JPH0868809A - 電圧−抵抗合成装置 - Google Patents

電圧−抵抗合成装置

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JPH0868809A
JPH0868809A JP7177592A JP17759295A JPH0868809A JP H0868809 A JPH0868809 A JP H0868809A JP 7177592 A JP7177592 A JP 7177592A JP 17759295 A JP17759295 A JP 17759295A JP H0868809 A JPH0868809 A JP H0868809A
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JP
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voltage
pwm
resistance
coupled
switch means
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JP7177592A
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Larry E Eccleston
ラリー・イー・エクレストン
Daniel B Carson
ダニエル・ビィ・カーソン
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Fluke Corp
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    • GPHYSICS
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    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 1つの回路から、合成された抵抗および電圧
のパラメータを与える電圧−抵抗合成装置を提供する。 【解決手段】 電圧−抵抗合成装置は、1対の端子(1
0、36)で電圧および抵抗の値を合成するためのパル
ス幅変調器(PWM)(22)を含む。セレクタスイッ
チ(16)は、抵抗値が1つの基準抵抗から合成される
抵抗合成モード、および電圧値が1つの基準電圧から合
成される電圧合成モードのいずれかを選択する。パルス
幅変調器(22)により、16ビット解像度で合成値を
左右するデジタル制御ワードが受取られることができ
る。ローパスフィルタ(32)は、スイッチング周波数
の成分を遮断し、デューティサイクルと基準値との積で
あるd.c.電圧を与える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明は一般に、能動回路を用いた電圧
および抵抗のパラメータの合成に関し、特に、デジタル
的に制御されるパルス幅変調技術を用いて幅広い範囲の
正確な電圧および抵抗のパラメータを合成することがで
きる電圧−抵抗合成装置に関する。
【0002】製造およびプロセスの産業では、温度、圧
力、流速、およびプロセスに関連する他のパラメータを
測定するためのデジタルパネルメータ、圧力変換器、温
度変換器等の種々の電子計測器が用いられている。その
ような計測器を保持し、かつある期間にわたってその正
確さおよび整合性を保証するためには、較正が必要であ
る。計測器の較正は典型的には、政府による規格条件を
満たすため、産業プロセスおよび製造された商品の均一
性を保証するため、またはますます厳しくなっている品
質管理規格に対する適合性を保証するために、通常のメ
ンテナンスおよび較正スケジュールに従って行なわれ
る。
【0003】電子計測器の較正は通常、幅広い範囲の既
知の抵抗およびd.c.(直流)電圧を計測器で測定
し、その測定値が既知の値と正確に一致するようにその
計測器を調整することによって行なわれる。そのような
既知の値は、NIST(ナショナル・インスティテュー
