JPH10170572A - 回路素子測定器における検出交流信号のサンプリング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 同一周波数の２つの交流信号を比較的低い周
波数のクロックにてサンプリングし、後段に高速のＡ／
Ｄコンバータなどを必要とせず、かつ、低周波領域にお
けるサンプリングデータの収集時間を短縮する交流信号
のサンプリング方法。 【構成】 回路素子などに測定用交流信号を加えて同素
子の両端間電圧と同素子に流れる電流を検出するととも
に、それぞれ下記の式に示す周波数Ｆｓのクロックに同
期して作動する２つのサンプル・ホールド回路へ上記検
出した２つの交流信号の連続波形を順次取り込んで同時
にサンプリングし、Ａ／Ｄコンバータに与える。 Ｆｓ＝Ｆｍ（Ｎ／Ｙ） Ｆｓ：サンプリングクロックの周波数、Ｆｍ：測定用交
流信号の周波数、Ｎ：検出信号の１周期間における所要
データ数、Ｙ：サンプル・ホールド回路に取り込む検出
信号の波形数

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特にＬＣＲメータな
どの回路素子の定数測定器において、検出した電圧成分
と電流成分を表す２つの交流信号のサンプリング方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】コイルのインダクタンスＬ、コンデンサ
の静電容量Ｃ、抵抗器の抵抗Ｒなど、回路素子の定数を
測定する装置としてＬＣＲメータと称される測定器が利
用されている。この種の装置においては、供試素子に測
定用の交流信号を加えて試料に流れる電流と試料の両端
にかかる電圧を検出し、それぞれ一定の時間間隔でその
レベルを順次サンプル・ホールド回路（以下、「Ｓ／Ｈ
回路」と言う。）に取り込み、そのホールド電圧をＡ／
Ｄコンバータにてディジタルデータに変換する。なお、
試料に流れる電流は例えば基準抵抗を介して電圧に変換
し検出するようにしている。

【０００３】この検出した同一周波数の電圧信号と電流
信号の各一波からそれぞれ必要とするＮ個の波形データ
を得る場合、Ｓ／Ｈ回路におけるレベル抽出用のサンプ
リングクロックは、一般に検出信号すなわち測定用交流
信号のＮ倍高速の周波数に設定される。

【０００４】これに伴い、Ａ／Ｄコンバータにも測定用
交流信号のＮ倍高速な変換速度を有する素子が必要とな
る。しかし高速のＡ／Ｄコンバータは価格が高く、コス
トアップにつながるので好ましくない。また、変換速度
にも限度があるので、測定可能最高周波数がそれによっ
て制限されるという難点がある。

【０００５】そこで本出願人は、測定用交流信号より遅
い周波数のサンプリングクロックにて検出信号の電圧及
び電流レベルを抽出しＡ／Ｄ変換することにより、従来
装置と等価なＮ個の波形データが得られるサンプリング
方法の発明を先に特開平８−９４６７７号公報において
提案した。

【０００６】この公報に開示された装置構成を図１に再
掲して手短かに説明する。交流信号発生部１から測定用
交流信号が発せられると、試料２の両端にかかる電圧は
電圧検出回路３により検出され、その波形レベルはＳ／
Ｈ回路５にてサンプリングされる。また、試料２に流れ
る電流は電流検出回路４により電圧に変換して検出さ
れ、その波形レベルはＳ／Ｈ回路６にてサンプリングさ
れる。

【０００７】これらサンプリングされた電圧及び電流の
波形レベルはスイッチ回路７を介して交互にＡ／Ｄコン
バータ９に加えられ、ディジタルデータに変換されてＣ
ＰＵ１０に送られる。ＣＰＵ１０はこの入力データに対
して必要な演算処理を行う。なお、クロック発生回路８
は交流信号発生部１から送出される測定用交流信号の周
波数制御、及びＳ／Ｈ回路５，６のサンプリング周期、
スイッチ回路７の切換周期、Ａ／Ｄコンバータ９の変換
周期等を設定する。

【０００８】上記公報における先願発明のサンプリング
方法説明用波形図を一部抜粋して図５に示し、その動作
を手短かに説明する。同図５（ｂ）に示すように検出電
圧１波の時間長をＴｍとし、１波長Ｔｍの波形を再現す
るのに必要とする電圧データをＮ個（Ｖ_１，Ｖ_２，…Ｖ
_ｎ）とすると、隣り合うデータの時間間隔はＴｍ／Ｎで
ある。

