自作計測回路

1. 前口上

   電子工作を趣味にしていると、次第に測定器が必要になります。
   次に、電子工作に凝ってくると、次第に測定器自体を製作したくなります。
   更にのめりこむと、測定器を製作するための測定器を作りたくなります。
   そして、ついには絶対測定にまで興味が行ってしまい、
   泥沼から抜けられなくなってしまいます。
   まあ、ここまでいくと、ちょっと病気かもしれませんが(^^;
   

   どなたか忘れたましたが、以前ある技術者が以下のようなことを文献に書いておられました。
   「測定器を購入するとゆうことは、機能を買うのではなく、精度を買うのだ。」
   けだし、名言であります。
   

   以下、ここのページには、主に自作可能な測定器の方式検討について纏めます。
   

2. 直流電流測定

   1. 直流電流計の自作
      電子回路を使用しない場合、直流電流は 可動コイル型電流計 で測定することに
      なりそうでが、さすがに電流計まで自作することは、精度、機械的構造の点から
      実用的でないと思います。
      ちなみに、かつて、「マイキット」なる商品では、磁石(コンパス)の周りにコイルを
      巻き、コイルを流れる電流が作る磁界により、コンパスの針の向きが
      南北方向から傾くことにより、電流の強さを表示していました。
      
      
   2. 分流器
      分流器 に必要とされる抵抗器の値は、一般的には、中途半端な値となるため
      複数の抵抗器を組み合わせて実現する必要があるため面倒です。
      しかし、面倒ですが実現性が低い訳ではありません。
      また、分流器を使用する場合、分流器に流れる電流が大きくなる傾向があるので
      分流器の消費電力にも注意する必要があります。
      ところで、電流計の内部抵抗ですが、この値が判らないと分流器の値を計算
      することが出来ません。分流器の値を決定する場合は、購入した電流計の内部抵抗を
      テスターなどで測定してみる以外、方法はないと思います。
      
      
      
   3. 直流電位差を使う方法(工事中)
      
   4. 演算増幅器を使う方法(工事中)
      
   
   

3. 直流電圧測定

   1. 可動コイル型直流電圧計
      可動コイル型直流電圧計 と言っても、実態は 可動コイル型直流電流であり、
      この電流計に直列抵抗Rを接続することにより、電流の値Iから
      V=IRのオームの法則 により電圧Vが読み取れます。
      ただし、実際には電流計には内部抵抗:Raがあるため、直列抵抗Rを決めるに
      あたっては、計算上のRからRaを引かないと大きな誤差が発生します。
      一般的にはRaは中途半端な値となるため、実際に挿入する直列抵抗の値も
      半端な値となります。これを実現するためには、複数の抵抗器を組み合わせて
      実現します。
      ところで、電流計の内部抵抗ですが、この値が判らないと直列抵抗の値を計算
      出来ません。電圧計を自作する場合は、購入した電流計の内部抵抗を
      テスターなどで測定してみる以外、方法はないと思います。
      
      
      
   2. 倍率器
      倍率器 により実現する測定レンジは、通常切りのいい値となるので、
      必要とされる倍率器の抵抗値も切りのいい値となり、
      実現は容易です。
      
      
      
   3. 直流電位差を使う方法(工事中)
      
   4. 演算増幅器を使う方法(工事中)
      
   
   

4. 抵抗測定

   1. ホイートストン・ブリッジ(工事中)
   2. 直流電位差を使う方法(工事中)
      
   
   

5. 交流電圧測定

   いずれの方式も、ダイオードを使用して交流を整流し直流に変換してから、
   直流電圧計で読み取ります。交流の実効値に変換する方式もありますが
   回路が複雑になるので、通常は整流方式により交流のピーク値を読んだり
   交流波形が正弦波であることを前提に直流電圧計の読みに波形率をかけて
   実効値とするなどの方式をとります。
   
   
   1. 整流型交流電圧計
      商用交流電圧を測定する典型的な交流電圧計の構成です。
      整流回路にて交流を直流に変換し、直流電圧計にて測定する構成とした計器です。
      測定波形は正弦波であることが前提で、測定する交流電圧の実効値と
      直流電圧計の読みとの比は波形率と言い、 1.11倍になります。
      ダイオードの順方向電圧降下が測定誤差となるため、
      小さな電圧では使用できず、概ね10[V]以上で使用されます。
      また、内部抵抗は直流電流計の感度で決まりますが、10kΩ/V程度になりそうです。
      
      
      
   2. ACプローブ＋直流電圧計
      高周波回路の測定によく用いられる方式です。RFプローブなどと呼ばれます。
      D1、D2にシリコン・ショットキ・ダイオードを使用すれば、比較的小さな
      電圧まで読み取ることが出来ますが、絶対値は期待出来ません。
      なお、この回路の指示値はピークtoピーク値です。
      ダミー負荷としてR_Lを接続し、校正すれば電力計としても
      使用出来ます。ただ電力計の場合は、指示値が小さい程、目盛りがつまってしまいます。
      
