JP2005106772A - 周波数測定回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化に対する測定精度の低下を防止でき、また、時間幅拡大回路の時間拡大率を予め測定する必要がない周波数測定回路を提供する。
【解決手段】 周波数測定回路は、振動式圧力センサ１、基準クロック２、同期回路３、時間差検出回路４。時間幅拡大回路６、第１カウンタ７、第２カウンタ８、演算回路１０を備えると共に、さらに、キャリブレーションパルス生成回路５、第３カウンタ９を備える。 キャリブレーションパルス生成回路５は、基準クロックの周期ｐ（ｐは整数）に相当する第１キャリブレーション信号及び前記基準クロックの周期ｑ（ｑは整数，ｐ≠ｑ）に相当する第２キャリブレーション信号を前記時間幅拡大回路６に出力する。前記時間幅拡大回路６を介した前記第１キャリブレーション信号及び前記第２キャリブレーション信号を前記基準クロックに従ってカウントする第３カウンタ９とを備えたことを特徴とする周波数測定回路である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定信号にかかる周波数を高速、高分解能で測定する周波数測定回路に関するものである。

各種の物理量を測定する際、例えば、圧力または差圧を測定する場合等、振動式圧力センサから周波数信号を得て、これに演算を施して対応する物理量（周波数信号または差圧信号等）を４−２０ｍＡの電流信号として出力することがある。

図４は、振動式圧力センサから送出される周波数信号を測定する従来の周波数測定回路の構成を機能ブロック図として表わし、図５は、動作例をタイミングチャートとして表わしたものである。

振動式圧力センサ２１は、測定対象の圧力に対応する周波数を有する周波数信号ｆを出力する。尚、この図に示す周波数測定回路は、周波数信号ｆの周波数（周期）を求めて、測定対象の圧力値を出力する回路である。

同期回路２３は、周波数信号ｆを、基準クロック２２に同期させた同期化信号Ｆを出力する。

図５に示すように、周波数信号ｆと同期化信号Ｆとの間には、基準クロック２２の１周期よりも短い立ち上がり時間差Δｔ（Δｔ（０），Δｔ（１））が生じる。時間差検出回路２４は、この立ち上がり時間差Δｔを検出し、その値に相当する期間だけＬレベルとなる信号、つまり、基準クロック２２の１周期よりも短い期間だけＬレベルとなる時間差信号Ｔｉｎを出力する。

図4に戻り、時間幅拡大回路２５は、時間差信号ＴｉｎのＬレベル期間を拡大率Ｋで拡大した拡大時間差信号Ｔｏｕｔを出力する。

図６は、一般的な時間幅拡大回路２５の具体的な回路構成の例を表わす。この時間幅拡大回路２５は、キャパシタＣ１の充電時間と放電時間との差を利用して、入力信号である時間差信号Ｔｉｎの立ち下がり時間幅を、抵抗Ｒ１，Ｒ２に基づいて定まる拡大率Ｋ＝（Ｒ２×Ｒ４）／（Ｒ１×Ｒ３）で拡大する。

また、時間幅拡大回路２５は、基準クロック２２の１周期未満のＬレベル期間を有する時間差信号Ｔｉｎから、そのＬレベル期間に比例した、基準クロック２２の１周期を超えるＬレベル期間を有する拡大時間差信号Ｔｏｕｔを出力する。

図４に戻り、第１カウンタ２６は、同期化信号Ｆの周期に相当する時間を、基準クロック２２のクロックパルス数としてカウントする。

第２カウンタ２７は、時間幅拡大回路２５によって拡大された立ち上がり時間差Δｔに相当する期間の基準クロック２２のパルス数をカウントする。

演算回路２８は、第１カウンタ２６のカウント数と第２カウンタ２７のカウント数とに基づいて、周波数信号ｆの周期を算出する。

周波数信号ｆの周期Ｔｆは、同期化信号Ｆの周期をＴＦ、１つの周期の開始時の立ち上がり時間差をΔｔ（０）、その周期の終了時（次の周期の開始時）の立ち上がり時間差をΔｔ（１）とすると、図５に示すように、
Ｔｆ＝ＴＦ−（Δｔ（１）−Δｔ（０））
で表される。

