(57)【要約】      （修正有）【課題】デジタル・ボルトメータに関して、観測時間を高いレベルに維持しつつ、入力増幅器のフィードバックが原因のオフセット・ドリフトに対する有害な感度を除去する。【解決手段】デジタル・ボルトメータ回路接続形態１００は、ＨＩ及びＬＯ入力端子１０２及び１０４と、これら入力端子から物理的に分離されたフローティング回路１２０とを有する。フローティング回路１２０は、利得増幅器１２２を含む。フローティング回路１２０を、第２入力端子１０４に電気的に接続された導電性筐体で囲むようにしても良い。フローティング回路１２０は、第１入力端子１０２の入力信号と、第２入力端子１０４の入力信号とを切り替えて（即ち、極性を切り替えて）、利得増幅器の非反転入力端子４０及びフローティング回路のグラウンド４２に供給できる。【選択図】図１
2014187694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１入力端子と、
第２入力端子と、
上記第１及び第２入力端子から物理的に分離され、利得増幅器を含み、上記第２入力端子に電気的に接続された導電性筐体によって囲まれたフローティング回路と
を具え、上記第１入力端子からの入力信号と上記第２入力端子からの入力信号とを入れ替えて、利得増幅器及び上記フローティング回路のグラウンドに供給可能とするよう上記フローティング回路が構成されることを特徴するオフセット除去システム。
【請求項２】
第１アイソレート通信手段に出力信号を供給するよう構成されるアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）を更に具える請求項１記載のオフセット除去システム。
【請求項３】
入力端子が上記第１入力端子に接続され、電源が上記第２入力端子を基準電位とするバッファ増幅器を更に具え、
上記バッファ増幅器は、上記第１入力端子が上記フローティング回路のどちらかの入力端子に接続される前に、上記第１入力端子の電圧とほぼ等しい電圧に上記フローティング回路の上記入力端子をプリチャージすることを特徴とする請求項１又は２記載のオフセット除去システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フローティングを用いて回路のオフセットを除去するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル・ボルトメータ（ＤＶＭ）の設計では、何年もかけて入力信号観測時間を改善してきているが、同時に入力増幅器のフィードバック・ループが原因のオフセット・ドリフトに対する感度も高くなってしまい、このために、製品の性能が制限されている。例えば、従来のあるナノ・ボルトＤＶＭ（低電圧デジタル・ボルトメータ）は、ナノ・ボルト・オーダーの極めて小さな電圧を測定する測定器であるが、入力増幅器のオフセットを除去するのに、ゼロ・サイクル測定を利用していた。こうしたＤＶＭでは、入力増幅器に印加された入力信号を測定するのに、典型的には、その後に続けてゼロ電圧を印加する測定を行っていた。こうすると、もしオフセットがあれば差分が生じるので、この差分を利用して入力増幅器のオフセットを除去できるが、そのゼロ・サイクルは、入力信号の測定には使われない時間となる。
【０００３】
別の設計では、各測定間で、そのオフセットを反転させる反転入力増幅器を用いたものがある。こうして、隣り合う２つの測定を平均することによって、入力増幅器のオフセットがキャンセルされ、２つの測定期間中で入力信号を観測することができ、ノイズも低減される。しかし、入力増幅器のフィードバック・ループが原因のオフセット・ドリフト（変動）は、キャンセルされず、このため、装置の性能が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−８５７６９号公報
【特許文献２】特開平９−８００８５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「高感度測定」、ケースレー・インスツルメンツ、［オンライン］、［２０１４年３月２４日検索］、インターネット<https://www.keithley.jp/products/dcac/sensitive/)>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、デジタル・ボルトメータに関して、観測時間を高いレベルに維持しつつ、入力増幅器のフィードバックが原因のオフセット・ドリフトに対する有害な感度を除去するように設計することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、大雑把に言えば、低電圧測定装置に関し、これは、２つの入力端子（ＨＩ及びＬＯ）と、ガード・シールド内にあるフローティング・デジタル・ボルトメータ（ＤＶＭ）とを含んでいる。
