(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電圧と、
該基準電圧に対して電圧振幅と位相を任意に調整可能な交流電圧を出力する信号生成器と、
該信号生成器からの前記交流電圧を入力する校正対象の電気変換器と、
一方の入力端子に前記基準電圧、他方の入力端子に前記校正対象の電気変換器からの出力電圧を入力する差動増幅器と、
該差動増幅器からの出力電圧を入力する零点検出器と、
からなり、前記零点検出器が零となるように前記信号生成器の前記電圧振幅と前記位相を調整することにより、前記校正対象の電気変換器の利得および／または位相を把握し校正することを可能にしたことを特徴とする利得位相校正装置。
【請求項２】
基準電圧と、
該基準電圧に対して電圧振幅と位相を任意に調整可能な交流電圧を出力する信号生成器と、
前記基準電圧に直流電圧を重畳した電圧を出力する第１の電圧変換器と
前記信号生成器から出力する交流電圧に前記直流電圧と同電圧の直流電圧を重畳した電圧を出力する第２の電圧変換器と、
該第２の電圧変換器からの出力電圧を入力する校正対象の電気変換器と、
一方の入力端子に前記第１の電圧変換器からの出力電圧、他方の入力端子に前記校正対象の電気変換器からの出力電圧を入力する差動増幅器と、
該差動増幅器からの出力電圧を入力する零点検出器と、
からなり、前記零点検出器が零となるように前記信号生成器の前記電圧振幅と前記位相を調整することにより、前記校正対象の電気変換器の利得および／または位相を把握し校正することを可能にしたことを特徴とする利得位相校正装置。
【請求項３】
基準電圧と、
該基準電圧に対して電圧振幅と位相を任意に調整可能な交流電圧を出力する信号生成器と、
前記信号生成器から出力された交流電圧によって充電されるコンデンサと、
該コンデンサの出力電圧を入力する校正対象の電気変換器と、
一方の入力端子に前記基準電圧、他方の入力端子に前記校正対象の電気変換器からの出力電圧を入力する差動増幅器と、
該差動増幅器からの出力電圧を入力する零点検出器と、
からなり、前記零点検出器が零となるように前記信号生成器の前記電圧振幅と前記位相を調整することにより、前記校正対象の電気変換器の利得および／または位相を把握し校正することを可能にしたことを特徴とする利得位相校正装置。
【請求項４】
前記信号生成器から出力される交流電圧は、調整可能な分圧電圧を出力する第１の誘導分圧器と、前記分圧電圧に対して位相が９０度異なり調整可能な分圧電圧を出力する第２の誘導分圧器と、該第２の誘導分圧器からの分圧電圧を変圧する注入用トランスとからなり、前記第１の誘導分圧器からの分圧電圧に前記注入用トランスからの出力電圧を重畳した電圧であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の利得位相校正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅器等の電気変換器の利得と位相を正確に校正することを可能にした利得位相校正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサ等からの微小な信号を増幅する増幅器の利得と位相の校正は、正弦波状の信号を増幅器に入力し、入力信号と出力信号との振幅と位相を比較することによって行うことができる。
図７は、従来技術に係る利得位相校正装置の一例を示す図である。
同図において、１０１は正弦波発振器、１０２は十分な振幅および時間分解能をもつ波形記録器、１０３は利得および位相を校正しようとする校正対象の増幅器である。
同図に示すように、この装置は、正弦波発振器１０１からの出力電圧と、この出力電圧を増幅器１０３で増幅して出力された出力電圧とを、それぞれ波形記録器１０２で同時に記録する。ここで、正弦波発振器１０１からの出力電圧の振幅をＡ１、増幅器１０３からの出力電圧の振幅をＡ２、正弦波発振器１０１の発振周波数をｆ、後者の出力電圧の前者の出力電圧に対する遅延時間をｄとすると、利得Ａ（無次元）は数式１により、位相Ｄ（ラジアン）は数式２により得られる。
【数１】
0004963090.tif 000002
【数２】
0004963090.tif 000003
この得られた利得Ａおよび位相Ｄに基づいて増幅器１０３の利得と位相を校正することができる。
【０００３】
また、引用文献１および引用文献２には、デジタル化したアッテネータや遅延回路を用いた校正装置が示されている。
【０００４】
