JPH10319052A - 導体中の電流を測定するための方法およびデバイス - Google Patents
導体中の電流を測定するための方法およびデバイスInfo
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Abstract
よび直流電流を測定するための回路を提供する。 【解決手段】 導体(10)のセグメントと並列に変調
された電流源を結合してテスト電流を注入する。同期復
調器(26)がセグメントと並列にさらに結合されて、
テスト電流によって引き起こされたテスト電圧降下と導
体中の電流による電圧降下とを分離する。テスト電圧降
下および電圧降下は電圧計によって測定され、セグメン
トの抵抗およびセグメントを流れる電流がその後計算さ
れ得る。
Description
めの回路に関し、特に、動作回路の導体中の電流量を測
定するための方法および装置に関する。
法で行なうことができる。伝統的な侵入的方策は、導体
を切断し、導体と直列に電流計などの電流測定デバイス
を挿入することである。しかしながら、多くの場合にお
いては、銅配線、プリント基板トレースまたは集積回路
リードの形態であろう導体を切断することは困難で不便
であり、特にプリント基板トレースの場合には導体を破
損するおそれがある。
可能にする非侵入的方策が開発されている。配線を通過
する電流を決定するよう配線を囲む磁界を検出するため
に、電流クランプおよび磁気ピックアッププローブを用
いる。このような技術を用いると、導体に触れることな
く電流を決定することが可能である。しかしながら、一
般に電流クランプおよび磁気ピックアッププローブに
は、隣接する磁界からの干渉の影響が及ぼされ、導体の
まわりにかなりの量の物理的クリアランスが必要である
ため、プリント基板トレースにおける電流をテストする
際のそれらの使用は限られている。
別個の2つの点でそれと電気接触する1対の2線式プロ
ーブ(「ケルビンクリップ」)の使用であり、これは通
常4線式測定と呼ばれ、これによりプローブの抵抗によ
る影響はなくなる。各2線式プローブにはソースコンタ
クトとセンスコンタクトとがある。2点間の電圧降下は
センスコンタクト間で測定される。測定電圧はソースコ
ンタクトを通して注入された平衡電流を用いて0にされ
る。こうすると、導体を通る電流と等しくなるよう調整
された平衡電流を、導体を切断することなく外部電流計
によって容易に測定することができる。しかしながら、
電流平衡技術の測定精度および範囲はごく限られてい
る。電流範囲の下端では、限界は、導体のうち短い部分
にかけて発生する、ミリボルト範囲での比較的小さな電
圧降下を感知する計器の能力である。電流範囲の上端で
は、限界は、平衡電流を発生する測定計器の能力であ
る。
は、ミネマン他(Minneman et al. )に1995年1月
31日に発行され、キースレイ インスツルメンツ社
(Keithley Instruments, Inc.)に譲渡された「回路内
電流測定」(“In-Circuit Current Measurement”)と
題された米国特許第5,386,188号に記載されて
いる。ミネマン他は、4線式測定技術を用いて導体のエ
レメントに第1および第2の電流を注入し、エレメント
にかかる第1および第2の電圧降下を測定することを教
示している。その後、導体を通る電流を計算するため
に、第1および第2の電流ならびに第1および第2の電
圧降下の値を用いる。しかしながら、この回路の、導体
電流中に存在する交流電流およびノイズの処理能力はご
く限られている。
交流または直流内容に関係なく、導体中の電流を非侵入
的に測定するための回路を提供することが望まれるであ
ろう。
なく導体中の交流および直流を測定するための回路が提
供される。回路は、1対の2線式プローブを介して導体
上のいくつかの点に、通常は導体のセグメントを規定す
るよう物理的に密に近接して結合され、各2線式プロー
ブは、いずれも導体に結合されるセンスコンタクトおよ
びソースコンタクトを有する。
グメントと並列に変調された電流源を結合してテスト電
流を注入することにより抵抗を測定するよう構成され
る。同時に、同期復調器もまたセグメントと並列に結合
され、テスト電流によって引き起こされた、セグメント
にかかるテスト電圧降下を、導体電流による電圧降下か
ら分離するようにする。変調された電流源および同期復
調器はいずれも基準波形発生器に結合され、変調された
電流源のテスト電流によって発生したテスト電圧降下の
同期検出を達成するよう変調波形を受取る。同期復調に
より、低レベル信号を、比較的高い振幅の干渉信号から
