JP2007057393A - 周波数安定度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィルタとカウンタの間に波形整形回路を挿入して、カウンタの入力信号のスルーレートを高めることにより、周波数分解能を高くして測定の安定度を高めた周波数安定度測定装置を提供する。
【解決手段】 この周波数安定度測定装置１００は、測定すべき検査対象発振器１と、基準周波数信号を出力する基準出力発振器２と、検査対象発振器１から出力される信号と基準出力発振器２が出力する基準信号とを混合して出力するミキサ３と、ミキサ３の出力信号の低周波成分を通過させるフィルタ４と、フィルタ４から出力される信号の波形を整形する波形整形回路５と、波形整形回路５により波形整形された信号のパルス数をカウントするカウンタ６と、予め定めた測定周期毎に各測定周期内におけるフィルタ４から出力される信号の平均周波数を算出し、算出した平均周波数の標準偏差を算出して出力するパーソナルコンピュータ７と、を備えて構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、周波数安定度測定装置に関し、さらに詳しくは、検査対象発振器の周波数安定度を高分解能で測定する周波数安定度測定装置の構成に関するものである。

従来より、発振器等の信号源の周波数安定度を検査するために位相雑音を測定する方法が知られている。また通信機器に使用する発振器等の高い周波数安定度が要求される発振器の位相雑音を測定する方法としては、直交位相検波法が一般的に用いられている。直交位相検波法では、検査対象の発振器の出力とこの発振器よりも低雑音の基準発振器（電圧制御発振器）の出力をミキサに供給する。このとき、ＰＬＬ回路の制御電圧を制御して検査対象の発振器と基準発振器との位相差が９０度に調整される。そして、発振器と基準発振器の雑音成分の和がローパスフィルタ（ＬＰＦ）を介してＦＦＴアナライザに供給され、検査対象の発振器の位相雑音を測定する。さらに、ＦＦＴアナライザで解析した結果、すなわち、発振器の位相雑音特性をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）の表示画面に表示させるものである。
しかしながら、直交位相検波法においては、検査対象の発振器との位相差を９０度になるように基準発振器を調整する必要があったため、測定開始までに時間がかかるといった問題があった。さらに、ＦＦＴアナライザやスペクトラムアナライザ等の高価な機器を使用する必要があったため、量産された発振器を全て検査する方法としては適当でなかった。
また図５は、従来の直交位相検波法の問題点を改善した特許文献１に開示されている周波数安定度検査装置のブロック図である。この周波数安定度検査装置２１は、検査対象の発振器２２、発振周波数が各々異なる複数の発振器２３、これら発振器２２及び２３を駆動するための電源２４、切替回路２５、ミキサ２６、フィルタ２７、カウンタ２８及びマイクロコンピュータ２９から構成されている。これによると、発振器等の信号源の周波数安定度を簡易かつ短時間で検査することができる周波数安定度検査装置及び周波数安定度検査方法が提供されるとしている。
特開２００２−２４３７７８公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、ミキサ出力をフィルタに通過させた信号をカウンタに入力して２つの発振器の差の周波数を計測していた。この信号を高速に測定するにはレシプロカル型のカウンタを用いることが必要だが、レシプロカル型のカウンタは入力信号のスルーレートに依存して測定誤差が増加することが分かっている。即ち、特許文献１の技術はフィルタによって極端にスルーレートが低下するため、測定の高速化及び高精度化が困難であるといった問題がある。
しかも、水晶発振器の安定度を十分な分解能で測定するには、カウントゲートタイムを１０ｍｓ程度にした場合、周波数分解能として０．１ｍＨｚ程度必要だが、一般的なレシプロカル型カウンタでは１０ｍＨｚ程度の分解能しか得られない（図４参照）。このため、水晶発振器のような高安定の被測定物の測定においては分解能が不足したり、測定時間が長くなるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、フィルタとカウンタの間に波形整形回路を挿入して、カウンタの入力信号のスルーレートを高めることにより、周波数分解能を高くして測定の安定度を高めた周波数安定度測定装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、任意の信号源から出力される信号の周波数変動を測定する周波数安定度測定装置において、基準周波数信号を出力する基準信号出力手段と、前記信号源から出力される信号と前記基準信号出力手段が出力する基準信号とを混合して出力するミキサと、該ミキサの出力信号の低周波成分を通過させるフィルタと、該フィルタから出力される信号の波形を整形する波形整形回路と、該波形整形回路により波形整形された信号のパルス数をカウントするカウンタと、予め定めた測定周期毎に各測定周期内における前記フィルタから出力される信号の平均周波数を算出し、該算出した平均周波数の標準偏差を算出して出力する制御手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の特徴はフィルタによってスルーレートが低下した信号を波形整形回路により整形することにより、スルーレートを高めるようにして、その波形をカウントすることにより周波数分解能を高くする点にある。そしてカウンタによりカウントされたパルス数に基づいて平均周波数を算出し、算出した平均周波数の標準偏差を算出して合否を判定するものである。
請求項２は、前記波形整形回路は、前記フィルタから出力される信号の波形を増幅する増幅器と、該増幅器の出力信号の振幅を制限する振幅制限回路とを備え、所定のゲートタイムにおける前記カウンタに入力する信号のスルーレートを当該カウンタの周波数分解能が飽和する近傍に設定したことを特徴とする。
入力信号のスルーレートと周波数分解能との間には、スルーレートに比例して分解能が良くなるといった関係がある。しかし、無限に分解能が良くなるわけではなく、あるスルーレートで分解能が飽和する関係にある。従って、それ以上スルーレートを高くしても分解能は変化しなくなる。即ち、スルーレートはこの分解能の飽和点の近傍に設定するのが最も効率が良いことになる。

