DE68908430T2

DE68908430T2 - Messgerät.

Info

Publication number: DE68908430T2
Application number: DE89300738T
Authority: DE
Inventors: Kouichi Takeuchi; Shigeru Tanimoto
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2009-01-27
Also published as: EP0327254B1; DE68908430D1; JP2720970B2; JPH01195371A; US5019781A; EP0327254A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßgerät, das in der Lage ist, die Impedanz oder dergleichen mit hoher Wiederholbarkeit zu messen, indem die Meßbedingungen so konstant wie möglich gehalten werden.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Übliche Impedanz-Meßgeräte des Standes der Technik, so wie schematisch in Figur 3 gezeigt, halten den Wechselstromwert (von Spannung oder Strom) der auf die DUT (im Test befindliche Vorrichtung) aufgegeben wird, nicht aktiv konstant. In Figur 3 kann wegen der Forderung des Aufrechterhaltens der Stabilität des Meßsystemes der Widerstand Rs der Signalquelle nicht übermäßig verringert werden, und somit wird er üblicherweise auf zehn Ohm oder mehr festgelegt. In der Vergangenheit wurde nur eine näherungsweise konstante Spannungsoder Stromquelle eingerichtet, indem der Widerstand Rs der Signalquelle entsprechend der Impedanz der DUT geschaltet wurde. Bei einem solchen Verfahren war es praktisch schwierig, den auf die DUT aufgegebenen Signalpegel auf einen Wert einzustellen, der von dem Benutzer des Meßgerätes gewünscht war.
Die US-A-4 481 464 offenbart ein Gerät zum Messen einer zeitlich sich ändernden, nicht idealen Vorrichtungsimpedanz, wobei ein Strom-Spannungs-Wandler und ein integrierender Meßschaltkreis für das Verhältnis der Vektorspannung verwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Probleme des Standes der Technik, der in Figur 3 aufgezeigt ist, zu überwinden, und den Wechselstrom-Pegel, der auf die DUT aufgegeben wird, konstant zu halten, ohne die Stabilität des Meßsystemes zu verschlechtern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt ein Meßgerät zum Messen einer elektrischen Eigenschaft einer im Test befindlichen Vorrichtung bei einem vorbestimmten Wechselstrom-Signalpegel vor, wobei die im Test befindliche Vorrichtung erste und zweite Anschlüsse aufweist, wobei das Meßgerät umfaßt:
Signalquellenmittel mit einem steuerbaren Wechselstrom-Pegel zum Anlegen eines Wechselstromsignals an den ersten Anschluß der im Test befindlichen Vorrichtung,
eine Rückkopplungsschaltung, die an den zweiten Anschluß der Vorrichtung angeschlossen ist, um den zweiten Anschluß der Vorrichtung virtuell zu erden;
synchrone, an den ersten Anschluß der Vorrichtung und die Rückkopplungsschaltung angeschlossene Detektormittel zum Erhalten von Meßsignalen, welche Strom und Spannung der im Test befindlichen Vorrichtung repräsentieren, und zum synchronen Detektieren der Meßsignale;
Analog-Digital-Wandelmittel, welche an die synchronen Detektormittel angeschlossen sind, um durch Integrieren des Ausgangs der synchronen Detektormittel eine Analog-Digital- Wandlung zu vollziehen; und
digitale Logikmittel, welche an die Analog-Digital-Mittel angeschlossen sind und in Abhängigkeit von den Analog-Digital-Wandelmitteln intermittierend den Wechselstrom-Pegel der Signalquellenmittel steuern, wobei die digitalen Logikmittel einen Näherungs-Algorithmus zum Steuern des Wechselstrom-Pegels der Signalquellenmittel einsetzen, um den Wechselstrom- Signalpegel, welcher an die im Test befindliche Vorrichtung (DUT) angelegt ist, zum Konvergieren in Richtung auf den vorbestimmten Wechselstrom-Signalpegel zu veranlassen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist ein Blockschaltbild, das ein Meßgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 2 ist ein Schaubild zum Erläutern des Prinzips der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 ist ein Schaubild, das schematisch ein Beispiel des Meßgerätes gemäß dem Stand der Technik zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Figur 2 ist ein Schaubild zum Erläutern des Prinzips der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Figur gelten die folgenden beiden Gleichungen:
Ix = Vs/z ..... (1)
Vx = (Zx/Z) * Vs ..... (2),