分離することが可能になる。変調波形の周波数は、導体
電流によるノイズおよび干渉がテスト電圧降下信号の測
定に実質的に干渉したり、またはそれを劣化したりせ
ず、予め定められたノイズ最低レベル未満となるよう選
択され得る。
降下は、直流電圧を測定するよう構成された電圧計によ
って測定される。テスト電流It が既知であり、電流源
がオンの状態の電圧降下Vonおよび電流源がオフの状態
の電圧降下Voff が測定可能であるため、セグメントの
抵抗は下記の等式に従って計算することができる。
って同期検出器の出力で測定され、テスト電圧降下は
[Von−Voff ]である。
らに構成され得る。電圧計は、電流源がオフにされた状
態の電圧降下を測定するようセグメントに直接結合され
る。導体電流には交流内容が含まれ得るため、電圧計
は、正しい電圧降下V0 を得るよう交流ボルトrms
(二乗平均)に関して構成することができる。ここでR
se g およびV0 は既知であるため、セグメントを流れる
電流Iは下記の式に従って計算することができる。
電流を求めることができる。
交流および直流電流を測定するための装置を提供するこ
とである。
る導体中の抵抗を測定するための装置を提供することで
ある。
同期変調を用いて回路内交流および直流電流を測定する
ための装置を提供することである。
流成分を除外するために導体中のテスト電流を同時に変
調および復調するための方法を提供することである。
図面を参照して以下の詳細な説明から当業者には明らか
となるであろう。
抗を測定するための回路のブロック図である。導体10
は、配線、プリント基板トレース、集積回路リードまた
は電流を導通し得る何らかの他のタイプの金属を含み得
る。2線式プローブ12は、隣接するソースリードおよ
びセンスリードが導体10と電気接触した状態で、導体
の長さに沿った点14に置かれる。2線式プローブ16
は、隣接するソースリードおよびセンスリードが導体1
0と電気接触した状態で、点18に置かれる。導体の点
14および18間の長さには、抵抗器11によって発生
したある量の抵抗を有するセグメントが含まれる。典型
的に抵抗器11は個別部品ではなく、導体10のセグメ
ントの長さによって変化するトレース抵抗のモデルであ
る。電圧降下V0 は導体10を流れる電流Iの結果とし
て抵抗器11にかけて現れる。
介して2線式プローブ12のソースリードに結合され
る。スイッチ20aはスイッチ20bおよび20cとと
もに、それぞれ抵抗測定モードおよび電流測定モードに
対応する上下位置を有する連結スイッチを成す。スイッ
チ20aから20cは抵抗測定モードの上位置において
示される。変調された電流源22はテスト電流It を発
生し、このテスト電流I t は基準波形発生器24によっ
て発生した変調信号に応答する変調成分を有する。
たノイズ最低レベルを最小にするために所望の周波数の
変調信号を発生する。変調周波数の組は、図2により詳
細に示すように、予め定められたレベル未満のノイズ最
低レベルを得るよう、必要に応じて維持および選択され
得る。好ましい実施例では、変調信号はおよそ61ヘル
ツの周波数の方形波の形状である。
び16のセンスリードを介して点14および18で導体
10に結合され、1対の入力端子に電圧降下信号を受け
る。同期復調器26は基準波形発生器24からの変調信
号をさらに受け、電圧降下信号を同期して復調するよう
にし、この電圧降下信号にはテスト電圧降下および電流
Iからの電圧降下の両方が含まれ得る。
され、抵抗測定モードにおいてスイッチ20bおよび2
0cを介してVonおよびVoff としてテスト信号を受け
る。Vonは変調された電流源22がオンにされた状態で
測定され、Voff は変調された電流源22がオフにされ
た状態で測定される。VonおよびVoff の値は電圧計2
8においてデジタル測定値に変換され、VonおよびV
off を記憶するマイクロプロセッサ30に結合される。
電圧計28は自蔵デジタル電圧計を含むか、またはこれ
に代えて、サンプルクロックおよび適当なフィルタリン
グ回路構成を備えてデジタル測定値を発生するアナログ
デジタル変換器を含んでもよい。
ドおよび電流測定モードの、回路のモードを制御するこ
とができる信号を与える。マイクロプロセッサ30はス
イッチ20aから20cにモード信号を与え、この信号
はスイッチ20aから20cの各々を抵抗測定モードに
上げたり電流測定モードに下げたりする。抵抗測定モー
ドにおいて、変調された電流源22および同期復調器2
6はセグメントに並列に結合される。抵抗測定モード時
には、変調された電流源22は、マイクロプロセッサ3
0によって与えられたオフ/オン信号に従ってVoff を