【０００９】ところで、ＬＣＲメータにより試料の抵抗
を測定する場合は、サンプリングしてＣＰＵ１０の図示
しないメモリに取り込んだ電圧データと電流データから
次の３つの基本変数Ａ_Ｒ、Ａ_Ｘ、及びＨ

【００１０】

【数１】

【００１１】

【数２】

【００１２】

【数３】 をまず演算し、それを利用して試料の抵抗成分Ｒ、リア
クタンス成分Ｘ、インダクタンス成分Ｌ、容量成分Ｃ、
及びその他の定数を算出するようにしている。

【００１３】これら基本変数と試料の各特性定数の求め
方は、本出願人が先に提案した特開平６−５１００４号
発明の明細書に詳記してあり、本発明の要旨ではないの
でその説明は省略するが、基本変数はＡ_Ｘは電圧データ
とそれに対して移相が９０°（π／２）ずれた電流デー
タとにより算出されるから、ＣＰＵ１０に取り込むデー
タの数は４の整数倍にする必要がある。

【００１４】そこで図５（ｂ）においては、図面が複雑
化するのを避けるため便宜上データ数Ｎは８にしてあ
る。今、図５（ａ）に示す連続した検出電圧を図５
（Ｃ）に示す周期Ｔｓのサンプリングクロックにより、
その立ち上がり時点でサンプリングするものとし、この
クロック周期Ｔｓを例えば Ｔｓ＝Ｗ・Ｔｍ＋Ｔｍ／Ｎ ……………（１） （Ｗは自然数）とすると、Ｎ個のデータを得るにはこの
周期でＮ回サンプリングすればよい。したがってそれに
要する時間は上式のＮ倍となるから、 Ｎ・Ｔｓ＝Ｎ（Ｗ・Ｔｍ＋Ｔｍ／Ｎ） ＝Ｔｍ（Ｎ・Ｗ＋１） ……………（２） である。

【００１５】図５（ｄ）に示す検出電流についても検出
電圧と同時サンプリングされるから、全体の所要時間を
波形数に置き換えるとそれぞれＮＷ＋１波となる。ちな
みに図示の例ではＮ＝８、Ｗ＝２であるから Ｎ・Ｗ＋１＝１７波 となる。

【００１６】ここで、サンプリングクロック（図５
（ｃ））がＨレベルのときはスイッチ回路７が図示のよ
うに接点ａ側に接続され、Ｌレベルの時は接点ｂ側へ接
続されるようにすると、Ｓ／Ｈ回路５及び６でサンプリ
ングされた電圧と電流はＡ／Ｄコンバータ９へ交互に加
えられる。

【００１７】そこで、図５（ｇ）に示すように例えば上
記サンプリングクロックＴｓより２倍速いクロックをＡ
／Ｄコンバータ９に与え、その立ち下がり時点でＡ／Ｄ
変換を開始させると、同図（ｈ）に示すようにサンプリ
ングした電圧Ｖと電流Ｉが交互にディジタルデータに変
換され、ＣＰＵ１０に送られる。

【００１８】次に、上記特開平８−９４６７７号公報の
先願発明における明細書からサンプリング方法説明用図
面の一部を抜粋した他の例を図６に示す。この図６にお
いては、同図（ｃ）に示すようにサンプリングクロック
の１周期Ｔｓが Ｔｓ＝Ｗ・Ｔｍ＋Ｙ・Ｔｍ／Ｎ ……………（３） になっており、より一般化されている。ここでは、Ｙは １＜Ｙ＜Ｎ で、かつ、データ数Ｎとは公約数を持たない自然数であ
る。

【００１９】このサンプリングクロックＴｓの立ち上が
り時点で、同図（ａ）の検出電圧と同図（ｄ）の検出電
流を同時にサンプリングした場合の各波形レベルをそれ
ぞれ同図（ｂ）と（ｅ）に示す。この例においては、Ｎ
とＷの値は例えば上記図４と同様にＮ＝８、Ｗ＝２にし
てある。Ｙについては３，５，７の値をとり得るが、図
面作成の便宜上Ｙ＝３にされている。

【００２０】電圧Ｖと電流Ｉのサンプリング値はそれぞ
れ１番から８番まで番号を付してあるが、図５の同番号
のサンプリング値とは大きさが必ずしも一致していな
い。しかし、基本変数Ａ_Ｒ、Ａ_Ｘ、及びＨの演算にはな
んら支障はない。式（３）のクロックＴｓでＮ回サンプ
リングした場合に要する時間は Ｎ・Ｔｓ＝Ｎ（Ｗ・Ｔｍ＋Ｙ・Ｔｍ／Ｎ） ＝Ｔｍ（Ｎ・Ｗ＋Ｙ） ……………（４） 図５の場合と同様に波形数に置き換えると、図示の例で
はＮ＝８、Ｗ＝２、Ｙ＝３であるから Ｎ・Ｗ＋Ｙ＝１９波 となる。