ト・オブ・スタンダーズ・アンド・テクノロジー(Nati
onal Institute of Standards and Technology))に
「従う」測定規格から得られる。追随性とは、個々の測
定値が、一連の中間基準規格にわたって連続する比較連
鎖を通して、NISTによって維持される米国規格に関
連することを意味する。この連鎖の終わりでこれらの測
定値を与える較正装置は通常カリブレータとして既知で
ある。
【0004】計測器が異なれば、異なる較正方法と、異
なる電圧値および抵抗値とが必要である。たとえば、温
度変換器は、熱電対のバイメタル接合部によって発生さ
れたミリボルトレベルの信号を、工業規格の4〜20ミ
リアンペアループにおける対応するd.c.電流レベル
に変換する。その後、d.c.電流が測定され、別の計
測器によって対応する温度表示に変換される。温度変換
器の較正には、特定の種類の熱電対によって発生された
電圧レベルを複製する一連の既知の入力電圧を与え、複
数の較正点にわたって変換器の一連の対話的な調整を行
ない、各較正点で変換器によって発生される出力電流を
測定することが必要である。他のタイプの計測器は、較
正用にシミュレートされた抵抗を必要とし得る。たとえ
ば、RTD(抵抗温度検出器)によって与えられる温度
依存性のある抵抗を温度測定値に変換する計測器には、
較正用にシミュレートされたRTD抵抗が必要である。
したがって、器具の較正のために十分な正確さおよび精
度で合成される、プログラム可能な抵抗および電圧のパ
ラメータを与えることが望ましいであろう。
【0005】さらに、そのような計測器の較正を行なう
場合、典型的には、較正するべき計測器を計測器工場に
持っていき、そこで高性能なカリブレータを用いて較正
を行なわなければならず、したがってその較正期間の間
その計測器を用いることができない。伝統的には、サイ
ズが大きくかつ重量が大きいため計測器工場に置いてお
かなければならないベンチトップ型の計測装置により、
電圧較正および抵抗較正のために別々の規格が設けられ
ていた。したがって、抵抗および電圧の規格を1つのユ
ニットに組合せて、構成要素の数を減らし、携帯性を向
上することが望ましいであろう。
【0006】能動回路を用い、かつ、制御のためにプロ
グラマブル乗算デジタル/アナログコンバータ(DA
C)を用いるインピーダンス合成装置は、本発明の譲受
人であるフルーク・コーポレイション(Fluke Corporat
ion )に譲受される1993年12月2日出願の係属中
の米国特許出願連続番号第08/160,992号に開
示されている。この回路は、1つの基準抵抗器、キャパ
シタ、または誘導子に基づいて抵抗、キャパシタンス、
およびインダクタンスの値の合成を行なう。合成された
インピーダンス値の分解能は、回路に用いられる乗算D
ACで利用可能なビット解像度の数によって左右され
る。しかしながら、この先行技術の合成装置はd.c.
電圧の合成は行なわない。
【0007】現場較正では、計測器を較正のための計測
器工場のような中枢地に動かすのではなく、計測器を
「その場で」較正する必要がある。較正規格を較正する
べき計測器にとり入れることができれば、それは、計測
器工場のカリブレータの性能を僅かに下回る性能となる
が、所望の属性となるであろう。デジタル/アナログコ
ンバータのための線形制御回路は、エクレストン(Eccl
eston )他への米国特許第4,716,398号に開示
されており、これは、デジタルタイミング法によるデュ
ーティサイクルの正確な制御によって正確な合成された
電圧を得ることができるパルス幅変調(PWM)技術を
用いて安定性の高い合成されたd.c.電圧を与える。
基準電圧は、デューティサイクルを正確に制御した一定
のスイッチング周波数で動作する1対のスイッチを用い
てオンおよびオフに切換えられる。クロックされた波形
はフィルタネットワークに与えられ、このフィルタネッ
トワークは、平均d.c.電圧を得るようにある時間に
わたってこの波形を積分する。その結果、デューティサ
イクルに基づいて、基準電圧の正確に制御された分数で