【０００８】
より具体的には、本発明の概念１は、オフセット除去システムであって、
第１入力端子と、
第２入力端子と、
上記第１及び第２入力端子から物理的に分離され、利得増幅器を含み、上記第２入力端子に電気的に接続された導電性筐体によって囲まれたフローティング回路と
を具え、上記第１入力端子からの入力信号と上記第２入力端子からの入力信号とを入れ替えて、利得増幅器及び上記フローティング回路のグラウンドに供給可能とするよう上記フローティング回路が構成されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明の概念２は、上記概念１のシステムであって、上記第１入力端子がＨＩ入力信号を受けるよう構成され、上記第２入力端子がＬＯ入力信号を受けるよう構成されることを特徴としている。
【００１０】
本発明の概念３は、上記概念１のシステムであって、上記導電性筐体が金属製であることを特徴としている。
【００１１】
本発明の概念４は、上記概念１のシステムであって、
入力端子が上記第１入力端子に接続され、電源が上記第２入力端子を基準電位とするバッファ増幅器を更に具え、
上記バッファ増幅器は、上記第１入力端子が上記フローティング回路のどちらかの入力端子（即ち、上記利得増幅器の入力端子又は上記フローティング回路のグラウンドのどちらか）に接続される前に、上記第１入力端子の電圧とほぼ等しい電圧に上記フローティング回路の上記入力端子をプリチャージすることを特徴としている。
【００１２】
本発明の概念５は、上記概念１のシステムであって、第１アイソレート通信手段に出力信号を供給するよう構成されるアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）を更に具えている。このとき、上記第１アイソレート通信手段の入力部は、上記フローティング回路のグラウンドを基準電位とし、上記第１アイソレート通信手段の出力部は、上記第２入力端子の電位を基準電位としても良い。
【００１３】
本発明の概念６は、上記概念５のシステムであって、上記第１アイソレート通信手段には、光カップリプリング部品が含まれることを特徴としている。
【００１４】
本発明の概念７は、上記概念５のシステムであって、上記第１アイソレート通信手段が、第２アイソレート通信手段と結合されることを特徴としている。このとき、上記第２アイソレート通信手段の入力部は、上記第２入力端子の電位を基準電位とし、上記第２アイソレート通信手段の出力部は、アースを基準電位としても良い。
【００１５】
本発明の概念８は、上記概念７のシステムであって、上記第１及び第２アイソレート通信手段のそれぞれが、光カップリング部品を含むことを特徴としている。
【００１６】
本発明の概念９は、上記概念７のシステムであって、上記第２アイソレート通信手段が、上記フローティング回路を物理的に囲むよう構成されたガード・シールドの外に配置されることを特徴としている。
【００１７】
本発明の概念１０は、上記概念１のシステムであって、
アースを基準電位とする電源からの電力を、上記第２入力端子に接地された回路に供給するよう構成される第１アイソレート電源と、
上記第１アイソレート電源から出力される電力を上記フローティング回路に供給するよう構成された第２アイソレート電源と
を更に具えている。
【００１８】
本発明の概念１１は、上記概念１のシステムであって、
上記第１入力端子が上記利得増幅器の入力端子に結合される共に上記第２入力端子が上記フローティング回路の上記グラウンドに結合される第１接続形態と、上記第１入力端子が上記フローティング回路の上記グラウンドに結合される共に上記第２入力端子が上記利得増幅器の上記入力端子に結合される第２接続形態とを切り替えるスイッチ手段を更に具えることを特徴としている。
【００１９】
本発明の概念１２は、上記概念１１のシステムであって、
第１アイソレート通信手段に出力信号を供給するよう構成されるアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）と、
上記第１及び第２接続形態において上記ＡＤＣからそれぞれ得られる第１及び第２出力値間に差分があるかどうか判断し、もし差分がある場合には、上記差分を用いて第１及び第２出力値を同じ出力値とするよう修正する制御手段と
