(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の測定レンジを持つインピーダンス測定装置において、１以上の参照インピーダンス手段と、前記参照インピーダンス手段のうちのいずれか１つまたは測定対象を選択的にインピーダンス測定手段に接続するための切換手段を備え、１つの参照インピーダンスを１つの測定レンジで値付けし、前記値付けされた参照インピーダンスを他の測定レンジで測定して測定レンジ間の相対誤差を求めることを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項２】
測定対象の電流を測定する系に挿入された少なくとも１つの信号規格手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項３】
測定周波数を中間周波数に変換して測定対象の電圧と電流を測定し、所望のインピーダンス値を求めるインピーダンス測定装置において、１以上の参照インピーダンス手段と、前記参照インピーダンスのうちのいずれか１つまたは測定対象を選択的にインピーダンス測定手段に接続するための切換手段と、測定対象の電流を測定する系の中間周波数段に備えられた第一の信号規格手段とを備え、１つの参照インピーダンスを１つの測定レンジで値付けし、前記値付けされた参照インピーダンスを他の測定レンジで測定して測定レンジ間の相対誤差を求めることを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項４】
測定対象の電流を測定する系の測定信号周波数段に備えられた第二の信号規格手段をさらに有することを特徴とする請求項３記載のインピーダンス測定装置。。
【請求項５】
１つの参照インピーダンスを１つの測定レンジで値付けし、前記値付けされた参照インピーダンスを他の測定レンジで測定して測定レンジ間の相対誤差を求めるときに、前記信号規格手段の入力レベルの大きさに応じて前記信号規格手段の利得を切り換え、前記信号規格手段の出力レベルを規格化することを特徴とする請求項２または請求項４に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項６】
前記信号規格手段が、複数の抵抗器、切換手段及び増幅手段を有し、前記信号規格手段の利得を、前記切換手段によって前記抵抗器を選択的に切り換えることによって変えることを特徴とする請求項２または請求項４または請求項５に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項７】
前記信号規格手段が、変圧器、切換手段及び増幅手段を有し、前記信号規格手段の利得を、前記切換手段によって前記変圧器の出力端子を選択的に切り換えることによって変えることを特徴とする請求項２または請求項４または請求項５に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項８】
前記参照インピーダンスが抵抗器であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のインピーダンス測定装置。
【請求項９】
参照インピーダンスを測定して測定レンジ間の相対誤差を求めるステップと、１つのインピーダンス標準器を測定して１つのレンジを校正するステップと、前記校正されたレンジに基づいて他のレンジを校正するステップと、を含むインピーダンス測定装置の校正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、インピーダンス測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の代表的なインピーダンス測定装置の原理を図４のブロック図に示す。インピーダンス測定装置は測定信号源５１、電流−電圧変換部３０、Ａ−Ｄ変換部７０、スイッチ７１及びこれらを制御する演算制御部（図示していない）を有している。
【０００３】
