DE69718700T2

DE69718700T2 - Impedanzmesseinrichtung

Info

Publication number: DE69718700T2
Application number: DE69718700T
Authority: DE
Inventors: Hideki Wakamatsu
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2017-04-12
Also published as: EP0802420A2; US5886529A; JP3851375B2; DE69718700D1; EP0802420B1; EP0802420A3; JPH09281163A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Impedanzmeßvorrichtung.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das das Prinzip anzeigt, das hinter einer typischen herkömmlichen Impedanzmeßvorrichtung liegt. Die Impedanzmeßvorrichtung ist mit einer Testsignalquelle 51, einem Strom-/Spannungswandlerteil 30, einem Analog-/Digital- (A-D-) Wandlerteil 70, einem Schalter 71 und einem Arithmetik- und Steuerteil (nicht in der Figur gezeigt) für die Steuerung derselben versehen.
Das Grundprinzip, das dem Meßprozeß zugrunde liegt, ist wie folgt. Ein Testsignal wird von der Testsignalquelle 51 an einen Anschluß an einem zu testenden Gerät (DUT; DUT = device under test) 10 über den Meßanschluß 11 angelegt. Ein weiterer Anschluß an dem DUT 10 ist über den Meßanschluß 12 mit dem Strom-/Spannungswandler 30 verbunden. Das Strom- /Spannungswandlerteil 30 ist mit einem Verstärker 31, einem Schalter 35 und Bereichswiderständen 32, 33 und 34 versehen. Die Bereichswiderstände 32, 33 oder 34 werden durch den Schalter 35 ausgewählt und sind zwischen den Eingangs- und den Ausgangsanschluß an dem Verstärker 31 geschaltet. Als Folge wird der Eingang des Strom-/Spannungswandlerteils 30 äquivalent zu dem Massepotential durch eine Rückkopplungsschaltung, die aus einem Verstärker 31 und den Widerständen besteht. Außerdem wird das Ausgangssignal zu einer Spannung, die proportional zu dem Eingangsstrom ist.
Der Eingang des Strom/Spannungswandlerteils 30, d. h. des Meßanschluß 12, wird Massepotential. Als Folge wird das Ausgangssignal von der Testsignalquelle 51, d. h. die Spannung von dem Meßanschluß 11, äquivalent zu der Spannung zwischen beiden Anschlüssen an dem DUT 10.
Als Folge, wenn der Schalter 71, wie es in Fig. 4 angezeigt ist, mit Vch verbunden ist, und die Testsignalquelle ausgewählt ist, mißt der A-D-Wandler 70 die Spannung des DUT. Unterdessen ist die Ausgangsspannung von dem Strom- /Spannungswandlerteil 30 eine Spannung, die proportional zu dem Strom ist, der durch das DUT 10 fließt. Als Folge, wenn der Schalter 71 mit der Ich-Seite verbunden ist und verwendet wird, um die Ausgangsspannung von dem Strom- /Spannungswandlerteil 30 auszuwählen, mißt der A-D-Wandler 70 den Strom, der durch das DUT 10 fließt.
Bei der in Fig. 4 angezeigten Konfiguration ist die Testspannung konstant, der Strom ist proportional zu der Admittanz des DUT und der Vollausschlag des Meßbereichs wird durch die Admittanz bestimmt. Als Folge ist es angemessener, den Meßbereich unter Verwendung von "Admittanz" anstatt unter Verwendung von "Impedanz" zu spezifizieren.
Wie es vorher angezeigt wurde, ist der gemessene Admittanzwert Y dut des DUT das Produkt der Leitfähigkeit Gi der Bereichswiderstände (32, 33 oder 34) und des Verhältnisses I/V, das durch Verbinden des Schalters 71 mit dem Ich- Anschluß erhalten wird, und den Wert V, der durch Verbinden des Schalters 71 mit dem Vch-Anschluß und das Ausführen einer A-D-Umwandlung erhalten wird. Anders ausgedrückt:
Y dut = Gi·I/V (1)
Hier zeigt i den Namen des Bereichs an. Dieser wird unter Verwendung der Arithmetik- und Steuereinheit berechnet.
Da sich der Strom, der durch das DUT fließt, aufgrund des Impedanzwerts (Admittanzwerts) des DUT stark ändert, werden die Bereichswiderstände 32, 33 und 34 unter Verwendung des Schalters 35 geschaltet und der Strom wird zu einer Spannung umgewandelt und normiert, die eine Größe aufweist, die durch die Verwendung des A-D-Wandlers 70 mit einem hohen Genauigkeitsgrad gemessen werden kann. Obwohl es in Fig. 4 drei Meßbereiche gibt, sollte dies keinesfalls so aufgefaßt werden, daß die Anzahl der Meßbereiche auf drei beschränkt ist.