wobei Zx für die Impedanz der DUT, Z für die Gesamtimpedanz des Systems, Vs für die Wechselspannung der Signalquelle, Rs für den Innenwiderstand der Signalquelle und Ix bzw. Vx für den Strom und die Spannung, die auf die DUT aufgegeben werden, steht. Da die Impedanz der DUT im allgemeinen unter dem Einfluß der Wechselspannung Vs steht, sind Zx und Z Funktionen von Vs. Das Umwandeln der Gleichung (1) durch Bezeichnen von Vs als x, Z als f(x) und den Zielwert des Stromes durch die DUT als ITGT führt zu der Gleichung unten:
F(x) x - ITGT * f(x) = 0 ..... (3)
Indem auf ähnliche Weise Vs als x, Z/Zx als g(x) und der Zielwert der Spannung über die DUT als VTGT bezeichnet wird, erhalten wir die Gleichung unten:
G(x) = x - VTGT * g(x) = 0 ..... (4).
Um somit Ix oder Vx mit dem Zielwert in Übereinstimmung zu bringen, kann die Signalquelle so gesteuert werden, daß die Wechselspannung der Signalquelle auf die Lösung von F(x) = 0 bzw. G(x) = 0 gesetzt wird. Da die Funktionen F(x) und G(x), die durch die Impedanz der DUT bestimmt sind, von DUT zu DUT unterschiedlich sind und oftmals eine Nichtlinearität haben, ist es unzweckmäßig, die Lösungen der oben genannten Gleichungen auf analytischem Wege zu erhalten. Somit wird eine Operation vorgenommen, um die Lösungen sukzessive zu approximieren. Die sukzessiven Approximationsverfahren, die verwendet werden können, umfassen die sukzessive Substitution, den Zweiteilungsalgorithmus und lineare, inverse Interpolation, wobei Einzelheiten später beschrieben werden.
Figur 1 ist ein schematisches Schaubild, das ein Impedanz- Meßgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In Figur 1 wird die Ausgabe einer Wechselspannungs-Signalquelle S durch einen Pegel-Kontrollschaltkreis 10 und einen Widerstand Rs in die zu messende (DUT) Vorrichtung Zx eingespeist. Das andere Ende der DUT P wird so eingerichtet, daß es durch den Rückkopplungs-Schaltkreis, welcher einen Verstärker 20 für hohen Zuwachs und einen Rückkopplungs-Widerstand R aufweist, virtuell auf Erde gelegt wird. Die Spannungen Vx bzw. VR über die DUT und der Bereichswiderstand (Rückkopplungswiderstand) R (VR = (der Strom, der durch die DUT fließt) * (der Widerstand des Bereichswiderstandes R)) werden in einen Vektorverhältnis-Detektor 30 eingeführt. (Weil der Punkt P auf der virtuellen Erde liegt, wird eine im wesentlichen gleiche Spannung erhalten, indem man lediglich die Potentiale an den anderen Enden der DUT und dem Bereichswiderstand R überwacht, wie es in Figur 1 gezeigt ist.) Da der Vektorverhältnis-Detektor 30 einen Phasendetektor und einen ADC vom Typ mit zweifacher Steigung umfaßt, kann er verwendet werden, um die digitalen Werte von Vx und VR (dargestellt in einer Vektorform) durch solche Operationen zu erhalten, die den Fachleuten wohlbekannt sind. Somit ist, mit der Überwachung der Operationen des Vektorspannungsverhältnis-Detektors 30 von einem Mikroprozessor im logischen Schaltkreis 40, der Detektor 30 so eingerichtet, daß er die digitale Umwandlung der Spannung Vx vornimmt, in dem Fall, daß der Wechselstrom der DUT überwacht werden soll; wobei die Umwandlung der Spannung VR erforderlich ist, um die Wechselspannung zu überwachen. Das Einführung des Ergebnisses der digitalen Umwandlung in den logischen Schaltkreis 40 ermöglicht es, das neue Pegel-Steuersignal für die Wechselspannungs-Signalquelle zu berechnen, wie es oben mit Bezug auf die Figur 2 beschrieben worden ist.
Auf diese Weise erfaßt der Logikschaltkreis 40 die digitalen Daten, die die Wechselspannung oder den -strom der DUT anzeigen, und berechnet und liefert an die Wechselspannungs-Signalquelle einen neuen Pegel-Steuersignalwert auf der Basis der digitalen Daten, um zu bewirken, daß sich die Wechselspannung oder der -strom an einen gewünschten Wert annähern. Die wiederholte Berechnung wird beendet, wenn diese intermittierende Operation die Wechselspannung oder den -strom der DUT innerhalb des Bereiches des erlaubten Fehlers in bezug auf den gewünschten Wert treibt; dann wird die erforderliche Messung an der DUT vorgenornmen.
Bei der Ausführungsform kann ein multiplizierender Digital- Analog-Wandler als Pegel-Steuerschaltkreis 10 benutzt werden. Zusätzlich kann eine Warnangabe ausgegeben werden, wenn der Logikschaltkreis 40 die Abweichung aus dem automatischen Einstellbereich heraus erfaßt.
Die Beispiele der Algorithmen zum Bestimmen des neuen Steuersignals für den nächsten Zyklus auf Basis der Information über die Wechselspannung/strom, die auf die DUT aufgegeben werden, folgen nun (obwohl die Beispiele in Verbindung mit dem Strom gezeigt werden, sind diese Algorithmen auf den Fall der Spannung anwendbar).

