＵＴ）に電圧を供給して対応する電流値を測定するか、又は、ＤＵＴに電流を供給して対応する電圧値を測定するソース・メジャー・ユニット（ＳＭＵ）でも良い（非特許文献１参照）。

特開２０１５−１３９２２４号公報

「SMU（ソース・メジャー・ユニット）」の製品紹介サイト、ケースレー、［online］、［２０１５年９月２４日検索］、インターネット<http://www.keithley.jp/products/dcac/currentvoltage>

しかし、線形性は、時間及び温度と共にドリフトすることがあり（そして、頻繁にある）、これは、頻繁な補正を余儀なくさせることがある。そして、装置を校正施設に移動したり、外部装置が必要となるのは、特に望ましくない。

また、今日のユーザは、同じ装置で、より高速で精度は付随して低くなる測定のオプション（又は、要求した場合には、低速な高分解能測定）があることを望む傾向にある。

従って、低分解能の高速測定（これは、通常は、複数ポイント校正の場合である）に関して、スループットに影響を与えない電子的計装における改善のニーズが残っている。ある設計様式（例えば、デュアル・コンバータ）では、この問題に取り組み始めているが、これに関連する欠点としては、校正のトレーサビリティの更なる複雑さはもちろん、基板スペースに関するコスト増加がある。

本発明の実施形態は、概して、外部基準又は複数ポイント校正に頼ることなく、測定回路の線形性を修正するための装置の自己調整についての手法に関する。本発明は、次のように種々の概念から表現できる。

本発明の概念１は、初期出力電圧レベルとオープンな出力リレーを有する試験装置を校正する方法であって、
上記試験装置を特定電流レベルにプログラミングする処理と、
タイマを開始する処理と、
上記試験装置が規定適合状態（compliance）に入るのに応答して上記タイマを停止し、初期時間インターバルを求める処理と、
上記初期時間インターバルが所望範囲内かを判断する処理と
を具えている。

本発明の概念２は、上記概念１の方法であって、
上記装置の出力を上記初期出力電圧レベルにリセットする処理と、
上記特定電流レベルを調整する処理と、
上記タイマの開始と停止を繰り返して後続の時間インターバルを求める処理と、
上記後続の時間インターバルが上記所望範囲内かを判断する処理と
を更に具えている。

本発明の概念３は、上記概念１の方法であって、このとき、上記初期出力電圧が０ボルトである。

本発明の概念４は、上記概念１の方法であって、このとき、上記特定電流レベルが−２ｎＡである。

本発明の概念５は、上記概念１の方法であって、
負（−）のフル・スケールにおいて開始し、電流信号源を上記特定電流レベルにプログラミングする処理と、
上記初期時間インターバルにおいて電圧レベルを測定する処理と、
上記測定する処理に基いて、主要ポイントの第１配列（array）を特定する処理と
を更に具えている。

本発明の概念６は、上記概念５の方法であって、
正（＋）のフル・スケールにおいて開始し、上記電流信号源の極性を反転する処理と、
上記初期時間インターバルにおいて電圧レベルを測定する処理と、
上記測定する処理に基いて、主要ポイントの第２配列を特定する処理と
を更に具えている。

本発明の概念７は、上記概念６の方法であって、
上記第２配列を反転する処理と、
上記第１配列から上記第２配列を引き算して結果の配列（resulting array）を生成する処理と、
上記結果の配列から線形要因を抽出する処理と
を更に具えている。

本発明の概念８は、上記概念７の方法であって、後で利用するために、線形性要因を記憶する処理を更に具えている。

図１Ａは、理想的なコンデンサ回路の例を示す。図１Ｂは、理想的でないコンデンサ回路の例を示す。図１Ｃは、図１Ａ及び１Ｂにそれぞれ示された理想的なコンデンサ回路及び理想的でないコンデンサ回路に対応する電圧ランプをグラフで示したものである。図２は、線形性自己調整誘電吸収（ＤＡ）効果除去をグラフィカルに示したものである。図３は、本発明の実施形態による調整処理をグラフィカルに示したものである。

本発明の実施形態には、概して、従来のやり方でのＤＣ精度の校正、例えば、典型的には、毎年の校正サイクルで実施される通常の３ポイント校正を含んでいる。

特定の実現手段が、複数ポイント（例えば、大雑把にスケールの８分の１離した９個）のセットを周期的に（例えば、ユーザが選択した周波数で、おそらく月１回程度か、又は、必要ならもっと頻繁に）取り込むのに利用されても良い。これら調整を、ＤＣ校正定数と共に（しかし、別々に）、装置のフラッシュ・メモリに記憶しても良い。

