JP2009250808A - Frequency measurement device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measurement device of frequency change, having improved frequency measuring resolution, without using a complicated circuit. <P>SOLUTION: This frequency measurement device is equipped with a short gate time counter part 20 for continuously counting a supplied pulse stream signal, in a short gate time, and outputting a series of count values existing in a pulse stream shape between two values, corresponding to the frequency of the pulse stream signal; and a low-pass filter 30 for removing high-frequency components from the series of counted values, and outputting a level signal, corresponding to the frequency of the supplied pulse stream signal. The short gate time counter part 20 outputs a series of counted values with n-bit (natural number) counter, having a bit number smaller than the bit number necessary for display of the maximum frequency of the pulse stream signal. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、周波数の測定に関し、特に、僅かな周波数の変化を検出し得る測定法及び測定装置に関する。   The present invention relates to frequency measurement, and more particularly, to a measurement method and a measurement apparatus capable of detecting a slight frequency change.

周波数測定の方式には、決められたゲートタイム内に通過するパルスをカウントする直接カウント方式(特許文献1)と、パルス周期を正確に計測しその時間の逆数から周波数を求めるレシプロカル方式が知られている(非特許文献1)。直接カウント方式は比較的小規模の回路で実現することができるが、周波数分解能を高めるためにはゲートタイムを長く取る必要がある(例えば、0.1Hzの分解能を得るために必要なゲートタイムは10秒である。)。レシプロカル方式はこの欠点を克服することができるが、パルス間隔を正確に測定するための回路が直接カウント形式と比較して大規模となる。
特表平6−501554号公報 片野 和也, 連載第14回 時間測定器の使い方,測定器の正しい使い方入門, 月刊「トランジスタ技術」, p.331 (Feb.1994)
As a frequency measurement method, a direct counting method (Patent Document 1) that counts pulses passing within a predetermined gate time and a reciprocal method that accurately measures the pulse period and obtains the frequency from the reciprocal of the time are known. (Non-Patent Document 1). The direct counting method can be realized with a relatively small circuit, but it is necessary to take a long gate time in order to increase the frequency resolution (for example, the gate time necessary to obtain a resolution of 0.1 Hz is 10 seconds). The reciprocal method can overcome this drawback, but the circuit for accurately measuring the pulse interval is large compared to the direct count format.
JP-T 6-501554 Kazuya Katano, Series 14 How to use time measuring instruments, Introduction to correct usage of measuring instruments, Monthly "Transistor Technology", p. 331 (Feb. 1994)

水晶振動子を用いたQCM(Quartz Crystal Microbalance)法を使用することで振動子基板表面の微量の質量変化を周波数変化に変換することが出来る。例えば、ニオイ成分が付着する材料を振動子基板表面に設けることによって各種のニオイセンサを形成することが出来る。ニオイ成分は単体もしくは複数の物質で構成される。このニオイセンサに試料ガスを付与してニオイ成分を付着させ、振動子表面の質量を変化させると周波数が変化する。単数もしくは複数の種類のセンサを用意しこの変化を観察することによって、特定のニオイ成分が存在することを推定する。人の鼻には350種類程度の嗅細胞が存在し、犬の鼻の場合は1000種類程度存在すると言われており、各々の嗅細胞に付着するニオイ成分の割合を脳がパターン認識することでニオイを識別している。生体の嗅覚に学ぶと、ニオイ成分を検出し特定するためには、多数のニオイセンサ(センサアレイ)を使用し、各センサの出力パターンをコンピュータで解析してニオイ成分のパターンを特定することが必要である。   By using a QCM (Quartz Crystal Microbalance) method using a crystal resonator, a small amount of mass change on the surface of the resonator substrate can be converted into a frequency change. For example, various odor sensors can be formed by providing a material to which the odor component adheres on the surface of the vibrator substrate. The odor component is composed of a single substance or a plurality of substances. When the sample gas is applied to the odor sensor to attach an odor component and the mass of the vibrator surface is changed, the frequency changes. By preparing one or more types of sensors and observing this change, it is estimated that a specific odor component exists. There are about 350 types of olfactory cells in the human nose, and it is said that there are about 1000 types in the case of the dog's nose, and the brain recognizes the pattern of the proportion of odorous components attached to each olfactory cell. Identifying odors. In order to detect and identify odor components when learning from the olfaction of living organisms, it is necessary to use a large number of odor sensors (sensor arrays) and analyze the output patterns of each sensor with a computer to identify the odor component patterns. is necessary.

しかしながら、各ニオイセンサの周波数変化を検出するために各センサの出力に周波数変化を検出するカウンタや信号処理回路を設けなければならない。更に、水晶振動子の周波数(例えば、30MHz)が付着物質によって変化するといってもわずか数Hzから数100Hz程度のものでしかなく、1Hz以下の変化である場合もある。上述したように直接カウント方式では、周波数分解能を高めるためにはゲートタイムを相当に長く取る必要がある。測定の際の誤差として、プラスマイナス1カウント誤差、トリガレベルの揺らぎによる誤差に加え、ゲートタイムを長くした場合、水晶振動子の発振安定性に起因する誤差が重畳されることになる。レシプロカル方式のカウンタを用いることでこのような欠点を補うことができるが、1つのカウンタの回路が大規模となるため多数のセンサを備えるセンサアレイには不向きである。   However, in order to detect the frequency change of each odor sensor, a counter and a signal processing circuit for detecting the frequency change must be provided in the output of each sensor. Furthermore, even if the frequency of the crystal resonator (for example, 30 MHz) changes depending on the adhered substance, it is only about several Hz to several hundred Hz, and may be a change of 1 Hz or less. As described above, in the direct count method, it is necessary to take a considerably long gate time in order to increase the frequency resolution. As an error in measurement, in addition to a plus / minus one count error and an error due to fluctuation of the trigger level, when the gate time is increased, an error due to the oscillation stability of the crystal resonator is superimposed. Such a drawback can be compensated for by using a reciprocal counter, but the circuit of one counter is large, so that it is not suitable for a sensor array having a large number of sensors.

よって、本発明の目的は複雑な回路を用いることなく、周波数測定分解能を改善した周波数変化の測定装置を提供することである。また、周波数測定に用いるカウンタ回路を可及的に簡素に構成し得る周波数の測定装置を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a frequency change measuring apparatus with improved frequency measurement resolution without using a complicated circuit. Another object of the present invention is to provide a frequency measuring device that can configure a counter circuit used for frequency measurement as simply as possible.

