JPH09500204A - 測定増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 測定増幅器は積分器として動作する回路（２）と基準電流源（３３）を有する。基準電流源は、積分器（２）の出力側に現れる電圧が基準電圧を上回る／下回ると、積分器の入力側へ基準電流を供給する。さらに例えば差動装置が設けられている。この差動装置は、積分器（２）の出力電圧を入力されてこの積分器の出力電圧の時間変化に比例する出力信号を供給する。差動装置の出力電圧は、測定増幅器の測定されるべき入力電流に比例する。測定増幅器は著しく小さい入力電流の迅速かつ正確な検出を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 測定増幅器 本発明は請求の範囲１の上位概念に示されている測定増幅器に関する。 入力電流に比例する周波数を有する出力電圧を供給する形式の電荷バランス形 増幅器は公知である。この公知の電荷バランス形増幅器は、積分コンデンサを含 む積分器を有する。さらにこの公知の電荷バランス形増幅器は基準電流源を有す る。この基準電流源は、積分器の出力側に現れる電圧が基準電圧を上回った時／ 下回った時に、所定の時間の間、入力端子へ基準電流を供給する。基準電流源が 投入接続されるとコンデンサは放電される。充電および放電過程が行われる際の 周波数は入力電流に比例する。 著しく小さい電流を測定するためのこの種の電荷バランス形増幅器を使用する 限り、この周波数は著しく低い。その結果、測定値検出が困難となる。測定され るべき入力電流の変化は直ちには検出できない。何故ならば著しく小さい入力電 流の場合は充電過程の時間が長すぎるからである。 本発明の課題は、迅速な測定値検出を可能にする測定増幅器を提供することで ある。 この課題は本発明により請求の範囲１の特徴部分に 示された構成により解決されている。 本発明による測定値増幅器においては、積分器の出力側に現れる電圧の入力さ れる回路が設けられている。この回路は例えば差動装置とすることができる。こ の差動装置は電圧の時間変化に比例する出力電圧を供給する。差動装置の出力電 圧は、測定増幅器の測定されるべき入力電流に比例する。さらに電圧変化は少な くとも２つの時点における測定によっても検出できる。 本発明による測定増幅器は著しく小さい電流の検出を可能にし、約１０−１５ アンペアよりも小さいオーダーにある、例えば電離真空計により形成されるイオ ン電流を測定する真空技術において使用できる。 差動装置の出力は、基準電流源が遮断されていて積分コンデンサが充電される 時に、有利に評価される。積分器の出力側に現れる電圧の時間変化から、入力電 流の大きさが求められる。入力電流が大きいほど、それだけ迅速に演算増幅器の 出力電圧は基準電圧に達する。 著しく小さい電流の検出の場合に次の問題が生ずる。即ち積分器として動作す る回路、例えば演算増幅器の出力電圧および、基準電流源のスイッチの出力電圧 が、時間的に変化するエラーまたはリーク電流により影響される問題が生ずる。 このエラー電流の検出の目的で演算増幅器の入力側と直列にコンデンサが設けら れている。さらにスイッチング素子が設けられており、このスイッチング素子は 閉位置においてコンデンサを橋絡する。スイッチング素子が閉じられた時および 開かれた時の積分器の出力側において測定される電圧変化の差から、エラー電流 を測定できる。このエラー電流を補償する目的で、有利には補償用電流源が設け られている。この補償電流源により、可調整の補償電流が供給される。補償電流 は積分器として用いられる回路の入力側に供給される。補償電流は正確なエラー 電流補償において、差動装置として動作する演算増幅器の出力電圧がスイッチン グ素子の開放時と閉成時とで等しくなるように、設定される。スイッチング素子 を開閉することにより、および補償電流の大きさを変化させることにより、エラ ー電流を完全に補償できる。 