ある合成された電圧が得られる。エクレストン他は、ス
イッチ抵抗による影響を取除きかつ増幅器の線形性を向
上し、それによって生成された電圧の正確さを向上する
ために、PWMの最初の2つのスイッチと連携して動作
する2つの付加的なスイッチを用いることを教示してい
る。しかしながら、携帯用の応用では、パルス幅変調器
に必要な構成要素がより少なく、かつ、異なるタイプの
計測器を「その場で」較正する場合に十分な正確さで電
圧および抵抗のパラメータを与える電圧−抵抗合成装置
を提供することが望ましいであろう。
【0008】
【発明の概要】本発明に従えば、電圧−抵抗合成装置
は、パルス幅変調技術を用いて提供される。抵抗および
電圧は、1対の端子を介して合成される。モードスイッ
チは、電圧合成モードおよび抵抗合成モードのいずれか
を選択する。パルス幅変調器(PWM)は、一方が開い
ているときには他方は閉じている、というように連携し
て動作(タンデム動作)し、PWMへの入力にある電圧
をオンおよびオフにする役割を果たす2つのスイッチか
らなる。これらの2つのスイッチS1およびS2は、タ
ンデム動作を達成するように、2つの出力(一方の出力
は他方の出力の反転である)を有するPWM制御回路に
よって制御される。PWM制御回路は、スイッチS1お
よびS2の動作のタイミング関係を正確に制御する能力
を有する。「Ton」は、スイッチS1が閉じておりかつ
S2が開いている時間である。「Tof f 」は、スイッチ
S2が閉じておりかつスイッチS1が開いている時間で
ある。期間Tは、TonとToff との和である。最後に、
デューティ比(D)は、Tに対するTonの比率である。
PWMの出力は、デューティ比Dによって左右される切
換えられた波形の平均d.c.値であるd.c.電圧を
生成する積分器としての機能を果たすローパスフィルタ
に結合される。ローパスフィルタとともに動作するPW
Mは、Vinと呼ばれるPWMへの入力電圧をデューティ
比Dで乗算した値であるd.c.電圧を生成する。D
は、PWM制御回路として機能するようにデジタルタイ
マとして構成される集積回路を用いる本発明では、16
ビット解像度で制御可能である。マイクロプロセッサま
たはデジタルコントローラによって与えられるデジタル
制御ワードによって、PWM制御回路のタイミングパラ
メータが設定される。
【0009】電圧合成モードでは、d.c.基準電圧V
ref は、バッファ/増幅器を介してPWMの入力に結合
される。ローパスフィルタの特性と一致する予め定めら
れたスイッチング周波数およびそれに対応する周期に設
定されるPWMは、D*Vre f に等しいフィルタの出力
電圧Vfilterを決定することができる。このように、好
ましい実施例では、PWMおよびローパスフィルタは組
合せて、16ビット解像度の分圧器として機能する。抵
抗合成モードでは、負の端子に流される試験電流Iによ
って、PWMの入力に結合される電圧Vr がI*Rref
となるように、基準抵抗器Rrefに電圧Vr が発生さ
れる。Dを決定するためにPWM制御回路でデジタル制
御パラメータを適切に設定することによって、PWMは
出力電圧Vsynth を合成することができる(ここで、V
synth =D*I*Rref である)。オームの法則によ
り、端子における合成された抵抗は、Rsynth =(V
synth/I)=D*Rref であり、合成された抵抗は、
好ましい実施例では16ビットであるDの精度程度で制
御可能である。
【0010】本発明の1つの目的は、1つの回路から、
合成された抵抗および電圧のパラメータを与えることで
ある。
【0011】本発明の別の目的は、電子計測器の較正に
関して抵抗および電圧の合成値を高い精度および安定性
をもって与えることである。
【0012】本発明のさらに他の目的は、デジタル的に
制御される合成された抵抗および電圧の値を与えること
である。
【0013】本発明の他の特徴、達成および利点は、添
付の図面を参照して以下に示す説明を読めば当業者に明
らかとなるであろう。
【0014】