Bei der Impedanzmeßvorrichtung, die Meßbereiche umfaßt, wird eine Kalibrierung durch mehrere Standards (Arbeitsstandards) ausgeführt. Der Wert der jeweiligen Standards (Arbeitsstandards) wird ausgewählt, so daß dieselben für den A-D-Wandler 70 in dem entsprechenden Bereich einen Vollausschlag liefern. Dies bedeutet, daß die Auswahl so getroffen wird, daß in jedem der Bereiche das optimale gemessene Signal/Rausch-Verhältnis erhalten werden kann. Der korrigierte gemessene Wert wird durch Verwenden des Betriebs in der folgenden Formel erhalten, unter Verwendung des Korrekturkoeffizienten Ki, der durch Verwenden dieser Kalibrierung erhalten wird.
Y dut = Ki·Gi·I/V (2)
Das herkömmliche Verfahren zum Ausführen einer Kalibrierung für jeden Meßbereich, das so viele Standards geliefert hat, wie es Bereiche gab, umfaßte eine große Anzahl von Standards. Die Kosten und die Verwaltung im Zusammenhang mit einem solchen Verfahren und auch die Anzahl von Schritten, die in dem Kalibrierungsprozeß beteiligt waren, waren sowohl für den Hersteller als auch für den Benutzer mühsam.
Daher war eine Vorrichtung oder eine Funktion, die durch die Verwendung eines einzigen Standards kalibriert werden kann, sowohl für den Hersteller als auch für den Benutzer ideal. Wenn jedoch die herkömmliche Impedanzmeßvorrichtung unter Verwendung eines einzigen Standards kalibriert wurde, konnte die Kalibrierung geeigneterweise nur innerhalb eines bestimmten Bereichs ausgeführt werden. Es gab jedoch einen Bedarf an Kalibrierung in anderen Bereichen, unter Bedingungen, die nicht einmal 1% des Vollausschlags erfüllten. Es ist unnötig zu sagen, daß dieser Typ von Kalibrierungsverfahren nicht bei einer Impedanzmeßvorrichtung angewendet werden kann, die einen breiten Meßbereich abdeckt.
The Article Proceedings of the Instrumentation and Measurement Technology Conference, San Diego, 20.-22. April 1988, Nr. 1988, 20. April 1988, IEEE, S. 292-296, XP000044852 Goeke W C: "High Performance Digital Multimeter with "Internal Calibration" IEEE Catalog Nr. 88CH2569-2 offenbart eine Impedanzvorrichtung in der Form eines digitalen Multimeters mit einer Mehrzahl von Meßbereichen und einer Bezugsimpedanzeinrichtung mit einem steuerbaren Auswahlschalter. Die Offenbarung dieses Dokuments entspricht im allgemeinen dem Einführungsteil von Anspruch 1. Die GB-A-2246639 offenbart einen LCR-Messer mit einer gewöhnlichen Meßschaltung und einer Mehrzahl von auswählbaren Standardwiderständen.
Probleme, die die vorliegenden Erfindung zu lösen versucht:
Eine Impedanzmeßvorrichtung erfordert mehrere Kalibrierungsstandards, um mehrere Meßbereiche zu kalibrieren, und für diesen Kalibrierungsprozeß ist eine lange Zeit erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Impedanzmeßvorrichtung zu liefern, die in der Lage ist, durch Verwenden eines einzigen Impedanzstandards eine Kalibrierung von mehreren Impedanzmeßbereichen einfach und schnell durchzuführen.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Anspruch 1 bzw. 8 definiert.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Impedanzmeßvorrichtung mit einer Gruppe von Bezugsimpedanzen versehen. Der relative Fehler zwischen den Meßbereichen wird unter Verwendung der Bezugsimpedanzen automatisch intern korrigiert. Durch Kalibrieren eines einzigen Bereichs unter Verwendung eines einzigen Impedanzstandards kann eine absolute Kalibrierung aller Bereiche ausgeführt werden.
Wenn eine Messung einer Bezugsimpedanz weniger als eine Vollausschlaganzeige auf einer Meßvorrichtung erzeugt, werden Fehler, die sich von der Auflösung, der Linearität und dem Signal/Rausch-Verhältnis ergeben, durch die Bereiche ausgebreitet und akkumulieren sich. Um dies zu vermeiden, wird ein Signalnormierungsteil vor den A-D-Wandler und den Frequenzwandler plaziert, wo solche Fehler auftreten, und vermeidet somit eine Anzeige von viel weniger als dem Vollausschlag.
Fig. 1 zeigt ein zweites praktisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung, die beim Erklären der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
Fig. 3 zeigt ein erstes praktisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel des Stands der Technik.

