JP2011038969A - インピーダンス測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ノイズ環境下でも測定対象体のインピーダンスを正確に測定可能とする。
【解決手段】交流電圧Vacの印加時に測定対象体11に流れる電流信号Iを電圧信号V1に変換する電流電圧変換部3と、電圧信号V1を分圧比kで電圧信号V2に分圧する降圧部4と、電圧信号V1をデジタルデータD1に変換するA/D変換部5と、電圧信号V2をデジタルデータD2に変換するA/D変換部6と、電圧検出部7によって検出された測定対象体11の両端電圧V3をデジタルデータD3に変換するA/D変換部8と、デジタルデータD1に基づいてA/D変換部5の飽和状態を検出すると共に、飽和状態の検出時に飽和状態の期間におけるデジタルデータD2に分圧比kの逆数を乗算して得られるデータでこの期間のデジタルデータD1を置き換えることによってデジタルデータD1を再生してインピーダンスZを算出する処理部9とを備えている。
【選択図】図1
【解決手段】交流電圧Vacの印加時に測定対象体11に流れる電流信号Iを電圧信号V1に変換する電流電圧変換部3と、電圧信号V1を分圧比kで電圧信号V2に分圧する降圧部4と、電圧信号V1をデジタルデータD1に変換するA/D変換部5と、電圧信号V2をデジタルデータD2に変換するA/D変換部6と、電圧検出部7によって検出された測定対象体11の両端電圧V3をデジタルデータD3に変換するA/D変換部8と、デジタルデータD1に基づいてA/D変換部5の飽和状態を検出すると共に、飽和状態の検出時に飽和状態の期間におけるデジタルデータD2に分圧比kの逆数を乗算して得られるデータでこの期間のデジタルデータD1を置き換えることによってデジタルデータD1を再生してインピーダンスZを算出する処理部9とを備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、測定対象体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関するものである。
測定対象体に交流電圧を印加してそのインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置には、例えば下記特許文献1に開示されたインピーダンス測定装置の構成が一般的に採用されている。このインピーダンス測定装置51について図3を参照して説明すると、インピーダンス測定装置51は、振幅および周期が一定の正弦波信号である交流電圧Vacを試験電圧信号として生成して測定対象体11に印加する信号源2と、交流電圧Vacの印加時に測定対象体11に流れる電流信号Iを電圧信号V1に変換して出力する電流電圧変換部3と、電圧信号V1をデジタルデータD1に変換して出力するA/D変換部5と、測定対象体11に電流信号Iが流れることに起因して測定対象体11の両端間に発生する電圧信号(両端電圧)V3を検出して電圧信号V3として出力する電圧検出部7と、電圧信号V3をデジタルデータD3に変換して出力するA/D変換部8と、測定対象体11に流れる電流信号Iを示すデジタルデータD1および両端電圧V3を示すデジタルデータD3に基づいて、測定対象体11のインピーダンスZを算出する処理部(演算制御部)52とを備えている。
このインピーダンス測定装置51では、処理部52が、デジタルデータD1に基づいて電流信号Iの実効値を算出すると共に、デジタルデータD3に基づいて両端電圧V3の実効値を算出し、かつデジタルデータD1およびデジタルデータD3に基づいて電流信号Iと両端電圧V3との間の位相差を算出して、算出したこの2つの実効値と位相差とに基づいて、インピーダンスZを算出して出力する(例えば、表示部10などに表示させる)。