【好ましい実施例の詳細な説明】図1を参照すると、本
発明の提案された商業的実施例の概略回路図が示されて
いる。端子10は、抵抗に関して較正されている外部計
測器から予め定められた試験電流Iが与えられる回路の
負の端子である。増幅器12の反転入力は、端子10
と、「Rref」と呼ばれる基準抵抗器14とに結合さ
れる。基準抵抗器14は、時間およびある範囲の周囲温
度の値に対して安定した抵抗パラメータを与えるタイプ
のものである。増幅器12の非反転入力は、接地に接続
される。増幅器12の出力は、基準抵抗器14と、単極
二投形スイッチ16のコンタクトとに結合される。増幅
器12は、非反転入力が接地に結合され、端子10と抵
抗器14の一方側とに結合される増幅器12の反転入力
が仮想接地となり、増幅器12の反転入力に電流が流れ
ないように配置される。抵抗器14は、増幅器12の出
力と反転入力との間に直列に配置され、フィードバック
ループとして動作する。したがって、増幅器12はこの
配置では電流/電圧コンバータとして機能し、端子10
は、試験電流が流される場合でも接地電位に維持され
る。
【0015】抵抗測定計測器は、通常、試験中の回路に
予め定められた試験電流Iを流し、試験電流Iを流した
結果回路に生じる電圧Vを測定することによって、抵抗
測定を行なう。抵抗は、オームの法則R=V/Iをその
まま適用することによって計算される。本発明の機能の
うちの1つは、抵抗測定計測器による試験電流の注入に
応答して抵抗測定計測器に結合される電圧を合成するこ
とによって所望の抵抗値を合成することである。端子1
0に注入される予め定められた電流Iによって、増幅器
12の出力にVr =I*Rref となるように発生される
抵抗器電圧Vrが得られる。スイッチ16の端子は、
「Vref 」として示される直流(d.c.)電圧基準レ
ベルを与える電圧源18に結合される。電圧源18は、
時間および周囲温度で安定しているd.c.電圧パラメ
ータを与えるタイプのものである。スイッチ16のコン
タクトは、電圧フォロワとして構成される増幅器20の
非反転入力にさらに接続される。スイッチ16は、抵抗
器14と増幅器12の出力とが増幅器20の非反転入力
に結合される抵抗合成モード、および電圧源18が増幅
器20の非反転入力に結合される電圧合成モードのいず
れかを選択する。増幅器20の出力は、フィードバック
を行ないかつ単位電圧利得を達成するように、増幅器2
0の反転入力に結合される。増幅器20の出力は、スイ
ッチ16が抵抗合成モードに設定されている場合はVr
に等しく、スイッチ16が電圧合成モードに設定されて
いる場合にはVref に等しい電圧「Vin」を形成する。
増幅器20の出力は、スイッチ24と、「S2」として
示されるスイッチ26と、パルス幅変調制御回路28と
からなるパルス幅変調器22(「PWM」)の入力を形
成する「S1」として示される単極単投形スイッチ24
にさらに結合される。スイッチ24の他方側は、スイッ
チ26に結合される。スイッチ26の他方側は、回路の
接地に結合される。PWM制御回路28の第1の出力
は、スイッチ24の制御入力に結合される。第1の出力
を反転したものである第2の出力は、スイッチ26の制
御入力に結合される。スイッチ24および26は、それ
ぞれ、PWM制御回路28の第1および第2の出力から
のスイッチ制御信号に応答して開閉する。商業的実施例
では、スイッチ24および26は電界効果トランジスタ
(FET)であり、PWM制御回路28はデジタルタイ
ミング機能を果たすように適合される市販の集積回路で
ある。PWM22のタイミングパラメータを決定するデ
ジタル情報を与えるために、デジタル制御ワードがデー
タバス30を介してPWM制御回路28の入力に結合さ
れる。スイッチ24とスイッチ26との接続部は、ロー
パスフィルタ32の入力に結合される「Vout 」として
示される電圧38を有するパルス幅変調器22の出力を
形成する。ローパスフィルタ32は、PWM22のスイ
ッチング周波数を取除くために十分な数の極およびカッ
トオフ周波数を有し、「Vfilter」として示されるd.