Sukzessive Substitution

Die Gleichung
F(x) = x - ITGT * f(x) = 0
liefert das Folgende:
x = ITGT * f(x).
Dann, wenn man von einer geeigneten ersten Näherung x&sub1; ausgeht, wiederhole die folgende Berechnung:
xk+1 = ITGT * f(xk).
Obwohl sie nicht immer konvergiert, wird der Grenzwert, wenn sie konvergiert, die Lösung sein. Sei der wahre Wert der Lösung xT und der Fehler der kten Näherung xk - xT ek. Dann ist es für die Konvergenz ausreichend, daß für irgendeine ausreichend große Zahl k es eine Konstante c gibt, deren absoluter Wert geringer als 1 ist, so daß die Konstante C die folgende Bedingung erfüllt:
ek+1 ≤ C * ek .
Da diese Bedingung transformiert werden kann in:
ITGT * f(xk) - f(xT) ≤ C * xk - xT ,
ist es ausreichend, daß die folgende Bedingung in der Umgebung von xT nach alledem gilt:
ITGT * f' (x) < 1.
Dieser Algorithmus benötigt keinerlei vorbereitende Messung zum Auswählen einer ersten Näherung, im Gegensatz zu dem Zweiteilungsalgorithmus, der unten beschrieben wird. Zusätzlich liefert eine einzelne Messung die Lösung für eine lineare DUT (d.h., die DUT, deren Impedanz konstant ist, unabhängig von der Spannung oder dem Strom). Für eine nichtlineare DUT jedoch ist es nicht sichergestellt, daß die Wiederholung immer konvergiert. Somit erfordern einige DUTs einen anderen Algorithmus.

Zweiteilungsalgorithmus

Bevor die sukzessive Näherung begonnen wird, wird eine vorbereitende Messung durchgeführt, um zwei Punkte, a und b, festzulegen, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:
F(a) * F(b) < 0,
und F(c) wird für c = (a+b)/2 bestimmt. Im Fall von F (a) * F(b) < 0 wird c als a im nächsten Zyklus benutzt, im Fall F (b) * F(c) wird c das nächste b sein. Diese Prozedur wird wiederholt werden, bis F(c) innerhalb eines vorbestimmten Fehlerbereiches fällt.
Bei dem Zweiteilungsalgorithmus ist sichergestellt, daß eine Konvergenz immer nach einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen auftritt. Andererseits jedoch ist es notwendig, eine vorbereitende Messung zum Bestimmen der ersten Näherung für a und b durchzuführen. Diese vorbereitende Messung kann durchgeführt werden, indem beispielsweise die Ausgabe der Wechselspannungs-Signalquelle abgetastet wird, um die Wechselspannung (oder den Strom) der DUT zu überwachen. Im übrigen ermöglicht es dieses Abtasten, den Bereich der Wechselspannung (oder des Stromes) zu finden, der für die DUT eingestellt werden kann.