測定するようオフにされ、Vonを測定するようオンにさ
れる。マイクロプロセッサ30は、Vof f の信号レベル
と予め定められた最大のノイズ最低レベルとを比較しつ
つ、基準波形発生器24に与えられた周波数信号に応答
してテスト信号の、適当な周波数を選択するためにも用
いられ得る。
スト電流It の値が既知であり、V onおよびVoff の値
が記憶されているため、マイクロプロセッサ30は、示
されるように下記の式に従って点14および18間のセ
グメントに関する抵抗器11の値を計算することができ
る。
て一定であり、典型的には1メガヘルツ未満であると推
定されるだろう。セグメント抵抗Rseg はその後ディス
プレイ32に送られて視覚的に表示され得る。
チ20aから20cを下位置に設定することにより回路
を電流測定モードに構成し得る。ここで、電圧計28は
V0を直接測定するようセグメントに接続されている。
変調された電流源22および同期復調器26は導体10
から切断される。電流Iには交流成分が含まれ得るた
め、電圧計はセグメントにかかる電圧降下V0 を正確に
測定できるように、交流ボルトを測定するよう構成する
ことができる。電圧降下V0 ならびにVonおよびVoff
は低レベルの電圧信号であるため、技術分野において公
知である遮蔽および保護技術などの、低レベルの電圧測
定に特有な技術を採用する必要があるだろう。
イクロプロセッサ30に与えられると、下記の等式に従
って電流Iの値を計算することができる。
示され得る。
波数を選択するためのプロセスを示す、振幅対周波数の
グラフ図である。電流ノイズと明示されたトレース50
は、かなりの量の高周波数エネルギを含む電圧降下V0
の、振幅対周波数内容を示す。さまざまな振幅対周波数
の分布が可能であるため、所望の精度レベルで抵抗測定
が行なえるよう多数のテスト周波数を選択することが望
ましくなる。F1、F2およびF3と明示されたテスト
周波数の組52は、「ノイズ最低」と明示された予め定
められた最大レベル未満のノイズ最低レベルを得るよう
選択することができる。テスト周波数の実際のノイズ最
低レベルは、そのテスト周波数におけるトレース50の
振幅によって決定する。この場合、周波数F3のみが、
予め定められた最大レベルの「ノイズ最低レベル」未満
である、許容できるノイズ最低レベルをもたらし、測定
を行なうために採用されることとなる。
た変調された電流源22の概略図である。電流源50お
よび52はいずれもスイッチ54のコンタクトに結合さ
れ、このスイッチ54は、基準波形発生器24から受け
た変調信号に応答して、電流源50および52の各々か
らのテスト電流It を導体10のセグメントに交互に結
合する。このようにして、テスト電流It は所望のテス
ト周波数の交流内容を含む。変調信号は好ましくは、ス
イッチ54による精度の高い作動を確実にするよう方形
波である。
た同期検出器の概略図である。スイッチ60aから60
dは、導体10のセグメントに結合され、スイッチ60
aから60dの各々は基準波形発生器24からの変調信
号と同期した態様で作動する。キャパシタ62はサンプ
ルホールド回路として動作し、セグメントから受けた電
圧値を記憶する。スイッチ60aから60dは合わせて
整流子スイッチを形成し、図3に示される変調された電
流源22と同期した態様で、反対の極性においてキャパ
シタ62をセグメントに結合し、それによりキャパシタ
62にかけてテスト電圧降下が発生するようにする。こ
のため、非同期であり帯域外信号である直流および交流
成分を含み得る、電流Iによる電圧降下は、テスト電流
It によるテスト電圧降下から分離される。
離れることなく上記の発明の好ましい実施例の詳細に多
くの変更がなされ得ることが当業者には自明であろう。
たとえば、変調信号は鋸波および正弦波などのさまざま
な波形をとってもよい。テスト周波数は一定である必要
はなく、変調波形は擬似ランダム間隔を含むか、または
同期復調を用いて電流Iから電流ノイズをより有効に除
去し、所望の精度の抵抗測定値を得るために、広域スペ
クトル通信技術の態様で鋭敏な周波数ホッピングを採用
してもよい。変調信号特性の選択は適度な量の実験によ
って得られるであろう。したがって、この発明の範囲は
前掲の特許請求の範囲によって定められるべきである。
するための回路のブロック図である。
係を示す振幅対周波数のグラフ図である。
略図である。
ある。
Claims (12)
- 【請求項1】 導体中の電流を測定するための方法であ
って、 前記導体のセグメントを選択するステップを含み、前記
電流は前記セグメントにかけて電圧降下を発生し、さら
に、 前記セグメントに変調された電流源を結合するステップ