      
      
   3. ACプローブ＋直流増幅器＋直流電圧計
      ACプローブ＋直流電圧計の構成に対し、ACプローブの後ろに直流増幅器を接続し
      測定感度を上げるとともに、入力インピーダンスも大きく出来る方式です。
      ACプローブですぐに直流に変換してしまうため、プローブと直流増幅器の間を
      シールド線で接続するとかなり距離を離すことが出来ます。
      増幅するためかなり小さな電圧まで測定出来ますが、ダイオードの順方向電圧降下
      およびダイオードの温度特性の変化を受けやすく、校正しても絶対値は
      読み取るのは更に難しくなります。
      
      
      
   4. 広帯域アンプ＋ACプローブ
      測定電圧が小さいとダイオードの電圧降下による誤差が大きくなるため
      まず、測定波形を増幅してから整流する方式です。広帯域アンプは測定する
      周波数帯域内で一定の増幅度を維持出来るものが必要です。
      
      
      
   5. 絶対値回路＋LPF
      ダイオードによる整流では、ダイオードの順方向電圧降下が測定誤差になって
      しまいます。これに対して、演算増幅器とダイオードにより、理想的なダイオードを
      実現するとダイオードによる誤差を無視出来るようになります。
      いわゆる絶対値回路です。整流した後の波形は脈流なのでローパス・フィルタ(LPF)
      を通して完全な直流にします。自作する場合は最も精度が出せる方式だと思います。
      周波数特性は演算増幅器で決まるため、高周波では使用できません。
      
      
      
   6. 参考文献
      

      No.	記事	出版社	著者	特徴	備考
      1	トランジスタ技術(Dec. 1997) 高周波回路の設計と製作 第3回　電子電圧計アダプタの製作	CQ出版社	鈴木　憲次	トランジスタ増幅型
      2	実験と工作で学ぶ 初めてのエレクトロニクス(2001) 第2部　第12回　正弦波発振器と 交流電圧計の製作	CQ出版社	黒田　徹	絶対値型
      3	トラ技ORIGINAL No.3 試作研究　アナログIC/測定器　回路の誕生(1990) 第6章　AC-DCコンバータをつくる	CQ出版社	松井　邦彦	絶対値型
      4	入門電気計測 (1980 第16刷)	実教出版	西野　治	整流型交流電圧計の原理 ACプローブの原理

      
      
      
   
   

6. 増幅回路の簡易測定

   1. 入力インピーダンスの測定
      最初、VR = 0の状態でのvoの読みをvo0とします。
      このとき、voの波形が歪まないようvsのレベルを適当に調整しておきます。
      次に、VRの値を調整して、voの読みがvo0の1/2になるようにします。
      この状態になったとき、VRを回路から外して、VRの値を読み取れば
      その値がZiとなります。
      
      
      この方法は、viの信号レベルが低いため、測定器で直接測定出来ない場合でも、
      voが測定可能レベルであるならば、使用することが出来ます。
      
      
   2. 出力インピーダンスの測定
      最初、SWが解放状態でのvoの読みをvo0とします。
      このとき、voの波形が歪まないようvsのレベルを適当に調整しておきます。
      次に、SWを短絡してからVRの値を調整して、voの読みがvo0の1/2になるようにします。
      この状態になったとき、VRを回路から外して、VRの値を読み取れば
      その値がZoとなります。
      
      
      
   3. 電圧増幅度の測定
      Ri1とRi2は減衰回路です。
      Ri2 << Zi、ならば
      vi = [Ri2 / (Ri1 + Ri2)] * vs
      です。このとき出力voの波形が歪まないようにvsのレベルを適当に調整しておきます。
      増幅度Avは
      Av = vo / vi = vo /[{Ri2 / (Ri1 + Ri2)} * vs] = (vo / vs) * (Ri1 + Ri2) / Ri2
      ∴Av = (vo / vs) * (Ri1 / Ri2 + 1)
      となります。
      
      
      この方法は、viの信号レベルが低いため、測定器で直接測定出来ない場合でも、
      voが測定可能レベルであるならば、使用することが出来ます。
      
   
   

7. 周波数測定

   1. 交流ブリッジ
   2. 吸収型周波数計
   3. 周波数カウンタ

8. LCR測定、共振周波数測定

9. 高周波測定

   1. 高周波プローブ
   2. 終端型電力計
   3. SWR計
   4. アンテナインピーダンス計
   5. リターン・ロス・ブリッジ
   6. 電界強度計
   7. スプリアス測定

10. ノイズ・フィギュア(NF)測定

11. S/N比測定

12. 歪率測定