JPH02194367A - 静電容量測定装置および方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、受動電子素子のインピーダンス測定に関す
るものである。特に、充電測定システムを用いた静電容
量測定に関するものである。

［従来の技術］ 静電容量、漏れ電流、並列抵抗等、コンデンサの種々の
特性を測定するための方法および回路が知られている。

しかし、これらの多くは、複雑であり、解析を行うのが
容易でなく、また高価である。これらの装置においては
、コンデンサブリッジ、演算増幅器等の精密機器が必要
である。これらのものは、設備の整った修理店にしかな
い場合が多い。

そこで、電気サービス機器として使用される普通のマル
チメータに、静電容量測定の機能を付加することが望ま
れている。マルチメータは、一般に、電圧、電流、直流
抵抗の測定用として設計されており、小型、軽量で比較
的安価である。そのため、技術サービスにおいて、かな
りポピユラーである。おおまかな静電容量であれば、マ
ルチメータの抵抗測定回路により、未知のコンデンサの
充電時間を見て、測定することができる。しかし、ユー
ザは、安価なままで、より高精度の静電容量測定法を望
んでいる。ところが、上記の複雑な信号調節システム等
の従来の静電容量測定システムを付加すると、コスト増
大が大きく、また−膜内なマルチメータの限界を超えて
かさばってしまう。

さらに、使用中に、間違って静電容量測定回路に電圧を
かけてしまうことも予想される。だからといって、回路
保護用の直列インピーダンスを接続することは現実的で
ない。なぜなら、付加したインピーダンスによりもたら
される誤差を、真の静電容量と区別することが困難だか
らである。

［発明の概要］ この発明に係る静電容量測定装置および方法は、＝　６
− 充電測定システムを用いている。充電回路は基準抵抗と
所定電圧源を備えており、静電容量性素子に直列接続さ
れている。これにより、静電容量性素子は完全に充電さ
れる。積算演算増幅器は、静電容量性素子が充電される
間、基準抵抗に接続される。これに対応する比例電荷は
、積算演算増幅器のフィードバックループに設けられた
蓄積コンデンサに蓄積される。この第１の動作状態を、
充電サイクルと呼ぶ。

測定サイクルである第２の動作状態において、積算演算
増幅器は充電回路から切り離され、所定の電源に接続さ
れて、蓄積コンデンサの電荷が放電される。蓄積コンデ
ンサは、比較器の入力に接続される。蓄積コンデンサの
電荷が０になると、比較器は出力状態を変化させる（　
＋−リップする）。

蓄積コンデンサの電荷が放電されるのに要した時間は、
静電容量性素子の静電容量に直接比例する。

その時間は公知技術によって測定可能である。例えば、
測定サイクルの開始によりクロックパルスの旧数を行い
、ｌ・リップ点に達した比較器の出力変化により停止す
るデジタルカウンタによって可能である。カウンタ出力
によって表わされる時間は、静電容量単位として読み出
すことができる。

積算演算増幅器、比較器、デジタルカウンタは、多くの
携帯マルチメータに見られるＡ／Ｄコンバータを備えて
いる。よって、この発明によれば、わずかな修正によっ
て、マルチメータに静電容量測定機能を付加することが
できる。

この発明の目的は、新たな静電容量測定装置および方法
を提供することである。

この発明の他の目的は、充電測定システムを用いた静電
容量測定装置を提供することである。

この発明のさらに他の目的は、コストの増大および装置
の大型化を招来することなく、携帯マルチメータに静電
容量測定機能を与えることである。

この発明の他の目的、特徴、効果は、この分野の専門家
が図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことで、
明らかである。

［実施例］ 第１図に、未知のコンデンサ１０の静電容量ＣＸを測定
するシステムの、詳細なブロック図を示す。

このシステムの大部分は、マルチメータに見られるよう
な、通常の二重勾配（ｄｕａｌ−ｓｌｏｐｅ）　Ａ　／
　Ｄコンバータ（Ａ　Ｄ　Ｃ）を用いている。しかし、
電圧に関するよりも、電荷Ｑの測定に適している。電荷
Ｑは、クーロンで測定され、単位時間、単位電流あたり
の電荷の移動量に等しい。Ｑ＝ｉｔである。

