JPH01195371A - 測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はインピーダンス測定等を行う際、測定条件をで
きるだけ一定不変に保ち再現性のよい測定を行うことが
できる測定器に関する。

〔従来技術およびその問題点〕

第３図に示すような従来技術による一般的なインピーダ
ンス測定器において、測定対象（ＤＵＴ）に印加される
ＡＣレベル（電圧または電流）を積極的に一定に保つこ
とは行われてはいなかった。第３図において、信号源抵
抗Ｒ１は測定系の安定度を保つ必要があるため極端に小
さくすることはできず、通常１０Ω以上にとられる。従
来はＤＵＴのインピーダンスの大きさにより、信号源抵
抗Ｒ８を切り換え、近位的に定電圧源あるいは定電流源
を実現するに止まっていた。その場合、ＤＵＴに印加さ
れる信号レベルを測定者の所望の値に設定することは現
実的には困難であった。

〔発明の目的〕。

本発明の目的は上述した従来技術の問題点を解消し、測
定系の安定性を損なうことなくＯＵＴに印加されるＡＣ
レベルを一定に保持することにある。

（発明の概要） 本発明の一実施例によれば、ＤＯＴに印加されるＡＣ電
流あるいは電圧を一定レベルに保持するインピーダンス
測定器が与えられる。この測定器においては、ＤＯＴの
一端に信号源からのＡＣ信号が与えられ、他端にはこの
点を仮想接地とするための帰還回路が接続されている。

ＤＵＴに印加されているＡＣ電流、電圧を表す信号が取
り出され、同期検波される。この検波出力は周知の二重
積分型ＡＤ変換器によりディジタル信号に変換される。

このディジタル信号はマイクロコンピュータに与えられ
る。マイクロコンピュータはこれを用いてＤＵＴに印加
されているＡＣ電圧または電流を所定値に近づけるよう
に信号源を間歇的に制御する。

〔発明の実施例〕

第２図は本願発明の詳細な説明する図である。

同図において、ＤＵＴのインピーダンスをＺ８、この系
全体のインピーダンスをＺ１信号源のＡＣ電圧をＶｓ、
信号源の内部抵抗をＲ，、ＤＵＴに印加されている電流
、電圧を夫々Ｉ、、Ｖ、とすれば、 ＩＸ＝Ｖ、／Ｚ　　　　　　−−−（１）Ｖｘ＝Ｃｚｘ
／ｚ）−ｖ、・−−（２）が成立する。一般にＤＵＴの
インピーダンスはＡＣ電圧ｖｓの影響を受けるので、Ｚ
ｘおよびＺはｖ３の関数となる。（１）式において、Ｖ
ｓをＸ。

Ｚをｆ　（ｘ）、ＤＵＴの電流の目標値をＩ　ＴＧＴと
して変形すると下式を得る。

Ｆ　（ｘ）　＝ｘ　−１ｔｃｔ−ｆ　（ｘ）　＝０・・
・　　（３） 同様に、（２）式において■３をｘ、Ｚ／Ｚｘをｇ　（
ｘ）、ＯＵＴの電圧の目標値をＶＴＧアとして変形する
と下式を得る。

Ｇ（ｘ）＝ｘ−Ｖア、・ｇ　（ｘ） ・・・　　（４） すなわち、Ｉ８またはｖＸを目標値に一致させるには、
夫々Ｆ　（ｘ）＝Ｏ１Ｇ　（ｘ）＝０の解を信号源のＡ
Ｃ電圧とするように信号源を制御すればよい。ＤＵＴの
インピーダンスによって決まる関数Ｆ　（ｘ）、Ｇ　（
ｘ）はＤＯＴ毎に異なりまた非線型性を有することも多
いので、上の方程式の解を解析的に求めることは実際的
ではない。そこで逐次近位的にこの解を求めるような動
作を行う。