即ち、周波数信号ｆの周期Ｔｆは、同期化信号Ｆの周期ＴＦに相当する期間の第１カウンタ２６のカウント数Ａ（Ａ（１））と、周期開始時の立ち上がり時間差Δｔ（０）に相当する期間の第２カウンタ２７のカウント数Ｂ（０）と、周期終了時の立ち上がり時間差Δｔ（１）に相当する期間の第２カウンタ２７のカウント数Ｂ（１）とを使用して、
Ｔｆ＝Ｔｒｅｆ×｛Ａ−（Ｂ（１）−Ｂ（０））／Ｋ｝
（ただし、Ｔｒｅｆは、基準クロック信号の１周期）により求められる。このようにして、この周波数測定回路では、周波数信号ｆの周期Ｔｆが繰り返し計算される。

このような技術は、例えば、下記に示すような文献に記載されている。

特開平５−１５７６４７号公報 特開平６−２７４２４０号公報 特開平７−７１９７９号公報

ところで、このような周波数測定回路を温度変化が激しい環境で使用すると、図６に示したような時間幅拡大回路２５あっては、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値が周辺環境の温度変化に従って変化する。

この場合、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の値の変化に伴って時間幅拡大回路２５の時間拡大率Ｋも温度変化によって影響を受けて変化するため、周波数信号ｆの１周期Ｔｆに相当する計算値が変動し、測定精度が低下するという問題が発生する。

また、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のばらつきに起因して、時間拡大幅Ｋは、個々の時間幅拡大回路２５によってもばらつく。このため、周波数測定回路の製造時には、時間幅拡大回路２５の時間拡大率Ｋを個々の回路について測定して確認する工程が必要となるという問題もあった。

本発明は、上記の問題点を解消し、温度変化が激しい環境におかれた場合についても、測定精度の低下を防止できる周波数測定回路を提供することを目的とする。

また、本発明は、時間幅拡大回路の時間拡大幅が個々にばらつく場合についても、時間拡大率を予め測定する必要がない周波数測定回路を提供することを目的とする。

上記の目的を解決する手段は、次の通りである。
（１）周波数信号を基準クロックにより同期化し、その同期信号と前記周波数信号との立ち上がり時間差を拡大する時間幅拡大回路を備え、前記同期信号を前記基準クロックによりカウントした値と前記時間幅拡大回路の出力を前記基準クロックによりカウントした値とから前記周波数信号に対応する物理量を演算する演算回路とを備える周波数測定回路において、
前記基準クロックの周期ｐ（ｐは整数）に相当する第１キャリブレーション信号及び前記基準クロックの周期ｑ（ｑは整数，ｐ≠ｑ）に相当する第２キャリブレーション信号を前記時間幅拡大回路に出力するキャリブレーションパルス生成回路と、
前記時間幅拡大回路を介した前記第１キャリブレーション信号及び前記第２キャリブレーション信号を前記基準クロックに従ってカウントするカウンタと
を備えたことを特徴とする周波数測定回路。
（２）前記時間幅拡大回路は、前記同期信号と前記周波数信号との立ち上がり時間差にかかる信号と前記キャリブレーションパルス生成回路からの信号とを時分割に切り換えて入力することを特徴とする（１）記載の周波数測定回路。
（３）前記キャリブレーションパルス生成回路は、測定開始からｍ回目（ｍは整数）の周期とｍ＋１回目の周期の中間付近の時刻で第１キャリブレーション信号を生成し、ｍ＋１回目の周期とｍ＋２回目の周期の中間付近の時刻で第２キャリブレーション信号を生成することを特徴とする（１）または（２）記載の周波数測定回路。
（４）前記演算回路は、前記第１キャリブレーション信号にかかるカウント値と前記第２キャリブレーション信号にかかるカウント値とから実際の拡大率を演算することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の周波数測定回路。
（５）前記演算回路は、前記第１キャリブレーション信号にかかるカウント値または前記第２キャリブレーション信号にかかるカウント値のいずれか一方に基づいて実際の拡大率を演算することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の周波数測定回路。
（６）前記演算回路は、実際の前記拡大率を較正することを特徴とする（４）または（５）記載の周波数測定回路。
（７）前記演算回路は、温度センサが温度変化を検知したタイミングにより、実際の拡大率を演算することを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載の周波数測定回路。