【００２１】ここで、検出電圧、電流の１波からＮ個の
波形データを得る従来のサンプリング方法によると、そ
のサンプリング周波数ｆｓはサンプリング周期Ｔｍ／Ｎ
の逆数で表されるから、 ｆｓ＝Ｎ／Ｔｍ ……………（５） である。

【００２２】また、上記先願発明における図５の場合の
サンプリング周波数Ｆｓは、同様にサンプリング周期Ｔ
ｓの逆数で表されるから、式（１）より Ｆｓ＝１／Ｔｓ ＝１／（Ｗ・Ｔｍ＋Ｔｍ／Ｎ） ＝Ｎ／Ｔｍ（Ｎ・Ｗ＋１） 上式の右辺に式（５）を代入すると Ｆｓ＝ｆｓ／（Ｎ・Ｗ＋１） よって先願発明のＦｓは、従来方法によるサンプリング
周波数ｆｓの１／（Ｎ・Ｗ＋１）となる。ちなみに図５
の例ではＮ＝８、Ｗ＝２であるから Ｆｓ＝ｆｓ／１７ の低い周波数になる。

【００２３】同様にして、先願発明における図６の例の
サンプリング周波数Ｆｓは、式（３）より Ｆｓ＝１／Ｔｓ ＝１／（Ｗ・Ｔｍ＋Ｙ・Ｔｍ／Ｎ） ＝Ｎ／Ｔｍ（Ｎ・Ｗ＋Ｙ） 上式の右辺に式（５）を代入すると Ｆｓ＝ｆｓ／（Ｎ・Ｗ＋Ｙ） よってこの場合のＦｓは、従来方法によるサンプリング
周波数ｆｓの１／（Ｎ・Ｗ＋Ｙ）となる。ちなみに図６
の例ではＮ＝８、Ｗ＝２、Ｙ＝３であるからＦｓ＝ｆｓ
／１９の低い周波数となる。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上記先願発明のサンプ
リング方法によると、連続した検出電圧、電流の波形か
ら測定用交流信号の１周期より長い時間のサンプリング
周期で必要とする数の波形データを収集するので、測定
周波数が比較的高くなっても特に高速のＡ／Ｄコンバー
タを用いる必要がないという利点がある。

【００２５】ところで、サンプリングクロックの周期Ｔ
ｓが前記式（１）または式（３）により設定されると、
Ｓ／Ｈ回路においてＮ個の波形データを得るのに要する
時間Ｎ・Ｔｓは式（２）または式（４）にて与えられ、
この時間の大きさはＴｍの大小すなわち測定周波数の高
低に逆比例する。このため低い周波数による測定に先願
発明のサンプリング方法を利用するとデータ収集に時間
がかかり、それに伴って測定終了までの時間も長くな
る。

【００２６】この発明は上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的は、測定周波数が比較的低い場合のデ
ータ収集に要する時間を短縮するサンプリング方法を提
供するとにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明においては測定周波数の１波より短い周期
のサンプリングクロックを用い、Ｓ／Ｈ回路に取り込ん
だ連続する検出電圧及び検出電流波形を例えば上記クロ
ックの立ち上がり時点でサンプリングする手段を備えて
いる。図２（ａ）にＳ／Ｈ回路へ入力する１周期Ｔｍの
検出電圧（又は検出電流）の波形を示し、同図（ｂ）に
は上記Ｔｍより短い周期Ｔｓのサンプリングクロックを
示す。

【００２８】検出電圧の１波に等時間間隔で割り振った
Ｎ個の波形データをＶ_１，Ｖ_２，…Ｖ_ｎとすると、隣り
合う波形データの時間幅はＴｍ／Ｎである。ただし、デ
ータ数Ｎは４の整数倍の値とする。

【００２９】サンプリングクロックの１周期Ｔｓは例え
ば Ｔｓ＝Ｙ・Ｔｍ／Ｎ ……………（６） とする。この周期Ｔｓは、前記式（３）に示す先願発明
の周期を表す一般式において、Ｗ＝０とおいた場合の値
に等しい。式（６）のＴｓをサンプリング周波数Ｆｓ
に、Ｔｍを測定周波数Ｆｍにそれぞれ置き換えて表す
と、 Ｆｓ＝（Ｎ／Ｙ）Ｆｍ……………（Ａ） となる。