請求項３は、前記フィルタは、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタにより構成されていることを特徴とする。
ミキサから出力される信号には、不要な高調波成分が含まれている。この高調波は、そのまま波形整形回路に入力されるとノイズとして波形がカウンタに入力されて正確なカウントができなくなる。そこで本発明ではこの高調波を除去するために、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタを使用するものである。
請求項４は、前記波形整形回路のスルーレートは０．１Ｖ／μｓ〜１００Ｖ／μｓの範囲になるように設定することを特徴とする。
水晶発振器の安定度を十分な分解能で測定するには、カウントゲートタイムは１０ｍｓ程度とした場合、周波数分解能として０．１ｍＨｚ程度必要だが、一般的なカウンタでは１０ｍＨｚ程度の分解能しか得られない。即ち、１０ｍＨｚに対応するスルーレートは０．１Ｖ／μｓであり、０．１ｍＨｚに対応するスルーレートは１００Ｖ／μｓとなるため、この範囲にスルーレートを設定すれば波形整形回路としてはほとんどの分解能に対応することができる。

請求項１の発明によれば、波形整形回路により整形された波形をカウントすることにより周波数分解能を高くし、カウンタによりカウントされたパルス数に基づいて平均周波数を算出し、算出した平均周波数の標準偏差を算出して合否を判定するので、高い分解能により測定することができ、測定時間も短縮することができる。
また請求項２では、所定のゲートタイムにおけるカウンタに入力する信号のスルーレートを当該カウンタの周波数分解能が飽和する近傍に設定したので、不要なスルーレートの設定を避け、効率よくスルーレートを設定することができる。
また請求項３では、フィルタは、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタにより構成されているので、不要な高調波を除去することによりノイズを低減した信号をカウントすることができる。
また請求項４では、波形整形回路のスルーレートは０．１Ｖ／μｓ〜１００Ｖ／μｓの範囲になるように設定するので、発振器の精度に応じてスルーレートを選択することができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る周波数安定度測定装置のブロック図である。この周波数安定度測定装置１００は、測定すべき検査対象発振器（信号源）１と、基準周波数信号を出力する基準出力発振器（基準信号出力手段）２と、検査対象発振器１から出力される信号と基準出力発振器２が出力する基準信号とを混合して出力するミキサ３と、ミキサ３の出力信号の低周波成分を通過させるフィルタ４と、フィルタ４から出力される信号の波形を整形する波形整形回路５と、波形整形回路５により波形整形された信号のパルス数をカウントするカウンタ６と、予め定めた測定周期毎に各測定周期内におけるフィルタ４から出力される信号の平均周波数を算出し、算出した平均周波数の標準偏差を算出して出力するパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと記す）（制御手段）７と、を備えて構成される。
ここで、この周波数安定度測定装置１００は、複数種類の発振器の周波数安定度を判定することを目的としているため、検査対象の発振器１は特定種類の発振器に限らない。例えば、低周波発振器、中周波発振器または高周波発振器のいずれでもよい。
また基準出力発振器２は、周波数安定度が高い基準発振器であり、好ましくはこの周波数安定度測定装置１００が検査対象とする発振器１との周波数差が［ｋＨｚ］オーダーの信号Ｓｏを出力する。
またフィルタ４は、ミキサ３から出力される信号Ｓｍｉｘの低周波成分のみを通過させることにより、周波数（ｆ０＋ｆａ）をカットして周波数（ｆ０−ｆａ）の信号ＳＬを出力する。このようにミキサ３から出力される信号には、不要な高調波成分が含まれている。この高調波は、そのまま波形整形回路５に入力されるとノイズとして波形がカウンタに入力されて正確なカウントができなくなる。そこで本発明ではこの高調波を除去するために、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタを使用するものである。