上記目的を達成するため、本発明の周波数測定装置は、供給されるパルス列信号を短いゲート時間で連続的に計数して該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を出力する短ゲートタイムカウンタ部と、上記一連のカウント値から高周波成分を除去して上記供給されるパルス列信号の周波数に対応するレベル信号を出力するローパスフィルタと、を備え、上記短ゲートタイムカウンタ部は、上記パルス列信号の最大周波数の表示に必要なビット数よりも少ないビット数のn(nは2以上の自然数である。)ビットカウンタで上記一連のカウント値を出力する、ことを特徴とする。   To achieve the above object, the frequency measuring apparatus of the present invention continuously counts the supplied pulse train signal in a short gate time and outputs a series of count values that behave in a pulse train corresponding to the frequency of the pulse train signal. A short gate time counter unit, and a low-pass filter that removes high frequency components from the series of count values and outputs a level signal corresponding to the frequency of the supplied pulse train signal, the short gate time counter unit, The series of count values is output by an n bit counter (n is a natural number of 2 or more) which is smaller than the number of bits necessary to display the maximum frequency of the pulse train signal.

かかる構成においては、まず、ゲートタイムを短くして被測定パルス列信号をサンプリングすることで周波数に対応するカウント値がパルス列として振る舞う(時間軸上のある範囲において、2つの値のいずれかとなるパルス列状の一連のカウント値として出力される)。このとき、被測定周波数の変化に応じたパルス列の密度変化が測定される。このパルス列をローパスフィルタに通すことでパルス列から被測定周波数信号を得る。被測定周波数信号の周波数変化範囲がある範囲内である場合には、フルレンジのカウンタの上位ビットには変化がなく、下位nビット部分に周波数変化が現れる。したがって、nビットのカウンタを使用することで周波数変化を抽出することが出来、フルレンジのカウンタ回路を簡易な構成に置き換えることか可能となる。   In such a configuration, first, the count value corresponding to the frequency behaves as a pulse train by sampling the pulse train signal to be measured by shortening the gate time (in a certain range on the time axis, a pulse train shape having one of two values). As a series of count values). At this time, the change in the density of the pulse train corresponding to the change in the measured frequency is measured. By passing this pulse train through a low-pass filter, a measured frequency signal is obtained from the pulse train. When the frequency change range of the frequency signal to be measured is within a certain range, there is no change in the upper bits of the full range counter, and a frequency change appears in the lower n bits. Therefore, frequency changes can be extracted by using an n-bit counter, and the full-range counter circuit can be replaced with a simple configuration.

好ましくは、上記nが2〜4ビットである。2ビット以上のカウンタとすることによって、カウント値の一連の変化からオーバーフロー(桁上がり)やアンダフロー(桁下がり)の発生を判別することが出来る。例えば、3ビットのカウンタとすることによって、2ビットカウンタの場合よりもオーバーフロー(桁上がり)やアンダフロー(桁下がり)の発生をより減少することが可能となり、カウント値の補正やサンプリング周波数の調整の回数を減少することが出来る。   Preferably, n is 2 to 4 bits. By using a counter of 2 bits or more, it is possible to determine the occurrence of overflow (carrying) or underflow (carrying down) from a series of changes in the count value. For example, by using a 3-bit counter, it is possible to further reduce the occurrence of overflow (carry) and underflow (carry-down) than in the case of a 2-bit counter, and correct the count value and adjust the sampling frequency. The number of times can be reduced.

上記周波数測定装置は、更に、上記供給されるパルス列信号をm(自然数)分周して上記短ゲートタイムカウンタ部に供給する分周器(プリスケーラ)と、上記ローパスフィルタから出力されるレベル信号をm倍する乗算器と、を含むことが望ましい。
それにより、供給されるパルス列信号が高周波数である場合、高速で動作する分周器を前段に設けることで、後続するカウンタ部以降を相対的に低速動作の回路で構成することが可能となる。これは消費電力の低減にもなる。また、分周率mを可変にすることでカウンタ部に供給されるパルス列信号の見かけの周波数を切り換えることが可能となって具合が良い。
The frequency measuring device further divides the supplied pulse train signal by m (natural number) and supplies it to the short gate time counter unit, and a level signal output from the low-pass filter. and a multiplier for multiplying by m.
As a result, when the pulse train signal to be supplied has a high frequency, it is possible to configure the subsequent counter unit and subsequent circuits with relatively low-speed operation circuits by providing a high-speed divider in the previous stage. . This also reduces power consumption. Further, it is possible to change the apparent frequency of the pulse train signal supplied to the counter unit by making the frequency division ratio m variable.

また、本発明の周波数測定装置は、供給されるパルス列信号を短いゲート時間で連続的に計数して該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を出力する短ゲートタイムカウンタ部と、上記一連のカウント値から高周波成分を除去して上記供給されるパルス列信号の周波数に対応するレベル信号を得るローパスフィルタと、を備え、上記短ゲートタイムカウンタ部は、上記パルス列信号が供給される1ビットカウンタと、上記パルス列信号の周波数を増加又は減少させると共にこれに対応して上記1ビットカウンタから出力されるカウント値の増減方向を判別し、該判別結果に基づいて該1ビットカウンタのカウント値の正逆を決定する極性判別回路とを含む。   The frequency measuring device of the present invention also includes a short gate time counter unit that continuously counts a supplied pulse train signal in a short gate time and outputs a series of count values that behave in a pulse train corresponding to the frequency of the pulse train signal. And a low pass filter that obtains a level signal corresponding to the frequency of the supplied pulse train signal by removing high frequency components from the series of count values, and the short gate time counter section is supplied with the pulse train signal The 1-bit counter and the frequency of the pulse train signal are increased or decreased, and the corresponding increase / decrease direction of the count value output from the 1-bit counter is determined. Based on the determination result, the 1-bit counter And a polarity discrimination circuit for determining whether the count value is normal or reverse.

被測定パルス列信号の周波数変化が少ない場合には1ビットのカウンタで短ゲートカウンタ部をより簡易に回路構成することが可能である。ただ、この場合には、カウントしている“0”と“1”の値が大小(真値)を意味しているのか、補数を意味するのかが不明であるので、極性判別回路によってパルス列信号の周波数を一方向に変化させ、これに対応してカウント値が増加したか減少したかを判別することによってカウント値の意味(真値か、補数値か)を判別可能とする。   When the frequency change of the pulse train signal to be measured is small, it is possible to more easily configure the short gate counter unit with a 1-bit counter. However, in this case, since it is unclear whether the counted values “0” and “1” mean large (true value) or complement, it is not possible to detect the pulse train signal by the polarity discrimination circuit. The meaning of the count value (true value or complementary value) can be determined by determining whether the count value has increased or decreased correspondingly.

カウント値が真値を表しているのか、補数値を表しているのかについては、被測定周波数およびサンプリング周波数(ゲートタイム)の関数として表されるため、これらの値が既知であるか、もしくは被測定周波数を1度だけ別途測定することで既知とすることで知ることができる。この場合は、上記極性判別回路は省略できる。   Whether the count value represents a true value or a complementary value is expressed as a function of the measured frequency and the sampling frequency (gate time), so these values are known or It can be known by making the measurement frequency known only by separately measuring it once. In this case, the polarity discrimination circuit can be omitted.