を更に具えること特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施形態によるデジタル・ボルトメータ（ＤＶＭ）回路の接続形態の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態は、大まかに言えば、観測効率が良く、入力増幅器のフィードバック・ループが原因のオフセットに加えて、入力増幅器のオフセットも除去できるデジタル・ボルトメータ（ＤＶＭ）の回路接続形態に関する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態によるデジタル・ボルトメータ（ＤＶＭ）の回路接続形態の例１００を示す。ＤＶＭ回路接続形態１００は、フローティング低ノイズＤＶＭ１２０と、２つの入力端子（ここでは、ＨＩ入力端子１０２とＬＯ入力端子１０４）を含む。２つの入力端子は、例えば、フローティングＤＶＭ１２０の利得増幅器１２２のポジティブ入力端子４０（フローティングＤＶＭ１２０の第１入力端子）と、フローティングＤＶＭ１２０のフローティング回路グラウンド４２（フローティングＤＶＭ１２０の第２入力端子）との間で入れ替えるといったように、接続経路を選ぶことができる。図示せずも、図１に示す各ブロックは、周知のＣＰＵなどの制御手段によって制御される。
【００２３】
接続経路をより具体的に説明すると、第１の接続形態としては、スイッチ１２及び２０をオンにする一方、スイッチ１４及び１８をオフにすることによって、第１入力端子１０２が利得増幅器１２２のポジティブ（非反転）入力端子４０に結合される共に、第２入力端子１０４のフローティング回路グラウンド４２に結合される。第２の接続形態としては、スイッチ１４及び１８をオンにする一方、スイッチ１２及び２０をオフにすることによって、第１入力端子１０２がフローティングＤＶＭ１２０のフローティング回路グラウンド４２に結合される共に、第２入力端子１０４が利得増幅器１２２のポジティブ（非反転）入力端子４０に結合される。
【００２４】
図示した例では、上述のごとく、フローティングＤＶＭ１２０を、入力端子１０２及び１０４に、正又は負のどちらかの極性で電気的に接続するようにできる。ここで、本発明では、大きなチャージ・ポンプ出力なしで、入力端子１０２及び１０４と、フローティングＤＶＭ１２０との間の接続を逆にすることを可能にするために、例えば、プリチャージ又はバッファ増幅器１０６を用いても良い。図示したバッファ増幅器１０６は、第１入力端子１０２に接続された入力端子と、第２入力端子１０４を基準電位とする電源とを有している。これは、フローティングＤＶＭ１２０のどちらかの入力端子（即ち、利得増幅器１２２の非反転入力端子４０及びフローティングＤＶＭ１２０回路グラウンド４２のどちらか）が、第１入力端子１０２と電気的に結合される前に、第１入力端子１０２の電圧とほぼ等しい電圧までプリチャージされることを可能にするためである。
【００２５】
即ち、第２接続形態から第１接続形態へ切り替える期間において、利得増幅器１２２の非反転入力端子４０が第１入力端子１０２と電気的に結合される前に、利得増幅器１２２の非反転入力端子４０をプリチャージするため、スイッチ１０をオンにしてプリチャージ信号Ｐ１を供給する一方で、スイッチ１６はオフのままとする。同様に、第１接続形態から第２接続形態へ切り替える期間において、回路グラウンド４２が第１入力端子１０２と電気的に結合される前に、回路グラウンド４２をプリチャージするため、スイッチ１６をオンにしてプリチャージ信号Ｐ２を供給する一方で、スイッチ１０はオフのままとする。これによって、利得増幅器１２２の出力信号に、本来あるべき出力信号（理想値）に比較したオフセットが発生するのを低減又は除去する。このようにして、第１及び第２接続形態は、所定期間毎に交互に切り替えられる。当然ながら、この切り替え期間中、入力信号の測定はできない（又はしないように制御される）が、従来のゼロ・サイクルの長さと比較すれば、大幅に短時間となる。
【００２６】
利得増幅器１２２は、３つのフィードバック・ループを有し、それぞれにスイッチ３０〜３４が設けられる。３つのスイッチ３０〜３４は、一度に１つだけがオン（閉じる）ように構成される。図１の例では、スイッチ３０がオンになると、利得増幅器１２２の利得が１倍となる。同様に、スイッチ３２がオンになると利得増幅器１２２の利得がＫ倍となり、スイッチ３４がオンになると利得増幅器１２２の利得がＫの２乗倍となる。ここで、Ｋは任意の定数である。
【００２７】
図示した例では、導電性筐体又はガード・シールド１０１が、ＤＶＭ回路接続形態１００のほとんど、特に、フローティングＤＶＭ１２０を包囲し、第２入力端子１０４に電気的に接続される。これによって、フローティングＤＶＭ１２０と、第２入力端子１０４（例えば、ＬＯ入力端子）以外の全ての回路又はコンポーネントとの間には、キャパシタンスが実質的に存在しないという状態にする。導電性筐体１０１は、金属又は他の適切な導電性材料から形成しても良い。