また波形整形回路５は、例えば図２（ａ）に示すように、入力１１に直列に挿入された抵抗Ｒ１と、オペアンプＱと、その出力とプラス側入力に接続された抵抗Ｒ２、ツェナーダイオードＤ１，Ｄ２と、を備えて構成される。ここで、図２（ａ）の回路では、電圧増幅率Ａｖ＝Ｒ１／Ｒ２となり、出力のスルーレート（以下、ＳＲと記す）が所望の値になるようにＡｖを決定する。また、出力の振幅はＤ１，Ｄ２により制限される。即ち、ツェナー電圧をＶｚ、順方向電圧をＶｆとすると、図２（ｂ）のようにプラス側マイナス側ともに振幅はＶｚ＋Ｖｆとなる。従って、出力振幅はＶｏｕｔ＝２（Ｖｚ＋Ｖｆ）となる。
またカウンタ６は、信号１２のパルス数をカウントして出力すると共に、ＰＣ７から出力されるリセット信号ＲＳＴに基づいてカウント値をリセットする。なお、このカウンタ６には、いわゆるダブルカウンタなどのリセットをしても空き時間なくカウントを継続できるカウンタを使用することが好ましい。
またＰＣ７は、この周波数安定度測定装置１００全体を制御して検査対象の発振器１の周波数精度の測定を自動で行う。また、ＰＣ７は、カウンタ６のカウント値に基づいて予め定めた平均測定時間τ毎に各平均測定時間τ内の信号ＳＬの平均周波数を算出し、隣り合う平均周波数の差に基づいて平均周波数の標準偏差σｙ（τ）を算出し、算出結果に基づく判定結果を図示しない表示画面に表示する。また、ＰＣ７は、発振器１の周波数精度の測定に際して、測定の開始及び終了を指示するための制御信号（ＳＴＡＲＴ）９を出力する。
本発明の特徴はフィルタ４によってスルーレートが低下した信号を波形整形回路５により整形することにより、スルーレートを高めるようにして、その波形をカウントすることにより周波数分解能を高くする点である。そしてカウンタ６によりカウントされたパルス数に基づいて平均周波数を算出し、算出した平均周波数の標準偏差を算出して合否を判定するものである。

図３は周波数安定度測定装置の動作を説明するフローチャートである。
まず、この周波数安定度測定装置１００において、操作者により測定開始が指示されると（Ｓ１）、ＰＣ７は発振器１及び２をＳＴＡＲＴ９により起動させる（Ｓ２）。次に、ＰＣ７は、まずリセット信号ＲＳＴ８によりカウンタ６をリセットすると（Ｓ３）、予め定めた平均測定時間τでカウンタ６がカウントを開始する（Ｓ４）。そして平均測定時間τに到達すると（Ｓ５でＹＥＳのルート）、カウント値を取り込む（Ｓ６）。そして平均値を算出するために所定回数取り込んだか否かをチエックし（Ｓ７）、所定回数取り込むと（Ｓ７でＹＥＳのルート）、ＰＣ７は、取得した信号ＳＬのパルス数に基づき各平均測定時間τ内の信号ＳＬの平均周波数Ｙを算出して（Ｓ８）図示しないメモリに格納すると共に、算出した今回の平均測定時間τ内の平均周波数Ｙと、１つ前の平均測定時間τ内の平均周波数Ｙとの差の２乗を２で割った除算値Ｘを算出してメモリに格納する（Ｓ９）。具体的には、除算値ＸはＸ＝（Ｙｋ＋１−Ｙｋ）²／２・・・（１）により算出される。式（１）において、Ｙｋ＋１は今回の平均測定時間τ内の平均周波数であり、Ｙｋは１つ前の平均測定時間τ内の平均周波数である。
そして、ＰＣ７は、除算値Ｘの算出回数が予め定めた回数Ｍに達すると（Ｓ１０でＹＥＳのルート）、上述したカウント値の取り込みや除算値Ｘの演算処理等を中止し（Ｓ１１）、メモリに格納されたＭ個の除算値Ｘの平均値を算出してその平方根を算出することにより、信号ＳＬの平均周波数Ｙの標準偏差σｙ（τ）を算出する（Ｓ１２）。すなわち、標準偏差σｙ（τ）は以下の式（２）で算出される。

これにより、ＰＣ７は、カウンタ６のカウント値をｍ回取り込んだ後、つまり、測定を開始してから平均測定時間τ×ｍの時間が経過した後に信号ＳＬの平均周波数Ｙの標準偏差σｙ（τ）をすぐに算出することができる。
次に、ＰＣ７は、算出した標準偏差σｙ（τ）が予め定めた基準値以下か否か判定し（Ｓ１３）、基準値以下と判定した場合は（Ｓ１３でＹＥＳのルート）、周波数安定度が基準値を満たす旨（合格）を表示画面に表示する（Ｓ１４）。一方、基準値以上と判定した場合は（Ｓ１３でＮＯのルート）周波数安定度が基準値以下、すなわち、不良品である旨（不合格）を表示画面に表示する（Ｓ１５）。そして、ＰＣ７は、いずれかの判定結果を表示した後に再測定の指示が入力されなければ、所定期間経過後に発振器１及び２を自動で停止させる。