Lineare Interpolation

Wie bei dem Zweiteilungsalgorithmus stelle ein Intervall [a, b] zur Verfügung, welches die Bedingung erfüllt:
F(a) * F(b) < 0
und führe die folgende Prozedur durch:
(i) Nähere F(x) durch eine gerade Linie, die durch zwei Punkte (a, F(a)) und (b, F(b)) läuft. Sei der Schnittpunkt dieser geraden Linie und der x-Achse c, und erhalte F(c). c wird wie unten dargestellt:
c = (b * F(a) - a * F(b))/(F(a) - F(b)).
(ii) Wenn F(a) * F(c) < 0 ist, dann wird dieses c als der neue Wert von a für den nächsten Zyklus benutzt. Wenn F(b) * F(c) > 0 ist, wird dieses c als der neue Wert für b für den nächsten Zyklus benutzt.
Wiederhole diese Schritte, (i) und (ii), bis F(c) innerhalb eines vorbestimmten Fehlerbereiches fällt.
Das Merkmal dieses Algorithmus ist im wesentlichen ähnlich dem des Zweiteilungsalgorithmus, jedoch ist die Konvergenz schneller, wenn die DUT näherungsweise linear ist (wenn die DUT vollständig linear ist, konvergiert er in einem einzigen Zyklus). Abhängig von dem Modus der Nichtlinearität jedoch kann die Konvergenz extrem langsam sein.
In diesem Fall gilt folgende Bedingung:
F(a)/(a - xT) < F(b)/(b - xT)
(oder die Bedingung, bei der das Ungleichheitssymbol umgekehrt ist), wobei xT die Lösung darstellt.
Beim Steuern der Wechselspannungs-Signalquelle mit den zuvor genannten Algorithmen kann die Konvergenz sichergestellt und ebenso so schnell wie möglich gemacht werden, indem der geeignete Algorithmus aufgrund der Situation für die Verwendung ausgewählt wird.
In dem Fall, daß der Benutzer nicht sicher ist, welcher Pegel der Wechselspannung (oder des Stromes) eingestellt werden kann, ist die vorbereitende Messung notwendig. Bei einer solchen vorbereitenden Messung kann die Auswahl zwischen, z.B. dem Zweiteilungsalgorithmus und der linearen inversen Interpolation basierend auf der Konvergenzgeschwindigkeit durchgeführt werden. Das heißt, falls die Konvergenz der linearen inversen Interpolation langsam ist, soll der Zweiteilungsalgorithmus verwendet werden; andernfalls soll die lineare inverse Interpolation benutzt werden. Die Bedingung des Verlangsamens der Konvergenz umfaßt die Lösung xT, die vor dem Beginn der sukzessiven Näherung unbekannt ist. Somit kann stattdessen das folgende Kriterium benutzt werden:
Verwende den Zweiteilungsalgorithmus, falls
(F(a) - F(b))/(a - b) groß ist und
F(a) > F(b) (oder F(b) > F(a) ).
In einem solchen Fall, daß der Benutzer den Bereich der Wechselspannung (oder des Stromes) vorhersagen kann, der für die DUT eingestellt werden soll, kann die Wechselspannungs-Signalquelle ohne irgendeine vorbereitende Messung gesteuert werden, beispielsweise wie unten beschrieben:
Obwohl die Lösung grundsätzlich auf der Basis der sukzessiven Substitution bestimmt wird, werden wegen der Möglichkeit der Divergenz die folgenden vier möglichen Fälle betrachtet, wobei das Minimum und das Maximum der Wechselspannung, die eingestellt werden können, als xmin bzw. xmax bezeichnet werden:
(i) ITGT * f' (xT) > 1
(ii) 0 ≤ ITGT * f' (xT) ≤ 1
(iii) -1 ≤ ITGT * f' (xT) < 0
(iv) ITGT * f' (xT) < -1.
Die sukzessive Substitution divergiert für die Fälle (i) und (iii). In dieser Diskussion kann angenommen werden, daß f(x) für übliche DUTs monoton in dem Intervall [xmin, xmax] ist. Somit gilt für die nte genäherte Lösung xn die folgende Bedingung:
Für die Fälle (i) und (ii) (d.h., ITGT * f'(xT) ≥ 0), F(xn) * F(xn+1) ≥ 0
und
für die Fälle (iii) und (iv) (d.h. ITGT * f'(xT) < 0), F(xn) * F(xn+1) < 0.
Dann wende zuerst die sukzessive Substitution mit der genäherten Lösung, die als x&sub1; = (xmin + xmax)/2 bestimmt ist, an, bis F(xn) * F(xn+1) < 0 gilt (wobei xi die ite genäherte Lösung bezeichnet). Als nächstes wende die Prozedur für die vorbereitende Messung auf das Intervall [xn, xn+1] an, wie oben beschrieben. Mit dieser Prozedur wird die Konvergenz für die Fälle (ii) bis (iv) erhalten werden. Im Fall der Divergenz (d.h. Fall (i)), nachdem F(xmin) und F(xmax) erhalten worden sind, wende die Prozedur für die vorbereitende Messung an, wie oben beschrieben, auf das Intervall, das wie unten bestimmt ist:
Intervall [xmin, x&sub1;], falls F(x&sub1;) * F(xmin) < 0
Intervall [x&sub1;, xmax], falls F(x&sub1;) + F(xmax) < 0.
(Da f(x) monoton ist, gilt eine der beiden Bedingungen.) Somit ist die Konvergenz für irgendein monotones f(x) sichergestellt.
Mit der Konfiguration und Operation wie oben wird die voreingestellte Spannung oder der Strom auf einen Zielwert in zwei oder drei Zyklen der Operation der digitalen Schleife für die übliche DUT, so wie L, C, R und eine Diode, konvergieren, obwohl die Zykluszahl sich abhängig von verschiedenen Faktoren ändern kann, so wie dem Modus der Nichtlinearität der speziellen DUT und dem Algorithmus, der zum Bestimmen des Steuersignales für den nächsten Zyklus auf der Grundlage der Spannungs-Strom-Information der DUT benutzt wird. Daher genießt die vorliegende Erfindung eine große Nutzbarkeit.