ところが、上記のインピーダンス測定装置51には、以下の課題が存在している。すなわち、このインピーダンス測定装置51では、図示はしないが、測定対象体11に流れる電流信号Iを電圧信号V1に変換する際のゲインを規定する電流電圧変換部3の帰還抵抗(具体的には、電流電圧変換部3を構成する演算増幅器3aの帰還抵抗)3bについては、いくつかの抵抗の中から電流信号Iの振幅に応じて選択できる構成が採用されており、これによってA/D変換部5に対して理想的な振幅(A/D変換部5の分解能を最も有効に利用できる振幅、つまり、この振幅の最大値がA/D変換部5の入力電圧範囲の最大値に近くなる振幅)で電圧信号V1を入力し得るようになっている。
しかしながら、上記のように電流電圧変換部3の帰還抵抗3bが選択されている状況において、インピーダンス測定装置51がノイズ環境下で使用されたときには、電流信号Iがノイズの影響を受けて(ノイズが重畳して)振幅が変化し、これによって電圧信号V1の振幅がA/D変換部5の入力電圧範囲を超える状態、つまり、A/D変換部5が飽和する状態が発生する。このため、このインピーダンス測定装置51には、ノイズ環境下で使用された場合に、A/D変換部5の飽和に起因して、正確なデジタルデータD1を得ることができない結果、インピーダンスZの測定精度が低下するという解決すべき課題が存在している。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ノイズ環境下で使用されたとしても、測定対象体のインピーダンスを正確に測定し得るインピーダンス測定装置を提供することを主目的とする。
上記目的を達成すべく請求項1記載のインピーダンス測定装置は、試験電圧信号を生成して測定対象体に印加する信号源と、前記試験電圧信号が印加されているときに前記測定対象体に流れる電流信号を第1電圧信号に変換して出力する電流電圧変換部と、前記第1電圧信号を所定の比率で降圧して第2電圧信号として出力する降圧部と、前記第1電圧信号を第1デジタルデータに変換して出力する第1A/D変換部と、前記第2電圧信号を第2デジタルデータに変換して出力する第2A/D変換部と、前記測定対象体に前記電流信号が流れることに起因して当該測定対象体の両端間に発生する両端電圧を検出して第3電圧信号として出力する電圧検出部と、前記第3電圧信号を第3デジタルデータに変換して出力する第3A/D変換部と、前記第1電圧信号および前記第1デジタルデータのうちのいずれか一方に基づいて前記第1A/D変換部が飽和状態にあることを検出する飽和検出部と、前記測定対象体に流れる前記電流信号を示す前記第1デジタルデータおよび前記両端電圧を示す前記第3デジタルデータに基づいて、当該測定対象体のインピーダンスを算出する処理部とを備え、前記処理部は、前記飽和検出部によって前記第1A/D変換部が飽和状態にあると検出されたときに、当該飽和状態の期間における前記第2デジタルデータに前記所定の比率の逆数を乗算して得られるデジタルデータで当該期間の前記第1デジタルデータを置き換えることによって前記第1デジタルデータを再生し、当該再生した第1デジタルデータに基づいて前記測定対象体のインピーダンスを算出する。
請求項1記載のインピーダンス測定装置では、測定対象体に流れる電流信号を電流電圧変換部で第1電圧信号に変換し、この第1電圧信号を第1A/D変換部が第1デジタルデータに変換して処理部に出力すると共に、降圧部によって所定の比率で降圧された第1電圧信号(つまり第2電圧信号)を第2A/D変換部が第2デジタルデータに変換して処理部に出力する。また、飽和検出部が、第1A/D変換部が飽和状態になったか否かを検出し、処理部が、飽和検出部によって第1A/D変換部が飽和状態にあると検出されたときに、飽和状態の期間における第2デジタルデータに所定の比率の逆数を乗算して得られるデジタルデータでこの期間の第1デジタルデータを置き換えることによって第1デジタルデータを再生し、この再生した第1デジタルデータに基づいて測定対象体のインピーダンスを算出する。したがって、このインピーダンス測定装置によれば、処理部が、この再生後の第1デジタルデータと、測定対象体の両端電圧を示す第3デジタルデータとに基づいて、測定対象体のインピーダンスを算出するため、ノイズ環境下においても、測定対象体のインピーダンスを正確に測定することができる。
以下、インピーダンス測定装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