さらにエラー電流を補償しないことあるいは部分的にだけ補償すること、これ を検出して以後に除去することもできる。 次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。 第１図は測定増幅器のブロック図、第２図は積分器と後置接続の差動装置から 構成されている測定増幅器の回路図、第３図は積分器として動作する演算増幅器 の出力側の電圧と、帰還結合分岐路の中を流れる電流を時間の関数として示す経 過図である。 測定増幅器は、積分器として動作する演算増幅器１ と差動装置として接続されている演算増幅器３から構成されている。演算増幅器 １の非反転入力側５はアースへ置かれている。この演算増幅器の反転入力側７と 出力側９との間の帰還結合分岐路の中に、２つの直列に接続されたコンデンサＣ₁ ，Ｃ₂が設けられている。測定されるべき入力電流Ｉｍは両方のコンデンサＣ₁ ，Ｃ₂の共通の接続点１１に供給される。 接続点１１と演算増幅器１の反転入力側７との間に設けられているコンデンサ Ｃ₂に並列にスイッチング素子１３が接続されている。このスイッチング素子は 閉位置においてコンデンサＣ₂を橋絡する。演算増幅器１の出力側９はコンデン サＣ₃を介して演算増幅器３の反転入力側１５と接続されている。演算増幅器３ の非反転入力側１７はアースへ置かれている。演算増幅器３の反転入力側１５と 出力側１９の間の帰還分岐路は抵抗Ｒを含む。 さらに測定増幅器はアナログ／ディジタル変換器２１を有する。この変換器は 、差動装置として動作する演算増幅器３の出力信号を処理する。積分器２として 動作する演算増幅器１の出力側は比較器２５の一方の入力側２３と接続されてい る。比較器２５の他方の入力側２７に、第２図に示されていない基準電圧源によ り発生される基準電圧Ｕｒｅｆが加えられる。比較器２５の出力側は時限段例え ば単安定マルチバイブレータ２８を介して電子スイッチ３１の制御入力側２９と 接続されている。電子スイッチ３１は、閉じられたスイッチング位置において、 基準電流源３３を演算増幅器１の入力側７と接続する。さらに測定増幅器は、可 調整の補償電流Ｉｋを供給する、第２図に示されていない補償用電流源を有する 。この補償電流は演算増幅器１の反転入力側７に供給される。 次にこの回路の動作を第３図を用いて説明する。 前提とすることは、スイッチング素子１３が閉じられていること、およびエラ ー電流Ｉｆと補償電流Ｉｋがゼロに等しいことである。負帰還分岐路における電 流Ｉｃは、測定されるべき入力電流Ｉｍに相応する。積分器として動作する演算 増幅器１の出力側９における電圧Ｕａは連続的に低下する。出力電圧が基準電圧 Ｕｒｅｆに等しくなると、比較器２５の出力側は正になり単安定マルチバイブレ ータが制御される。単安定マルチバイブレータは所定の時間Ｔの間、電子スイッ チ２９を閉じるための制御信号を発生する。この電子スイッチが閉位置にある限 り基準電流Ｉｒｅｆが流れて、基準電流が入力電流よりも大となるためコンデン サＣ₁が放電される。遅延時間Ｔの経過後に電子スイッチ３１が再び開かれて基 準電流源３３が遮断される。その結果、新たな充電サイクルが開始される。電流 源３３は、電荷バランスがゼロになるようなオン・オフ比で制御される。単安定 マルチバイブレータの出力側に現れる方形波電圧の周波数は、入力電流Ｉｍに比 例し、周波数計数器で測定できる。 入力電流が上昇すると、第３図に波線で示されているように、コンデンサＣ₁ の充電サイクルが短縮される。入力電流が大きいほど、演算増幅器１の出力電圧 Ｕａはそれだけ迅速に基準電圧Ｕｒｅｆに達する。時点ｔ₁とｔ₂における演算増 幅器１の出力側に現れる電圧の差ΔＵから、入力電流Ｉｍの大きさが求められる 。差動装置は充電サイクル中の電圧の時間変化を検出して、入力電流に比例する 出力電圧を発生する。 