また、従来技術の改善策として、利得に関しては分圧器（アッテネータ）を用いた利得校正装置がある。
図８は、分圧器（アッテネータ）を用いた利得校正装置の一例を示す図である。
同図において、１０４は分圧器（アッテネータ）、１０５は電圧計、なお、その他の構成は図７に示した同符号の構成に対応する。
同図に示すように、正弦波発振器１０１から分岐された一方の出力電圧は、分圧器１０４に入力され、分圧器１０４によって１／Ａに減圧され、減圧後、増幅器１０３に入力され、増幅器１０３から出力された電圧を電圧計１０５によって測定する。また、正弦波発振器１０１から分岐された他方の出力電圧は、電圧計１０５によって測定される。ここで、電圧計１０５の指示値が、増幅器１０３から出力された電圧値と正弦波発振器１０１から出力された電圧値とが同一値を示すように分圧器１０４の設定を調整したとき、分圧器１０４の分圧比Ａが増幅器１０３の利得に相当する。この利得Ａに基づいて増幅器１０３の利得を校正することができる。このような校正方法は一般的に置換法と呼ばれ、電圧計１０５は比較器としてのみ用いられるため絶対的な精度が問われないこと、および分圧器１０４は極めて安定なため一般には定期的校正が不要であること等の利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図７に示した利得位相校正装置では、正確な校正を行うためには波形記録器１０２は十分な振幅、時間分解能、チャンネル間の同期性、および精度を有すること等が要求される。特に、高周波域になるほど高い時間分解能が要求されるが、通常、波形記録器１０２の振幅分解能と時間分解能は相反する関係にある。さらに波形記録器１０２は定期的な校正を必要とするため、さらに精度の高い電圧源や周波数カウンタ等が必要となる問題がある。
また、特許文献１および特許文献２に記載の校正装置も、図７に示した利得校正装置と同様に定期的校正とより上位の精度を有する標準機器が不可欠であるという問題がある。
また、図８に示した利得校正装置は、校正できるのは利得のみで、位相は校正できない。分圧器１０４を用いた置換法で位相も校正しようとすると、波形記録器を併用する必要がある。この際、波形記録器の電圧分解能と絶対精度は利得校正に影響しないが、時間分解能と絶対精度は位相校正結果に直接影響する。従って十分な時間分解能を有し、かつ精度上より上位の発振器、カウンタ等で定期的に校正する必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑みて、増幅器等の電気変換器の利得と位相の校正を、長期間に渡り安定して正確かつ簡単に行えることを可能にした利得位相校正装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、基準電圧と、該基準電圧に対して電圧振幅と位相を任意に調整可能な交流電圧を出力する信号生成器と、該信号生成器からの前記交流電圧を入力する校正対象の電気変換器と、一方の入力端子に前記基準電圧、他方の入力端子に前記校正対象の電気変換器からの出力電圧を入力する差動増幅器と、該差動増幅器からの出力電圧を入力する零点検出器と、からなり、前記零点検出器が零となるように前記信号生成器の前記電圧振幅と前記位相を調整することにより、前記校正対象の電気変換器の利得および／または位相を把握し校正することを可能にしたことを特徴とする利得位相校正装置である。
第２の手段は、基準電圧と、該基準電圧に対して電圧振幅と位相を任意に調整可能な交流電圧を出力する信号生成器と、前記基準電圧に直流電圧を重畳した電圧を出力する第１の電圧変換器と、前記信号生成器から出力する交流電圧に前記直流電圧と同電圧の直流電圧を重畳した電圧を出力する第２の電圧変換器と、該第２の電圧変換器からの出力電圧を入力する校正対象の電気変換器と、一方の入力端子に前記第１の電圧変換器からの出力電圧、他方の入力端子に前記校正対象の電気変換器からの出力電圧を入力する差動増幅器と、該差動増幅器からの出力電圧を入力する零点検出器と、からなり、前記零点検出器が零となるように前記信号生成器の前記電圧振幅と前記位相を調整することにより、前記校正対象の電気変換器の利得および／または位相を把握し校正することを可能にしたことを特徴とする利得位相校正装置である。