最初に、インピーダンス測定装置1の構成について、図面を参照して説明する。図1に示すインピーダンス測定装置1は、信号源2、電流電圧変換部3、降圧部4、第1A/D変換部5、第2A/D変換部6、電圧検出部7、第3A/D変換部8、処理部9および表示部10を備え、測定対象体11のインピーダンスZを測定可能に構成されている。
信号源2は、図1に示すように、例えばプローブ12を介して測定対象体11の一端側(同図中の左端側)に接続される。また、信号源2は、例えば、周波数および振幅が一定の交流電圧Vac(本例では一例として正弦波信号)を試験電圧信号として生成すると共に、生成している交流電圧Vacをプローブ12を介して測定対象体11の一端側に印加(出力)する。電流電圧変換部3は、一例として、演算増幅器3aおよび帰還抵抗3bで構成されている。本例では、演算増幅器3aは、非反転入力端子がインピーダンス測定装置1における基準電位(本例ではグランド電位)に規定された部位(グランド)に接続され、反転入力端子はプローブ13を介して測定対象体11の他端側(同図中の右端側)に接続される。また、演算増幅器3aは、反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗3bが接続されている。これにより、電流電圧変換部3は、交流電圧Vacが印加されているときに測定対象体11に流れる電流信号Iを帰還抵抗3bで第1電圧信号V1に変換して出力する。この場合、帰還抵抗3bの抵抗値は、第1A/D変換部5に対して理想的な振幅(第1A/D変換部5の分解能を最も有効に利用できる振幅、つまり、この振幅の最大値が第1A/D変換部5の入力電圧範囲の最大値に近い値となる振幅)で第1電圧信号V1を出力し得る値に規定されている。
降圧部4は、入力した第1電圧信号V1を所定の比率で降圧して第2電圧信号V2を生成し、生成した第2電圧信号V2を第2A/D変換部6に出力する。本例では一例として、降圧部4は、演算増幅器3aの出力端子とグランドとの間に直列に接続された2本の抵抗4a,4bで構成されて、第1電圧信号V1を所定の比率(分圧比k(<1))で分圧することによって降圧して第2電圧信号V2として出力する。この場合、降圧部4の比率(分圧比)は、第1電圧信号V1がノイズの影響を受けて(ノイズが重畳して)振幅が変化したとしても、第2A/D変換部6の入力電圧範囲を超えないように規定されている。なお、降圧部4は、ゲインが1未満に設定された増幅器で構成することもできる。
第1A/D変換部5および第2A/D変換部6は本例では同一のA/D変換器で構成されて、同一のサンプリングクロック(不図示)でサンプリング動作を実行する。本例では、第1A/D変換部5は、第1電圧信号V1をサンプリングすることにより、第1電圧信号V1の電圧値を示す第1デジタルデータD1に変換して処理部9に出力する。また、第2A/D変換部6は、第2電圧信号V2をサンプリングすることにより、第2電圧信号V2の電圧値を示す第2デジタルデータD2に変換して処理部9に出力する。
電圧検出部7は、測定対象体11に電流信号Iが流れることに起因して測定対象体11の両端間に発生する両端電圧V3を検出して第3電圧信号(一例として、両端電圧V3と同一電圧の信号。以下、「第3電圧信号V3」ともいう)として出力する。本例では、上記したように、電流電圧変換部3の演算増幅器3aにおける反転入力端子がバーチャルショートによってグランド電位に規定されている、つまり、この反転入力端子とプローブ13を介して接続される測定対象体11の他端側(同図中の右端側)がグランド電位に規定されているため、第3電圧信号V3は交流電圧Vacと一致した状態となっている。第3A/D変換部8は、本例では一例として、第1A/D変換部5および第2A/D変換部6と同じサンプリングクロックでサンプリング動作する。また、第3A/D変換部8は、第3電圧信号V3をサンプリングすることにより、第3電圧信号V3の電圧値を示す第3デジタルデータD3に変換して処理部9に出力する。
