JP2001251183A - Frequency oscillation device - Google Patents
Frequency oscillation deviceInfo
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- JP2001251183A JP2001251183A JP2000107389A JP2000107389A JP2001251183A JP 2001251183 A JP2001251183 A JP 2001251183A JP 2000107389 A JP2000107389 A JP 2000107389A JP 2000107389 A JP2000107389 A JP 2000107389A JP 2001251183 A JP2001251183 A JP 2001251183A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は周波数発振装置に関
する。The present invention relates to a frequency oscillating device.
【0002】[0002]
【従来の技術】通常の水晶発振器の精度は±50ppm
程度であり、従来の高精度発振器は、特別に選別された
高精度水晶を恒温漕に設置し、高精度を保持していた。2. Description of the Related Art The accuracy of a normal crystal oscillator is ± 50 ppm.
In the conventional high-precision oscillator, a specially selected high-precision crystal was installed in a thermostat to maintain high accuracy.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来の高精度発振器で
は、±1ppm程度の精度を短期的に維持出来ても、長
時間に渡る経時的変化に対応できず、しかもコストがか
かるという問題があった。The conventional high-precision oscillator has a problem that even if the accuracy of about ± 1 ppm can be maintained in a short period of time, it cannot cope with a long-term change over time and the cost is high. Was.
【0004】[0004]
【発明を解決するための手段】従来の高精度発振器で
は、初期に設定した高い精度をオープンループによって
維持しようとしていた。本発明では、衛星通信によって
送られて来るGPSに含まれる高精度な協定世界時(U
TC)に基づく、正確な1秒間を示す1PPS(1 P
ulse Per Second)信号に同期した基本
周波数をフイードバック制御によって求め、高精度発振
器周波数を維持するものである。The conventional high-precision oscillator attempts to maintain the initially set high accuracy by an open loop. According to the present invention, a highly accurate Coordinated Universal Time (U.S.
1 PPS (1 P) indicating the exact one second based on TC)
The basic frequency synchronized with the signal (ulse Per Second) is obtained by feedback control to maintain the high-precision oscillator frequency.
【0005】このフイードバック制御は図1に示すPL
L(Phase−Locked Loop)制御のブロ
ック・ダイヤグラムによって示される。絶対時間はGP
Sの1PPS信号により正確な時刻を1秒間隔で知るこ
とができ、この1秒毎に、水晶発振器の周波数誤差を補
正することができる。周波数誤差は位相誤差として検出
することができる。この位相誤差検出と補正の制御にP
LL制御を適用する。[0005] This feedback control is performed by the PL shown in FIG.
This is shown by a block diagram of L (Phase-Locked Loop) control. Absolute time is GP
An accurate time can be known at one second intervals from the 1PPS signal of S, and the frequency error of the crystal oscillator can be corrected every one second. The frequency error can be detected as a phase error. This phase error detection and correction control uses P
Apply LL control.
【0006】ここで、ωcは水晶発振器の目標角速度、
φiは位相偏差、tは時間をそれぞれ示す。φi−1は
伝達関数G(z)(2)に入力され、その出力が電圧制
御発振器(3)に与えられる。電圧制御発振器(3)
は、入力電圧に比例した周波数を出力できる電圧制御端
子を持った水晶発振器を指す。電圧制御発振器(3)の
出力ωct+φiは、次のステップではωct+φ
i−1と示される(z−1(4)は遅延を示す)。この
項は、比較器(1)で目標周波数ωctと比較され、ル
ープの位相偏差φi−1が求められる。Here, ω c is the target angular velocity of the crystal oscillator,
φ i indicates a phase deviation, and t indicates time. φ i−1 is input to the transfer function G (z) (2), and its output is provided to the voltage controlled oscillator (3). Voltage controlled oscillator (3)
Denotes a crystal oscillator having a voltage control terminal capable of outputting a frequency proportional to the input voltage. Output ω c t + φ i of the voltage controlled oscillator (3) is the next step ω c t + φ
i-1 (z- 1 (4) indicates the delay). This section is compared with the target frequency omega c t comparator (1), the phase difference phi i-1 loop are determined.