本発明の周波数測定回路によれば、時間幅拡大回路に、基準クロックのｎ周期（ｎは自然数）に対応するパルス幅を有する校正パルスを入力し、拡大されたパルス幅を、基準クロックのクロックパルスに従ってカウントしたカウント値に基づいて時間幅拡大回路の拡大率を較正するため、時間幅拡大回路の実際の拡大率が、その設計値から変動する場合についても、測定精度の低下を防止できると共に、時間幅拡大回路の実際の拡大率が個々にばらつく場合であっても、実際の拡大率を、その製造時に予め測定する必要がない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態例の周波数測定回路の構成をブロック図として示している。
この周波数測定回路は、図４に示す従来の周波数測定回路と同様な、振動式圧力センサ１、基準クロック２、同期回路３、時間差検出回路４、時間幅拡大回路６、第１カウンタ７、第２カウンタ８、演算回路１０を備えるとともに、更に、キャリブレーションパルス生成回路５、第３カウンタ９を備える。

振動式圧力センサ１は、例えば水晶振動子を用いて構成され、入力された圧力に対応する周波数信号ｆを出力する。

同期回路３は、周波数信号ｆを、基準クロック２に同期させた同期化周波数信号Ｆを出力する。

時間差検出回路４は、基準クロック２の１周期よりも短い立ち上がり時間差Δｔを検出し、その時間差に相当する期間だけＬレベルとなる時間差信号Ｔｉｎを出力する。

キャリブレーションパルス生成回路５は、基準クロック２のｐ周期（ｐは整数,、例えば１周期）に相当する期間だけＬレベルとなる第１キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（１）を出力するとともに、基準クロック２のｑ周期（ｑは整数、ｐ≠ｑ、例えば２周期）に相当する期間だけＬレベルとなる第２キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（２）を出力する。

時間幅拡大回路６は、例えば、図６に示す一般的な時間幅拡大回路２５と同様な回路構成を有する。この時間幅拡大回路６は、時間差検出回路４からの時間差信号Ｔｉｎ、キャリブレーションパルス生成回路５のキャリブレーション信号ＣＡＬｉｎを時分割入力し、時間差信号ＴｉｎのＬレベル期間を拡大率Ｋ（設計値）で拡大した拡大時間差信号Ｔｏｕｔを出力するとともに、キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間を拡大率Ｋで拡大した拡大キャリブレーション信号ＣＡＬｏｕｔを出力する。

第１カウンタ７は、同期化信号Ｆを入力し、その周期に相当する時間の基準クロック２のパルス数Ａ（ｎ）をカウントする。

第２カウンタ８は、拡大時間差信号Ｔｏｕｔを入力し、そのＬレベル期間の基準クロック２のパルス数Ｂ（ｎ）をカウントする。

図２は、時間幅拡大回路６によるキャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間の拡大をタイミングチャートとして示している。

図1に戻り、第３カウンタ９は、第１キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（１）を入力した時間幅拡大回路６が出力する第１拡大キャリブレーション信号ＣＡＬｏｕｔ（１）のＬレベル期間の基準クロック２のクロックパルス数を第１カウント数Ｃ（１）としてカウントする。

更にまた、第３カウンタ９は、第２キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（２）を入力した時間幅拡大回路６が出力する第２拡大キャリブレーション信号ＣＡＬｏｕｔ（２）のＬレベル期間の基準クロック２のクロックパルス数を第２カウント値Ｃ（２）としてカウントする。

ここで、上記したｐ＝１，ｑ＝２と設定し、また、時間幅拡大回路６の実際の拡大率をＫ’とすると、第１キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（１）のＬレベル期間と、第２キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（２）のＬレベル期間との差は、基準クロック２の１周期分（ｑ−ｐ＝１）であるため、実際の拡大率Ｋ’が周辺環境の温度変化等に伴って変化しない場合には、第２カウント数Ｃ（２）と第１カウント数Ｃ（１）との差は、実際の拡大率Ｋ’の値と一致する。