処理部9は、CPUおよび内部メモリ(いずれも図示せず)で構成されて、各デジタルデータD1,D2,D3を内部メモリに記憶する記憶処理と、第1デジタルデータD1に基づいて第1A/D変換部5が飽和状態にあるか否かを検出する飽和検出処理と、第1A/D変換部5が飽和状態にある期間の第1デジタルデータD1を第2デジタルデータD2を用いて再生する再生処理と、第1デジタルデータD1に含まれているノイズを除去するフィルタリング処理と、ノイズが除去された第1デジタルデータD1、および第3デジタルデータD3に基づいて測定対象体11のインピーダンスZを算出(測定)するインピーダンス算出処理と、算出したインピーダンスZを表示部10に表示させる表示処理とを実行する。表示部10は、一例として、LCD(Liquid Crystal Display)などのディスプレイ装置で構成されて、処理部9によって算出(測定)されたインピーダンスZを画面に表示する。
次に、インピーダンス測定装置1による測定対象体11のインピーダンス測定動作について、図面を参照して説明する。
まず、図1に示すように、各プローブ12,13を介して測定対象体11をインピーダンス測定装置1に接続する。次いで、インピーダンス測定装置1を作動させる。これにより、インピーダンス測定装置1では、信号源2が測定対象体11に対して交流電圧Vacの印加を開始する。このため、測定対象体11に電流信号Iが流れ始める。この電流信号Iは、測定対象体11を介して電流電圧変換部3に流入する。また、電流電圧変換部3は、この電流信号Iを第1電圧信号V1に変換して出力する変換動作を開始する。また、第1A/D変換部5は、第1電圧信号V1をサンプリングして第1デジタルデータD1に変換して出力するサンプリング動作を開始し、第2A/D変換部6は、降圧部4によって分圧された第1電圧信号V1、つまり第2電圧信号V2をサンプリングして第2デジタルデータD2に変換して出力するサンプリング動作を開始する。また、電圧検出部7が、測定対象体11の両端電圧V3を検出して第3電圧信号V3として出力する動作を開始し、第3A/D変換部8は、この第3電圧信号V3をサンプリングして第3デジタルデータD3に変換して出力するサンプリング動作を開始する。
この状態において、処理部9は、まず、記憶処理を実行する。この記憶処理では、処理部9は、各A/D変換部5,6,8から出力される各デジタルデータD1,D2,D3を所定時間分(例えば、交流電圧Vacの数周期分)だけ取得して、内部メモリに記憶する。次いで、処理部9は、飽和検出処理を実行する。この飽和検出処理では、処理部9は、内部メモリに記憶されている第1デジタルデータD1が第1A/D変換部5の最大出力値(以下、「最大値」)Vmaxに達しているか否かを判別する。処理部9は、この判別の結果、例えば、第1デジタルデータD1が連続して最大値Vmaxに達しているときには、第1A/D変換部5が飽和状態にあったと検出し、連続して達していないときには第1A/D変換部5は非飽和状態にあったと検出する。例えば、図2に示すようにノイズが重畳した第1デジタルデータD1については、期間T1でのみ連続して最大値Vmaxに達している。このため、処理部9は、この期間T1において第1A/D変換部5が飽和状態にあり、他の期間では非飽和状態にあったと検出する。なお、同図に示すように、第2A/D変換部6は、第1A/D変換部5によってサンプリングされる第1電圧信号V1を降圧部4で分圧して得られた第2電圧信号V2をサンプリングして第2デジタルデータD2を出力するため、第1A/D変換部5が飽和状態となる期間T1においても、飽和状態には至らない。
続いて、処理部9は、再生処理を実行する。この再生処理では、処理部9は、第1A/D変換部5が飽和状態にある期間T1の第1デジタルデータD1(第1A/D変換部5の最大値Vmaxで一定となっているデータ。クリップ状態のデータ)を、同じ期間T1での第2デジタルデータD2を用いて再生する。具体的には、処理部9は、この期間T1における第2デジタルデータD2に降圧部4の分圧比kの逆数(1/k)を乗算し、この乗算によって得られるデジタルデータ(D2/k)でこの期間T1の第1デジタルデータD1を置き換えることにより、第1デジタルデータD1を再生する。