好ましくは、上記nビットカウンタの上位pビットをカウンタ出力とし、その下位(m−p)ビットを分周器として使用する。それにより、分周器とカウンタの機能を1つのカウンタで実現できる。例えば、4ビットカウンタの上位2ビットを出力ビットとすることで、下位2ビットによって、1/4分周器が構成される。   Preferably, the upper p bits of the n-bit counter are used as a counter output, and the lower (mp) bits are used as a frequency divider. Thereby, the functions of the frequency divider and the counter can be realized by one counter. For example, by using the upper 2 bits of the 4-bit counter as output bits, a ¼ frequency divider is configured by the lower 2 bits.

また、本発明の周波数測定装置は、供給されるパルス列信号をm(mは自然数)分周する分周器と、分周されたパルス列信号を短いゲート時間で連続的に計数して該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を出力する短ゲートタイムカウンタ部と、上記一連のカウント値から高周波成分を除去して上記供給されるパルス列信号の周波数に対応するレベル信号を出力するローパスフィルタと、上記ローパスフィルタから出力されるレベル信号をm倍する乗算器と、を備える。   The frequency measuring apparatus of the present invention also includes a frequency divider that divides a supplied pulse train signal by m (m is a natural number), and continuously counts the divided pulse train signal in a short gate time. A short gate time counter unit that outputs a series of count values that behave in a pulse train corresponding to the frequency of the output, and outputs a level signal corresponding to the frequency of the supplied pulse train signal by removing high frequency components from the series of count values And a multiplier that multiplies the level signal output from the low-pass filter by m.

かかる構成とすることによって、分周器部分のみを高速化すれば良く、短ゲートタイムカウンタ部以降を相対的に低速で動作させることが可能となって具合がよい。上記ローパスフィルタから出力される値は被測定パルス信号の周波数の1/m倍であるため、m倍することで適切なスケーリングを行うことができる。また、分周率mを可変にすることでカウンタ部に供給されるパルス密度を切り換えることが可能となって具合が良い。   By adopting such a configuration, it is only necessary to increase the speed of only the frequency divider portion, and it is possible to operate the short gate time counter section and the subsequent parts at a relatively low speed. Since the value output from the low-pass filter is 1 / m times the frequency of the pulse signal to be measured, appropriate scaling can be performed by multiplying the value by m. Further, it is possible to change the pulse density supplied to the counter unit by making the frequency division ratio m variable, which is good.

ここで、スケーリングのための乗算回路を設けたが、スケーリングを気にしなくても良い場合はこれを省略することができる。   Here, a multiplication circuit for scaling is provided, but this can be omitted if scaling is not a concern.

上記ゲート時間は1秒よりも小さく装置の動作限界よりも大きい時間である。例えば、上記ゲート時間は1秒よりも小さく0.01μ秒よりも大きい時間である。   The gate time is less than 1 second and longer than the operating limit of the apparatus. For example, the gate time is less than 1 second and greater than 0.01 μsec.

望ましくは、上記ゲート時間は1秒よりも小さく装置の動作限界よりも大きい時間である。例えば、0.1m秒程度のゲートサンプリングを行う場合、従来の直接カウント方式に比べ、例えば、時間分解能で1〜2桁、SN比で2〜3桁程度の性能向上を期待することが出来る。周波数のカウントとデータ収録をハードウエアにより行う構成とすることで、1μ秒を下回るゲート時間で測定を行うこともできる。   Preferably, the gate time is less than 1 second and greater than the operating limit of the device. For example, when performing gate sampling of about 0.1 msec, compared to the conventional direct counting method, for example, it can be expected to improve performance by about 1 to 2 digits in time resolution and about 2 to 3 digits in SN ratio. By configuring the frequency counting and data recording by hardware, it is possible to perform measurement with a gate time of less than 1 μsec.

望ましくは、上記短ゲートタイムカウンタ部は、上記パルス列信号に対して不感期間を生じないカウンタを備える。ここで、不感期間とは、カウンタのリセットやカウント値の転送時に生ずる、カウンタに入力されるパルス列信号を測定することが出来ない期間である。後述するように、短ゲートタイムカウンタ部の出力パルス列にカウンタのリセット動作などによって不連続が生じると、前後のデータ列(値)が遮断されて一種の外乱となるので好ましくない。   Preferably, the short gate time counter unit includes a counter that does not cause a dead period for the pulse train signal. Here, the dead period is a period during which the pulse train signal input to the counter cannot be measured, which occurs when the counter is reset or the count value is transferred. As will be described later, if a discontinuity occurs in the output pulse train of the short gate time counter section due to a counter reset operation or the like, the preceding and succeeding data trains (values) are cut off, resulting in a kind of disturbance.

望ましくは、上記ローパスフィルタが、アナログフィルタ又はデジタルフィルタである。   Preferably, the low-pass filter is an analog filter or a digital filter.

上記ローパスフィルタがアナログフィルタであることが望ましい。デジタルフィルタで必要となるメモリと演算装置を省くことが出来る。また、短ゲートタイムカウンタ部のカウント値が2値を取りパルス列として振舞う場合(図4)、アナログフィルタのローパスフィルタがD−A変換器として機能するので具合がよい。カウンタの出力がnビットデータの場合には、ローパスフィルタの前段にD−A変換器を用いる構成とすることが出来る。   The low-pass filter is preferably an analog filter. The memory and arithmetic unit required for the digital filter can be omitted. Also, when the count value of the short gate time counter section takes a binary value and behaves as a pulse train (FIG. 4), the analog filter low-pass filter functions as a DA converter, which is good. When the output of the counter is n-bit data, a DA converter can be used before the low-pass filter.

上記ローパスフィルタがデジタルフィルタであることが望ましい。移動平均フィルタであることはより望ましい。移動平均フィルタは、一般のFIRフィルタ(有限インパルス応答フィルタ)に比べて回路規模が相対的に小さく計算量が少なく構成することができ、IIRフィルタ(有限インパルス応答フィルタ)に比べても、直線位相特性を実現でき安定性も保証できるなど、FIRフィルタの持つ利点をそのまま享受することができる。   The low-pass filter is preferably a digital filter. A moving average filter is more desirable. The moving average filter can be configured with a relatively small circuit scale and a small amount of calculation compared to a general FIR filter (finite impulse response filter), and a linear phase compared with an IIR filter (finite impulse response filter). It is possible to enjoy the advantages of the FIR filter as it is, such as realizing characteristics and guaranteeing stability.