【0007】図1で示されるPLLフィードバック系に
ついて、時間tを1秒(1PPSに同期)、系全体を2
πで割って正規化し、系全体を周波数表示することがで
きる。このブロック・ダイヤグラムを図2に示す。比較
器(1)の入力ωct+φiについて考えると、t=1
から のように表示される。ここで、fcは水晶発振器の目標
周波数、φi〜1/2π=ei−1は1秒間の周波数偏
差を示している。周波数偏差ei−1を具体的に求める
には、正確な1秒間(1PPS)について周波数をカウ
ントし、(1)式により,そのカウント値からfcを差
し引いた値がその偏差ei−1となる。In the PLL feedback system shown in FIG. 1, the time t is 1 second (synchronous with 1 PPS), and the entire system is 2 seconds.
By dividing by π and normalizing, the whole system can be displayed in frequency. This block diagram is shown in FIG. Considering the input ω c t + φ i of the comparator (1), t = 1
From Is displayed as follows. Here, f c is the target frequency of the crystal oscillator, φ i~1 / 2π = e i -1 indicates the frequency deviation of 1 second. To determine the frequency deviation e i-1 specifically counts the frequency for accurate 1 second (1PPS), (1) formula, the value obtained by subtracting the f c from the count value the deviation e i-1 Becomes
【0008】図2のPLL位相制御の挙動を決定する主
たる要因は伝達関数G(z)の特性にある。本システム
では、位相誤差の補正は1秒毎と周期が長く、しかも制
御量は±数+ppm程度と微少である。このような環境
でのシステムの伝達関数特性として、長期的な誤差を0
に制御できる比例積分フィードバック制御(以下PI制
御という)が一般的に有効であると言われている。特に
比較器(1)をディジタル回路で構成すれば、最下位ビ
ットまで制御可能となり、極めて高い精度の制御が期待
できる。The main factor that determines the behavior of the PLL phase control shown in FIG. 2 is the characteristic of the transfer function G (z). In this system, the phase error correction has a long cycle of every second and the control amount is as small as about ± several ppm. As a transfer function characteristic of the system in such an environment, a long-term error is set to 0.
It is generally said that proportional-integral feedback control (hereinafter referred to as PI control) that can be controlled is effective. In particular, if the comparator (1) is constituted by a digital circuit, it is possible to control even the least significant bit, and control with extremely high precision can be expected.
【0009】伝達関数G(z)を、zに関して1次関数
とすると、比例制御のみとなりゲインを高くしても偏差
が残り、位相誤差を0にすることは出来ない。PI制御
では、伝達関数G(z)を2次関数とすることにより達
成できる。If the transfer function G (z) is a linear function with respect to z, only the proportional control is performed, the deviation remains even if the gain is increased, and the phase error cannot be reduced to zero. PI control can be achieved by making the transfer function G (z) a quadratic function.
【0010】伝達関数G(z)を決定する見通しのよい
方法として、差分方程式からアプローチする。いま、伝
達関数G(z)の入力をX(z)、出力をY(z)とす
ると、PI制御では、この差分方程式は次のように表現
できる。 e(n)=e(n−1)+x(n) (2) y(n)=y(n−1)−{αx(n)+βe(n)} (3) ここで、e(n)は誤差カウンタを、αとβはPI制御
の定数を示す。これから、PI制御の伝達関数G(z)
は次のように示される。 As an obvious method of determining the transfer function G (z), an approach is made from a difference equation. Now, assuming that the input of the transfer function G (z) is X (z) and the output is Y (z), in PI control, this difference equation can be expressed as follows. e (n) = e (n-1) + x (n) (2) y (n) = y (n-1)-{αx (n) + βe (n)} (3) where e (n) Denotes an error counter, and α and β denote PI control constants. From this, the transfer function G (z) of PI control
Is shown as follows:
【0011】[0011]
【実施例】発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を
参照して説明する。図3に周波数発振装置の具体例を示
す。周波数発振装置は、電圧制御発振器(11)、偏差
カウンタ(12)、入力ラッチ回路(13)、GPS
(14)、プロセッサ(15)、出力ラッチ回路(1
6)、D/A変換器(17)より構成される。電圧制御
発振器(11)からの基本周波数出力は、偏差カウンタ
(12)に入力され、1PPS信号のタイミングで偏差
カウンタ(12)の偏差量を入力ラッチ回路(13)に
ラッチする。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings. FIG. 3 shows a specific example of the frequency oscillation device. The frequency oscillating device includes a voltage controlled oscillator (11), a deviation counter (12), an input latch circuit (13), a GPS
(14), processor (15), output latch circuit (1
6) and a D / A converter (17). The fundamental frequency output from the voltage controlled oscillator (11) is input to a deviation counter (12), and the deviation amount of the deviation counter (12) is latched by an input latch circuit (13) at the timing of the 1PPS signal.