二重勾配ＡＤＣは、単一利得電圧ホロワ（ｕｎｉｔｙ−
ｇａｉｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｏｌｌｏｅｒ）として接
続されたバッファアンプＡ１を備えている。バッファア
ンプＡ１の負荷抵抗１２は、Ｒ１の抵抗値を有し、積算
演算増幅器Ａ２の反転入力に接続されている。演算増幅
器Ａ２の出力と反転入力間には、Ｃ１の値のコンデンサ
１４が接続されている。増幅器ＡＩ　、Ａ２のオフセッ
ト電圧および電流は、説明上、無視できるものと仮定す
る。積算演算増幅器Ａ２の出力は、比較器Ａ３の一方の
入力に接続される。この比較器Ａ３の他方の入力には、
増幅器Ａ２の反転入力が接続される。第１図をよく見る
と、比較器Ａ３の２つの入力の間に、コンデンサ１４が
接続されていることがわかる。比較器Ａ３の出力は、カ
ウンタ１６のインヒビット入力もしくは「カウント停止
」入力に接続される。カウンタ１６は、測定サイクル中
には、クロック源１８からのクロック信号を計数する。

計数結果は、測定・表示ユニット２０に転送される。シ
ステム全体の動作は、制御ロジックユニット２２により
なされる。

この制御ロジックユニット２２は、マイクロプロセッサ
−およびタイミング回路を備えていることが好ましい。

回路の動作を参照すれば、この発明がよく理解できるで
あろう。

制御ロジック回路２２は、スイッチ駆動回路２４に対し
、スイッチロジック信号を送る。スイッチ駆動回路２４
は、マトリックスで表わされている。マトリックスの縦
列は、各スイッチ８１〜Ｓ６に対応し、破線により関係
付けられている。横行は、各機能に対応している。スイ
ッチ駆動回路２４とこれに連結したスイッチは、当業者
によく知られている種々の方法で、実現できる。マトリ
ックス中の黒い点は、スイッチが閉じていることを示し
ており、黒点が無いことは、スイッチが開いていること
を示している。

未知の静電容量を充電する経路には、抵抗値Ｒ８訂の基
準抵抗３０と、抵抗値Ｒ，の過電圧保護抵抗３２が設け
られている。抵抗３２は、入力端子３４への過誤の電圧
印加によるダメージから、入力回路を保護するものであ
る。容易にわかるように、抵抗値Ｒ１は、未知の静電容
量Ｃｘの決定に影響を与えないものである。

未知の静電容量を測定する第１のステップにおいては、
システムの初期化がなされる。制御ロジック回路２２が
スイッチ駆動回路２４に「初期化」信号を送ると、スイ
ッチＳｌ、Ｓ３．Ｓ５．Ｓ６が閉じる。スイッチＳ１を
閉じることによって、抵抗３０と３２の接続点が接地さ
れ、未知のコンデンサ１０が完全に放電される。スイッ
チＳ３を閉じることによって、バッファアンプＡＩの人
力が接地され、抵抗１２を介して、演算増幅器Ａ２の反
転入力にグランド電圧（ゼロボルト）が印加される。ス
イッチＳ５を閉じることによって、演算増幅器の非反転
入力が接地され、コンデンサ１４を完全に放電する。ス
イッチＳ６を閉じることによって、比較器Ａ３の出力は
ゼロボルトにセットされる。