この再生処理により、図2において破線で示される第1デジタルデータD1、つまり第1A/D変換部5の飽和によって欠落した第1デジタルデータD1が再生される。なお、図2では、第1A/D変換部5が飽和状態となる期間(第1デジタルデータD1が最大値Vmaxでクリップされる期間)は期間T1の一箇所だけであるが、最小値Vmin側において第1デジタルデータD1が一定となる期間(クリップされる期間)が発生するなど、飽和状態が複数箇所ある場合においても、処理部9が、同様にして、第2デジタルデータD2から第1デジタルデータD1を再生する。処理部9は、このようにして再生した第1デジタルデータD1を内部メモリに更新記憶する。これにより、内部メモリに記憶されている第1デジタルデータD1内に第1A/D変換部5が飽和状態のときに出力したデータが含まれているときには、この飽和状態のときのデータが第2デジタルデータD2に基づいて再生されて、再生後の第1デジタルデータD1が内部メモリに記憶され、一方、第1デジタルデータD1内に第1A/D変換部5が飽和状態のときに出力したデータが含まれていないときには、元の第1デジタルデータD1がそのまま記憶される。
次いで、処理部9は、フィルタリング処理を実行する。このフィルタリング処理では、処理部9は、第1デジタルデータD1に重畳している(含まれている)ノイズをデジタル処理によって除去する。ここで、ノイズを除去するデジタル処理としては、図示はしないが、デジタルフィルタ(デジタル低域フィルタ)を使用する処理や、信号源2から交流電圧Vacの零クロスタイミングに同期した同期信号を出力させ、この同期信号に基づいて第1デジタルデータD1を同期検波する処理などを採用することができる。この場合、第1電圧信号V1と同じ信号成分(周波数成分)で構成される第2電圧信号V2の第2デジタルデータD2に基づいて、期間T1の第1デジタルデータD1が再生されている。したがって、期間T1の第1デジタルデータD1内に試験電圧信号としての交流電圧Vacの成分が除去されることなく含まれているため、フィルタリング処理によって、交流電圧Vacの成分を正確に示す第1デジタルデータD1(期間T1において交流電圧Vacの成分の欠損の少ない第1デジタルデータD1)が生成される。
続いて、処理部9は、インピーダンス算出処理を実行する。このインピーダンス算出処理では、処理部9は、ノイズが除去された第1デジタルデータD1および第3デジタルデータD3に基づいて測定対象体11のインピーダンスZを算出(測定)する。具体的には、処理部9は、第1デジタルデータD1から電流信号Iの実効値を算出すると共に、第3デジタルデータD3から測定対象体11の両端電圧V3(第3電圧信号V3)の実効値を算出し、さらに両デジタルデータD1,D3から電流信号Iと両端電圧V3との位相差θを算出し、この算出した2つの実効値と位相差θとからインピーダンスZを算出する。この場合、第1A/D変換部5が飽和状態となる期間T1が発生したとしても、上記したように、期間T1の第1デジタルデータD1が第2デジタルデータD2に基づいて再生されて、フィルタリング処理後における期間T1の第1デジタルデータD1内に試験電圧信号としての交流電圧Vacの成分が除去されることなく含まれている。このため、第1A/D変換部5の飽和状態の発生に起因したインピーダンスZの算出精度の低下が防止されている。最後に、処理部9は表示処理を実行して、算出したインピーダンスZを表示部10に出力して表示させる。これにより、測定対象体11についてのインピーダンス測定が完了する。
このように、このインピーダンス測定装置1では、測定対象体11に流れる電流信号Iを電流電圧変換部3で第1電圧信号V1に変換し、この第1電圧信号V1を第1A/D変換部5が第1デジタルデータD1に変換して処理部9に出力すると共に、降圧部4によって分圧比kで分圧された第1電圧信号V1(つまり第2電圧信号V2)を第2A/D変換部6が第2デジタルデータD2に変換して処理部9に出力する。また、処理部9が、第1A/D変換部5がノイズの影響を受けて飽和状態になったか否かを第1デジタルデータD1に基づいて検出し、飽和状態になったことを検出したときには、飽和状態のときの第1デジタルデータD1を第2デジタルデータD2を用いて、第1A/D変換部5の最大値Vmaxまたは最小値Vminでクリップされた状態のデータを含まない第1デジタルデータD1に再生する。したがって、このインピーダンス測定装置1によれば、処理部9が、この再生後の第1デジタルデータD1と第3デジタルデータD3とに基づいて、測定対象体11のインピーダンスZを算出するため、ノイズ環境下においても、測定対象体11のインピーダンスZを正確に測定することができる。