演算回路１０は、第１カウント値Ｃ（１）及び第２カウント値（２）をキャリブレーションデータとして使用し、時間差拡大回路６の実際の拡大率Ｋ’を動的に算出する。

図３は、周波数信号ｆの周期の演算と、キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎの出力のタイミングを示す図である。例えば、時刻ｔ０で周波数の測定を開始したとすると、第２カウンタ８は、演算回路１０に、周波数信号ｆ（同期化信号Ｆ）のはじめ（１回目）の周期の開始時の立ち上がり時間差Δｔ（０）に相当するカウント数Ｂ（０）を出力する。

キャリブレーションパルス生成回路５は、１回目の周期の開始時刻ｔ０と、２回目の周期の開始時刻ｔ１との中間付近の時刻で、第１キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（１）を出力し、第３カウンタ９は、上記した第１カウント数Ｃ（１）を出力する。

時刻ｔ１で、１回目の周期が終わり、２回目の周期が開始すると、キャリブレーションパルス生成回路５は、２回目の周期の開始時刻ｔ１と、その周期の終了時刻ｔ３との中間付近の時刻で、第２キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎ（２）を出力し、第３カウンタ９は第２カウント数Ｃ（２）を出力する。

演算回路１０は、第１カウント数Ｃ（１）と、第２カウント数Ｃ（２）とを用いて、実際の拡大率Ｋ’を測定する。具体的には、Ｋ’＝Ｃ（２）−Ｃ（１）により、実際の拡大率Ｋ’を求める。

そして、この周波数測定回路では、計測開始からｎ（ｎ：２以上の自然数）回目の周期では、その周期の開始時の第２カウンタ８のカウント数Ｂ（ｎ−１）と、その周期の終了時に得られる第１カウンタ７のカウント数Ａ（ｎ）及び第２カウンタのカウント数Ｂ（ｎ）と、ｎ周期目までに、第３カウンタのカウント数Ｃ（１）及びＣ（２）に基づいて測定された実際の拡大率Ｋ’とに基づいて、
Ｔｆ（ｎ）＝Ｔｒｅｆ×｛Ａ（ｎ）−（Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−１））／Ｋ’｝
（ただし、Ｋ’＝Ｃ（２）−Ｃ（１）、Ｔｒｅｆは、基準クロック信号の１周期）により、周波数信号ｆの周期を求めることができる。

図３の例では、第３カウンタ９は、測定開始からｍ回目の周期と、ｍ＋１回目の周期との中間付近の時刻で、再び第１カウント数Ｃ（１）をカウントし、ｍ＋１回目の周期と、ｍ＋２回目の周期との中間付近の時刻で、第２カウント数Ｃ（２）をカウントして、実際の拡大率Ｋ’を更新する。

このような本実施形態例では、周波数信号ｆの測定時に、第３カウンタのカウント数Ｃをキャリブレーションデータとして用い、時間幅拡大回路６の実際の拡大率Ｋ’を所定の周期で較正するため、周辺環境の温度変化により、実際の拡大率Ｋ’が、その設計値Ｋから変動する場合についても、測定精度の低下を防止できる。

また、時間幅拡大回路６の実際の拡大率Ｋ’を、周波数信号ｆの測定時に測定するため、周波数測定回路の製造時に、時間拡大率を予め測定して調整するような工程を必要としない。

尚、上記実施形態例では、キャリブレーションパルス生成回路５が出力する第１キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間が基準クロック信号の１周期（ｐ＝１）に相当する期間であり、第２キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間が基準クロック信号の２周期（ｑ＝２）に相当する期間である例について示したが、キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間は、基準クロック信号の自然数倍の周期に相当する期間であれば、上記した期間に限定されない。

例えば、第１キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間を基準クロック信号の１周期（ｐ＝１）に相当する時間とし、第２キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間を基準クロック信号の３周期（ｑ＝３）に相当する相当する期間としてもよく、このときは、実際の拡大率Ｋ’は、Ｋ’＝（Ｃ（２）−Ｃ（１））／２として算出できる。

また、第３カウンタ９が出力する第１カウント数Ｃ（１）及び第２カウント数Ｃ（２）に基づいて、時間幅拡大回路６の実際の拡大率Ｋ’を算出する例について示したが、実際の拡大率Ｋ’は、第１カウント数Ｃ（１）及び第２カウント数Ｃ（２）の何れか一方に基づいて算出することもできる。