Erklärung der Bezugszeichen

10: zu testendes Gerät
11: Meßanschluß
12: Meßanschluß
20: Referenzwiderstandsteil
21: Widerstand
22: Widerstand
23: Schalter
24: Schalter
30: Strom-/Spannungswandler
31: Verstärker
32: erster Bereichswiderstand
33: zweiter Bereichswiderstand
34: dritter Bereichswiderstand
35: Schalter
40: Signalnormierungsteil
41: Verstärker
42: Widerstand
43: Widerstand
44: Schalter
51: Testsignalquelle
52: Frequenzwandler
53: lokales Signal
60: Signalnormierungsteil
61: Transformator
62: Verstärker
63: Schalter
70: A-D-Wandler
71: Schalter
Fig. 2 zeigt ein Beispiel, das beim Erklären der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Die Bezugszeichen sind die gleichen wie für die Konfigurationselemente der in Fig. 4 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung.
Dieses Beispiel verwendet einen Widerstand als die Bezugsimpedanz für die Messung des relativen Fehlers zwischen den Bereichen. Anders als der Stand der Technik, der in Fig. 4 dargestellt ist, sind ein Referenzwiderstandsteil 20 und ein Schalter 24 hinzugefügt, der zwischen das Referenzwiderstandsteil 20 und das DUT 10 geschaltet ist. Außerdem gibt es keinen Bedarf, die Widerstände 21 und 22 in dem Referenzwiderstandsteil 20 zu kalibrieren. Außerdem gibt es keinen Bedarf an Langzeitstabilität.
Um das Verständnis zu erleichtern, wird die Anzahl der Meßbereiche bei drei festgelegt, wobei eine Zuweisung für jeden Bereich bei zehnfachen Intervallen durchgeführt wird und 100 mS für den Vollausschlag des ersten Bereichs, 10 mS für den Vollausschlag des zweiten Bereichs und 1 mS für den Vollausschlag des dritten Bereichs spezifiziert werden.
Das Verfahren zum Kalibrieren des absoluten Fehlers aller Bereiche durch Messen des relativen Fehlers unter den Bereichen ist wie folgt. Es wird ausgeführt durch Steuern von der Arithmetik- und Steuereinheit (in der Figur nicht gezeigt).
Zunächst beginnen wir mit Verbinden des Schalters 24 mit der Seite C (Referenzwiderstandteilseite), wie es in Fig. 2 angezeigt ist, Messen des Referenzwiderstandteils 20 und Kalibrieren des relativen Fehlers zwischen den Bereichen. Der 10-mS-Referenzwiderstand 21 wird unter Verwendung des Schalters 23 ausgewählt. Der Schalter 35 wird in dem 100- mS-Bereich (erster Bereich) plaziert und der Referenzwiderstand 21 wird bei einer Admittanzskala von 10% gemessen.
Danach läßt man den Schalter 23 den 10-mS- Referenzwiderstand auswählen, plaziert den Schalter 35 in dem 10-mS-Bereich (zweiter Bereich) und mißt den Vollausschlag.
Mit einem gemessenen Wert von Y1 für den ersteren und Y2 für den letzteren wird K 12, das Verhältnis der Korrekturkoeffizienten K1 und K2 in der Formel (2), von der folgenden Formel erhalten.
K 12 = K1/K2 = Y2/Y1 (3)
Nachfolgend kann K 23 (= K2/K3) gefunden werden durch Auswählen des 1-mS-Referenzwiderstands 22 unter Verwendung des Schalters 23 und Ausführen einer Messung in dem 10-mS- Bereich (zweiter Bereich) und dem 1-mS-Bereich (dritter Bereich).
Der relative Fehler zwischen all diesen Bereichen kann auf diese Weise bestimmt werden. Der Schalter 24 wird zu der Seite M hinuntergebracht (Meßanschlußseite) und der Kalibrierungsstandard wird in dem geeigneten Bereich gemessen, so daß eine Kalibrierung für den absoluten Wert aller Bereiche abgeschlossen werden kann. Beispielsweise bekommt man mit einem gemessenen Wert von Y std in dem zweiten Bereich die folgenden Korrekturkoeffizienten:
K2 = Y std/(G2·(I/V))
K1 = K 12·K2
K3 = K2/K 23
Wie vorher angezeigt wurde, können durch nacheinanderfolgendes Schalten der Bezugsimpedanzen, die in die Impedanzmeßvorrichtung eingebaut sind, alle Bereiche durch Steuern von dem Arithmetik- und Steuerteil automatisch kalibriert werden.
Ferner kann eine Kalibrierung ausgeführt werden, sogar in einer Sequenz entgegengesetzt zu derjenigen, die zum Kalibrieren der vorher erwähnten Bereiche verwendet wird. Dies bedeutet zunächst das Bewerten des Referenzwiderstands bei vollem Ausschlag und dann Kalibrieren 10% des Bereichs unter Verwenden des Referenzwiderstands. Eine Sequenz, durch die eine Kalibrierung zuerst ausgeführt wird, unter Verwendung des Standardwiderstands, kann auch angepaßt werden.
Bei dem Beispiel von Fig. 2 ist eine Messung bei 10% des Vollausschlags (hierin nachfolgend in abgekürzter Form als "10%-Messung" bezeichnet) derart, daß die Meßgenauigkeit abnimmt im Vergleich zu dem Fall, wenn Vollausschlag verwendet wird. Als Folge werden Fehler durch die Bereiche ausgebreitet, während die oben erwähnten Kalibrierungs- und Bewertungsprozesse wiederholt werden, und diese Fehler akkumulieren sich und machen das Verfahren somit fehlerhaft. Die Hauptursache der Fehler ist die Verschlechterung des Signal-/Rausch- (SN = signal to noise) Verhältnisses, der Auflösung und der Linearität, wenn eine 10%-Messung ausgeführt wird.
Das auftretende Rauschen besteht aus thermischen Rauschen und "Schrot"-Rauschen von jedem der Elemente, die die Schaltung bilden, und tritt auf überlagerte Weise auf den Signalen auf. Bei der 10%-Messung ist das SN-Verhältnis 1/10 desjenigen des Vollausschlags. Gemäß den statistischen Prinzipien von Gausschem Rauschen ist eine Meßzeit von zehnmal der des Vollausschlags erforderlich, um eine Meßreproduzierbarkeit (Meßfehlerstandardabweichung) gleich derjenigen bei einem Vollausschlag zu erreichen. Wenn die Signale sind, beeinträchtigen die Quantisierungsschrittgröße des A-D-Wandlers und auch seine Nichteinheitlichkeit die Meßauflösung und Linearität nachteilig. Wenn die 10%- Messung nach einem einfachen Modell verwendet wird, verzehnfachen sich die Fehler, die sich daraus ergeben.
Als Folge ist eine Erhöhung des Fehlers unvermeidbar, selbst wenn die Kalibrierungszeit erhöht wird. Dieses Beispiel ist für eine Kalibrierung einer Impedanzmeßvorrichtung mit einer hochgenauen Messung oder einem breiten Meßbereich nicht geeignet.
Fig. 3 zeigt ein erstes praktisches Ausführungsbeispiel der Einrichtung an, die verwendet wird, um die Probleme zu lösen, die sich bei dem obigen Beispiel ergeben. Die Sequenz zum Kalibrieren des Referenzwiderstandteils 20 und der Fehler zwischen den Bereichen ist gleich wie bei dem obigen Beispiel. Hier werden ebenfalls drei Meßbereiche spezifiziert und ein zehnfaches Intervall für die Impedanz, die für jeden der Bereiche vorgenommen wird, um das Verständnis des praktischen Ausführungsbeispiels zu erleichtern. Es sollte jedoch keinesfalls so aufgefaßt werden, daß die Anzahl der Messbereiche, der Intervalle und der Impedanzen auf diese beschränkt sind.