【0012】プロセッサ(15)にはCPUあるいはD
SPが用いられる。プロセッサ内では、入力ラッチ回路
(13)からの偏差量を入力し、(2)式、(3)式に
示されるPI制御アルゴリズムから操作量を演算し、そ
の操作量を出力ラッチ回路(16)に出力する。但し、
PI制御アルゴリズムの適用において、状況に応じて
(2)式を省略し、(3)式においてβ=0とした比例
制御のみの制御も可能である。出力ラッチ回路(16)
から出力される操作量は、D/A変換器(17)によっ
てアナログ電圧に変換され、電圧制御発振器(11)に
制御電圧として印加される。The processor (15) includes a CPU or D
SP is used. In the processor, the amount of deviation from the input latch circuit (13) is input, the amount of operation is calculated from the PI control algorithm shown in equations (2) and (3), and the amount of operation is output to the output latch circuit (16). Output to However,
In applying the PI control algorithm, it is also possible to omit the expression (2) according to the situation and to perform only the proportional control with β = 0 in the expression (3). Output latch circuit (16)
The operation amount output from is converted into an analog voltage by the D / A converter (17) and applied as a control voltage to the voltage controlled oscillator (11).
【0013】偏差カウンタ(12)は、1PPS信号間
のカウント値の最大偏差範囲ビット数で構成され、1P
PS信号のタイミング毎に、入力ラッチ回路(13)に
偏差量をラッチ後、即時にクリアされる。また、偏差量
は2の補数表現で示される。偏差カウンタ(12)を1
PPS信号毎にクリアすることによって、偏差量がその
時点の周波数偏差を示すことになり、比例制御要素とな
る偏差量を確定させたことが、本発明の特徴となってい
る。The deviation counter (12) is constituted by the maximum deviation range number of bits of the count value between 1PPS signals.
After the deviation amount is latched in the input latch circuit (13) at each timing of the PS signal, it is immediately cleared. Further, the deviation amount is represented by a two's complement expression. Set the deviation counter (12) to 1
By clearing for each PPS signal, the deviation amount indicates the frequency deviation at that point, and the deviation amount serving as a proportional control element is determined, which is a feature of the present invention.
【0014】以上の構成と動作により、GPS(14)
から出力される1PPS(1 Pulse Per S
econd)信号に同期した1MHz以上の基本周波
数、および偏差カウンタ(12)から複数の所望の分周
周波数を、必要に応じて出力でき、同時に正確な協定世
界時(UTC)を知ることができる。With the above configuration and operation, the GPS (14)
1PPS (1 Pulse Per S
econd) A fundamental frequency of 1 MHz or more synchronized with the signal, and a plurality of desired divided frequencies can be output from the deviation counter (12) as needed, and at the same time, the exact Coordinated Universal Time (UTC) can be known.
【0015】[0015]
【発明の効果】本発明によれば、通常水晶周波数精度の
100倍以上の正確な周波数が得られ、また、世界協定
時(UTC)を知ることが出来る。さらに、PI制御に
より、経時変化や温度・電圧変動等の外乱に対しても正
確な周波数を得ることが出来る。また、一般的なシステ
ムでは、プロセッサは組込まれており、本発明によれば
計算負荷は1秒に1回という軽微のため、新たなプロセ
ッサの追加は必要なく、経済的効果も期待できる。According to the present invention, an accurate frequency which is usually 100 times or more of the crystal frequency accuracy can be obtained, and the UTC can be known. Further, by the PI control, it is possible to obtain an accurate frequency even with disturbances such as a change with time and fluctuations in temperature and voltage. In a general system, a processor is incorporated, and according to the present invention, a calculation load is as small as once per second. Therefore, it is not necessary to add a new processor, and an economic effect can be expected.
【図1】PLL位相誤差検出と制御のブロック・ダイヤ
グラムを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a block diagram of PLL phase error detection and control.
【図2】PLL周波数制御ブロック・ダイヤグラムを示
す図である。FIG. 2 is a diagram showing a PLL frequency control block diagram.