上記ローパスフィルタが、移動平均フィルタを多段(2段以上)に直列接続した構成であることが望ましい。多段移動平均フィルタは1段の移動平均フィルタに比べ、計算量の増加を最小限に抑えつつローパスフィルタとしての性能を向上できる利点がある。   It is desirable that the low-pass filter has a configuration in which moving average filters are connected in series in multiple stages (two or more stages). The multi-stage moving average filter has an advantage that the performance as a low-pass filter can be improved while minimizing an increase in the amount of calculation, compared to the one-stage moving average filter.

上記不感期間を生じないカウンタが、上記パルス列信号を累積的に計数する直接カウント方式のカウンタと、計数された前回の累積カウント値と今回の累積カウント値との差から今回カウント値を得る減算器と、を含むことが望ましい。それにより、2つのカウンタを用いて交互に動作させずとも不感期間のないカウンタを構成することが可能となる。   The counter that does not generate the dead period is a direct count type counter that cumulatively counts the pulse train signal, and a subtractor that obtains the current count value from the difference between the previous accumulated count value and the current accumulated count value. It is desirable to include. As a result, it is possible to configure a counter having no dead period without using the two counters alternately.

望ましくは、上記ローパスフィルタは、デジタルフィルタとアナログフィルタとを組み合わせたものである。それにより、SN比の良いデジタルフィルタと演算の必要のないアナログフィルタの利点を組み合わせることができる。デジタルフィルタのみの処理に比べてデジタルフィルタとアナログフィルタの組み合わせでは、デジタルフィルタのローパスフィルタとしての性能はそれほど要求されないのでタップ数を大幅に削減することができる。例えば、デジタルフィルタに1段の移動平均フィルタを用いる場合、フィルタ処理にアップダウンカウンタを用いることができるので、タップ数の削減に加えて回路も簡素化することができる。   Preferably, the low-pass filter is a combination of a digital filter and an analog filter. Thereby, it is possible to combine the advantages of a digital filter with a good S / N ratio and an analog filter that does not require computation. Compared with the processing using only the digital filter, the combination of the digital filter and the analog filter does not require the performance of the digital filter as a low-pass filter, so the number of taps can be greatly reduced. For example, when a one-stage moving average filter is used as the digital filter, an up / down counter can be used for the filter processing, so that the circuit can be simplified in addition to the reduction in the number of taps.

また、本発明の周波数の測定方法は、供給されるパルス列信号を短ゲートタイムカウンタで短いゲート時間で連続的に計数し、該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を得て、この一連のカウント値からローパスフィルタで高周波成分を除去し、上記供給されるパルス列信号の周波数に対応するレベル信号を得るものであり、上記短ゲートタイムカウンタとして、上記パルス列信号の最大周波数の表示に必要なビット数よりも少ないビット数のn(nは2以上の自然数)ビットカウンタを用いて上記一連のカウント値を出力する。好ましくは、上記nが2〜4ビットである。比較的に簡易な構成で周波数測定を行うことが可能となる。   In addition, the frequency measuring method of the present invention continuously counts a supplied pulse train signal with a short gate time counter in a short gate time, and obtains a series of count values that behave like a pulse train corresponding to the frequency of the pulse train signal. Thus, a high-frequency component is removed from the series of count values by a low-pass filter to obtain a level signal corresponding to the frequency of the supplied pulse train signal, and the short gate time counter has a maximum frequency of the pulse train signal. The series of count values is output using an n (n is a natural number of 2 or more) bit counter having a smaller number of bits than that necessary for display. Preferably, n is 2 to 4 bits. Frequency measurement can be performed with a relatively simple configuration.

更に、上記供給されるパルス列信号を分周器で分周して前記短ゲートタイムカウンタ部に供給すると共に、上記ローパスフィルタから出力されるレベル信号を乗算器でスケーリングする。それにより、パルス列信号の見かけ上の周波数を下げることが可能となる。   Further, the supplied pulse train signal is divided by a frequency divider and supplied to the short gate time counter unit, and the level signal output from the low-pass filter is scaled by a multiplier. Thereby, the apparent frequency of the pulse train signal can be lowered.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1乃至図3は、本発明の周波数測定装置の概略を示している。各図において、対応する部分には、同一符号を付している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 3 show an outline of the frequency measuring apparatus of the present invention. In each figure, the same reference numerals are given to corresponding parts.

図1において、信号源10はパルス列信号を発生する。信号源10は、例えば、発振周波数f0が30MHzの水晶発振器であり、後述のニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサなどの検出部に相当する。ニオイ物質などが水晶振動子に付着すると付着量に応じて発振周波数が低下する。このパルス列信号は短ゲートタイムカウンタ(以下、単に「短ゲートカウンタ」と称する。)部20に供給される。短ゲートカウンタ20は、供給されるパルス列信号のパルス計数を短いゲート時間で途切れることなく行う。カウント値はパルス列信号の周波数と対応関係にあり、ローパスフィルタ(LPF)30に逐次供給される。   In FIG. 1, a signal source 10 generates a pulse train signal. The signal source 10 is, for example, a crystal oscillator having an oscillation frequency f0 of 30 MHz, and corresponds to a detection unit such as an odor sensor, a gas sensor, or a biosensor described later. When an odor substance or the like adheres to the crystal resonator, the oscillation frequency decreases according to the amount of adhesion. This pulse train signal is supplied to a short gate time counter (hereinafter simply referred to as “short gate counter”) 20. The short gate counter 20 performs pulse counting of the supplied pulse train signal without interruption in a short gate time. The count value has a corresponding relationship with the frequency of the pulse train signal, and is sequentially supplied to the low pass filter (LPF) 30.

図4はカウント値の例を示している。この例では、サンプリング周波数100Hz(ゲート時間0.01秒)でパルス列信号を計数した場合を示している。サンプリング周波数100Hzの場合には、周波数分解能も100Hzまで低下するため、1つの計数値のみからは供給パルス列信号の100Hz以下の情報を検出できないが、1秒間に100個の計数値が得られることになる。計数値の100倍である周波数は、30,072,300Hzと30,072,400Hzの間に時間軸上にパルス状に分布している。   FIG. 4 shows an example of the count value. In this example, the pulse train signal is counted at a sampling frequency of 100 Hz (gate time 0.01 seconds). When the sampling frequency is 100 Hz, the frequency resolution is also reduced to 100 Hz, so that information of 100 Hz or less of the supplied pulse train signal cannot be detected from only one count value, but 100 count values can be obtained per second. Become. The frequency which is 100 times the count value is distributed in a pulse shape on the time axis between 30,072,300 Hz and 30,072,400 Hz.

ここで、サンプリングにおける量子化誤差(±1カウント誤差)について説明する。例えば、直接カウント方式のカウンタで123.34Hzで安定しているパルス列信号を測定する場合について検討する。   Here, a quantization error (± 1 count error) in sampling will be described. For example, consider the case of measuring a pulse train signal that is stable at 123.34 Hz with a direct count counter.