Um jede Akkumulation von Fehlern zu eliminieren, die sich aus der Verschlechterung der Auflösung und der Linearität des A-D-Wandlers 70 ergibt, wird an die Vorderstufe des A- D-Wandlers 70 eine Signalnormierungseinrichtung 60 angehängt. Die Signalnormierungseinrichtung 60 ist mit einem Transformator 61, einem Verstärker 62 und einem Schalter 63 versehen. Bei dem in Fig. 3 angezeigten Beispiel liefert der Transformator 61 einen 1/10-Abwärtsschritt der Eingangsspannung an einem Ausgangsanschluß, und die Verstärkung des Verstärkers 62 ist bei 10 eingestellt. Als Folge, wenn der Schalter 63 verwendet wird, um · 10 auszuwählen, wie es in Fig. 3 angezeigt ist, wird der Gewinn der Signalnormierungseinrichtung 60 zehnfach erhöht. Wenn der Schalter 63 verwendet wird, um · 1 auszuwählen, ist der Gewinn der Signalnormierungseinrichtung 60 eins.
Wenn eine Fehlerkorrektur für die verschiedenen Bereiche durchgeführt wird, wenn der Gewinn der Signalnormierungseinrichtung 60 eins für Vollausschlagmessung und zehnfach für eine 10%-Messung ist, wird das Eingangssignal für den A-D-Wandler 70 zu Vollausschlag normiert. Als Folge ist der offensichtliche dynamische Bereich für den A-D-Wandler merklich verbessert und alle Fehler, die durch die Verschlechterung der Auflösung der Linearität bewirkt werden, sind eliminiert.
Beim Betrachten der Genauigkeit des Gewinns der Signalnormierungseinrichtung 60 sind es nicht die Einfach- und Zehnfachwerte selbst, die wichtig sind, sondern statt dessen das Gewinnverhältnis. Da der Transformator in der Lage ist, eine Spannungsteilung des Ganzzahlverhältnisses bei einem Fehler von mehreren ppm auszuführen, muß der Gewinn der Signalnormierungseinrichtung 60 nicht kalibriert werden, solange ein Transformator verwendet wird.
Ferner kann der Transformator 61 der Signalnormierungseinrichtung 60 durch einen Widerstandsteiler ersetzt werden, abhängig von der Meßgenauigkeit oder der Meßfrequenz der Impedanzmeßvorrichtung.
Nachfolgend wird ein zweites praktisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung präsentiert. Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Breitfrequenzbandimpedanzmeßvorrichtung an, deren Meßfrequenz 100 Hz bis 100 MHz ist.
Es werden drei Meßbereiche spezifiziert, um das Verständnis der Vorrichtung zu erleichtern, obwohl es auf keinen Fall so aufgefaßt werden soll, daß die Anzahl von möglichen Bereichen auf drei beschränkt ist.
Herkömmliche Hochfrequenzbandimpedanzmeßvorrichtungen werden oft mit Superheterodynsystemen realisiert. Bei dem Superheterodynsystem wird die Mischfrequenz mit lokalen Signalen 53 gemischt und an dem Frequenzwandler 52 zu einer Zwischenfrequenz umgewandelt. Dann wird dieselbe unter Verwendung eines A-D-Wandlers 70 gemessen.
Das Signalnormierungsteil 60 ist an der Zwischenfrequenzstufe an dem Eingang des A-D-Wandlers 70 vorgesehen, um jede Akkumulation von Fehlern zu eliminieren, die sich von der Verschlechterung der Auflösung und der Linearität des A-D-Wandlers 70 ergibt. Die Signalnormierungseinrichtung 60 arbeitet auf die gleiche Weise wie das Signalnormierungsteil 60 bei dem ersten praktischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wenn jedoch das Heterodynsystem verwendet wird, kann das Problem, das das SN-Verhältnis betrifft, nicht einfach durch Anhängen der Signalnormierungseinrichtung 60 an den Eingang des A-D-Wandlers 70 gelöst werden, wie es oben erwähnt wurde. Wenn das Heterodynsystem verwendet wird, ist das SN-Verhältnis normalerweise durch den dynamischen Bereich des Frequenzwandlers 52 beschränkt. Wenn eine 10%- Messung ausgeführt wird, wird das SN-Verhältnis 1/10 desjenigen, das auftritt, wenn eine Vollausschlagmessung ausgeführt wird. Hundertmal die Meßzeit wie für eine Vollausschlagmeßaktion ist erforderlich, um die gleiche Standardabweichung für einen Meßfehler wie für eine Vollausschlagmessung zu erhalten.