c.電圧40を生成する。ローパスフィルタ32は、入
力電圧からの電荷をある時間にわたって蓄積する積分器
として機能し、このようにしてその出力に発生された電
圧は、電圧の波形周期にわたって積分される。Vout
方形パルスであるため、この積分関数は、PWM22の
デューティ比Dの直接関数である単純な平均電圧に低減
される。PWM22のスイッチング周波数の成分を取除
くように設計されたローパスフィルタ32は、その出力
に十分に純粋なd.c.電圧Vfilterを生成するように
選択された数の極およびカットオフ周波数を有する。P
WM22のスイッチング周波数の成分がどの程度完全に
遮断されるかの尺度である電圧Vout の純度を増加させ
ると、ローパスフィルタ32の構成要素をより複雑にし
なければならず、そのコストが増大する。好ましい実施
例では、PWM22のスイッチング周期Tは一定に維持
され、Tonを変化させてDを調節する。これに代えて、
同じ効果を達成するために、Tを変えてTonを一定に維
持してもよい。ローパスフィルタ32の出力は、電圧フ
ォロワとして構成される増幅器34の非反転入力に結合
される。単位電圧利得を達成するために、増幅器34の
出力は増幅器34の反転入力に結合される。電圧フォロ
ワ34の出力は、出力電圧Vsynth が発生される正の端
子を形成する出力端子36にさらに結合される。増幅器
34が単位電圧利得を有するため、Vsy nth はVfilter
に等しい。したがって、Vsynth は、端子10に注入さ
れる試験電流Iに応答して端子10および36の間で発
生される。端子10を接地電位に維持することにより、
本発明は、別の基準接地を維持するのではなく、較正し
ている計測器に対する2端子装置の状態を維持すること
ができるようになる。端子10および36に結合される
外部の抵抗測定計測器によって測定されるような端子1
0および36の間の合成された抵抗Rsynth は、R
synth =Vsynth /I=(D*I*Rref )/I=D*
ref となる。
【0016】次に図2(A)を参照して、PWM22の
出力に発生される代表的な電圧波形がVout 対時間のグ
ラフで示されている。Vout は、繰り返し周期Tおよび
パルス幅Tonを有する正の方形パルスに似ている。Ton
相の間、PWM制御回路28のスイッチ制御信号に応答
してスイッチ24が閉じスイッチ26が開く。Toff
の間、PWM制御回路28のスイッチ制御信号に応答し
てスイッチ24が開きスイッチ26が閉じる。商業的実
施例では、繰り返し周期Tは、1キロヘルツのスイッチ
ング周波数に対応して一定の1ミリ秒に維持される。デ
ューティ比Dは、周期Tに対するパルス幅Tonの比率で
ある。パルス幅Tonは、0秒ないし1ミリ秒の間で調整
することができ、これはデューティ比Dが0%〜100
%で変わり得ることを意味する。PWM制御回路28
は、デジタルデータバス30からロードされる値によっ
て決定される時間幅TおよびTonを決定するデジタルタ
イマ回路を含む。商業的実施例では、PWM制御回路2
8は、TおよびTonを決定する際に16ビット解像度を
与えるデジタル集積回路である。
【0017】図2(B)は、ローパスフィルタ32の出
力にあるVfilterと呼ばれる電圧40を示している。比
較のために、横の時間軸および縦の電圧軸は図2(A)
のグラフと同じスケールである。ローパスフィルタ32
は、PWM22の動作の結果生じるVout にあるスイッ
チング周波数の成分をフィルタして取除くように設計さ
れる。これを行なう際に、ローパスフィルタ32は電圧
積分器として作用し、周期Tにわたって電圧Vout の平
均値であるd.c.電圧を発生する。出力電圧Vfilter
の値は、デューティ比Dを入力電圧Vinで乗算した値に
対応する。したがって、このグラフはVfilterがレベル
D*Vinのd.c.電圧であることを示し、ここで、D
は、PWM制御回路28を制御するためのデジタル制御
ワードの選択に依存して0〜1のいかなる値であっても
よい。
【0018】再び図1を参照して、試験電流Iを端子1
0に注入した結果出力電圧Vsynthが端子36に生じる
抵抗合成モードで動作する回路が示されている。V
synth =Vfilter=D*Vr であり、ここでVr =I*
ref である。合成された抵抗パラメータRsynth は、
式Vsynth /I=D*Rref で計算される。Dがデジタ
ルデータバス30を介して送られるデジタル制御ワード
によって制御可能であるため、合成された抵抗値は選択
され、かつ、端子10および36に結合される、抵抗の
測定のために較正するべき計測器に与えられ得る。代替
的に、回路は、電圧を測定する計測器の較正の場合に端
子36に生じる出力電圧がVsynth =Vfilt er=D*V
ref である電圧合成モードで動作してもよい。