次に、制御ロジック回路２２が「Ｃア充電」信号をスイ
ッチ駆動回路に送ると、一定時間ｔ、の間、スイッチＳ
ｌ、Ｓ３．Ｓ５．Ｓ６が開き、スイッチＳ２Ａ、Ｓ２Ｂ
、Ｓ２Ｃが閉じて、充電サイクルが実行される。時間ｔ
、の間、所定電圧の基準電源３６が、基準抵抗３０とバ
ッファアンプＡ１の接続点に接続される。よって、基準
電圧源３６が抵抗１２の一端に接続される。未知のコン
デンサ１０には、基準抵抗３０および過電圧保護抵抗３
２を介して、基準電源３６の直流基準電圧■Ｒ〜が供給
され、これにより、未知のコンデンサＩＯは、基準電圧
ＶＲＩ！Ｆに近付くように充電され始める。また、コン
デンサ１４も、抵抗１２を介して、充電され始める。抵
抗３０を流れる充電電流は、それに比例した電圧を抵抗
３０の両端に生じる。コンデンサ１０の充電によって、
演算増幅器Ａ３の非反転入力に与えられる電圧は（ＶＲ
□に近付くように）増加し、抵抗３０両端の電圧は減少
する。すなわち、演算増幅器Ａ２の二つの入力は、抵抗
３０を流れる充電電流を測定するために、抵抗３０の両
端に接続され、演算増幅器の作用によって、増幅器Ａ２
とコンデンサＩ４は、抵抗１２に流れる電流に比例した
値を積算する。したがって、コンデンサ１０の充電電流
の時間ｔ、にわたる積算が、蓄積コンデンサ１４に比例
電荷として蓄積される。蓄積コンデンサＩ４への正確な
充電を期するため、時定数の数倍時間コンデンサ１０を
充電し、最終電圧ＶＲＥＦとしなければならない、ある
いは時間ｔ１をｊ＋＞＞（ＲＲｇｐ＋Ｒｐ）Ｃ，としな
ければならない。実際」−は、コンデンサは時定数の５
倍の時間内に充電されるとみなせる。なぜなら、このと
き、最終電圧の約９９３％に達するからである。

コンデンサ１０が充電し終わると、抵抗３０に電流は流
れなくなる。そして、演算増幅器の二つの入力がＶＲＥ
Ｆでバランスし、抵抗１２を電流が流れなくなるので、
コンデンサ１４には電荷が蓄積されなくなる。第２図に
、コンデンサｌＯの充電カーブを示す。

時間ｔ、の終了により、制御ロジック回路２２のタイミ
ング回路が、スイッチＳ２Ａ、Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｃを開くよ
う指示する。

制御ロジック回路２２が「Ｃア測定」信号をスイッチ駆
動回路２４に送ると、スイッチＳ３．Ｓ４が閉じ、測定
ザイクルとなる。同時に、カウンタ１６がクロック源１
８の信号の計数を開始し、時間ｔ２まで行う。

スイッチＳ３を閉じると、バッファアンプＡ１の入力が
接地され、これに伴い、抵抗】２の一端も接地される。

スイッチＳ４を閉じると、演算増幅器Ａ２の非反転入力
に、基準電圧Ｌｔｇｐが印加される。基準電圧ＶＲ１，
Ｐは、演算増幅器の機能により、両切幅器Ａ２Ａ３の反
転入力にも現われる。したがって、基準電圧ＶＲＩ！Ｐ
は抵抗１２にも印加され、コンデンサ１４を直線的に放
電する一定電流が抵抗１２に流れる。比較器Ａ３の非反
転入力に印加される直線的に増加する電圧か、反転入力
に印加されている基準電圧■８．。

に一致し、コンデンサ１４の電荷がゼロに落ちたことを
示すと、比較器Ａ３は出力状態を変化し、カウンタ１６
を停止させる。そして、制御ロジック回路２２は、スイ
ッチＳ３．Ｓ４を開き、カウンタ１６の計数結果を読む
。第３図に、コンデンサ１４の放電波形と、時間経過測
定を示す。