ここで用いることができる逐次近似の手法としては逐次
代入法、２分法、線型逆補間法等があるが、詳細は後で
説明する。

第１図は本願発明の一実施例であるインピーダンス測定
器の概略図である。

第１図において、交流信号源Ｓの出力はレベル制御回路
ｌＯ１抵抗Ｒ３を通して被測定素子（ＤＵＴ）Ｚ、に与
えられる。高利得増幅器２０と帰還抵抗Ｒから成る帰還
回路によりＯＵＴの他端Ｐが仮想接地となっている。Ｄ
ＵＴおよびレンジ抵抗Ｒの両端の電圧■、およびＶ　ｔ
ｉ　　（＝　Ｄ　Ｕ　Ｔを流れる電流×レンジ抵抗Ｒの
値）がベクトル比検出検出器３０に導入される（点Ｐは
仮想接地になっているので、第１図に示すように夫々Ｄ
ＵＴ、レンジ抵抗Ｒの一端の電位を観測するだけでもほ
とんど同じ電圧が観測される）。ベクトル比検出器３０
には同期整流器と積分型ＡＤ変換器が設けられているの
で、これを用いて当業者に周知の動作により■８または
■ヮ　（のベクトル表示）のディジタル値を求めること
ができる。従って論理回路内のマイクロプロセッサによ
りベクトル電圧比検出器３０の動作を制御することによ
り、ＤＵＴのＡＣ電圧を制御する場合は電圧ｖ８の、ま
たＡＣ電流を制御する場合は電圧ｖ５のディジタル変換
をベクトル電圧比検出器３０に行わせる。その結果を論
理回路４０に導入することにより、上で第２図を用いて
説明したようにＡＣ電源への新たなレベル制御信号を計
算することができる。

このようにして、論理回路４０はＯＵＴのＡＣ電圧また
は電流を示すディジタルデータを得、これに基づきその
ＡＣ電圧または電流が所望の値に近付くようにするため
の新たなレベル制御信号値を計算してＡＣ電源に与える
。このような間歇的な動作の繰り返しにより、ＯＵＴの
ＡＣ電圧または電流が所望の値に対して許容誤差範囲内
に入った所でこの繰り返し計算動作を打ち切り、ＤＵＴ
の測定を行う。

ここでレベル制御回路ＩＯとしてはたとえば乗算型ＤＡ
変換器を使用できる。また自動レベル調整範囲から外れ
たことを論理回路４０が検出すると警告表示を行うよう
にすることもできる。

ＤＵＴに印加されているＡＣ電圧／電流の情報に基づい
て次回の制御信号を定めるためのアルゴリズムの例を以
下に示す（電流について示すが、電圧の場合も同様であ
る）。

正久代入広 Ｆ　（Ｘ）　＝Ｘ　　１ｔＧｙ　　・ｆ　（Ｘ）　＝０
であるから ｘ＝Ｉｔｃｔ が成立する。ここで適当な第１近位から出発しＸＩＨＩ
　＝　Ｉｙｃｔ　　”　ｆ　（Ｘｈ　）なる計算を反復
する。これは常に収束するとは限らないが、収束すれば
その極限が解となる。解の真値をＸ？、第に近似解の誤
差ｘ、−ｘＴをｅｌとすると、収束するためには、充分
大きな全てのｋに対して絶対値が１未満の定数Ｃが存在
して１　ｅｋ、１１≦Ｃ１ｅｋ　１ が成立すればよい。これを変形することによりＩｔｃｙ
　　ｌ　ｆ　（ｘｈ　）　−ｆ　（ｘｔ　）　　ｌ≦Ｃ
ｌｘｍ　　　ｘｙｌ となることから、結局Ｘの近傍で Ｉｔｓｔ　　Ｉ　ｆ　’（Ｘ）　　ｌ　＜　１が成立す
ればよい。

このアルゴリズムによれば、以下で説明する２分法等の
ように第１近偵を選択するための予備測定を行う必要が
なく、また線型のＣＵＴ（つまりインピーダンスがＡＣ
電圧または電流によらず一定であるＤＵＴ）では１回の
測定で解が得られる。

ただし、非線型のＤＵＴに対しては解が収束する保証は
ないので、ＤＵＴによっては他のアルゴリズムを採用す
る必要がある。

主分広 逐次近位操作を開始する前に予備測定を行うことにより
、 Ｆ　（ａ）・Ｆ　（ｂ）　＜０ なる２点ａ、ｂを探し、ｃ　＝　（ａ　＋　ｂ　）　／
　２としてＦ　（ｃ）を求める−　Ｆ　（ａ）　　・Ｆ
　（ｃ）＜Ｏならば次回のａとしてＣを採用し、Ｆ　（
ｂ）　　・Ｆ（ｃ）ならば次回のｂとしてＣを採用する
。この手続きをＦ　（ｃ）が予め設定した誤差範囲内に
収まるまで繰り返す。

２分法によれば一定の回数以内に必ず収束することが保
証される。ただしａ、ｂの第１近似を定めるための予備
測定が必要となる。この予備測定は例えば交流信号源の
出力をスイープしてＤＵＴのＡＣ電圧（または電流）を
観測することにより行うことができる。なお、このよう
なスィーブを行うことにより設定可能なＯＵＴのＡＣ電
圧（または電流）の範囲を知ることができる。