なお、処理部9が第1デジタルデータD1に基づいて第1A/D変換部5の飽和状態を検出する構成、つまり処理部9が飽和検出部としても機能する構成について上記したが、この構成に代えて、図示はしないが、第1A/D変換部5の入力電圧範囲の上限値および下限値をそれぞれ基準電圧として作動して、これらの基準電圧と第1電圧信号V1とを比較するコンパレータを飽和検出部として使用することで、第1電圧信号V1に基づいて第1A/D変換部5の飽和状態を検出する構成を採用することもできる。この場合、コンパレータは、第1電圧信号V1が第1A/D変換部5の入力電圧範囲を超えたとき(第1電圧信号V1が入力電圧範囲の上限値を超えたとき、または第1電圧信号V1が入力電圧範囲の下限値を下回ったとき)に検出信号を出力するように、いわゆるウィンドウコンパレータとして構成される。これにより、処理部9は、コンパレータから検出信号が出力されたときに第1A/D変換部5が飽和状態にあり、検出信号が出力されていないときには非飽和状態であると判別することができる。
1 インピーダンス測定装置
2 信号源
3 電流電圧変換部
4 降圧部
5 第1A/D変換部
6 第2A/D変換部
7 電圧検出部
8 第3A/D変換部
9 処理部
11 測定対象体
D1 第1デジタルデータ
D2 第2デジタルデータ
D3 第3デジタルデータ
I 電流信号
V1 第1電圧信号
V2 第2電圧信号
V3 第3電圧信号(両端電圧)
Vac 交流電圧(試験電圧信号)
Z インピーダンス
2 信号源
3 電流電圧変換部
4 降圧部
5 第1A/D変換部
6 第2A/D変換部
7 電圧検出部
8 第3A/D変換部
9 処理部
11 測定対象体
D1 第1デジタルデータ
D2 第2デジタルデータ
D3 第3デジタルデータ
I 電流信号
V1 第1電圧信号
V2 第2電圧信号
V3 第3電圧信号(両端電圧)
Vac 交流電圧(試験電圧信号)
Z インピーダンス
Claims (1)
- 試験電圧信号を生成して測定対象体に印加する信号源と、
前記試験電圧信号が印加されているときに前記測定対象体に流れる電流信号を第1電圧信号に変換して出力する電流電圧変換部と、
前記第1電圧信号を所定の比率で降圧して第2電圧信号として出力する降圧部と、
前記第1電圧信号を第1デジタルデータに変換して出力する第1A/D変換部と、
前記第2電圧信号を第2デジタルデータに変換して出力する第2A/D変換部と、
前記測定対象体に前記電流信号が流れることに起因して当該測定対象体の両端間に発生する両端電圧を検出して第3電圧信号として出力する電圧検出部と、
前記第3電圧信号を第3デジタルデータに変換して出力する第3A/D変換部と、
前記第1電圧信号および前記第1デジタルデータのうちのいずれか一方に基づいて前記第1A/D変換部が飽和状態にあることを検出する飽和検出部と、
前記測定対象体に流れる前記電流信号を示す前記第1デジタルデータおよび前記両端電圧を示す前記第3デジタルデータに基づいて、当該測定対象体のインピーダンスを算出する処理部とを備え、
前記処理部は、前記飽和検出部によって前記第1A/D変換部が飽和状態にあると検出されたときに、当該飽和状態の期間における前記第2デジタルデータに前記所定の比率の逆数を乗算して得られるデジタルデータで当該期間の前記第1デジタルデータを置き換えることによって前記第1デジタルデータを再生し、当該再生した第1デジタルデータに基づいて前記測定対象体のインピーダンスを算出するインピーダンス測定装置。
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