【００３０】ここで、Ｎ個の波形データはサンプリング
期間中にすべて１回だけサンプリングされ、サンプリン
グから欠落するデータが生じないようにするため、Ｙの
値は先願発明と同様に １＜Ｙ＜Ｎ で、かつ、データ数Ｎに対して公約数を持たない自然数
とする。このようにすると式（６）から Ｔｓ／Ｔｍ＝Ｙ／Ｎ＜１ であるから、サンプリングクロックの１周期Ｔｓは当然
のことながら検出電圧１波の周期Ｔｍより短くなる。

【００３１】Ｓ／Ｈ回路へ連続的に加わる検出電圧をこ
のクロックの立ち上がり時点で順次サンプリングし、Ｎ
個の波形データを収集する。この場合、データ収集に要
する時間は式（６）のＮ倍となる。すなわち、 Ｎ・Ｔｓ＝Ｎ（Ｙ・Ｔｍ／Ｎ） ＝Ｙ・Ｔｍ ……………（７） ここで、Ｔｍは測定周波数の１波長の時間であるから、
Ｙ波分の時間でデータ収集が終了する。これを先願発明
における式（４）と比較すると、Ｎ×Ｗ波分の時間が短
縮される。

【００３２】

【発明の実施の形態】この発明の概略的な実施の形態は
図１に示す先願発明とほぼ同様なので、以下、図１によ
り手短に説明する。図示しない操作キーにより測定周波
数を設定すると、その周波数に対応したメモリアクセス
クロックがクロック発生回路８から交流信号発生部１へ
送出される。

【００３３】交流信号発生部１は内蔵のメモリに収納さ
れているｓｉｎ波形データをＤ／Ａ変換し、設定された
周波数Ｆｍの測定用交流電圧を形成して試料２に加え
る。これにより試料２に電流Ｉが流れ、同試料の両端に
はそのインピーダンスに比例した大きさの電圧降下Ｖが
発生する。

【００３４】この電圧Ｖと電流Ｉはそれぞれ電圧検出回
路３と電流検出回路４にて検出され、Ｓ／Ｈ回路５及び
６に加えられる。Ｓ／Ｈ回路５，６はクロック発生回路
８から与えられる周波数Ｆｓのクロックにてこの検出電
圧と検出電流を同時的にサンプリングし、このサンプリ
ングされた電圧と電流は、Ｆｓの半周期ごとに切り替わ
るスイッチ回路７を介してＡ／Ｄコンバータ９へ交互に
入力する。

【００３５】Ａ／Ｄコンバータ９はクロック発生回路８
からサンプリング周波より２倍速い周波数２ＦｓのＡ／
Ｄ変換用クロックを受け、その１つのクロック期間でサ
ンプリング電圧がディジタルデータに変換されると、次
の１つのクロック期間ではサンプリング電流がディジタ
ルデータに変換され、この動作が順次繰り返される。

【００３６】ＣＰＵ１０はこれら電圧データと電流デー
タをそれぞれのメモリに取り込み、データ収集後はまず
基本変数Ａ_Ｒ，Ａ_Ｘ，Ｈの値を演算し、次にこの基本変
数を利用して試料の特性定数を算出する。

【００３７】ここで、測定周波数Ｆｍと検出電圧（検出
電流）の１周期Ｔｍ、及びサンプリング周波数Ｆｓとサ
ンプリングクロックの１周期Ｔｓはそれぞれ逆数関係に
あるから Ｔｍ＝１／Ｆｍ Ｔｓ＝１／Ｆｓ である。これを式（６）に代入すると、 １／Ｆｓ＝Ｙ（１／Ｆｍ）／Ｎ より、上記の式（Ａ） Ｆｓ＝（Ｎ／Ｙ）Ｆｍ ……………（Ａ） を得る。

【００３８】よって、図示しない操作キーにて測定周波
数Ｆｍ、収集するデータ数Ｎ、及びＹの値を設定する
と、式（Ａ）を満足する周波数Ｆｓのサンプリングクロ
ックと、周波数２ＦｓのＡ／Ｄ変換用クロックがクロッ
ク発生回路８から送出される。

【００３９】さて、図２のサンプリングクロック周期Ｔ
ｓは上記式（６）に示すように Ｔｓ＝Ｙ・Ｔｍ／Ｎ である。いま、検出電圧の１周期に割り振った波形デー
タを例えばＶ_１，Ｖ_２，…Ｖ_１２の１２個とすると、Ｎ
＝１２であるから Ｔｓ＝Ｙ・Ｔｍ／１２ よって、Ｙの値は１２と公約数を持たない５，７，１１
のいずれかとなる。