Falls somit an dem Vorderabschnitt des Frequenzwandlers 52 ein weiteres Signalnormierungsteil in die Testfrequenzstufe plaziert wird, und der Gewinn während einer 10%-Messung der Kalibrierung für die relativen Fehler zwischen den Bereichen bei · 10 eingestellt wird, ist klar, daß das SN- Verhältnis verbessert werden kann. Das Signalnormierungsteil 40, das in Fig. 1 angezeigt ist, zeigt eine solche Konfiguration an. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist ein Signalnormierungsteil 40 mit einem Spannungsteiler versehen, der aus Widerständen 43 und 42, einem Schalter 44 und einem Verstärker 41 besteht. Falls der Gewinn für die 10%-Messung bei zehnfach eingestellt ist, wie es für das Signalnormierungsteil 60 der Fall war, kann das Rauschproblem, das zwischen Frequenzwandler 52 bewirkt wird, gelöst werden.
Es ist jedoch nicht möglich, einen Spannungsteiler einer ppm-Größenordnung zu machen, der keine Kalibrierung innerhalb eines breiten Bands von 100 Hz bis 100 MHz erfordert. Daher muß das Spannungsteilungsverhältnis für das Signalnormierungsteil 40 auf die gleiche Weise kalibriert werden wie der Impedanzbereich.
Falls beispielsweise das Signalnormierungsteil 40 auf x10 und x1 geschaltet wird, mit einer Einstellung (10%-Messung) zum Messen eines 1-mS-Referenzwiderstands bei einem 10-mS- Bereich und falls das Signalnormierungsteil 60 an der Zwischenfrequenzstufe in Übereinstimmung mit diesem zu x1 und x10 geschaltet wird, und die Messung ausgeführt wird, gibt es keine Verschlechterung bei der A-D-Umwandlung und das genaue Gewinnverhältnis kann für den Signalnormierungsteil 40 gefunden werden.
Da das S/N-Verhältnis in dem Frequenzwandler 52 mit einem Gewinn von · 1 wie üblich schlecht ist, ist trotzdem eine 100fache Meßzeit erforderlich, um dieses Signalnormierungsteil 40 zu kalibrieren. Selbst mit einer 100fachen erforderlichen Kalibrierungszeit können jedoch die folgenden zwei Effekte für den Signalnormierungsteil 40 erhalten werden.
Beim Kalibrieren einer Impedanzmeßvorrichtung mit einer N Anzahl von Meßbereichen sind N - 1 Male für eine 10%- Messung erforderlich. Im Gegensatz dazu muß eine 10%- Messung, die zum Kalibrieren des Signalnormierungsteils 40 erforderlich ist, nur einmal ausgeführt werden, so daß die Kalibrierungszeit verkürzt werden kann.
Der zweite Effekt ergibt sich von den Anforderungen zum Korrigieren der Frequenzcharakteristika für die Breitfrequenzbandimpedanzmeßvorrichtung. Wenn es mehr als einen Bereichswiderstand gibt und die Werte derselben einen weiten Bereich abdecken, gibt es in den verschiedenen Bereichen große Unterschiede bei den Frequenzcharakteristika aufgrund einer parasitären Kapazität und der Umschaltschaltung. Aus diesem Grund sind eine große Anzahl von Kalibrierungsfrequenzpunkten erforderlich, selbst unter der Annahme, daß in der Frequenz eine Interpolation ausgeführt wurde. Andererseits kann das Signalnormierungsteil 40 mit einer einfachen Schaltung konfiguriert werden, was somit zu flachen Frequenzcharakteristika führt. Die Kalibrierungsfrequenzpunkte, die erforderlich sind, um alle Frequenzbänder des Signalnormierungsteils 40 zu interpolieren und zu korrigieren, können in etwa 1/10 derjenigen relativ zu dem Bereich sein.