ゲート時間10秒の場合: 10秒ごとに1233カウント又は1234カウント   When the gate time is 10 seconds: 1233 counts or 1234 counts every 10 seconds

これを1/10倍した、123.3Hzもしくは123.4Hzの表示(10秒ごと)となる。(測定誤差は0.1Hz)   This is multiplied by 1/10 to display 123.3 Hz or 123.4 Hz (every 10 seconds). (Measurement error is 0.1Hz)

ゲート時間1秒の場合: 1秒ごとに123カウント又は124カウント   When the gate time is 1 second: 123 or 124 counts per second

123Hzもしくは124Hzの表示(1秒ごと)となる。(測定誤差は1Hz)   The display is 123 Hz or 124 Hz (every second). (Measurement error is 1 Hz)

ゲート時間0.1秒の場合: 0.1秒ごとに12カウント又は13カウント   When the gate time is 0.1 seconds: 12 or 13 counts every 0.1 seconds

これを10倍した、120Hzもしくは130Hzの表示(0.1秒ごと)となる。(測定誤差は10Hz)   This is multiplied by 10 to display 120 Hz or 130 Hz (every 0.1 second). (Measurement error is 10Hz)

ゲート時間0.01秒の場合: 0.01秒ごとに1カウント又は0カウント   When the gate time is 0.01 seconds: 1 count or 0 count every 0.01 seconds

これを100倍した、100Hzもしくは200Hzの表示(0.01秒ごと)となる。(測定誤差は100Hz)   This is multiplied by 100 to display 100 Hz or 200 Hz (every 0.01 seconds). (Measurement error is 100Hz)

このように、ある一点の周波数で安定しているパルス列信号をカウントした場合は
ゲート時間に対応した量子化誤差が生じ、計数値はゲート時間によって定まる2つの値間を振幅とするパルス列状に分布する。一方、カウントするパルス列信号の周波数が変動する場合でも、変動が上記測定誤差に収まる範囲であれば、計数値は2つの値間を振幅とするパルス列状に分布するのに変わりない。例えばゲート時間0.01秒の場合、カウントするパルス列信号の周波数の変動が100〜200Hzの間で収まっている限り、100Hzもしくは200Hzの表示が得られる。
In this way, when a pulse train signal that is stable at a certain frequency is counted, a quantization error corresponding to the gate time occurs, and the count value is distributed in a pulse train having an amplitude between two values determined by the gate time. To do. On the other hand, even if the frequency of the pulse train signal to be counted fluctuates, the count values are still distributed in a pulse train having an amplitude between two values as long as the fluctuation is within the measurement error. For example, when the gate time is 0.01 seconds, as long as the variation in the frequency of the pulse train signal to be counted is within 100 to 200 Hz, a display of 100 Hz or 200 Hz can be obtained.

図4に示すように、1秒未満の短いゲート時間でサンプリングを行う方式(以下、「短ゲートタイムカウント方式」という。)では、カウント値がパルス列として振る舞い、被測定周波数の変化に応じパルス列の頻度(粗密)が変化する。振動周波数の大小が当該パルス列の密度の大小に対応する。カウントするパルス列信号の周波数に関する情報は、パルス列として振る舞うカウント値の周波数スペクトルの低域成分に存在する。そこで、ローパスフィルタによってカウント値から低域成分を抽出する(量子化誤差に起因する高調波成分を除去する)ことによってカウントするパルス列信号の周波数の情報を復調することが出来る。   As shown in FIG. 4, in the method of sampling with a short gate time of less than 1 second (hereinafter referred to as “short gate time count method”), the count value behaves as a pulse train, and the pulse train is changed according to the change in the measured frequency. The frequency (roughness) changes. The magnitude of the vibration frequency corresponds to the density of the pulse train. Information on the frequency of the pulse train signal to be counted exists in the low frequency component of the frequency spectrum of the count value that behaves as a pulse train. Therefore, the frequency information of the pulse train signal to be counted can be demodulated by extracting the low frequency component from the count value by the low pass filter (removing the harmonic component due to the quantization error).

図5は、上述した図4のカウント値の列をタップ数512の(デジタル)ローパスフィルタ30に与えて高周波成分を除去した例を示している。同図に示されるように供給されたパルス列信号の周波数の変化が連続的な(アナログ的)な曲線として出力される。100Hzのサンプリング周期の計数では測定不能な領域まで、特に、1Hz以下の周波数変化まで検出することが可能となっている。   FIG. 5 shows an example in which the above-described column of count values in FIG. 4 is applied to a (digital) low-pass filter 30 with 512 taps to remove high frequency components. As shown in the figure, the change in the frequency of the supplied pulse train signal is output as a continuous (analog) curve. It is possible to detect a region that cannot be measured by counting at a sampling period of 100 Hz, in particular, a frequency change of 1 Hz or less.

次に、短ゲートタイムカウント方式と直接カウント方式との比較について図6及び図7を参照して説明する。   Next, a comparison between the short gate time counting method and the direct counting method will be described with reference to FIGS.

図6のグラフにおいて、縦軸は周波数、横軸は時間を表している。図中の曲線Aは、直接カウント方式でゲート時間を1秒に設定してサンプリングを行った場合を示している。曲線Bは、直接カウント方式でゲート時間を0.1秒に設定してサンプリングを行った場合を示している。曲線Cは、直接カウント方式でゲート時間を0.01秒に設定してサンプリングを行った場合を示している。なお、曲線Cは、時間軸の単位(桁)が異なり同一グラフ上に波形を表せないので下方に別途表示されている。曲線Dは、直接カウント方式でゲート時間を0.01秒+ローパスフィルタに設定してサンプリングを行った場合(短ゲートタイムカウント方式)を示している。図7は、図6の周波数軸のレンジを拡大して、曲線A及び曲線Dを比較している。本願の曲線Dは数10mHzオーダーまで読み取ることが出来る。   In the graph of FIG. 6, the vertical axis represents frequency and the horizontal axis represents time. A curve A in the figure shows a case where sampling is performed by setting the gate time to 1 second by the direct counting method. A curve B shows a case where sampling is performed by setting the gate time to 0.1 second by the direct count method. A curve C shows a case where sampling is performed by setting the gate time to 0.01 seconds by the direct counting method. Note that the curve C is displayed separately below because the unit (digit) of the time axis is different and a waveform cannot be represented on the same graph. A curve D shows a case where sampling is performed by setting the gate time to 0.01 seconds + low-pass filter by the direct count method (short gate time count method). FIG. 7 compares the curve A and the curve D by enlarging the frequency axis range of FIG. The curve D of the present application can be read up to the order of several tens of mHz.