算杢逆亙皿広 ２分法と同様に Ｆ　（ａ）　　・Ｆ（ｂ）＜０ を満足する区間（ａ、ｂ）を与えて以下の手続きを行う
。

（ｉ）Ｆ　（ｘ）を２点（ａ、　Ｆ　（ａ）　）、（ｂ
。

Ｆ　（ｂ）　）を通る直線で近似し、この直線とＸ軸と
の交点をＣとしてＦ　（ｃ）を求める。

Ｆ（ａ）　　−Ｆ（ｂ） （ｉｉｉ）　Ｆ　（ａ）　　・Ｆ　（ｃ）　＜ｏならば
次回のａとしてＣを採用する。Ｆ　（ｂ）　・Ｆ　（ｃ
）ならば次回のｂとしてＣを採用する。

これをＦ　（ｃ）が予め定めた誤差範囲内に収まるまで
反復する。

このアルゴリズムの特徴は２分法とほぼ同様だが、ＤＵ
Ｔが線型に近い場合には収束が速い（ＤＵＴが完全に線
型なら１回で収束する）、ただし非線型性の形態によっ
ては収束が極端に遅くなる場合がある。この場合は解を
Ｘ７とすれば（または不等号の向きが逆） が成立する。

上述したようなアルゴリズムを用いてＡＣ電源の制御を
行う場合、状況に応じて使用されるアルゴリズムを切り
換えることにより、収束性を保証するとともに、収束を
できるだけ速くすることができる。

どれ位のＡＣ電圧（または電流）ならば設定可能かを使
用者が分からない場合等には予備測定を行う必要がある
。このように予備測定を行う場合には例えば２分法と線
型逆補間法を収束速度に応じて使い分けることができる
。すなわち線型逆補間法の収束が遅くなる場合には２分
法を使用し、それ以外では線型逆補間法を使用する。収
束が遅（なる条件には解Ｘアが含まれているが、この値
は逐次近位を始める前には未知であるので、その代わり
に以下のような判定条件を用いることができる。

ＩＦ（ａ）ｌ）ＩＰ（ｂ）Ｉ （またはＩＦ　（ａ）ｌ）ＩＦ　（ｂ）ｌ）であれば２
分法を用いる。

使用者がＤＵＴに対するＡＣ電圧（または電流）の設定
範囲を予測できる場合等においては、例えば以下のよう
にして予備測定なしでＡＣ電源の制御を行うことができ
る。

逐次代入法を基本として解を求めるが、発散する場合が
あるので、設定可能なＡＣ電圧の最小値と最大値をＸａ
ｉａ　％　Ｘ＠ＩＨｚとして以下の４通りに場合分けを
して考える。

（＋）　　Ｉｗｉｔ　　”　　ｆ’（ＸＴ　　）　　＞
１（ｉｉ）Ｏ≦Ｉｙｃｙ　　・ｆ’（ｘｔ　）≦１（ｉ
ｉｉ）−１≦ｆｒＧｔ　　”　ｆ　’（Ｘｙ　）　＜０
（ＩＶ）　ＩＴＧＴ　　・ｆ’（ｘｖ　）　＜　　１通
次代入法では（ｉ）と（ｉｎ）の場合は発散する。

ここで通常のＤＵＴにおいてはｆ　（ｘ）は区間（Ｘａ
ｔａ　、　　ＸＩＩＩＩＭ　）で単調であるとしてよい
。そこで、第ｎ近領解Ｘ７に対して （ｉ）と（ｉｉ）（つまりＩ　ＴＧ？　　・ｆ’（ｘ７
）≧Ｏ）ではＦ　（ｘｎ）・Ｆ（Ｘ１１゜ｌ）≧０（ｉ
ｎ）と（ｉｖ）　　（ツまりＩｔｓｙ　　・ｆ　’（ｘ
ｙ　）　＜Ｏ）ではＦ　（Ｘｌａ　）　−Ｆ　（ｘｌｔ
、＋　）　＜。

が成立する。そこで第１近似解をｘｌ＝　（ｘ□７＋　
ｘ　６１１ｍ　）　／　２として逐次代入法を行い、Ｆ
（ｘ７）・Ｆ（ｘ□Ｉ）〈０が成立したところで、前述
の予備測定を行う場合の手順を区間［ｘ、、ｘｌ、、］
に対して適用する。これにより上の（ｉｉ）ないしくｉ
ｖ）の場合は収束する。発散した場合（（ｉ）の場合）
はＦ　（Ｘａｔａ　）　、Ｆ　（Ｘｍａ、）を求めて、 Ｆ　（ｘｌ　）　・Ｆ　（ｘ、ｉ、　）　＜０ならば区
間［Ｘａｉａ　＋　ｘｌ　］に Ｆ　（Ｘｌ　）　・Ｆ　Ｃｘｗｈａｘ　）　＜Ｏならば
区間〔Ｘｌ　ｒ　ｘ＠ＩＩＸ　）に 対して上述の予備測定を行う場合の手順を適用する（ｆ
　（Ｘ）が単調だから何れか一方が成立する）、これに
より単調な任意のｆ　（ｘ）について収束が保証される
。