【００２８】
図示した例では、フローティングＤＶＭ１２０は、回路グラウンドを基準電位とする電源１４４を有する。電源１４４は、ＬＯ入力端子１０４の電位を基準電位とするＬＯ電源１４０に電気的に結合される。ＬＯ電源１４０は、更に、アース（大地）を基準電位とする電源１４２に電気的に結合されていても良い。これに代わる実施形態では、フローティングＤＶＭ１２０用の電源として、任意の個数の更なる電源を配置して利用しても良いが、ただし、この場合、こうした電源がアースを基準電位とする回路要素にある限度を超えて結合しないことが条件となる。
【００２９】
図示した例では、アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）１３０が、アイソレートされた（信号は伝達されるが、導体は分離されている）通信手段に出力信号を供給するように構成される。このアイソレート通信手段は、例えば、図示したような光カップリング部品１３２である。図示した第２光カップリング部品１３４のような第２アイソレート通信手段を、ガード・シールド１０１の外に配置して利用しても良い。上述の代替の電源配置と同様に、図示したアイソレート通信手段を別のもので代替しても良いが、これは、フローティングＤＶＭ１２０と、アースを基準電位とする回路要素との間の結合（カップリング）がごくわずかであることが重要である。
【００３０】
制御手段は、第１接続形態におけるＡＤＣ１３０の出力信号（第１デジタル出力信号）と、第２接続形態におけるＡＤＣ１３０の出力信号（第２デジタル出力信号）との間に差分があるかどうか判断する。もし差分があれば、それは、利得増幅器１２２が主要な原因のオフセットである。そこで、この差分の半分を、第１及び第２デジタル出力信号のそれぞれに演算により加算又は減算し、第１及び第２デジタル出力信号が同じ値となるように補正（平均化）をしても良い。こうした演算処理は、上述のＣＰＵ等による演算手段（図示せず）によって行われる。これによって、本来あるべきデジタル出力信号（理想値）に比較した差分（オフセット）をほぼ完全に除去できる。
【００３１】
上述のように、本願発明では、従来のゼロ・サイクルに代わって、極性を反転させて測定する第２接続形態による測定サイクルを実現できる。第１及び第２接続形態の切り替えに伴う切り替え時間は生じるものの、ゼロ・サイクルを利用した測定に比較すれば、測定に利用できない時間は大幅に減少し、その一方で、入力増幅器（上述の例では利得増幅器１２２）が原因のオフセットは除去できる。これは、ナノ・ボルト・レベルの極めて小さな電圧を測定する際に、特に効果的である。
【００３２】
図示した実施形態を参照しながら本発明の原理を説明してきたが、こうした原理から離れることなく、図示した実施形態の構成や詳細を変更したり、望まし形態に組み合わせても良いことが理解できよう。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、こうした言い回しは、一般に実施形態として可能であること述べているに過ぎず、特定の実施形態の構成に限定することを意味するものではない。本願で用いているように、こうした用語は、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を言及していると考えても良い。
【００３３】
従って、本願で説明した実施形態は、幅広く種々に組み合わせ可能であるとの観点から、詳細な説明や図面等は、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。
【符号の説明】
【００３４】
１０  スイッチ
１２  スイッチ
１４  スイッチ
１６  スイッチ
１８  スイッチ
２０  スイッチ
３０  スイッチ
３２  スイッチ
３４  スイッチ
４０  フローティングＤＶＭ第１入力端子
４２  フローティングＤＶＭ第２入力端子
１００  デジタル・ボルトメータ（ＤＶＭ）の回路接続形態例
１０１  導電性筐体（ガード・シールド）
１０２  第１入力端子（ＨＩ入力端子）
１０４  第２入力端子（ＬＯ入力端子）
１０６  バッファ増幅器
１２０  フローティングＤＶＭ
１２２  利得増幅器
１３０  アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）
１４０  ＬＯ電源
【図１】
2014187694.tif 000003