図6より、ゲート時間が1秒未満であることによって、カウントするパルス列信号の周波数変化が測定誤差内に収まるためカウント値が2値のいずれかとなりパルス列状になることが判る。パルス頻度(パルス密度)は周波数の変化の大小に応じて変化することが判る。すなわち、パルス列状に振る舞うカウント値は時間軸方向にカウントするパルス列信号の周波数情報を含んでいることが判る。したがって、ゲート時間を短くしたことにより一つの計測値に含まれる測定誤差は拡大するが、ローパスフィルタによりこの影響は取り除かれ、SN比は改善される。ゲート時間が1秒の場合には、曲線がジグザクとなって1Hz以下の周波数が判らないが、これをローパスフィルタによって高周波成分を除去する処理を行えば本願の特性に類似する滑らかな特性を同様に得ることが出来る。したがって、ゲート時間が1Hzでも周波数変化の帯域が1Hzよるも低くゆっくりした変化の場合には本方式を適用することが可能である。   From FIG. 6, it can be seen that when the gate time is less than 1 second, the frequency change of the pulse train signal to be counted falls within the measurement error, so that the count value becomes one of the binary values to form a pulse train. It can be seen that the pulse frequency (pulse density) changes according to the frequency change. That is, it can be seen that the count value that behaves like a pulse train includes the frequency information of the pulse train signal counted in the time axis direction. Therefore, although the measurement error included in one measurement value is enlarged by shortening the gate time, this influence is removed by the low-pass filter, and the SN ratio is improved. When the gate time is 1 second, the curve becomes zigzag and the frequency of 1 Hz or less is not known, but if this is processed to remove high frequency components with a low-pass filter, the smooth characteristics similar to those of the present application will be the same. Can be obtained. Therefore, even when the gate time is 1 Hz, this method can be applied in the case where the frequency change band is slower than 1 Hz and changes slowly.

このように、短ゲートタイムカウント方式では、ゲート時間を短くする(サンプリング周波数を高くする)と、各々の測定誤差は大きくなるがたくさんの測定値の列が得られ、ローパスフィルタによって高域成分を取り除くことが出来、図8に示すように、周波数測定分解能は向上する。回路規模を小さく抑えることができるため、マルチチャンネル化が容易である。アナログローパスフィルタを用いることによってアナログ出力にも対応することが可能である。   In this way, in the short gate time counting method, if the gate time is shortened (the sampling frequency is increased), each measurement error increases, but a series of measurement values is obtained. The frequency measurement resolution is improved as shown in FIG. Since the circuit scale can be reduced, multi-channeling is easy. By using an analog low-pass filter, it is possible to cope with an analog output.

図2は、上述した短ゲートカウンタ部20の第1の構成例を示している。短ゲートカウンタ部20は、信号源から供給されるパルス列信号を途切れることなく計数する(入力信号に対して不感期間を設けないように)ことが望まれる。   FIG. 2 shows a first configuration example of the short gate counter unit 20 described above. It is desirable that the short gate counter unit 20 counts the pulse train signal supplied from the signal source without interruption (so as not to provide a dead period for the input signal).

図9は、計数が途切れた場合(ローパスフィルタへの計数値列が欠けた場合)のローパスフィルタの周波数出力例を示している。同図中に点線の円で示されるように外乱となることが判る。   FIG. 9 shows an example of the frequency output of the low-pass filter when the count is interrupted (when the count value string to the low-pass filter is missing). It can be seen that there is a disturbance as shown by the dotted circle in the figure.

そこで、第1の実施例では、第1カウンタ21と第2カウンタ22の2つのカウンタを備える構成とする。パルス列信号は第1カウンタ21と第2カウンタ22の両方に供給される。制御部23は両カウンタにゲート信号、リセット信号を夫々送り、両カウンタの出力をスイッチを介してローパスフィルタ30に供給する。両カウンタから計数値を交互に出力し、一方が計数しているときに他方がリセットやデータ転送などをすることによって、カウンタのリセットやデータ転送時に生ずる不感期間を回避する。なお、制御部23はハードウエアとして構成しても良いし、パソコンなどによってソフトウェアで構成しても良い。   Therefore, in the first embodiment, the first counter 21 and the second counter 22 are provided with two counters. The pulse train signal is supplied to both the first counter 21 and the second counter 22. The control unit 23 sends a gate signal and a reset signal to both counters, and supplies the outputs of both counters to the low-pass filter 30 via a switch. Count values are alternately output from both counters, and when one is counting, the other resets or transfers data, thereby avoiding a dead period that occurs during counter reset or data transfer. The control unit 23 may be configured as hardware, or may be configured as software using a personal computer or the like.

図3は、短ゲートカウンタ部20の第2の構成例を示している。この実施例では1つのカウンタ24を用いている。カウンタ24は直接カウント方式のカウンタであり、サンプリングしたパルス信号を常時計数し累積値を出力する(リセットしない)。カウンタ24の出力は減算器25と前回累積値を保持するレジスタ26に送られる。減算器25はカウンタ24から出力される今回累積値から前回累積値を減じて今回計数値を得て、ローパスフィルタ30に供給する。装置全体の動作は図1の測定装置の場合と同様である。   FIG. 3 shows a second configuration example of the short gate counter unit 20. In this embodiment, one counter 24 is used. The counter 24 is a direct counting type counter, and always counts the sampled pulse signal and outputs an accumulated value (not reset). The output of the counter 24 is sent to a subtracter 25 and a register 26 that holds the previous accumulated value. The subtracter 25 subtracts the previous cumulative value from the current cumulative value output from the counter 24 to obtain the current count value, and supplies it to the low-pass filter 30. The overall operation of the apparatus is the same as that of the measuring apparatus of FIG.

図10は、ローパスフィルタ30をアナログ回路で構成した例を示す。この例では、抵抗R1〜R3、キャパシタC1,C2、オペアンプOP1からなるローパスフィルタを二段接続としている。短ゲートカウンタ20から1ビットシリアルで出力される場合には、そのままローパスフィルタ30に入力することが出来る。短ゲートカウンタ20からnビットで出力される場合には、D−A変換器を介して入力することが出来る。   FIG. 10 shows an example in which the low-pass filter 30 is configured by an analog circuit. In this example, a low-pass filter including resistors R1 to R3, capacitors C1 and C2, and an operational amplifier OP1 is connected in two stages. When the 1-bit serial data is output from the short gate counter 20, it can be input to the low-pass filter 30 as it is. When the short gate counter 20 outputs n bits, it can be input via a DA converter.

図11は、サンプリング周波数を1000Hzとした場合のアナログローパスフィルタ30の出力例を示している。   FIG. 11 shows an output example of the analog low-pass filter 30 when the sampling frequency is 1000 Hz.