測定を行った場合、これは、更なる調整（例えば、１ＰＬＣ（電源サイクル）以上）によって利益を受けることになり、その結果に線形性の調整を適用できる（例えば、ＤＣ校正が既に適用された後に）。なお、例えば、６０Ｈｚに関する１ＰＬＣは、１６.６７ミリ秒（１／６０秒）であり、５０Ｈｚに関する１ＰＬＣは、２０ミリ秒（１／６０秒）である。

実現手段は、概して、何らの外部装置又はユーザ（例えば、顧客）による参照なしに実行できる。しかし、線形エラーを自己校正しようとする場合の潜在的な課題の１つは、基準が欠けていることである。装置の信号源機能は、良い選択肢の１つのように思われる。即ち、単純に装置のレンジ全体に渡って信号源を掃引し、続いて、内部のフィードバック・ネットワークを測定することで、システムの線形性に関する情報を生成するというものである。悪いことに、このテクニックは、信号源（例えば、ＤＡＣ）の線形性エラーも含んでしまい、これは、典型的には、修正過程にある測定システムよりもずっと悪い。

特定の実現手法によってもたらされる種々の利点の中でも、特に、装置が概して安定した時間基準（例えば、プロセッサ・クロック）を有するというものがある。また、装置には、概して、低いレベル（例えば、ナノ・アンペア）までの電流信号源機能がある。更に、純粋なコンデンサへの定電流によって、概して線形な時間対電圧（つまり、ΔＶ／Δｔ＝Ｉ／Ｃ）が生じる。

実施形態は、概して、測定回路の複数の主要ポイントを測定するために、装置の装置自身の出力コンデンサへの電流信号源機能を利用することを含み、これは、信号源がその処理手順の間に変化しないことから、信号源の線形性によって、その処理が歪むのを効果的に避けることができる。電流信号源は、これを正常に動作させるのに、典型的には、校正する必要はないが、いくつかの課題はあるだろう。

本願で用いているように、誘電吸収（Dielectric Absorption：DA）は、概して、比較的高い誘電率（例えば、空気に関係する）を有する材料を通した電荷の吸収が原因の回路の出力コンデンサの振る舞いという理想的でない方法に関係する。これら誘電体は、コンデンサ自身又はコンデンサを半田付けした印刷回路基板（ＰＣＢ）の一部であっても良い。ＤＡは、理想的なコンデンサと並列で、充電されていく直列の寄生要素としてモデル化できる。図１Ａは、理想的なコンデンサ回路１０２の例を示し、図１Ｂは、理想的でないコンデンサ回路１０４の例を示し、図１Ｃは、理想的なコンデンサ回路１０２及び理想的でないコンデンサ回路１０４に対応する電圧ランプをグラフで示したものである。

どのような理由にしろ、ＤＡの効果によって、概して、定電流出力中の電圧ランプが線形でなくなり、測定回路についての線形情報を得ようとする努力をだめにしてしまう。補正が必要となるもう１つのエラーの原因は、試験装置内の例えばＡ／Ｄコンバータ又は増幅器による積分非直線性誤差（integral nonlinearity：INL）である。

しかし、ＤＡ又はＩＮＬによる非直線性は、電流の流れの方向に関して、対称に観測されている。即ち、もし電流ランプが同じレート（速度）及び反対極性で繰り返される場合、実効出力インピーダンスに関して測定される差動電圧は、ＤＡが原因の非線形性が大部分除去される一方で、測定回路が原因の非直線性は維持される。

図２は、線形性自己調整ＤＡ効果除去をグラフィカルに示したもの２００である。出力コンデンサ及び電流信号源の精度は、両方共に、典型的には、大きく変動する。即ち、測定回路で見られるランプのレートは、大きく変化することがある。自己校正を有効なものとするため、グラフ２００中の９個の主要（cardinal：基本的な）ポイントを、負（−）のフル・スケールから正（＋）のフル・スケールまでで、ほぼ等しい間隔を置いて配置する必要がある。これを実現するため、自己校正アルゴリズムが、その最初において、時間を決める（timing：タイミング）段階を有していても良い。

このアルゴリズムは、出力を０Ｖで、装置の出力リレーをオープンにして開始できる。続いて、装置は、装置自身の出力コンデンサへ供給する電流信号源からの電流レベルを、小さな負電流（例えば、約−２ｎＡ）となるようプログラムされると共に、タイマを開始しても良い。装置の上記出力コンデンサの電圧が特定の電圧リミットに入り次第、タイマを停止しても良い。もし測定された時間が、処理に望ましい範囲（これは、典型的には、ＤＡの問題と、装置の取込み速度で決まる）から外れる場合には、装置の上記出力コンデンサの電圧を０Ｖにリセットし、電流レベルを調整しても良い。これは、必要に応じて、繰り返しても良い。