Oben wurde ein praktisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung präsentiert, das die Probleme löst, die sich bei einer 10%-Messung ergeben, auf der Basis eines Beispiels einer Breitbandimpedanzmeßvorrichtung. Die Probleme mit Fehlern, die sich bei einer A-D-Umwandlung ergeben, wurden gelöst, und die Zeit, die erforderlich ist, um das SN-Verhältnis sicherzustellen, wurde verkürzt. Die Kalibrierungszeit, die sich zweidimensional in einer Kombination der Bereichsrichtung und der Frequenzrichtung erhöht, wurde verkürzt, so daß dieselbe praktisch eindimensional ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird entweder bevor oder nachdem eine Kalibrierung für die relativen zwischen den verschiedenen Bereichen ausführt wurde, ein einziger Kalibrierungsstandard zwischen die Meßanschlüsse 11 und 12 geschaltet, dieser wird in dem geeigneten Bereich gemessen und eine absolute Kalibrierung wird ausgeführt. Nachfolgend werden die Bedingungen erörtert, die sich auf diesen Standard beziehen.
Es ist klar, daß es relativ einfach ist, den Widerstand zu handhaben, der einen Vollausschlag innerhalb eines bestimmten Bereichs als den Kalibrierungsstandard für eine Breitfrequenzbandimpedanzmeßvorrichtung liefert. Trotzdem ist dies auf keinen Fall auf den Widerstand beschränkt. Fallsein Bereich auf einen absoluten Wert kalibriert wird, erstreckt sich die Absolut-Wert-Kalibrierung aufgrund der Relativ-Wert-Kalibrierungsfunktion auf alle Bereiche. Falls eine "automatische Bereichseinstellung" ausgeführt wird, während die Frequenz "wobbelt", kann folglich auch ein Standardkondensator verwendet werden.
Es sollte jedoch klar sein, daß in diesem Fall das Durchführen einer feineren Einstellung für das Gewinnschalten für die Signalnormierungsteile 40 und 60 eine höhere Wahrscheinlichkeit liefert, jederzeit in der Lage zu sein, eine Spannung in den A-D-Wandler 70 einzugeben, die näher zu dem Vollausschlag ist, und die somit effektiver ist.
Obwohl bereits praktische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung geliefert werden, sollte auf keinen Fall davon ausgegangen werden, daß die vorliegende Erfindung auf die Verfahren zum Darstellen, Anordnen und Einrichten des Geräts beschränkt ist, und auch auf alle anderen verwandten Aspekte, die hierin vorgelegt werden.
Wie bereits erklärt wurde, falls die vorliegende Erfindung verwendet wird, kann eine Impedanzmeßvorrichtung, die so konfiguriert ist, daß ein breiter Impedanzbereich durch mehrere Bereiche abgedeckt ist, einfach und schnell unter Verwendung eines einzigen Impedanzstandards kalibriert werden. Die vorliegende Erfindung ist ferner effektiv für Breitfrequenzbandimpedanzmeßvorrichtungen und der Typ von Kalibrierungsstandard ist nicht auf Widerstand oder Kondensator beschränkt.
Außerdem ist es möglich, nicht nur die Vorrichtung schnell zu kalibrieren oder einzustellen, wenn dieselbe hergestellt und versandt wird, sondern auch der Endnutzer kann die Vorrichtung auf der Basis dieser bestehenden Standards ohne weiteres neu kalibrieren. Die Vorrichtung kann auch im Vergleich zu einer herkömmlichen, die mehrere Standards benötigt, praktisch und wirksam verwendet werden, weil die vorliegende Vorrichtung nur einen Standard benötigt und die Verfolgbarkeit und Einheitlichkeit zwischen Bereichen verbessert.