図12は、ローパスフィルタ30を移動平均フィルタによって構成した例を示す。同図において、31は加算器、32はシフトレジスタ、33は減算器、34はインバータ、35は各部に動作タイミングクロックを供給する制御部。36は割算器である。   FIG. 12 shows an example in which the low-pass filter 30 is configured by a moving average filter. In the figure, 31 is an adder, 32 is a shift register, 33 is a subtracter, 34 is an inverter, and 35 is a control unit that supplies an operation timing clock to each unit. Reference numeral 36 denotes a divider.

カウンタから出力された計数値は、加算器31とタップ数相当の記憶領域を備えるシフトレジスタ32の両方に与えられる。シフトレジスタ32内を平均値計算の対象となるN個のデータが他と同期して順次移動する。加算器31の他方には前回計算のトータル値が供給されており、加算器は新計数値と前回のトータル値とを加算する。この累積加算値からシフトレジスタ32で先頭の(旧い)データの計数値を減算器33で除き、これを新トータル値とする。新トータル値を前回トータル値として加算器に戻し、新トータル値を除算器36で対象データ数Nで割り算する。このような計算を全データについて行うことによって移動平均値が求められる。ここで、割算器は出力値を周波数(Hz)にスケーリングする機能を持つが、スケーリングを気にしなくても良い場合は省略することができる。また、移動平均フィルタを多段の構成とする場合、最終段にのみ割算器を配しても良い。   The count value output from the counter is supplied to both the adder 31 and the shift register 32 having a storage area corresponding to the number of taps. In the shift register 32, N data for which the average value is to be calculated sequentially move in synchronization with the other data. The other value of the adder 31 is supplied with the total value of the previous calculation, and the adder adds the new count value and the previous total value. The count value of the first (old) data is removed from the cumulative addition value by the shift register 32 by the subtracter 33, and this is used as the new total value. The new total value is returned to the adder as the previous total value, and the new total value is divided by the number of target data N by the divider 36. A moving average value is obtained by performing such calculation for all data. Here, the divider has a function of scaling the output value to the frequency (Hz), but it can be omitted if the scaling need not be taken care of. Further, when the moving average filter has a multi-stage configuration, a divider may be disposed only in the final stage.

図13は、移動平均フィルタの出力を概略的に説明する図である。この例では、計測の対象となるパルス列信号の周波数が123.34Hzを維持している状態から124.7Hzに徐々に変化するものとする。まず、ゲート時間0.1秒でサンプリングすると、カウンタ20から、12または13の計数値がある割合で送られる。10個のデータのトータルの3つの組は124、123、125…となって124.7Hz方向に値が移動する。ここで、12または13の計数値の10個(タップ数10)を移動平均計算の対象とする(一段目の移動平均)。一段目の移動平均値より、右方向に移動するにつれて数値が増えたデータの出現が増加することがわかる。更に、一段目の移動平均値を入力として2段目の移動平均(タップ数10)の計算を行うとこの傾向は強められ、精度も向上する。移動平均フィルタを多段用いることは、ローパスフィルタの特性である減衰傾度を急峻にすることに相当し、同時に12または13からなるパルス列の周波数スペクトルから高域成分を取り除くことに相当する。   FIG. 13 is a diagram schematically illustrating the output of the moving average filter. In this example, it is assumed that the frequency of the pulse train signal to be measured gradually changes from a state where 123.34 Hz is maintained to 124.7 Hz. First, when sampling is performed at a gate time of 0.1 second, the counter 20 sends a count value of 12 or 13 at a certain rate. The total three sets of 10 data are 124, 123, 125, and the value moves in the direction of 124.7 Hz. Here, 10 of the count values of 12 or 13 (number of taps 10) are subject to moving average calculation (first stage moving average). From the moving average value in the first stage, it can be seen that the appearance of data with increased numerical values increases as it moves to the right. Furthermore, when the moving average value of the first stage is used as an input to calculate the moving average of the second stage (10 taps), this tendency is strengthened and the accuracy is improved. Using multiple stages of moving average filters is equivalent to making the attenuation slope, which is a characteristic of the low-pass filter, steep, and at the same time, removing high-frequency components from the frequency spectrum of the pulse train consisting of 12 or 13.

実施例では、移動平均フィルタ(ローパスフィルタ)を三段接続している(タップ数全体4096、タップ数818(一段)、1640(二段)、1640(三段)の三段移動平均フィルタ)。   In this embodiment, three stages of moving average filters (low-pass filters) are connected (total number of taps 4096, number of taps 818 (one stage), 1640 (two stages), 1640 (three stages)).

図14は、上記三段移動平均フィルタのインパルス応答を示している。図15は、上記三段移動平均フィルタの出力例を示している。このように、1Hz以下の周波数変化を測定することが出来る。なお、移動平均フィルタは所望の特性を得るために多段構成とすることができる。   FIG. 14 shows the impulse response of the three-stage moving average filter. FIG. 15 shows an output example of the three-stage moving average filter. Thus, a frequency change of 1 Hz or less can be measured. The moving average filter can have a multi-stage configuration in order to obtain desired characteristics.

次に、デジタルフィルタとアナログフィルタとの組み合わせによってローパスフィルタ30を構成する場合について図16乃至図20を参照して説明する。   Next, a case where the low-pass filter 30 is configured by a combination of a digital filter and an analog filter will be described with reference to FIGS.

図16は、ローパスフィルタ30をデジタルフィルタ(ローパスフィルタ)30a、D/A変換器30b及びアナログフィルタ(ローパスフィルタ)30cによって構成した例を示している。この構成には以下のような利点がある。   FIG. 16 shows an example in which the low-pass filter 30 includes a digital filter (low-pass filter) 30a, a D / A converter 30b, and an analog filter (low-pass filter) 30c. This configuration has the following advantages.

まず、サンプリング周波数が高く、被測定周波数の信号変化がサンプリング周波数に対して小さいとき、デジタルフィルタ処理では問題なく復調することができる場合でも、アナログフィルタ処理ではSN比が低下する場合がある。これは、被測定周波数の信号変化に対応するフィルタ処理後の出力の変化が、パルスの振幅に比べて小さいために見掛けのダイナミックレンジが縮小することによる。デジタルフィルタ処理の場合には、量子化されたカウント値の情報は劣化しないので、このような問題は生じない。   First, when the sampling frequency is high and the signal change of the frequency to be measured is small relative to the sampling frequency, the SN ratio may be lowered in the analog filter processing even when the digital filter processing can be demodulated without any problem. This is because the apparent dynamic range is reduced because the change in the output after filtering corresponding to the change in the signal at the measured frequency is smaller than the amplitude of the pulse. In the case of digital filter processing, the information of the quantized count value does not deteriorate, so that such a problem does not occur.