測定の基本原理は、次の通りである。測定信号が、測定信号源５１から測定端子１１を介して測定対象１０の１つの端子に印加される。測定対象１０の他の端子は、測定端子１２を介して電流−電圧変換部３０に接続されている。電流−電圧変換部３０は、増幅器３１並びにレンジ抵抗３２、３３及び３４並びにスイッチ３５を有している。レンジ抵抗３２、３３または３４がスイッチ３５により選択されて、増幅器３１の入出力端子間に接続されている。したがって増幅器３１と該抵抗からなる帰還回路により、電流−電圧変換部３０の入力は接地電位に等しくなる。また、その出力は入力電流に比例した電圧になる。
【０００４】
電流−電圧変換部３０の入力すなわち測定端子１２が接地電位になるので、測定信号源５１の出力すなわち測定端子１１の電圧が、測定対象１０の両端子間の電圧に等しくなる。したがってスイッチ７１を図４に示すＶch側に接続して測定信号源を選択すると、Ａ−Ｄ変換部７０は測定対象の電圧を測定する。一方、電流−電圧変換部３０の出力電圧は測定対象１０に流れる電流に比例した電圧であるから、スイッチ７１がＩch側に接続して電流−電圧変換部３０の出力電圧を選択すれば、Ａ−Ｄ変換部７０は測定対象１０に流れる電流を測定する。
【０００５】
図４の構成では、測定電圧が一定であり、電流が測定対象のアドミタンスに比例し、測定のフルスケールはアドミタンスで決定される。したがって、測定レンジをインピーダンスで呼ぶよりもアドミタンスで呼ぶ方がふさわしい。
測定対象のアドミタンス測定値Ｙdutは、上述のように、スイッチ７１をＶchに接続してＡ−Ｄ変換して得た値Ｖと、Ｉchに接続して得たＩとの比Ｉ／Ｖにレンジ抵抗（３２、３３または３４）のコンダクタンスＧiを乗じたものとなる。すなわち、
【０００６】
【数１】
0003851375.tif 000002
【０００７】
ここで iはレンジの名称を示す。この計算は、演算制御部が行う。
測定対象のインピーダンス値（アドミタンス値）により、測定対象に流れる電流が大幅に変わるため、レンジ抵抗３２、３３及び３４をスイッチ３５で切換えて、出力電圧をＡ−Ｄ変換部７０で精度良く測定できる大きさに変換しているのである。なお図４では、測定レンジの数を３としているが、これに限るものではない。
【０００８】
複数の測定レンジを切り換える構成のインピーダンス測定装置では、複数の標準器（ワーキングスタンダード）によって校正されている。それぞれの標準器（ワーキングスタンダード）の値は、その対応レンジで、Ａ−Ｄ変換部７０にフルスケールを与えるように選ばれる。すなわち各レンジで最良の測定ＳＮ比を得るように選ばれる。この校正によって得た補正係数Ｋiを用いて、次式の演算により補正された測定値を得る。
【０００９】
【数２】
0003851375.tif 000003
【００１０】
測定レンジの数の標準器を用意して測定レンジ毎に校正する従来の方法は、標準器の数が多くなり、コスト、管理および校正に要する工数が製造者にも使用者にも負担になっていた。
１つの標準器で校正可能な装置あるいは機能は、製造者にとっても使用者にとっても理想的である。しかし、従来のインピーダンス測定装置を１つの標準器で校正しようとすると、あるレンジでは適当な校正ができるが、他のレンジでは、フルスケールの１％にも満たない状況での校正を強いることになる。このような校正法を広い測定レンジのインピーダンス測定装置に適用できないことは詳述するまでもない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
インピーダンス測定装置において、複数の測定レンジの校正に、複数の校正用標準器が必要であり、校正に長時間を要した。
本発明が解決しようとする課題は、複数のインピーダンス測定レンジの校正を１個の標準器で簡単迅速に遂行できるインピーダンス測定装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本手段は、インピーダンス測定装置が参照インピーダンス群を備え、該参照インピーダンスを用いて測定レンジ間の相対誤差を内部的に自動補正し、１個のインピーダンス標準器を用いて１つのレンジを校正することによってすべてのレンジの絶対校正を行うことである。