著しく小さい入力電流を測定すべき場合は、この電流の大きさは演算増幅器１ の出力側の電圧の時間変化から、即ち差動装置から測定される。それより大きい 入力電流の場合は、単安定マルチバイブレータ２８の出力側における方形波電圧 の周波数が直接測定され、この周波数から入力電流の大きさが測定できる。 エラー電流Ｉｆの補償は、このエラー電流がコンデンサＣ₁とＣ₂には起因しな いという前提の下に、行われる。エラー電流の補償の目的で、補償用電流源から 供給される補償電流Ｉｋは、スイッチング素子１３の開放時と閉成時とで演算増 幅器３の出力電圧が等しくなるように、設定される。スイッチング素子が開かれ た場合も閉じられた場合も信号出力側に等しい出力電圧が設定されると、エラー 電流は補償され、出力電圧は測定電流Ｉｍだけに依存する。その結果、この測定 増幅器により、著しく小さい電流であっても、高い 精度で測定することができる。補償電流を求めるために入力電流を遮断する必要 がなく、したがって、補償過程の間でも測定値検出が可能となる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．測定増幅器であって、該測定増幅器は、 少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ₁）を有する積分器（２）から構成されてい る電荷バランス増幅器を備え、 基準電流源（３３）を備え、該基準電流源は、積分器（２）の出力側（９）に 現れる電圧（Ｕａ）が基準電圧（Ｕｒｅｆ）を上回った時／下回った時に、基準 電流（Ｉｒｅｆ）を所定の時間（Ｔ）の間、積分器（２）の入力側（１１）へ供 給する形式の、測定増幅器において、 積分器（２）の出力側に現れる電圧（Ｕａ）が加えられ、この電圧の時間変化 に比例する出力量を供給する回路が設けられていることを特徴とする、測定増幅 器。 ２．差動装置（４）に積分器（２）の出力側に現れる電圧が加えられ、積分器 （２）の出力側における電圧（Ｕａ）の変化がこれに比例する電圧に変換される 、請求項１記載の測定増幅器。 ３．電圧（Ｕａ）の時間変化が、積分器（２）の出力側における電圧の少なく とも２回の時間順序での測定により検出される、請求項１記載の測定増幅器。 ４．差動装置の出力電圧および／または積分器（２）の出力側における電圧（ Ｕａ）の入力されるアナロ グ／デイジタル変換器および／またはアナログ／周波数変換器が設けられている 、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定増幅器。 ５．積分器が演算増幅器（１）から構成されており、該演算増幅器（１）は、 反転入力側（７）と出力側（９）との間の少なくとも１つの負帰還結合分岐路を 有し、該分岐路はコンデンサ（Ｃ₁）を含む、請求項１から４までのいずれか１ 項記載の測定増幅器。 ６．積分器が非反転形式で構成されており、積分コンデンサ（Ｃ₁）が基準電 位へ接続される、請求項１から５までのいずれか１項記載の測定増幅器。 ７．コンデンサ（Ｃ₂）が、積分器として動作する回路の入力側に直列に設け られており、該コンデンサ（Ｃ₂）に並列にスイッチング素子（１３）が設けら れていて、その閉位置において該コンデンサを橋絡する、請求項１から６までの いずれか１項記載の測定増幅器。 ８．固定または可変の補償電流（Ｉｋ）を供給する補償用電流源が設けられて おり、該補償電流は、積分器として動作する回路の反転入力側（７）に供給され る、請求項１から７までのいずれか１項記載の測定増幅器。 ９．スイッチング素子（１３）が開かれた時と閉じられた時とで演算増幅器（ ３）の出力側における電圧が等しくなるように、補償電流（Ｉｋ）が設定されて いる、請求項８記載の測定増幅器。 10．エラー電流は補償されないかまたは部分的に補償され、残留エラーが検出 されて後続の評価において補正される、請求項１から９までのいずれか１項記載 の測定増幅器。