第３の手段は、基準電圧と、該基準電圧に対して電圧振幅と位相を任意に調整可能な交流電圧を出力する信号生成器と、前記信号生成器から出力された交流電圧によって充電されるコンデンサと、該コンデンサの出力電圧を入力する校正対象の電気変換器と、一方の入力端子に前記基準電圧、他方の入力端子に前記校正対象の電気変換器からの出力電圧を入力する差動増幅器と、該差動増幅器からの出力電圧を入力する零点検出器と、からなり、前記零点検出器が零となるように前記信号生成器の前記電圧振幅と前記位相を調整することにより、前記校正対象の電気変換器の利得および／または位相を把握し校正することを可能にしたことを特徴とする利得位相校正装置である。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記信号生成器から出力される交流電圧は、調整可能な分圧電圧を出力する第１の誘導分圧器と、前記分圧電圧に対して位相が９０度異なり調整可能な分圧電圧を出力する第２の誘導分圧器と、該第２の誘導分圧器からの分圧電圧を変圧する注入用トランスとからなり、前記第１の誘導分圧器からの分圧電圧に前記注入用トランスからの出力電圧を重畳した電圧であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の利得位相校正装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、位相差が９０°異なる２つの正弦波発振器は、シンセサイザ技術の進歩により高精度なものが容易に入手可能であり、また、誘導分圧器は高分解能で長期間に渡り安定なものが容易に入手可能である。また、注入トランスも同様である。また、差動増幅器や零点検出器は比較器のみとして作用するため、校正を必要としない。従って、本実施形態の各発明によれば、簡便な構成で高精度の利得位相校正装置が実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態を図１から図３を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る利得位相校正装置の構成を示す図である。
同図において、１は正弦波交流電圧を出力する正弦波発振器、２は正弦波発振器１の出力電圧と振幅Ｖinおよび周波数ｆが同じで、位相が９０°進んだ正弦波交流電圧を出力する正弦波発振器、３は正弦波発振器１の出力端間に接続される誘導分圧器、４は正弦波発振器２の出力端間に接続される誘導分圧器、５は、誘導分圧器３の端子ａ、ｂ間に誘起した交流電圧に、誘導分圧器４の端子ｄ、ｃ間に誘起した電圧を変圧して２次側の端子ｂ、ｅ間に誘起した電圧を、重畳するための注入用トランス、６は利得および位相の校正対象となる交流増幅器や位相差計等の電気変換器、７は差動増幅器、８は、一般にロックインアンプ等により実現可能な零点検出器である。ここで、ａ、ｂは誘導分圧器３から分圧電圧を取り出すための端子、ｃ、ｄは誘導分圧器４から分圧電圧を取り出すための端子、ｂ、ｅは注入用トランス５の２次側に誘起した電圧を取り出すための端子、ｆは電気変換器６の出力側の端子である。
【００１０】
ここで、誘導分圧器３、４および注入用トランス５に誘起する電圧の極性を図示矢印の方向とし、正弦波発振器１、２の出力電圧をＶｉｎ、誘導分圧器３、４の分圧比をそれぞれＲ１、Ｒ２とし、注入用トランス５の巻線比（１次側を１として）をＰとすると、誘導分圧器３の端子ａ、ｂ間に誘起する電圧、誘導分圧器４の端子ｃ、ｄ間に誘起する電圧、注入用トランス５の２次側の端子ｂ、ｅ間に誘起する電圧、および電気変換器６に入力される電圧は、それぞれＲ１Ｖｉｎ、Ｒ２Ｖｉｎ、Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、Ｖ（ｔ）となる。
【００１１】
図２は、誘導分圧器３の出力電圧波形Ｒ１Ｖｉｎ、注入トランス５の出力電圧波形Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、および電気変換器６に入力される入力電圧波形Ｖ（ｔ）を示す図である。同図において、横軸は時間、縦軸は振幅（電圧）、実線は誘導分圧器３の出力電圧波形Ｒ１Ｖｉｎ、波線は注入用トランス５の出力電圧波形Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、一点鎖線は電気変換器６に入力される入力電圧波形Ｖ（ｔ）である。
図３は、校正対象とする電気変換器６の入力側の端子ｅ点における端子ａ（基準電位）に対するＶ（ｔ）のベクトル図である。
同図に示すように、電気変換器６の入力側端子ｅ点における電圧Ｖ（ｔ）は数式３で示される。
【数３】
0004963090.tif 000004