経過時間ｔ２は、スイッチＳ３．Ｓ４を閉じた時から比
較器Ａ３のトリップ点までで測定され、コンデンサ１０
、コンデンサ１４に蓄積された電荷の双方に比例するも
のである。基準電圧ＶＲＦＦは、コンデンサ】Ｏの充電
およびコンデンサ１４の放電の双方に用いられるので、
時間ｔ２は基準電圧ＶＲＥＦに影響されない。充電およ
び放電動作を示す式は下記の通りである Ｑ＋ｏ　　；ＶＲＥｐ・ｃｘ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　（１）Ｑ１４　；Ｑ＋ｏ・（Ｒ＋＋Ｅｐ／
Ｒｈ）　”　　（ＶＲｐ：ｐ／Ｒｈ）・ｔ２（２）式（
１）と（２）を組合せると、下式が導かれる：Ｃア；ｔ
２／Ｒ，ｌＥｐ　　　　　　　　　　　　　（３）よっ
て、未知のコンデンサ１０の静電容量Ｃ８が、測定・表
示ユニット２０により迅速に決定され、静電容量の単位
とともに表示される。

コンデンサ１０は、第１図に示すように、スイッチＳ１
を閉じることによって放電され、入力回路から安全に切
り離される。実際には、コンデンサ１４に測定用の電荷
が蓄積された後ならば、コンデンサ１０はいつ放電して
よい。連続して測定を行うのであれば、測定サイクル中
にコンデンサ１０を放電しておくことが好ましい。次の
「初期化」段階に先立っての放電が迅速になるからであ
る。

」二記の１回の測定では、十分な精度が得られない場合
には、コンデンサ１０の充電・放電サイクルを２回以上
繰り返せばよい。これにより、コンデンサ１０には、１
サイクルの数倍の値が蓄積される。

測定された数倍値を、コンデンサ１０の充電・放電サイ
クルの回数により単純に割れば、Ｃアの値を高精度に求
められる。蓄積の方法は、２重勾配測定法の適用可能な
改良法とともに、当業者によく知られている。

はとんどの場合、第１図のダイアグラムは、マルチメー
タの抵抗測定機能にも用いることかできる。したがって
、マルチメータの設計において、抵抗測定とコンデンサ
測定の両方を実現するための回路の追加および付加を、
極めて小さくできる。

商業的実施例においては、この発明に係る方法および装
置は、１ｐＦから５μＦまでの未知の静電容量を測定で
きる。もっとも、回路定数を調整することにより、」−
記範囲外の静電容量も容易に測定可能である。上で述べ
た商業的実施例における定数値は、次のとおりである。

ｖｌ、ｌＦ、　−＋１．２３Ｖ、ＲＲＥＦ　＝　ＩＯＭ
Ω、ＩＭΩ、１００ＫΩもしくはＩＫΩきざみに選んだ
値、Ｒｐ＝　２にΩ、Ｒ，＝　１６．６にΩ、Ｃ５＝　
０．０２２μＦ０時間ｔ１は、ＲＩｌ！Ｆと同様に、時
定数の数倍を超える範囲で、任意に選択することができ
る。ただし、この実施例では、ｔｌは正確に１００ｍ５
ｅｃとした。この時間は１、ロジック回路２２内のタイ
ミング回路により、クロック源１８を用いてセットされ
る。この点から、クロック源１８は安定なものであり、
全ての付随機能に十分な周波数（例えば、４０ＫＨｚ）
の精密クォーツ発振器であることが好ましい。

前述の目的もしくは他の目的が達成されたことを理解い
ただける筈である。ただし、上記に示されて説明された
この発明の実施例は、単に説明のためのものであり、発
明がこれに限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る静電容ｆｌｉｔ　Ｍｌす定シ
ステムを示すブロック図である。 第２図は、未知の静電容量の充電曲線を示す図であり、
第１図のシステムの動作説明に用いるものである。 第３図は、第１図のシステムの静電容量の測定状態を示
す波形図である。 ＡＩ・・・バッファアンプ Ａ２・・・積算演算増幅器 Ａ３・・・比較器 １０・・・未知のコンデンサ 】６・・・カウンタ １４・・・コンデンサ ３０・・・基準抵抗 ３６・・・基準電源 出願人　ジョンフルークマニファクチャリング＝　１７
　＝