【図3】周波数発振装置のシステム構成を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a system configuration of a frequency oscillation device.
1 比較器 2 伝達関数 3 電圧制御発振器 4 遅延 11 電圧制御発振器 12 偏差カウンタ 13 入力ラッチ回路 14 GPS 15 プロセッサ 16 出力ラッチ回路 17 D/A変換器 Reference Signs List 1 comparator 2 transfer function 3 voltage controlled oscillator 4 delay 11 voltage controlled oscillator 12 deviation counter 13 input latch circuit 14 GPS 15 processor 16 output latch circuit 17 D / A converter
Claims (6)
1)、偏差カウンタ(12)、入力ラッチ回路(1
3)、GPS(14)、プロセッサ(15)、出力ラッ
チ回路(16)、D/A変換器(17)より構成される
ことを特徴とする装置であること。The frequency oscillating device includes a voltage controlled oscillator (1).
1), deviation counter (12), input latch circuit (1
3) A device comprising a GPS (14), a processor (15), an output latch circuit (16), and a D / A converter (17).
(1 Pulse Per Second)信号に同期
した基本周波数の出力、および必要に応じて複数の分周
周波数を出力でき、同時に正確な協定世界時(UTC)
を知る手段を備えたことを特徴とする装置であること。2. 1PPS output from GPS (14)
(1 Pulse Per Second) The output of the fundamental frequency synchronized with the signal, and the output of a plurality of divided frequencies as required, can be performed at the same time with the correct universal time (UTC)
The device is provided with a means for knowing.
出力は、偏差カウンタ(12)に入力され、1PPS信
号のタイミングで偏差カウンタ(12)の偏差量を入力
ラッチ回路(14)にラッチすることを特徴とする装置
であること。3. A fundamental frequency output from the voltage controlled oscillator (11) is inputted to a deviation counter (12), and a deviation amount of the deviation counter (12) is latched by an input latch circuit (14) at a timing of 1PPS signal. An apparatus characterized by the above.
のカウント値の最大偏差範囲に必要なビット数で構成さ
れ、1PPS信号のタイミング毎に、入力ラッチ回路
(13)に偏差量をラッチ後、即時にクリア−再スター
トすることを特徴とする装置であること。4. A deviation counter (12) comprising a number of bits necessary for a maximum deviation range of a count value between 1PPS signals. The deviation counter latches the deviation amount in an input latch circuit (13) for each 1PPS signal timing. The device is characterized in that it is cleared immediately and restarted.
タイミング毎に、入力ラッチ回路(13)からの偏差量
を入力し、比例積分フィードバック制御アルゴリズムか
ら操作量を演算し、その操作量を出力ラッチ回路(1
6)に出力することを特徴とする装置であること。5. A processor (15) inputs a deviation amount from an input latch circuit (13) at each timing of a 1PPS signal, calculates an operation amount from a proportional-integral feedback control algorithm, and outputs the operation amount to an output latch. Circuit (1
(6) The apparatus is characterized in that it is output.
作量をD/A変換器(17)によってアナログ電圧に変
換され、電圧制御発振器(11)の制御電圧として印加
することを特徴とする装置であること。6. An operation amount output from an output latch circuit (16) is converted into an analog voltage by a D / A converter (17) and applied as a control voltage of a voltage controlled oscillator (11). Be a device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000107389A JP2001251183A (en) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Frequency oscillation device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000107389A JP2001251183A (en) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Frequency oscillation device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001251183A true JP2001251183A (en) | 2001-09-14 |
Family
ID=18620389
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000107389A Pending JP2001251183A (en) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Frequency oscillation device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001251183A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006177889A (en) * | 2004-12-24 | 2006-07-06 | Japan Radio Co Ltd | Monitor for oscillator |
JP2009017408A (en) * | 2007-07-06 | 2009-01-22 | Furuno Electric Co Ltd | Reference frequency generating apparatus |
-
2000
- 2000-03-03 JP JP2000107389A patent/JP2001251183A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006177889A (en) * | 2004-12-24 | 2006-07-06 | Japan Radio Co Ltd | Monitor for oscillator |
JP2009017408A (en) * | 2007-07-06 | 2009-01-22 | Furuno Electric Co Ltd | Reference frequency generating apparatus |
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