そこで、校正対象の電気変換器６の利得Ａおよび位相Ｄを求めると以下のとおりとなる。
差動増幅器７の一方の端子には、誘導分圧器３の端子ａにおける基準電位（接地電位）が入力され、差動増幅器７の他方の端子には、電気変換器６の端子ｅの交流電圧Ｖ（ｔ）を増幅した電圧が入力される。ここで、誘導分圧器３の分圧比Ｒ１、誘導分圧器４の分圧比Ｒ２、注入用トランス５の巻線比Ｐをそれぞれ調整して、差動増幅器７から出力される電圧が零となるように零点検出器８を観察する。
零点検出器８が零を指示したときの電気変換器６の利得Ａおよび位相Ｄはそれぞれ数式４および数式５から求められる。
【数４】
0004963090.tif 000005
【数５】
0004963090.tif 000006
上式において、分圧比Ｒ１、Ｒ２および巻線比Ｐは既知であるので、電気変換器６の利得Ａおよび位相Ｄを容易に求めることができ、求められた利得Ａおよび位相Ｄに基づいて電気変換器６の利得、位相を校正することができる。
【００１２】
次に、本発明の第２の実施形態を図４および図５を用いて説明する。
図４は本実施形態の発明に係る利得位相校正装置の構成を示す図である。
同図において、９は端子ａの電位（基準電位）に対して直流電圧Ｖｂがバイアスされて出力される電圧変換器、１０は端子ｅの電位に対して直流電圧Ｖｂがバイアスされて出力される電圧変換器、１１は利得および位相の校正対象となる直流増幅器等の電気変換器、ｇは電圧変換器９の出力側の端子、ｈは電圧変換器１０の出力側の端子である。なお、その他の構成は、図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
【００１３】
ここで、誘導分圧器３、４および注入用トランス５に誘起する電圧の極性を図示矢印の方向とし、正弦波発振器１、２の出力電圧をＶｉｎ、誘導分圧器３、４の分圧比をそれぞれＲ１、Ｒ２とし、注入用トランス５の巻線比（１次側を１として）をＰとすると、誘導分圧器３の端子ａ、ｂ間に誘起する電圧、誘導分圧器４の端子ｃ、ｄ間に誘起する電圧、注入用トランス５の２次側の端子ｂ、ｅ間に誘起する電圧、および電気変換器１１に入力される電圧は、それぞれＲ１Ｖｉｎ、Ｒ２Ｖｉｎ、Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、Ｖ（ｔ）＋Ｖｂとなる。
【００１４】
図５は、誘導分圧器３の出力電圧波形Ｒ１Ｖｉｎ、注入トランス５の出力電圧波形Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、電圧変換器１０に入力される入力電圧波形Ｖ（ｔ）を示す図である。同図において、横軸は時間、縦軸は振幅（電圧）、実線は誘導分圧器３の出力電圧波形Ｒ１Ｖｉｎ、波線は注入用トランス５の出力電圧波形Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、一点鎖線は電圧変換器１０に入力される入力電圧波形Ｖ（ｔ）であり、電気変換器１１に入力される入力電圧波形はＶ（ｔ）＋Ｖｂとなる。即ち、電気変換器１１に入力される入力電圧波形は、直流電圧Ｖｂに３式に示した電圧Ｖ（ｔ）を重畳した電圧波形となる。
【００１５】
そこで、校正対象の電気変換器１１の利得Ａおよび位相Ｄを求めると以下のとおりとなる。
差動増幅器７の一方の端子には、電圧変換器９の出力側の端子ｇにおける電圧Ｖｂが入力され、差動増幅器７の他方の端子には、電圧変換器１０の出力側の端子ｅの電圧Ｖ（ｔ）＋Ｖｂが校正対象の電気変換器１１で増幅された出力側の端子ｆの電圧が入力される。ここで、誘導分圧器３の分圧比Ｒ１、誘導分圧器４の分圧比Ｒ２、注入用トランス５の巻線比Ｐをそれぞれ調整して、差動増幅器７から出力される電圧が零となるように零点検出器８を観察する。
零点検出器８が零を指示したときの校正対象の電気変換器１１の利得Ａおよび位相Ｄはそれぞれ４式および５式で求められ、分圧比Ｒ１、Ｒ２および巻線比Ｐは既知であるので、電気変換器１１の利得Ａおよび位相Ｄを容易に求めることができ、求められた利得Ａおよび位相Ｄに基づいて電気変換器１１の利得、位相を校正することができる。
【００１６】
次に、本発明の第３の実施形態を図６を用いて説明する。
図６は本実施形態の発明に係る利得位相校正装置の構成を示す図である。
同図において、１２は容量Ｃで、注入トランス５と校正対象の電気変換器１３間に直列に接続されるコンデンサ、１３は校正対象の電荷増幅器等の電気変換器である。なお、その他の構成は、図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
