JPH0634674A

JPH0634674A - 電流測定装置

Info

Publication number: JPH0634674A
Application number: JP4153034A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Miki; 安彦三木
Original assignee: Sony Tektronix Corp
Current assignee: Tektronix Japan Corp
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【構成】既知の電圧が非反転入力端子に供給された演
算増幅器１０の反転入力端子及び出力端子間には、抵抗
値が既知の第１抵抗器１４及び電流測定用第２抵抗器２
８と、第１、第２及び第３スイッチ２４、１６、２６か
ら成る回路網が接続される。電流測定用第２抵抗器の両
端電圧は、差動増幅器１８で検出されて、アナログ・デ
ジタル変換器でデジタル値に変換された後、ＣＰＵで処
理される。【効果】スイッチの接続状態を選択し、既知の第１抵
抗器を使用することにより、第２抵抗器の抵抗を求める
ことができるので、高精度及び高安定性の高価な抵抗器
を電流測定用抵抗器として使用しなくても、正確な電流
測定ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電流測定装置、特に、
高精度の高価な高抵抗器を必要としない微小電流測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
電流値を測定する際には、既知の抵抗値を有する測定用
抵抗器に被測定電流を供給し、測定用抵抗器の両端電圧
を測定し、測定電圧値を既知の抵抗値でわり算すること
により、被測定電流値を得ている。特に、被測定電流が
マイクロ・アンペア又はピコ・アンペアのオーダーの微
小電流である場合は、測定用抵抗器は高抵抗値を有する
ことが要求される。しかし、通常、高抵抗値の抵抗器
は、低抵抗値の抵抗器に比較して、抵抗値の精度及び長
期的安定性が劣っている。また、高精度の高抵抗値の抵
抗器は高価であり、電流測定器の製造コストが上がる。
更に、精度の高い抵抗器を使用しても、安定性の問題に
より、長期にわたる正確な測定が困難である。

【０００３】したがって、本発明の目的は、高価な抵抗
器を必要とせずに正確な測定が可能な電流測定装置の提
供にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の電流測定装置に
おいて、中央処理装置（以下ＣＰＵという）は、デジタ
ル・アナログ変換器（以下ＤＡＣという）を制御して、
演算増幅器の非反転入力端子に供給する電圧を設定す
る。演算増幅器の反転入力端子は、電流測定時に被測定
素子を接続するための測定用端子に接続される。演算増
幅器の出力端子及び測定用端子間には、直列接続された
第１スイッチ及び抵抗値が既知の第１抵抗器を含む第１
直列回路と、演算増幅器の出力端子から測定用端子に向
かって順番に直列接続された第２スイッチ及び第２抵抗
器を含む第２直列回路とが接続される。第２スイッチ及
び第２抵抗器の接続点と接地電位源間には、第３スイッ
チが接続される。演算増幅手段の出力端子及び上記測定
用端子間の電圧は、電圧検出手段で検出されて、アナロ
グ・デジタル変換器（以下ＡＤＣという）でデジタル値
に変換された後、ＣＰＵで処理される。

【０００５】

【作用】始めに第１及び第３スイッチを閉状態にし、第
２スイッチを開状態にする。この接続状態では、演算増
幅器の出力端子及び接地電位源間に第１及び第２抵抗器
が直列接続され、電圧検出器は第１抵抗器の両端電圧を
検出し、第１及び第２抵抗器の接続点即ち測定用端子の
電圧は、演算増幅器の非反転端子に設定した電圧にな
る。第１及び第２抵抗器を流れる電流は、検出電圧を第
１抵抗器の抵抗値で除算することで求められ、この電流
値で設定電圧値を除算することにより、第２抵抗器の抵
抗値を求めることができる。電流測定を行う場合は、被
測定素子を測定用端子に接続し、第１及び第３スイッチ
を開状態にし、第２スイッチを閉状態にする。この接続
状態では、第２抵抗器が被測定素子と直列接続され、電
圧検出器は、第２抵抗器の両端電圧を検出する。被測定
素子に流れる電流は、検出電圧を第２抵抗器の求めた抵
抗値で除算することにより求められる。このように、ス
イッチの接続状態を選択し、既知の第１抵抗器を使用す
ることにより、第２抵抗器の抵抗を求めることができる
ので、高精度及び高安定性の高価な抵抗器を電流測定用
の抵抗器として使用しなくても、正確な電流測定ができ
る。