電流レベルが調整され、タイミング（時間インターバル）がわかったならば、装置は、２つの掃引を実行しても良い。第１に、負（−）のフル・スケール（例えば、例としては−１００Ｖ）で開始し、電流信号源が、正極性の選択されたレベルにプログラムされても良い。装置のファームウェアは、特定の、結果として、９個の主要ポイントとなる時間インターバルにおいて、電圧を測定しても良い。

第２に、続いて、正（＋）のフル・スケール（例えば、例としては＋１００Ｖ）において、電流信号源の極性が反転され、同じ（又は同様の）処理を９個の主要ポイントを更に取り込むのに利用しても良い。その第２配列を反転し、続いて第１のものから引き算しても良い。複数ポイントから得られる配列（resulting array：結果の配列）は、測定回路に関する線形要因（factor：因数）を抽出するのに利用されても良い（例えば、配列を、第１ポイントで始まり第２ポイントで終わる理想的な直線から引き算することによって「線形化」することを意味）。

線形性調整用の係数が取り込まれたら、それらを将来の利用のために記憶しても良い。ある実現手段では、線形性調整の適用に約１５マイクロ秒かかることがあり、そのため、これは、典型的には、スループットが著しく遅い測定にのみ適用するようにして、高速な（例えば、低分解能の）測定に悪い影響がないようにする。例えば、１ＰＬＣに等しい読み出しには、概して、取込みに１６.６ミリ秒が必要で、線形性調整のオーバーヘッドを、事実上、無関係にする。

図３は、本発明の実施形態による調整処理をグラフで示したもの３００である。調整される測定値は、典型的には、利用可能な２つの調整ポイント（例えば、これらは、スケールの約８分の１のインターバルで生じるようにしても良い）で結ばれている。この例における測定値（Ｘ）は、２つの調整主要ポイントＭ及びＮ（これらは対応する調整値Ａ［Ｍ］及びＡ［Ｎ］を有する（例えば、これらポイントにおける非線形性の量が既知））の間にあるとすると、調整された測定値（Ｙ）は、以下を用いて、この測定値を結ぶ２つの主要ポイント間の線形補間によって計算できる

Ａ_Ｘ＝Ａ_Ｎ＋（Ａ_Ｍ−Ａ_Ｎ）・（Ｘ−Ｎ）／（Ｍ−Ｎ）及び
Ｙ＝Ｘ＋Ａ_Ｘ

この処理は、９個のポイントを調べることによらず、そして、特定の状況では、少ないポイントで有効に機能し、別の状況では、もっと多数のポイントを必要とすることに注意されたい。必要となるポイントの個数は、概して、補正される非線形性の特性に依存する。

本願で説明するテクニックは、もしリソースを電圧測定情報を電流測定回路に送るために利用可能であれば、電流測定線形性の調整にも利用できる

以下の説明は、本発明の実施形態を実現できる適切なマシーンの簡潔で一般的な説明の提供を意図するものである。本願で用いているように、「マシーン」は、単一のマシーン又は通信可能に結合され、共に動作する複数のマシーン若しくは装置からなるシステムを広く包含することを意図している。典型的なマシーンには、パソコン、ワークステーション、サーバ、ポータブル・コンピュータ、ハンドヘルド・デバイス、タブレット・デバイスなどがあるとしても良い。

典型的には、システム・バスを含み、これに、プロセッサ、メモリ（例えば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、その他の状態保持メディア、大容量記憶装置などを含む）、ビデオ・インターフェース、そして、入力／出力インターフェース・ポートが取り付けられる。マシーンは、プログラマブル若しくはノン・プログラマブル・ロジック・デバイス若しくはアレー、ＡＳＩＣ、組込み型コンピュータ、スマート・カードなどでも良い。マシーンは、少なくとも一部分は、キーボード、マウスなどの従来の入力デバイスからの入力によって、制御されても良く、加えて、別のマシーンから受けた指示、バーチャル・リアリティ（ＶＲ）環境を用いるインタラクティブな処理、生体フィードバック、又は、他の入力信号によって制御されても良い。

マシーンは、ネットワーク・インターフェース、モデム、他の通信結合機能などのような１つ以上の遠隔装置への１つ以上のコネクションを用いても良い。複数のマシーンは、イントラネット、インターネット、ＬＡＮ、ＷＡＮなどのような物理的又は論理的なネットワークにより、相互接続されていても良い。当業者であれば、ネットワーク通信には、無線周波数（ＲＦ）、衛星、マイクロ波、ＩＥＥＥ545.11、Bluetooth（登録商標）、光、赤外線、ケーブル、レーザなどを含む有線又は無線の短距離又は長距離のキャリアやプロトコルを用いて良いことが理解できよう。