【００１７】
ここで、誘導分圧器３、４および注入用トランス５に誘起する電圧の極性を図示矢印の方向とし、正弦波発振器１、２の出力電圧をＶｉｎ、誘導分圧器３、４の分圧比をそれぞれＲ１、Ｒ２とし、注入用トランス５の巻線比（１次側を１として）をＰとすると、誘導分圧器３の端子ａ、ｂ間に誘起する電圧、誘導分圧器４の端子ｃ、ｄ間に誘起する電圧、および注入用トランス５の２次側の端子ｂ、ｅ間に誘起する電圧、および校正対象の電気変換器１３に入力される電圧は、それぞれＲ１Ｖｉｎ、Ｒ２Ｖｉｎ、Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐとなる。この結果、コンデンサ１２と校正対象の電気変換器１３との接続端には、印加電圧Ｖに応じた電荷Ｑ＝ＶＣが発生するので、校正対象の電気変換器１３の入力電荷Ｑに対する利得と位相を校正することが可能である。
【００１８】
そこで、校正対象の電気変換器１３の利得Ａおよび位相Ｄを求めると以下のとおりとなる。
差動増幅器７の一方の端子には、誘導分圧器３の端子ａにおける基準電位（接地電位）が入力され、差動増幅器７の他方の端子には、コンデンサ１２からの出力電圧が校正対象の電気変換器１３で変換された端子ｆの電圧が入力される。
ここで、誘導分圧器３の分圧比Ｒ１、誘導分圧器４の分圧比Ｒ２、注入用トランス５の巻線比Ｐをそれぞれ調整して、差動増幅器７から出力される電圧が零となるように零点検出器８を観察する。
零点検出器８が零を指示したときの電気変換器１３の利得Ａおよび位相Ｄはそれぞれ４式および５式で求められ、分圧比Ｒ１、Ｒ２および巻線比Ｐは既知であるので、電気変換器１３の利得Ａおよび位相Ｄを容易に求めることができ、求められた利得Ａおよび位相Ｄに基づいて電気変換器１３の利得、位相を校正することができる。
【００１９】
なお、本発明の校正対象の電気変換器は、上記の各実施形態に示した電気変換器に限定されず、同様にして、入力信号生成器から出力される電圧を、光、電荷、磁気等の任意の物理量に変換し、これらの物理量を入力して所望の電圧に変換し増幅する電気変換器にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態の発明に係る利得位相校正装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した利得位相校正装置における、誘導分圧器３の出力電圧波形Ｒ１Ｖｉｎ、注入トランス５の出力電圧波形Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、および電気変換器６に入力される入力電圧波形Ｖ（ｔ）を示す図である。
【図３】図１に示した利得位相校正装置における、端子ａ（基準電位）に対する校正対象とする電気変換器６の入力側の端子ｅ点における電圧Ｖ（ｔ）のベクトル図である。
【図４】第２の実施形態の発明に係る利得位相校正装置の構成を示す図である。
【図５】図４に示した利得位相校正装置における、誘導分圧器３の出力電圧波形Ｒ１Ｖｉｎ、注入トランス５の出力電圧波形Ｒ２Ｖｉｎ／Ｐ、電圧変換器１０に入力される入力電圧波形Ｖ（ｔ）を示す図である。
【図６】第３の実施形態の発明に係る利得位相校正装置の構成を示す図である。
【図７】従来技術に係る利得位相校正装置の一例を示す図である。
【図８】従来技術に係る分圧器（アッテネータ）を用いた利得校正装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１、２  正弦波発振器
３、４  誘導分圧器
５  注入用トランス
６、１１、１３  校正対象の電気変換器
７  差動増幅器
８  零点検出器
９、１０  電圧変換器
１２  コンデンサ
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ  端子
【図１】
0004963090.tif 000007
【図２】
0004963090.tif 000008
【図３】
0004963090.tif 000009
【図４】
0004963090.tif 000010
【図５】
0004963090.tif 000011
【図６】
0004963090.tif 000012
【図７】
0004963090.tif 000013
【図８】
0004963090.tif 000014