【００４０】ここでＹ＝５とし、サンプリングクロック
周期Ｔｓを Ｔｓ＝５・Ｔｍ／１２ とした場合の例を図３に示す。同図（ｂ）はサンプリン
グクロックであり、同図（ａ）のＶ_１，Ｖ_２，…Ｖ_１２
は検出電圧からサンプリングした波形データ、同図
（ｃ）のＩ_１，Ｉ_２，…Ｉ_１２は検出電流からサンプリ
ングした波形データである。

【００４１】次に、データ数Ｎは図３と同様に１２と
し、Ｙを７とした場合の例を図４に示す。同図（ｂ）は
サンプリングクロックであり、同図（ａ）のＶ_１，
Ｖ_２，…Ｖ_１２は検出電圧からサンプリングした波形デ
ータ、同図（ｃ）のＩ_１，Ｉ_２，…Ｉ_１２は検出電流か
らサンプリングした波形データである。

【００４２】図３の例では１２個の波形データを収集す
るのに検出電圧（検出電流）５波分の時間を要し、図４
の例では７波分の時間を要する。すなわち、上記式
（７）に示すようにデータ収集時間はＹの値によって定
まるから、Ａ／Ｄコンバータの変換速度等を考慮し、デ
ータ数Ｎとは公約数を持たない自然数の中からできるだ
け小さい値を設定することが望ましい。

【００４３】なお、この発明の構成は特開平８−９４６
７７号公報の先願発明とほぼ同様であり、先願発明のＷ
設定機能を付加すれば、この装置１台で低周波領域のほ
か高周波領域における試料の特性測定も可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上、説明したようにサンプリング周波
数Ｆｓを表す式（Ａ）のＹがデータ数Ｎに対して公約数
を持たず、かつ、 １＜Ｙ＜Ｎ なる範囲の自然数に設定すると、測定周波数Ｆｍが低周
波領域の場合は、Ｙの値が小さいほどデータ収集時間を
大幅に短縮することができる。

【００４５】なお、操作キーなどに先願発明のＷ設定機
能を持たせると、特に高速のＡ／Ｄコンバータを用いな
いで先願発明と同様に測定周波数を高周波領域まで拡張
することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された回路素子の測定器の一形態
を示す概略的な電気的構成図。

【図２】本発明にかかるサンプリングクロックの説明用
波形図。

【図３】本発明を適用したサンプリング方法の一実施形
態を示す概略的な波形説明図。

【図４】本発明を適用したサンプリング方法の他の実施
形態を示す概略的な波形説明図。

【図５】従来のサンプリング方法の一実施形態を示す概
略的な波形説明図。

【図６】従来のサンプリング方法の他の実施形態を示す
概略的な波形説明図。

【符号の説明】

１ 交流信号発生部 ２ 試料 ３ 電圧検出回路 ４ 電流検出回路 ５ Ｓ／Ｈ（サンプル・ホールド）回路 ６ Ｓ／Ｈ（サンプル・ホールド）回路 ９ Ａ／Ｄコンバータ １０ ＣＰＵ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路素子に測定用交流信号を加えて同素
   子の両端間電圧と同素子に流れる電流を検出し、該検出
   した同一周波数の２つの交流信号を所定のクロックに同
   期してサンプリングしディジタル変換するとともに、得
   られた所要のディジタルデータから上記素子の諸定数を
   算出する回路素子測定器における検出信号のサンプリン
   グ方法において、 上記検出した２つの交流信号の連続波形を、それぞれ下
   記式（Ａ）に示す周波数Ｆｓのクロックに同期して作動
   する２つのサンプル・ホールド回路へ順次取り込んで同
   時的にサンンプリングするようにしたことを特徴とする
   回路素子測定器における検出交流信号のサンプリング方
   法。 Ｆｓ＝Ｆｍ（Ｎ／Ｙ）……………（Ａ） Ｆｓ：サンプリングクロックの周波数 Ｆｍ：測定用交流信号の周波数 Ｎ：検出交流信号の１周期間における所要データ数 Ｙ：サンプル・ホールド回路に取り込む検出交流信号の
   波形数
2. 【請求項２】 上記Ｎは４の整数倍の値に設定されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の回路素子測定器におけ
   る検出交流信号のサンプリング方法。
3. 【請求項３】 上記Ｙはその大きさが１＜Ｙ＜Ｎで、か
   つ、Ｎとの間に公約数を有しない自然数に設定されるこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の回路素子測定
   器における検出交流信号のサンプリング方法。