このような構成・動作により、ＤＵＴの非直線性やＤＵ
Ｔの電圧・電流情報に基づいて次回の制御信号を決める
ためのアルゴリズムによってモ変わるが、ＤＵＴが通常
のり、Ｃ，Ｒ，ダイオード等の場合には、ディジタルル
ープの２〜３ステツプの動作でバイアス電圧あるいは電
流が目標値に収束するので、実用性が大きい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本願発明によれば測定対象
に印加される電圧または電流のＡＣレベルを一定値に保
持することができるので、非線型性素子を測定する場合
にも良好な再現性が得られる。更に、レベルを一定に保
持するためのフィードバックをディジタルループを用い
て間歇的に行っているので、測定系自体のフィードバッ
クループと干渉することがなくなり、測定系のアナログ
的な安定性を損なうことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の測定器のブロック図、第２
図は本発明の詳細な説明するための図、第３図は従来技
術による測定器の一例を示す図である。 ｌＯニレベル制御回路、 ２０：高利得増幅器、　４０：論理回路、Ｓ：交流信号
源。 器 ｊ　３　回 手続補正書 ｌ、事件の表示　　　　　昭和６３年　特許　願第　２
０９５５　　号２、発明の名称　　　　　測　定　器 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　　　特　許　出　願　人ササ　
　青カ　　ケシ　　チラ 代表者　取締役社長　　笹　岡　健　三４、代理人 住所　　　　　　東京都　杉並区　高井戸東　３丁目２
９６２１号５、　補正命令の日付　　　　　　　昭和　
　年　　月１　日（自発）６、　補正の対象　　　　明
細書［発明の詳細な説明の欄」７、補正の内容 （１）明細書第４頁第１５行の ｒＧ　（ｘ）ミｘ　　Ｖｔａｔ　・ｇ　（Ｘ）　Ｊを’
Ｇ　（ｘ）＝ｘ　　Ｖｔａｔ　　・ｇ　（ｘ）＝ＯＪと
補正する。 （２）明細書第５頁第１６行ないし第１７行の［ベクト
ル比検出検出器」を「ベクトル比検出器」と補正する。 （３）明細書第７頁第１３行の ’Ｘ＝１ｔｓｔＪを ’Ｘ＝Ｉｔｃｙ　　＋　ｆ　（Ｘ）　Ｊと補正する。 （４）明細書第８頁第５行の「Ｘの近傍で」を「ｘＴの
近傍で」と補正する。 （５）明細書第９頁第１行ないし第３行の「Ｆ（ａ）　
　・Ｆ　（ｃ）＜０ならば・・・Ｃを採用する。 」を’Ｆ　（ａ）　・Ｆ　（ｃ）＜０ならば次回のｂと
してＣを採用し、Ｆ　（ｂ）−Ｆ　（ｃ）＜０ならば次
回のａとしてＣを採用する。」と補正する。 （６）明細書第１０頁第３行ないし第５行の「（ｉｉ）
　Ｆ　（ａ）　・Ｆ　（ｃ）＜０ならば一−−ｃを採用
する。ノを’　（ｉｊ）　Ｆ　（ａ）　　・Ｆ　（ｃ）
　＜０ならば次回のｂとしてＣを採用する。　Ｆ　（ｂ
）　　・Ｆ（ｃ）＜０ならば次回のａとしてＣを採用す
る。 」と補正する。 （７）明細書第１１頁第１６行ないし第１７行の「（ま
たはＩＦ　（ａ）Ｉ）ＩＰ　（ｂ）ｌ）であれば」を「
（またはＩＰ　（ｂ）ｌ）ＩＦ　（ａ）ｌ）であれば」
と補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 測定対象の一端に交流を印加する信号源と、前記測定対
   象の他端に接続されて該他端を仮想接地とする帰還回路
   と、 前記測定対象の電圧信号および電流信号を入力して同期
   整流する同期整流器と、 前記同期整流器の出力を積分することによりアナログ・
   ディジタル変換を行うアナログ・ディジタル変換器と、 前記アナログ・ディジタル変換器の出力に基づいて前記
   測定対象に印加される電圧または電流を所定値にするよ
   うに前記信号源を間歇的に制御する論理手段と を設けてなる測定器。