【０００６】

【実施例】図１は、本発明の電流測定装置を示すブロッ
ク図である。ＣＰＵ２は、ホストコンピュータ又はキー
ボードからの入力命令に従い、後述する様にバス４を介
して他の構成要素を制御するためのデータを発生し、且
つ他の構成要素から送られるデータを使用して、測定に
必要な計算を行う。ＣＰＵ２により得られた測定結果
は、陰極線管の如き表示器６に表示される。

【０００７】ＤＡＣ８は、ＣＰＵ２が入力命令に従って
出力したデジタル電圧データを受け取りアナログ電圧に
変換して出力する。ＤＡＣ８は、出力アナログ電圧を演
算増幅器１０の非反転入力端に供給する。演算増幅器１
０の出力端は、双投スイッチ１２の第１接点に接続され
る。双投スイッチ１２の第２接点は、抵抗器１４の一
端、スイッチ１６の一方の接点、差動増幅器１８の非反
転入力端及びスイッチ２０の一方の接点に接続される。
双投スイッチ１２の第３接点は、抵抗器２２を介して演
算増幅器１０の反転入力端に接続される。双投スイッチ
１２の第２及び第３接点は、図中においてＸ及びＹで示
す。抵抗器１４の他端は、スイッチ２４の一方の接点に
接続される。スイッチ２４の他方の接点は直接に、ま
た、スイッチ１６の他方の接点、及び一方の接点が接地
されたスイッチ２６の他方の接点は、抵抗器２８を介し
て出力端子３０に接続される。出力端子３０は、スイッ
チ３２の一方の接点に接続されると共に、高入力インピ
ーダンスを有する利得１の緩衝増幅器３５の入力端子に
接続される。緩衝増幅器３５の出力端は、出力端子の電
圧を負帰還するために抵抗器３６を介して演算増幅器１
０の反転入力端に接続されると共に、差動増幅器１８の
反転入力端に接続される。基準電圧源３４は、２出力端
子に夫々＋Ｖ1／２及び−Ｖ2／２の電圧を発生し、夫々
スイッチ２０及び３２の他方の接点に供給する。

【０００８】抵抗器２８は、従来の電流測定装置に使用
する如き例えば、数ギガΩの高抵抗値を有する抵抗器で
あり、上述の様に、精度及び長期的安定性が良くない。
したがって、電流測定を行う前に抵抗器２８の抵抗値を
測定する必要がある。一方、抵抗器１４は、抵抗器２８
に比較して低い例えば、数メガΩの既知の抵抗値を有
し、精度及び長期的安定性の良いものを安価で入手する
ことができる。スイッチ１２、１６、２０、２４、２６
及び３２は、望ましくは電子スイッチであり、ＣＰＵ２
から送られる制御信号によりオン及びオフ状態が選択さ
れる。

【０００９】差動増幅器１８は、演算増幅器１０の出力
端及び出力端子３０間の差電圧を検出して、可変利得回
路３８に供給する。可変利得回路３８の利得は、ＣＰＵ
２からの制御データに従って調整可能である。アナログ
・デジタル変換器（以下ＡＤＣという）４０は、可変利
得回路３８で調整した電圧をデジタル電圧データに変換
し、ＣＰＵ２に送る。

【００１０】次に図１の本発明の電流測定装置の動作
を、図２及び図３に示す複数のブロックを含む流れ図を
参照して説明する。ＣＰＵ２は、ホスト・コンピュータ
又はキーボードから調整命令を受け取り、可変利得回路
３８を調整する処理を行う。調整手順において、まず、
ＣＰＵ２はブロック１００で、スイッチ１６、２４及び
２６を開状態にし、スイッチ１２をＹ側に接続し、スイ
ッチ２０及び３２を閉状態にして、接続状態ａにする。
これにより、差動増幅器１８の両入力端子には、夫々電
圧＋Ｖ1／２及び−Ｖ1／２が供給され、差動増幅器１８
の出力電圧はＶ1となる。ＡＤＣ４０は、可変利得回路
３８に現時点で設定された利得で増幅された電圧をデジ
タル値に変換し、バス４を介してＣＰＵ２に送る。ＣＰ
Ｕ２は、受け取ったデジタル値が電圧Ｖ1を示す値であ
るかどうかを調べ、その結果に応じて可変利得回路３８
の利得を調整し、ＡＤＣ４０の出力デジタル値が電圧Ｖ
1を正確に示すようにする。緩衝増幅器３５、差動増幅
器１８、可変利得回路３８及びＡＤＣ４０の動作に誤差
が無ければ、可変利得回路３８の利得は１に設定され
る。しかし、通常は、誤差が存在し、その誤差に応じて
可変利得回路３８の利得を１に近い値に設定することに
より総合的に誤差が補償される。ＡＤＣ４０の出力デジ
タル値が電圧Ｖ1を示す値となる可変利得回路３８の利
得即ち利得Ａが決まると、ＣＰＵ２は、この利得Ａに対
応する制御データを記憶し、利得Ａ状態を維持する（ブ
ロック１０２）。