上記基本手段は、参照インピーダンスを仲介にしてレンジ間の相対誤差を補正するので、レンジのフルスケールに比べて小さな値での測定が避けられない。その結果、分解能、直線性、ＳＮ比による誤差がレンジ間を伝搬し累積していく。これを防ぐために、これらの誤差が生じるＡ−Ｄ変換部及び周波数変換器に前置して信号規格部を設け、フルスケールに比べて小さな値での測定を回避する。
【００１３】
【実施例】
本発明の第１の実施例として、前述の基本手段の構成を図２に示す。従来技術の図４と同様の構成要素には同じ参照符号を付している。
第１の実施例は、測定レンジ間の相対的な誤差を測定するための参照インピーダンスに抵抗を用いた例である。図４に示した従来技術に対して、参照抵抗部２０及び参照抵抗部２０と測定対象１０を切り換えるスイッチ２４が付加されている。なお、参照抵抗部２０の抵抗２１及び２２は校正されている必要はない。また長期安定度も必要ない。
説明と理解の助けのため、測定レンジ数を３とし、各レンジの受け持ちを１０倍間隔で、第１レンジのフルスケールを１００ｍＳ、第２レンジのそれを１０ｍＳ、第３レンジのそれを１ｍＳと具体化しているが、本発明はこれらの値に限るものではない
【００１４】
レンジ間の相対的な誤差を測定して、全レンジの絶対誤差を校正する方法は次の通りである。これは、演算制御部（図示されていない）の制御により実行される。
まず、スイッチ２４を図２に示すＣ側（参照抵抗部側）に接続し参照抵抗部２０を測定する状態にして、レンジ間の相対誤差を校正することから始める。スイッチ２３で１０ｍＳの参照抵抗２１を選び、スイッチ３５を１００ｍＳレンジ（第１レンジ）にして、アドミタンスフルスケールの１０％で測定する。
【００１５】
次にスイッチ２３を１０ｍＳの参照抵抗のままにして、スイッチ３５を１０ｍＳレンジ（第２レンジ）にし、フルスケール測定する。
前者の測定値をＹ1、後者の測定値をＹ2と表すと、（２）式における補正係数Ｋ1とＫ2の比Ｋ12は次式のようになる。
【００１６】
【数３】
0003851375.tif 000004
【００１７】
次に、スイッチ２３で１ｍＳの参照抵抗２２を選択し、１０ｍＳレンジ（第２レンジ）と１ｍＳレンジ（第３レンジ）で測定すれば、Ｋ23（＝Ｋ2／Ｋ3）が求められる。
このようにしてレンジ間の相対誤差はすべて判明する。最後にスイッチ２４をＭ側（測定端子側）に倒し、校正用標準を適正レンジで測定する事によりすべてのレンジの絶対値校正が完了する。例えば第２レンジにてＹstdを測定すると、次のようになる。
【００１８】
【数４】
0003851375.tif 000005
【００１９】
上記のように、参照インピーダンスをインピーダンス測定装置に内蔵して順次切り換えるようにすれば、演算制御部の制御により、すべてのレンジが自動校正できる。
なお上述のレンジ校正の順序でなく、まずフルスケールで参照抵抗を値付けし、次に該参照抵抗で１０％レンジの校正をするという逆の手順でも校正が可能である。また、標準抵抗による校正を最初に行う順序でもよい。
【００２０】
図２に示す第１の実施例では、フルスケールの１０％での測定（以後、１０％測定と略記する）は、フルスケール時に比べ測定精度が低下する。その結果、上記の校正、値付けの繰り返しによって誤差がレンジ間を伝搬し、累積されていく欠点がある。該誤差の要因は、１０％測定時におけるＳＮ比、分解能及び直線性の劣化である。
【００２１】
ノイズは、回路を構成する各素子の熱雑音およびショツト雑音から成り、信号に重畳的に生じている。１０％測定ではＳＮ比はフルスケール時の１／１０になる。ガウスノイズの統計則に従えば、フルスケール時と同じ測定再現性（測定誤差標準偏差）を得るためにはフルスケール時の１００倍の測定時間を要する。また小信号時、Ａ−Ｄ変換部の量子化間隔及びその不均一性は、測定の分解能及び直線性を悪化させる。１０％測定時、単純なモデルに従えば、それらに起因する誤差は１０倍になる。したがって、第１の実施例は、校正時間を増加しても、誤差の増加は避けられず、広い測定レンジや高精度のインピーダンス測定装置の校正には不向きである。