例えば、図３に示す１回目の周期の周波数信号ｆの周期を求める際には、実際の拡大率Ｋ’を、Ｋ’＝Ｃ（１）として算出することができる。また、第２カウント数Ｃ（２）を単独で使用する場合には、実際の拡大率Ｋ’を、Ｋ’＝Ｃ（２）／２として算出することもできる。

更に、上記実施形態例では、所定の周期で時間幅拡大回路６の実際の拡大率Ｋ’を測定する例について示したが、温度センサと組み合わせて、実際の拡大率Ｋ’の測定を、温度センサが温度変化を検知したタイミングで行なってもよい。

この場合、周辺環境の温度変化が激しいときには、実際の拡大率Ｋ’の更新間隔を短く較正すれば、測定精度の低下を防止できるとともに、温度変化が少ないときには、周波数の測定の周期を短くすることにより、高精度な周波数計測が可能となる。

以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の周波数測定回路は、上記実施形態例にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した周波数測定回路も、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態例の周波数測定回路を示すブロック図である。 時間幅拡大回路６によるキャリブレーション信号ＣＡＬｉｎのＬレベル期間の拡大を示すタイミングチャートである。 周波数信号ｆの周期の演算と、キャリブレーション信号ＣＡＬｉｎの出力のタイミングを示すタイミングチャートである。 従来の周波数測定回路の構成を示すブロック図である。 図４に示す周波数測定回路の動作例を示すタイミングチャートである。 一般的な時間幅拡大回路の回路構成の例を示す回路図である。

符号の説明

１，２１ 振動式圧力センサ
２，２２ 基準クロック
３，２３ 同期回路
４，２４ 時間差検出回路
５ キャリブレーションパルス生成回路
６，２５ 時間幅拡大回路
７，２６ 第１カウンタ
８，２７ 第２カウンタ
９ 第３カウンタ
１０，２８ 演算回路

Claims (7)

1. 周波数信号を基準クロックにより同期化し、その同期信号と前記周波数信号との立ち上がり時間差を拡大する時間幅拡大回路を備え、前記同期信号を前記基準クロックによりカウントした値と前記時間幅拡大回路の出力を前記基準クロックによりカウントした値とから前記周波数信号に対応する物理量を演算する演算回路とを備える周波数測定回路において、
   前記基準クロックの周期ｐ（ｐは整数）に相当する第１キャリブレーション信号及び前記基準クロックの周期ｑ（ｑは整数，ｐ≠ｑ）に相当する第２キャリブレーション信号を前記時間幅拡大回路に出力するキャリブレーションパルス生成回路と、
   前記時間幅拡大回路を介した前記第１キャリブレーション信号及び前記第２キャリブレーション信号を前記基準クロックに従ってカウントするカウンタと
   を備えたことを特徴とする周波数測定回路。
2. 前記時間幅拡大回路は、前記同期信号と前記周波数信号との立ち上がり時間差にかかる信号と前記キャリブレーションパルス生成回路からの信号とを時分割に切り換えて入力することを特徴とする請求項１記載の周波数測定回路。
3. 前記キャリブレーションパルス生成回路は、測定開始からｍ回目（ｍは整数）の周期とｍ＋１回目の周期の中間付近の時刻で第１キャリブレーション信号を生成し、ｍ＋１回目の周期とｍ＋２回目の周期の中間付近の時刻で第２キャリブレーション信号を生成することを特徴とする請求項１または請求項２記載の周波数測定回路。
4. 前記演算回路は、前記第１キャリブレーション信号にかかるカウント値と前記第２キャリブレーション信号にかかるカウント値とから実際の拡大率を演算することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数測定回路。
5. 前記演算回路は、前記第１キャリブレーション信号にかかるカウント値または前記第２キャリブレーション信号にかかるカウント値のいずれか一方に基づいて実際の拡大率を演算することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の周波数測定回路。
6. 前記演算回路は、実際の前記拡大率を校正することを特徴とする請求項４または請求項５記載の周波数測定回路。
7. 前記演算回路は、温度センサが温度変化を検知したタイミングにより、実際の拡大率を演算することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の周波数測定回路。
   

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