【００１１】次に、ＣＰＵ２は、ブロック１０４で、ス
イッチ２４及び２６を閉状態にし、スイッチ１６を開状
態に維持し、スイッチ２０及び３２を開状態にし、スイ
ッチ１２をＸ側接点に接続して、接続状態ｂにする。こ
れにより、演算増幅器１０の出力電圧は、演算増幅器１
０及び接地電位間に直列接続された抵抗器１４及び２８
に供給され、抵抗器１４の両端電圧は、差動増幅器１８
の両入力端間に供給される。可変利得回路３８の利得
は、利得Ａに維持されている。ＣＰＵ２は、ＤＡＣ８に
制御データを供給し、その出力電圧をＶ2に設定する。
演算増幅器１０、抵抗器１４、緩衝増幅器３５及び抵抗
器３６は、負帰還型増幅回路を構成し、出力端子３０の
電圧はＤＡＣ８の出力電圧Ｖ2に等しくなる。

【００１２】説明のため、抵抗器１４の既知の抵抗値を
Ｒ1、抵抗器２８の公称抵抗値をＲ2、実際の抵抗値をＲ
2’とする。ＣＰＵ２は、予め抵抗器２８の公称抵抗値
Ｒ2を使用して、抵抗器１４の両端電圧Ｖxを次の式で計
算し、結果を記憶している。Ｖx＝(Ｖ2／Ｒ2）×Ｒ1 （１）次に、ブロック１０５で抵抗器１４の実際の両端電圧Ｖ
x’を測定する。このＶx’は、次の式で示すことができ
る。Ｖx’＝(Ｖ2／Ｒ2’）×Ｒ1 （２）式（１）及び式（２）より、ブロック１０６で次の式を
用いてＲ2及びＲ2’の比を求める。Ｒ2／Ｒ2’＝Ｖx’／Ｖx （３）

【００１３】電流測定を行うには、スイッチ１２をＸ側
接点に接続したままにし、スイッチ１６を閉状態にし、
他の全てのスイッチを開状態にし、被測定素子４２を出
力端子３０に接続して、接続状態ｃにする。出力端子４
０の電圧は、演算増幅器１０の非反転端子の電圧に等し
く、被測定素子のインピーダンスにより決まる被測定電
流が演算増幅器１０、スイッチ１２、抵抗器２８及び被
測定素子を流れる。スイッチ２６は、抵抗器２８の演算
増幅器１０側に接続されているので、スイッチ２６の漏
れ電流は、抵抗器２８を流れる電流に影響しない。差動
増幅器１８は、被測定電流により生じる抵抗器２８の両
端電圧Ｖ3を検出する。被測定電流は、測定電圧を式
（２）から求めたＲ2’で除算して求められる。このよ
うに、第２抵抗器より抵抗値が低く、高精度且つ高安定
性の第１抵抗器を使用し、第２抵抗器の抵抗値を求めた
後、電流測定を行うので、高精度及び高安定性の高価な
抵抗器を使用しなくても、正確な電流測定ができる

【００１４】しかし、厳密に言えば、この際に、Ｒ2’
及びＶ3の各々の値を、デジタル計算することにより、
切り捨てによる誤差が生じる。また、抵抗器２８の公称
抵抗値Ｒ2が例えば５ＧΩであるが、測定値Ｒ2’が４.
９５ＧΩであった場合、電圧Ｖ3を５×１０*9（Ｎ*n
は、Ｎのn乗を表す。）で除算するの比較して、４.９５
×１０*9で除算するほうが、計算に多くのビット数を必
要とする。ビット数が多くなれば、それだけ計算時間が
長くなり、また、限られたビット数で計算すれば、切り
捨てによる計算誤差が大きくなる。

【００１５】この問題を解決するために、本発明では、
更に、可変利得回路３８の利得を適切に調整することに
より、電流測定時に、デジタル計算の回数を減らし、更
に、ＡＤＣ４０の出力デジタル値が、あたかも公称抵抗
値Ｒ2を有する抵抗器２８に生じた電圧を示すようにし
ている。そのために、電流測定時の抵抗器２８の両端電
圧に、公称抵抗値Ｒ2及び実際の抵抗値Ｒ2’の比Ｒ2／
Ｒ2’に等しいＶx’／Ｖxを乗算した値がＡＤＣ４０の
出力に現れるように、可変利得回路３８の利得を調整す
る。