【００２２】
第１の実施例の問題を解決する手段を、第２の実施例として図３に示す。参照抵抗部２０及びレンジ間誤差の校正順序は第１の実施例と同様である。第２の実施例も説明と理解の助けのため、測定レンジ数を３とし、各レンジの受け持ちインピーダンスを１０倍間隔と具体化してあるが、値はこれに限るものではない。
【００２３】
Ａ−Ｄ変換部７０の分解能及び直線性の劣化による誤差の累積を除くために、Ａ−Ｄ変換部７０の前段に信号規格部６０を備える。信号規格部６０は変圧器６１、増幅器６２及びスイッチ６３を有している。図３に示した例では、変圧器６１は入力電圧を１０分の１に分圧する出力端子を有し、増幅器６２の利得は１０である。したがって、スイッチ６３が図３に示す×１０を選ぶと、信号規格部６０の利得は１０倍になる。またスイッチ６３を×１に切り換えると、信号規格部６０の利得は１倍になる。
【００２４】
レンジ間の誤差補正をする場合、フルスケール測定で、信号規格部６０の利得を１倍に、１０％測定で１０倍にすれば、Ａ−Ｄ変換部７０の入力はフルスケールに規格化され、Ａ−Ｄ変換部の見かけのダイナミックレンジは著しく改善され、分解能及び直線性の劣化による誤差の影響は取り除かれる。
【００２５】
信号規格部６０の利得の精度は、１倍と１０倍の値そのものではなく利得比が重要である。変圧器は数ｐｐｍの誤差で整数比の分圧が可能であるから、変圧器を用いれば信号規格部６０の利得を校正する必要はない。
なお、インピーダンス測定器の測定精度あるいは測定周波数によっては、信号規格部６０の変圧器６１を抵抗分圧に置き換えることも可能である。
【００２６】
次に本発明の第３の実施例として、測定周波数が、例えば１００Ｈｚ〜１００ＭＨｚという広周波数帯域のインピーダンス測定装置の例を図１に示す。
説明と理解の助けのため、測定レンジ数を３としているが、本発明はこれらの値に限るものではない
【００２７】
高周波数帯域インピーダンス測定装置は、従来よりスーパーヘテロダイン方式で実現されることが多い。スーパーヘテロダイン方式では、測定周波数が周波数変換器５２でローカル信号５３と混合されて中間周波数に変換された後、Ａ−Ｄ変換部７０で測定される。
【００２８】
Ａ−Ｄ変換部７０の分解能及び直線性の劣化による誤差の累積を除くために、Ａ−Ｄ変換部７０の前段で中間周波数段内に信号規格部６０を備える。該信号規格部６０は第２の実施例の信号規格部６０と同様の作用をする。
【００２９】
しかしヘテロダイン方式では、上述のＡ−Ｄ変換部７０前段の信号規格部６０を付加する方法のみでは、ＳＮ比の問題が解決されていない。通常ヘテロダイン方式において、ＳＮ比は周波数変換器５２のダイナッミクレンジで定まる。１０％測定ではＳＮ比はフルスケール測定時の１／１０になる。フルスケール時と同じ測定誤差標準偏差を得るためには、フルスケール時の１００倍の測定時間を要する。
【００３０】
そこで周波数変換器５２の前段の測定周波数段に更に信号規格部を設け、レンジ相対誤差校正の１０％測定時に利得を×１０に設定すれば、ＳＮ比を改善できることは明かである。その構成を図１の信号規格部４０に例示する。図１の例では、信号規格部４０は抵抗４３及び４２からなる分圧器、スイッチ４４及び増幅器４１を有している。信号規格部６０と同様に１０％測定時に利得を１０倍に設定すれば、周波数変換器５２によるノイズの問題は解決可能である。
【００３１】
しかし、１００Ｈｚから１００ＭＨｚという広帯域でｐｐｍオーダの校正不要の分圧器を作ることはできない。そこで信号規格部４０の分圧比は、インピーダンスレンジと同様に校正の対象とする。
例えば１０ｍＳレンジで１ｍＳ参照抵抗を測定する設定（１０％測定）で、信号規格部４０を×１０と×１とに切り換え、これに連動させて中間周波数段の信号規格部６０を×１と×１０に切り換え測定すれば、Ａ−Ｄ変換の劣化の影響なく、信号規格部４０の正確な利得比が求められる。
【００３２】