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）静電容量性素子の静電容量を測定する装置であっ
   て下記を備えたもの： 静電容量性素子に接続可能に設けられた充電回路； 第１の動作状態において充電回路に接続される蓄積コン
   デンサを有し、静電容量性素子の静電容量に対応した電
   荷を蓄積するための電荷蓄積手段手段；および 第２の動作状態において、電荷蓄積手段に接続され、蓄
   積された電荷を測定する測定手段。
2. （２）請求項１の装置において、 前記充電回路は、静電性容量素子に直列接続された基準
   抵抗を備えており、基準抵抗と静電容量性素子に直流基
   準電圧が印加されることを特徴とするもの。
3. （３）請求項２の装置において、 前記基準電圧は、静電容量性素子が完全に充電されるよ
   うに、予め定められた十分な時間、基準抵抗と静電容量
   性素子に印加されることを特徴とするもの。
4. （４）請求項２の装置において、 電荷蓄積手段は積算演算増幅器を備えており、この積算
   演算増幅器は、第１の動作状態において、基準抵抗の一
   端に接続される第１の入力と、基準抵抗の他端に接続さ
   れる第２の入力を有し、基準抵抗の電流に比例した電流
   を積算することを特徴とするもの。
5. （５）請求項２の装置において、 前記測定手段は、制御係数により、蓄積コンデンサの電
   荷を放電する放電手段を備えていることを特徴とするも
   の。
6. （６）請求項５の装置において、 前記放電手段は、積算演算増幅器を備えており、この積
   算演算増幅器は、第２の動作状態において、抵抗を介し
   て接地される第１の入力と、基準抵抗に接続される第２
   の入力を有していることを特徴とするもの。
7. （７）請求項５の装置において、 前記測定手段は、さらに、蓄積コンデンサの電荷の放電
   に要した時間を測定する時間測定手段をも備えているこ
   とを特徴とするもの。
8. （８）請求項７の装置において、 前記時間測定手段は、クロックパルス源とこのクロック
   パルスを計数するカウンタとを備えており、このカウン
   タは第２の動作状態の開始とともに動作し、蓄積コンデ
   ンサの電荷がゼロになった時に停止するものであること
   を特徴とするもの。
9. （９）静電容量性素子の静電容量を測定する装置であっ
   て下記を備えたもの： 静電容量性素子と直列に接続された基準抵抗；第１の動
   作状態において、基準抵抗と静電容量性素子に接続され
   る所定電圧源； 蓄積コンデンサを有する積算演算増幅器であり、該蓄積
   コンデンサは積算演算増幅器の第１の入力と出力との間
   のフィードバックループに接続されるとともに、該積算
   演算増幅器は第１の動作状態において入力抵抗を介して
   基準抵抗の一端に接続される第１の入力を有し、さらに
   該積算演算増幅器は第２の動作状態において前記入力抵
   抗を介して接地される前記第１の入力と、所定電圧源の
   接続される第２の入力とを有している； 第１の入力が蓄積コンデンサの一端に接続され、第２の
   入力が蓄積コンデンサの他端に接続された比較器； 積算演算増幅器の第１および第２の動作状態を制御する
   制御手段； 制御手段および比較器の出力に接続され、蓄積コンデン
   サの電荷放電に要した時間を測定する測定手段。
10. （１０）静電容量性素子の静電容量を測定する方法であ
    って下記のステップを備えたもの： 充電回路を介して静電容量性素子を充電し、同時に充電
    回路に接続された蓄積コンデンサに静電容量性素子の静
    電容量に比例した電荷を蓄積し、制御係数により、蓄積
    コンデンサを放電し、蓄積コンデンサを放電するに要し
    た時間を測定する。
11. （１１）請求項１０の方法において、 前記充電および前記蓄積が複数回行われることを特徴と
    するもの。