図示した実施形態を参照しながら、本発明の原理を記述し、説明してきたが、こうした原理から離れることなく、説明した実施形態の構成や細部を変更したり、望ましい形態に組み合わせても良いことが理解できよう。そして、先の説明では、特定の実施形態に絞って説明しているが、別の構成も考えられる。

特に、「本発明の実施形態によると」といった表現を本願では用いているが、これら言い回しは、大まかに言って実施形態として可能であることを意味し、特定の実施形態の構成に限定することを意図するものではない。本願で用いているように、これら用語は、別の実施形態に組み合わせ可能な同じ又は異なる実施形態に言及するものである。

従って、本願で説明した実施形態は、幅広い種々の組み合わせの観点から、この詳細な説明や添付の資料は、単に説明の都合によるものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。従って、本発明として請求するものは、添付の請求項及びそれらと等価なものの範囲と要旨内に入るような全ての変更したものである。

１０２理想的なコンデンサ回路
１０４理想的でないコンデンサ回路
１０６理想的及び理想的でないコンデンサ回路の電圧ランプのグラフ
２００線形性自己調整ＤＡ効果除去のグラフィカルに示したもの
３００調整処理のグラフィカルに示したもの

Claims

電流信号源と出力コンデンサを有する試験装置の測定回路を線形にする校正係数を生成する方法であって、
上記電流信号源の出力電流を特定電流レベルにプログラミングする処理と、
タイマを開始すると共に、上記特定電流レベルの電流の上記出力コンデンサへの供給を開始する処理と、
上記測定回路で測定される上記出力コンデンサの電圧が、所定電圧になるのに応答して上記タイマを停止し、時間インターバルを求める処理と、
上記特定電流レベルに応じて上記出力コンデンサに供給する電流を変化させることにより、上記出力コンデンサの電圧を第１極性フル・スケール電圧から第２極性フル・スケール電圧まで掃引すると共に、上記測定回路によって上記時間インターバル毎に上記出力コンデンサの電圧を測定して第１電圧測定値配列を生成する処理と、
上記特定電流レベルに応じて上記出力コンデンサに供給する電流を変化させることにより、上記出力コンデンサの電圧を上記第２極性フル・スケール電圧から上記第１極性フル・スケール電圧まで掃引すると共に、上記測定回路によって上記時間インターバル毎に上記出力コンデンサの電圧を測定して第２電圧測定値配列を生成する処理と、
上記第１及び第２電圧測定値配列に基づいて、複数の線形校正係数を生成する処理と
を具える試験装置の校正係数生成方法。
電流信号源と出力コンデンサを有する試験装置の測定回路を線形にする校正係数を生成する方法であって、
上記電流信号源の出力電流を初期電流レベルにプログラミングする処理と、
タイマを開始すると共に、上記初期電流レベルの電流の上記出力コンデンサへの供給を開始する処理と、
上記測定回路で測定される上記出力コンデンサの電圧が、所定電圧になるのに応答して上記タイマを停止し、時間インターバルを求める処理と、
上記時間インターバルが所望範囲内かを判断する処理と、
上記時間インターバルが上記所望範囲内から外れた場合には、上記出力コンデンサの電圧を初期出力電圧レベルにリセットする処理と、上記初期電流レベルを調整電流レベルに調整する処理と、上記調整電流レベルに基づいて上記時間インターバルを求める処理とを、上記時間インターバルが上記所望範囲内になるまで繰り返し、上記時間インターバルが上記所望範囲内になったら、上記調整電流レベルを特定電流レベルとして設定する処理と、
上記時間インターバルが上記所望範囲内である場合には、上記初期電流レベルを上記特定電流レベルとして設定する処理と、
上記特定電流レベルに応じて上記出力コンデンサに供給する電流を変化させることにより、上記出力コンデンサの電圧を第１極性フル・スケール電圧から第２極性フル・スケール電圧まで掃引すると共に、上記測定回路によって上記時間インターバル毎に上記出力コンデンサの電圧を測定して第１電圧測定値配列を生成する処理と、
上記特定電流レベルに応じて上記出力コンデンサに供給する電流を変化させることにより、上記出力コンデンサの電圧を上記第２極性フル・スケール電圧から上記第１極性フル・スケール電圧まで掃引すると共に、上記測定回路によって上記時間インターバル毎に上記出力コンデンサの電圧を測定して第２電圧測定値配列を生成する処理と、
上記第１及び第２電圧測定値配列に基づいて、複数の線形校正係数を生成する処理と
を具える試験装置の校正係数生成方法。