しかし、×１の利得では周波数変換器５２で相変わらずＳ／Ｎ比の悪いままなので、この信号規格部４０の校正に１００倍の測定時間を要する。しかし１００倍の時間を要する校正が必要であっても、該信号規格部４０には次の２つの効果がある。
Ｎ個の測定レンジを持つインピーダンス測定装置の校正において、１０％測定はＮ−１回必要である。これに対し、信号規格部４０の校正に必要な１０％測定は１回でよいので、校正時間の短縮が可能である。
【００３３】
もう１つの効果は、広周波数帯域インピーダンス測定装置の周波数特性補正の必要性に由来する。レンジ抵抗が複数、その値が広範囲にまたがる場合、その寄生容量や周辺の切り換え回路のため、レンジ間の周波数特性には大きな差がある。それ故に、周波数内挿補間を前提にしても多くの校正周波数点を必要とする。これに比べ、信号規格部４０は単純な回路で構成可能なので、周波数特性も平坦なものが得られる。信号規格部４０の全周波数帯域を補間補正するに必要な校正周波数点は、レンジに対するそれの１０分の１程度でよい。
【００３４】
以上、広帯域インピーダンス測定装置を例に、１０％測定における問題を解決する実施例を示した。Ａ−Ｄ変換誤差問題を解消、ＳＮ比の確保に必要な時間を減少させた。レンジ方向と周波数方向の組み合わせで２次元的に増加する校正時間を１次元未満に減少させている。
【００３５】
本発明では、レンジ間の相対誤差校正の前か完了後に、測定端子１１と１２間に１つの校正用標準器を接続し、適正レンジでこれを測定して絶対校正を行うのであるが、この標準器に関する条件を最後に述べる。
広周波数帯域インピーダンス測定装置の校正用標準器としては抵抗、それもあるレンジでフルスケールを与えるものが扱い易いことは明白である。しかし、抵抗に限定されるものではない。いずれか１つのレンジが絶対値校正されれば相対値校正機能によりすべてのレンジに絶対値校正が及ぶわけであるから、周波数スイープしながらオートレンジングを行えば標準コンデンサも使用できる。
【００３６】
ただしこの場合、信号規格部４０及び６０の利得切り換えをもっと細かく設定した方が、Ａ−Ｄ変換部７０にフルスケールに近い電圧を常時入力できる可能性が高くなり、有効である。
以上に本発明の実施例を示したが、例示の様式、配置、その他を限定するものでなく、必要に応じて本発明の要旨を失うことなく構成の変化も許容される。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広いインピーダンス範囲を複数レンジで受け持つ構成のインピーダンス測定装置を、１つのインピーダンス標準で簡単迅速に校正できる。広周波数帯域のインピーダンス測定装置に関してさらに有効で、校正用標準の種類も抵抗、コンデンサいずれかに限定されない。
さらに、製造出荷時に迅速な校正あるいは調整が可能なだけでなく、装置の使用者が、自身の所有する標準器を基準に装置を校正し直すことも容易である。また、複数標準器を用いることによるレンジ間の測定値跳躍の問題が生じたり、測定値のトレーサビリティが不明瞭になったりすることもなく、実用に供して有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図４】従来技術の例を示す図である。
【符号の説明】
１０：測定対象
１１：測定端子
１２：測定端子
２０：参照抵抗部
２１：抵抗
２２：抵抗
２３：スイッチ
２４：スイッチ
３０：電流−電圧変換部
３１：増幅器
３２：第１レンジ抵抗
３３：第２レンジ抵抗
３４：第３レンジ抵抗
３５：スイッチ
４０：信号規格部
４１：増幅器
４２：抵抗
４３：抵抗
４４：スイッチ
５１：測定信号源
５２：周波数変換器
５３：ローカル信号
６０：信号規格部
６１：変圧器
６２：増幅器
６３：スイッチ
７０：Ａ−Ｄ変換部
７１：スイッチ
【図１】
0003851375.tif 000006
【図２】
0003851375.tif 000007
【図３】
0003851375.tif 000008
【図４】
0003851375.tif 000009