【0019】本発明のより広い局面において本発明の精
神から外れることなく本発明の上述の好ましい実施例の
詳細に多くの変更を加えてもよいことが当業者に明らか
であろう。たとえば、所望の合成された抵抗値または電
圧値のスケーリングを達成するために、増幅器20およ
び34を他の選択されたレベルの電圧利得に再構成して
もよい。オン時間Tonを一定に維持してパルス幅変調器
の周期Tを変えてもよい。したがって、本発明の範囲
は、前掲の特許請求の範囲によって決定されるべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の概略回路図である。
【図2】(A)は、パルス幅変調のタイミング関係を示
す波形図であり、(B)は、パルス幅変調信号に対して
ローパスフィルタを用いた場合の波形図である。
【符号の説明】
14 基準抵抗器 16 スイッチ 18 基準電圧源 22 パルス幅変調器 32 ローパスフィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル・ビィ・カーソン アメリカ合衆国、98012 ワシントン州、 ボーセル、ワンハンドレッドアンドサーテ ィーサード・プレイス、エス・イー、2530

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a) 試験電流を受取り第1の電圧を
    生成するための基準抵抗器と、 (b) 第2の電圧を生成するための基準電圧源と、 (c) 前記基準抵抗器および前記基準電圧源に結合さ
    れ、前記第1および第2の電圧のうちの1つを選択する
    ためのスイッチ手段と、 (d) 制御可能なデューティ比を有する制御信号に従
    って前記第1および第2の電圧のうちの前記選択された
    1つを変調するためのPWMと、 (e) 前記PWMに結合され、前記デューティ比に比
    例する直流電圧を生成するためのフィルタ手段とを含
    む、電圧−抵抗合成装置。
  2. 【請求項2】 前記デューティ比はデジタル的にプログ
    ラム可能である、請求項1に記載の電圧−抵抗合成装
    置。
  3. 【請求項3】 前記フィルタ手段はローパスフィルタ回
    路を含む、請求項1に記載の電圧−抵抗合成装置。
  4. 【請求項4】 前記フィルタ手段に結合され、前記直流
    電圧を、較正するべき計測器に結合するための出力手段
    をさらに含む、請求項1に記載の電圧−抵抗合成装置。
  5. 【請求項5】 前記基準抵抗器に結合され、較正するべ
    き計測器からの前記試験電流を結合するための入力手段
    をさらに含む、請求項1に記載の電圧−抵抗合成装置。
  6. 【請求項6】 前記PWMは、 (a) 前記スイッチ手段に結合されるPWM入力と、 (b) 前記フィルタ手段に結合されるPWM出力と、 (c) 前記PWM入力と前記PWM出力との間に直列
    に配置される第1のPWMスイッチ手段とをさらに含
    み、前記第1のPWMスイッチ手段は、制御入力に結合
    される前記制御信号に応答して始動し、 (d) 前記PWM出力と回路の接地との間の分路に配
    置される第2のPWMスイッチ手段をさらに含み、前記
    第2のPWMスイッチ手段は、制御入力に結合される前
    記制御信号に応答して始動し、 (e) 前記第1のPWMスイッチ手段および前記第2
    のPWMスイッチ手段に結合されるPWM制御回路をさ
    らに含み、前記PWM制御回路はデジタルデータバスに
    さらに結合され、前記PWM制御回路は、デジタル制御
    ワードに応答して前記第1および第2のPWMスイッチ
    に制御信号を与える、請求項1に記載の電圧−抵抗合成
    装置。
  7. 【請求項7】 前記PWM制御回路は、デジタルタイマ
    集積回路をさらに含む、請求項6に記載の電圧−抵抗合
    成装置。
JP7177592A 1994-07-14 1995-07-13 電圧−抵抗合成装置 Pending JPH0868809A (ja)

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US08/276,067 US5402082A (en) 1994-07-14 1994-07-14 Voltage and resistance synthesizer using pulse width modulation
US08/276067 1994-07-14

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US (1) US5402082A (ja)
EP (1) EP0693692A3 (ja)
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