Claims

1. Eine Impedanzmeßvorrichtung zum Messen einer Impedanz eines zu testenden Geräts, DUT (10), durch die Verwendung einer Mehrzahl von Meßbereichen, wobei die Vorrichtung eine Testsignalquelle (51), eine Impedanzmeßeinrichtung, die angeordnet ist, um einen Strom, der durch das DUT fließt, und die Spannung über dem DUT zum Berechnen der Impedanz des DUT zu messen, und zumindest eine Referenzimpedanz (21, 22) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner folgende Merkmale umfaßt:

einen Strom/Spannungs-Wandler (30) mit einer Verstärkung auf der Basis von einem von einer Mehrzahl von Meßbereichswiderständen (32, 33, 34), die selektiv geschaltet sind, um die Mehrzahl von Meßbereichen zu liefern;

eine Schalteinrichtung (24) zum selektiven Verbinden des DUT (10) oder der Referenzimpedanz (21, 22) mit der Testsignalquelle (51) und dem Strom/Spannungs- Wandler (30); und

eine Signalnormalisierungseinrichtung (60), die mit dem Ausgang des Strom/Spannungs-Wandlers (30) verbunden ist, und eine schaltbare Verstärkung aufweist, zum Liefern eines zu vollem Ausmaß normalisierten Ausgangsssignals an die Impedanzmeßeinrichtung.

2. Die Impedanzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Umwandlungseinrichtung (52) umfaßt, die zwischen dem Ausgang des Strom/Spannungs-Wandlers (30) und einem Eingang der Signalnormalisierungseinrichtung (60) zum Umwandeln von Testsignalfrequenzen gekoppelt ist, die durch das DUT (10) oder die Referenzimpedanz (21, 22) mit Zwischensignalfrequenzen gekoppelt sind.

3. Die Impedanzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 2, die ferner eine Signalnormalisierungsschaltung (40) umfaßt, die zwischen dem Ausgang des Strom/Spannungs- Wandlers (30) und einem Eingang der Umwandlungseinrichtung (52) gekoppelt ist.

4. Die Impedanzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Signalnormalisierungsschaltung (40) mit mehreren Widerständen (42, 43), die als ein Spannungsteiler konfiguriert sind, eine Verstärkungseinrichtung (41) und einer Schalteinrichtung (44) an einem Eingang zu der Verstärkungseinrichtung (41) versehen ist, wobei die Schalteinrichtung (44) die Verstärkung der Signalnormalisierungsschaltung (40) durch selektives Ändern der Verbindung mit den mehreren Widerständen (42, 43) ändert.

5. Die Impedanzmeßvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Signalnormalisierungseinrichtung (60) mit einem Transformator (61), einer Verstärkungseinrichtung (62) und einer Schalteinrichtung (63) an einem Eingang zu der Verstärkungseinrichtung versehen ist, und wobei die Schalteinrichtung (63) die Verstärkung der Signalnormalisierungseinrichtung durch selektives Ändern der Verbindung mit dem Transformator ändert.

6. Die Impedanzmeßvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Einrichtung zum Bewerten der Referenzimpedanz (21, 22) in einem ersten Meßbereich und einem zweiten Meßbereich umfaßt, und zum Finden eines relativen Fehlers zwischen einem ersten Wert für die Referenzimpedanz, die in dem ersten Meßbereich gemessen wird, und einem zweiten Wert für die Referenzimpedanz, die in dem zweiten Meßbereich gemessen wird, und zum Schalten der Verstärkung der Signalnormalisierungseinrichtung (60), um dadurch das zu vollen Ausmaß normalisierte Ausgangssignal zu liefern.

7. Die Impedanzmeßvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zumindest eine Referenzimpedanz (21, 22) ein Widerstand ist.

8. Ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzmeßvorrichtung, das folgende Schritte umfaßt:

a) Verwenden eines Strom/Spannungs-Wandlers (30) mit einer Verstärkung, die geschaltet wird, um eine Mehrzahl von Meßbereichen zu liefern;

b) Verwenden einer Normalisierungseinrichtung (60), die mit dem Strom/Spannungs-Wandler verbunden ist und eine schaltbare Verstärkung aufweist, zum Liefern eines zu vollem Maß normalisierten Ausgangssignals zu einer Impedanzmeßeinrichtung;

c) Messen einer Referenzimpedanz (21, 22) in jedem der Mehrzahl von Meßbereichen, und Finden relativer Fehler zwischen Werten, die in der Mehrzahl von Meßbereichen gemessen werden;

d) Messen eines einzelnen Impedanzstandards und Kalibrieren eines einzelnen Meßbereichs; und

e) Verwenden des einzelnen Meßbereichs, wie er in Schritt d) kalibriert wurde, als einen Standard, um einen anderen Meßbereich zu kalibrieren.