WIRKUNGEN DER ERFINDUNG

Wie es hier zuvor in Einzelheiten beschrieben worden ist, kann, da die vorliegende Erfindung es ermöglicht, daß der Wechselstrom-Pegel der Spannung oder des Stromes, der auf die im Test befindliche Vorrichtung aufgebracht wird, konstant gehalten wird, eine verbesserte Wiederholbarkeit selbst für die Messung einer Vorrichtung mit Nichtlinearität erhalten werden. Zusätzlich beugt die intermittierende Rückkopplung mit der digitalen Kopplungsschleife zum Konstanthalten des Pegels dem vor, daß diese Rückkopplungsschleife die Rückkopplungsschleife für das Meßsystem selbst stört, und somit wird die analoge Stabilität des Meßsystemes nicht verschlechtert.

Claims

1. Meßgerät zum Messen einer elektrischen Eigenschaft einer in Test befindlichen Vorrichtung bei einem vorbestimmten Wechselstrom-Signalpegel, wobei die im Test befindliche Vorrichtung erste und zweite Anschlüsse aufweist, umfassend:

Signalquellenmittel (10) mit einem steuerbaren Wechelstrom-Pegel zum Anlegen eines Wechselstromsignals an den ersten Anschluß der im Test befindlichen Vorrichtung (DUT),

eine Rückkopplungsschaltung (20, R), die an den zweiten Anschluß (P) der Vorrichtung (DUT) angeschlossen ist, um den zweiten Anschluß (P) der Vorrichtung (DUT) virtuell zu erden;

synchrone, an den ersten Anschluß der Vorrichtung (DUT) und die Rückkopplungsschaltung (20, R) angeschlossene Detektormittel (30) zum Erhalten von Meßsignalen, welche Strom und Spannung der im Test befindlichen Vorrichtung (DUT) repräsentieren, und zum synchronen Detektieren der Meßsignale;

Analog-Digital-Wandelmittel (30), welche an die synchronen Detektormittel (30) angeschlossen sind, um durch Integrieren des Ausgangs der synchronen Detektornittel (30) eine Analog-Digital-Wandlung zu vollziehen, und

Digitale Logikmittel (40) welche an die Analog- Digital-Wandelmittel (30) angeschlossen sind und in Abhängigkeit von den Analog-Digital-Wandelmittel (30) intermittierend den Wechselstrom-Pegel der Signalquellenmittel (10) steuern, wobei die digitalen Logikmittel (40) einen Näherungs-Algorithmus zum Steuern des Wechselstrom-Pegels der Signalquellenmittel (10) einsetzen, um den Wechselstrom-Signalpegel, welcher an die im Test befindliche Vorrichtung (DUT) angelegt ist, zum Konvergieren in Richtung auf den vorbestimmten Wechselstrom-Signal- Pegel zu veranlassen.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, bei den der Näherungs- Algorithmus aus der Gruppe der Algorithmen des sukzessiven Substituierens, der Zweiteilung und der linearen Interpolation ausgewählt ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem der vorbestimmte Wechselstrom-Signalpegel ein vorbestimmter Strom ist, der durch die im Test befindliche Vorrichtung (DUT) fließt.

4. Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem der vorbestimmte Wechselstrom-Signalpegel eine vorbestimmte, an die im Test befindliche Vorrichtung (DUT) angelegte Spannung ist.