を含み、前記変調された電流源は、選択された周波数を
有する変調波形に応答してテスト電流を発生し、前記セ
グメントにかけてテスト電圧降下を発生するようにし、
さらに、 前記セグメントに同期復調器を結合して、前記変調波形
に従って前記テスト電圧降下を同期して復調することに
より、前記テスト電圧降下と前記電圧降下とを分離する
ステップと、 電圧計によって前記テスト電圧降下を測定するステップ
と、 前記変調された電流源をオフにするステップと、 前記電圧計によって前記セグメントにかかる前記電圧降
下を測定するステップと、 前記テスト電圧降下、前記電圧降下および前記テスト電
流に従って前記電流を決定するステップとを含む、方
法。 - 【請求項2】 前記テスト電圧降下および前記テスト電
流に従って前記セグメントの抵抗を計算するステップを
さらに含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 予め定められた最大レベル未満のノイズ
最低レベルを得るよう、前記選択された周波数を選択す
るステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記電流が、交流電流および直流電流を
含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 前記変調された電流源が、 反対の極性の電流を発生する第1および第2の電流源
と、 双極スイッチとを含み、前記双極スイッチは、変調信号
に応答して前記第1および第2の電流源を前記セグメン
トに交互に結合する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 前記同期検出器が、 キャパシタと、 前記変調信号と同期して反対の極性において前記キャパ
シタを前記セグメントに結合するための整流スイッチと
を含み、前記テスト電圧降下は前記キャパシタにかけて
発生する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 導体中の電流を測定するためのデバイス
であって、 前記導体のセグメントに結合するための第1および第2
のプローブを含み、前記プローブの各々は、ソース接続
とセンス接続とを有し、前記電流は前記セグメントにか
けて電圧降下を発生し、前記デバイスはさらに、 変調信号を発生するための基準波形発生器と、 前記変調信号に応答してテスト電流を発生し、テスト電
圧降下を発生するよう前記第1および第2のプローブの
前記ソース接続を介して前記セグメントに結合された変
調された電流源と、 前記第1および第2のプローブの前記センス接続を介し
て前記セグメントに結合され、前記変調信号に応答して
前記テスト電圧降下と前記電圧降下とを分離する同期検
出器と、 前記電圧降下と前記テスト電圧降下とを選択的に測定し
て、デジタル測定値を発生するための電圧計と、 前記デジタル測定値を受けるよう前記電圧計に結合され
たマイクロプロセッサとを含み、前記マイクロプロセッ
サは前記テスト電圧降下および前記電圧降下に従って前
記導体中の前記電流を計算する、デバイス。 - 【請求項8】 前記マイクロプロセッサが、前記セグメ
ントの抵抗をさらに計算する、請求項7に記載のデバイ
ス。 - 【請求項9】 前記マイクロプロセッサが、前記基準波
形発生器に結合されて、予め定められた最大レベル未満
のノイズ最低レベルを得るよう、前記変調波形の周波数
を選択する、請求項7に記載のデバイス。 - 【請求項10】 前記電流が交流電流および直流電流を
含む、請求項7に記載のデバイス。 - 【請求項11】 前記変調された電流源が、反対の極性
において電流を発生する第1および第2の電流源と双極
スイッチとを含み、前記双極スイッチは、前記変調信号
に応答して前記第1および第2の電流源を前記セグメン
トに交互に結合する、請求項7に記載のデバイス。 - 【請求項12】 前記同期検出器が、 キャパシタと、 前記変調信号と同期して反対の極性において前記キャパ
シタを結合するための整流スイッチとを含み、前記テス
ト電圧降下は前記キャパシタにかけて発生する、請求項
7に記載のデバイス。
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KR (1) | KR100286872B1 (ja) |
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HK (1) | HK1017078A1 (ja) |
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