図４は入力信号ＳＲとＲＭＳ分解能の関係を示す図である。縦軸に分解能（Ｈｚ）を示し、横軸にＳＲ（Ｖ／Ｓ）を示す。尚、縦軸及び横軸とも単位をｍＨＺとＶ／μｓに変換したものを併記する。この図では２種類の機種ＨＰ５３１３２Ａ（符号３０）とＣＮＴ−９０（符号３１）の特性を示している。この図から明らかな通り、水晶発振器の安定度を十分な分解能で測定するには、カウントゲートタイムは１０ｍｓ程度で周波数分解能として０．１ｍＨｚ程度（図４のＱ点のＳＲ即ち、１０Ｖ／μｓ）必要だが、一般的なカウンタでは１０ｍＨｚ程度（図４のＰ点のＳＲ即ち、０．１Ｖ／μｓ）の分解能しか得られない。またＰ点からＱ点までは分解能が直線的に変化するが、Ｑ点以降は分解能は飽和するのが分かる。即ち、入力信号のＳＲと周波数分解能との間には、ＳＲに比例して分解能が良くなるといった関係がある。しかし、無限に分解能が良くなるわけではなく、あるＳＲで分解能が飽和する関係にある。従って、それ以上ＳＲを高くしても分解能は変化しなくなり、不用意にＳＲを高くすることはノイズやジッタだけが増加してしまうので、ＳＲはこの分解能の飽和点の近傍に設定するのが最も効率が良いことになる。

以上の通り本発明によれば、波形整形回路５により整形された波形をカウントすることにより周波数分解能を高くし、カウンタ６によりカウントされたパルス数に基づいて平均周波数を算出し、算出した平均周波数の標準偏差を算出して合否を判定するので、高い分解能により測定することができ、測定時間も短縮することができる。
また、所定のゲートタイムにおけるカウンタに入力する信号のスルーレートを当該カウンタ６の周波数分解能が飽和する近傍に設定したので、不要なスルーレートの設定を避け、効率よくスルーレートを設定することができる。
また、フィルタ４は、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタにより構成されているので、不要な高調波を除去することによりノイズを低減した信号をカウントすることができる。
また、波形整形回路５のスルーレートは０．１Ｖ／μｓ〜１００Ｖ／μｓの範囲になるように設定するので、発振器の精度に応じてスルーレートを選択することができる。

本発明の実施形態に係る周波数安定度測定装置のブロック図である。 （ａ）は本発明の波形整形回路５の回路構成の一例を示す図、（ｂ）は入力波形と出力波形を示す図である。 本発明の周波数安定度測定装置の動作を説明するフローチャートである。 入力信号ＳＲとＲＭＳ分解能の関係を示す図である。 従来の直交位相検波法の問題点を改善した特許文献１に開示されている周波数安定度検査装置のブロック図である。

符号の説明

１ 検査対象発振器、２ 基準出力発振器、３ ミキサ、４ フィルタ、５ 波形整形回路、６ カウンタ、７ パーソナルコンピュータ、１００ 周波数安定度測定装置

Claims (4)

1. 任意の信号源から出力される信号の周波数変動を測定する周波数安定度測定装置において、
   基準周波数信号を出力する基準信号出力手段と、前記信号源から出力される信号と前記基準信号出力手段が出力する基準信号とを混合して出力するミキサと、該ミキサの出力信号の低周波成分を通過させるフィルタと、該フィルタから出力される信号の波形を整形する波形整形回路と、該波形整形回路により波形整形された信号のパルス数をカウントするカウンタと、予め定めた測定周期毎に各測定周期内における前記フィルタから出力される信号の平均周波数を算出し、該算出した平均周波数の標準偏差を算出して出力する制御手段と、を備えることを特徴とする周波数安定度測定装置。
2. 前記波形整形回路は、前記フィルタから出力される信号の波形を増幅する増幅器と、該増幅器の出力信号の振幅を制限する振幅制限回路とを備え、所定のゲートタイムにおける前記カウンタに入力する信号のスルーレートを当該カウンタの周波数分解能が飽和する近傍に設定したことを特徴とする請求項１に記載の周波数安定度測定装置。
3. 前記フィルタは、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の周波数安定度測定装置。
4. 前記波形整形回路のスルーレートは０．１Ｖ／μｓ〜１００Ｖ／μｓの範囲になるように設定することを特徴とする請求項１又は３に記載の周波数安定度測定装置。

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