【００１６】この様に可変利得回路３８を調整するため
に、ＣＰＵ２は接続状態ｂにおいて、ブロック１０６に
続いて、ブロック１０８で、（Ｖx’×Ｖx’）／Ｖxを
計算し、記憶する。次に、ブロック１１０で、ＣＰＵ２
は、ＡＤＣ４０の出力デジタル値が示す電圧が、（Ｖ
x’×Ｖx’）／Ｖxより大きいかどうかを調べる。現時
点では、可変利得回路３８は、略１である利得Ａに設定
してあるので、ＡＤＣ４０の出力デジタル値は略Ｖx’
に相当する。したがって、実際の抵抗値Ｒ2’が公称抵
抗値Ｒ2よりも大きければＶx’／Ｖx＜１となり、ＡＤ
Ｃ４０の出力デジタル値は（Ｖx’×Ｖx’）／Ｖxより
大きいと判断されてブロック１１２に移り、可変利得回
路３８の利得が減少される。大きいと判断されなけれ
ば、ブロック１１４に移る。実際の抵抗値Ｒ2’が公称
抵抗値Ｒ2よりも小さければ、Ｖx’／Ｖx＞１となり、
ＡＤＣ４０の出力デジタル値は（Ｖx’×Ｖx’）／Ｖx
より小さいと判断されてブロック１１６に移り、可変利
得回路３８の利得が増加される。

【００１７】ブロック１１２又はブロック１１６で利得
が増減された後、再びＡＤＣ４０の出力デジタル値及び
（Ｖx’×Ｖx’）／Ｖxの大小関係が調べられ、必要に
応じて利得が増減される。この様な処理を繰り返した
後、ＡＤＣ４０の出力デジタル値が示す電圧が（Ｖx’
×Ｖx’）／Ｖxに等しいと判断されると、ブロック１１
８に移り、そのときの可変利得回路３８の利得Ｂを設定
するための制御データがＣＰＵ２に記憶され、利得Ｂ状
態が維持される。この利得設定は、緩衝増幅器３２、差
動増幅器１８、可変利得回路３８及びＡＤＣ４０の固有
の誤差を加味して行われるので正確である。

【００１８】電流測定を行うには、ブロック１２０で上
述した接続状態ｃにする。抵抗器２８の両端電圧Ｖ3が
ＡＤＣ４０の出力端において正確にＶx’／Ｖx倍され、
抵抗器２８が公称抵抗値を有する状態が仮想される。Ｃ
ＰＵ２は、ＡＤＣ４０の出力デジタル値を、予め記憶し
てある例えば５.０ＭΩである公称抵抗値で除算するこ
とにより、被測定電流を測定することができる。この測
定では、ＡＤＣ４０の入力電圧は、アナログ的に調整さ
れており、ＡＤＣ４０の出力デジタル値を、有効数字の
桁数の少ない公称抵抗値で１回だけデジタル計算するこ
とができるので、正確に電流測定を行うことができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明の電流測定装置では、電流測定用
抵抗器より抵抗値が低く、高精度且つ高安定性の抵抗器
を使用し、電流測定用抵抗器の抵抗値を求めた後、電流
測定を行うので、高精度及び高安定性の高価な電流測定
用抵抗器を使用しなくても、正確な電流測定ができる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電流測定装置の実施例を示すブロック
図である。

【図２】図１の装置の動作を説明するための流れ図であ
る。

【図３】図１の装置の動作を説明するための流れ図であ
る。

【符号の説明】

１０演算増幅手段１４第１抵抗器１６第２スイッチ手段１８電圧検出器２４第１スイッチ手段２６第３スイッチ手段２８第２抵抗器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定用端子と、非反転入力端子に既知の電圧が供給され、反転入力端子
が上記測定用端子に接続された演算増幅手段と、該演算増幅手段の出力端子及び上記測定用端子間に直列
接続された第１スイッチ手段及び抵抗値が既知の第１抵
抗器を含む第１直列回路と、上記演算増幅手段の出力端子及び上記測定用端子間に順
番に直列接続された第２スイッチ手段及び第２抵抗器を
含む第２直列回路と、上記第２スイッチ手段及び上記第２抵抗器の接続点と基
準電位源間に接続された第３スイッチ手段と、上記演算増幅手段の出力端子及び上記測定用端子間の電
圧を検出する電圧検出手段とを具えることを特徴とする
電流測定装置。