例えば、1000Hzのサンプリング周波数を用い、100Hzの周波数変化を観測しようとした場合であれば、1000mVのパルスをアナログフィルタ処理すると100mVの電圧変化を観察することになる。同様の条件で、0.1Hzの周波数変化を観察しようとした場合、電圧変化は0.1mVとなる。そのため、例えば、測定に1mVのノイズが存在する環境では0.1Hzの信号を検出することができない。   For example, if a sampling frequency of 1000 Hz is used and a frequency change of 100 Hz is to be observed, a voltage change of 100 mV is observed when a 1000 mV pulse is analog-filtered. If it is attempted to observe a frequency change of 0.1 Hz under the same conditions, the voltage change is 0.1 mV. Therefore, for example, a signal of 0.1 Hz cannot be detected in an environment where noise of 1 mV exists in the measurement.

一方、カウント値として量子化された周波数の情報は、デジタル処理により劣化することはないので、デジタルフィルタ処理の場合はこのような問題は生じない。したがって、デジタルフィルタと組み合わせることでSN比を改善することができる。具体的には、上述のようにデジタルフィルタ30aの出力をDA変換器30bによってD−A変換し、アナログフィルタ30cに入力する構成とする。   On the other hand, since the frequency information quantized as the count value is not deteriorated by digital processing, such a problem does not occur in the case of digital filter processing. Therefore, the SN ratio can be improved by combining with a digital filter. Specifically, as described above, the output of the digital filter 30a is D / A converted by the DA converter 30b and input to the analog filter 30c.

デジタルフィルタのみの処理に比べ、デジタルフィルタ30aとアナログフィルタ30cの組み合わせでは、デジタルフィルタ30aのローパスフィルタとしての性能はそれほど要求されないのでタップ数を大幅に削減することができる。特に、デジタルフィルタ30aとして1段移動平均フィルタを用いる場合、フィルタ処理にアップダウンカウンタを用いることができるので、タップ数の削減に加えて回路も簡素化することができる。   Compared with the processing using only the digital filter, the combination of the digital filter 30a and the analog filter 30c does not require the performance of the digital filter 30a as a low-pass filter, so the number of taps can be greatly reduced. In particular, when a one-stage moving average filter is used as the digital filter 30a, an up / down counter can be used for the filter processing, so that the circuit can be simplified in addition to the reduction in the number of taps.

図17乃至図20を参照して、ローパスフィルタ30をデジタルフィルタとアナログフィルタの組み合わせで構成し、1000Hzのサンプリング周波数によるカウントを行った場合の特性例を説明する。   An example of characteristics when the low-pass filter 30 is configured by a combination of a digital filter and an analog filter and counting is performed at a sampling frequency of 1000 Hz will be described with reference to FIGS.

まず、図17は、比較例としてのデジタルフィルタ処理(3段移動平均フィルタ、タップ数4096)のみによるローパスフィルタ30の出力例を示す。また、図18は、比較例としてのアナログフィルタ処理のみによるローパスフィルタ30の出力例を示す。アナログフィルタではノイズの影響が大きい(SN比が低下する)ことが判る。   First, FIG. 17 shows an output example of the low-pass filter 30 only by digital filter processing (three-stage moving average filter, number of taps 4096) as a comparative example. FIG. 18 shows an output example of the low-pass filter 30 only by analog filter processing as a comparative example. It can be seen that the analog filter has a large influence of noise (the SN ratio is reduced).

図19は、図16に示すように、ローパスフィルタ30をデジタルフィルタ30a(1段移動平均フィルタ、タップ数128)、D/A変換器30b及びアナログフィルタ30cの組み合わせで構成した場合の、デジタルフィルタ30aの出力のDA変換値の出力例を示している。デジタルフィルタ30aのタップ数(1段移動平均フィルタ、タップ数128)は、比較例(3段移動平均フィルタ、タップ数4096)に比べて大幅に減少している。   FIG. 19 shows a digital filter when the low-pass filter 30 is composed of a combination of a digital filter 30a (single-stage moving average filter, 128 taps), a D / A converter 30b and an analog filter 30c, as shown in FIG. The output example of the DA conversion value of the output of 30a is shown. The number of taps (1 stage moving average filter, number of taps 128) of the digital filter 30a is significantly reduced compared to the comparative example (3 stage moving average filter, number of taps 4096).

図20は、図19のD/A変換器出力をローパスフィルタ30cによってアナログ処理した例を示している。なお、アナログローパスフィルタの構成例は図10に示されている。図20に示されるように、図18のアナログローパスフィルタ単独の場合に比べ、SN比が改善されており、図17に示されたデジタルフィルタのみを用いた場合と同様に信号を検出できることがわかる。既述のように、デジタルフィルタ30aのタップ数は大幅に削減されている。   FIG. 20 shows an example in which the D / A converter output of FIG. 19 is analog processed by the low-pass filter 30c. A configuration example of the analog low-pass filter is shown in FIG. As shown in FIG. 20, the S / N ratio is improved as compared with the case of the single analog low-pass filter of FIG. 18, and it can be seen that the signal can be detected in the same manner as when only the digital filter shown in FIG. 17 is used. . As described above, the number of taps of the digital filter 30a is greatly reduced.

このように、ローパスフィルタをデジタルフィルタとアナログフィルタで構成することによってSN比の低下を防止しつつデジタルフィルタのタップ数の削減(演算量の減少)と回路の簡素化を図ることが可能となる。   In this way, by configuring the low-pass filter with a digital filter and an analog filter, it is possible to reduce the number of taps of the digital filter (decrease in the amount of calculation) and simplify the circuit while preventing a decrease in the SN ratio. .

次に、短ゲートカウンタ部20のカウンタ回路構成の簡素化(桁数の減少)等に関して説明する。上述の実施例では、短ゲートカウンタ部20は、計数値を表示するに足りるビット数(桁数)の回路規模で構成し、ローパスフィルタを介してパルス列信号の周波数を検出することができる。   Next, the simplification (decrease in the number of digits) of the counter circuit configuration of the short gate counter unit 20 will be described. In the above-described embodiment, the short gate counter unit 20 is configured with a circuit scale of the number of bits (number of digits) sufficient to display the count value, and can detect the frequency of the pulse train signal via the low-pass filter.

しかしながら、周波数の絶対的な値を測定するのではなく、周波数の時間変動分(差分)を計測すればよい場合がある。上述した短ゲートタイムカウント方式を用いると、カウンタ回路出力の下位ビットの数ビット部分に変化分が現れるので、これに対応したnビット分のカウンタを使用することでカウンタ回路構成を簡単に構成することが可能となる。   However, instead of measuring the absolute value of the frequency, it may be sufficient to measure the time variation (difference) of the frequency. When the short gate time count method described above is used, a change appears in several bits of the lower bits of the counter circuit output. Therefore, the counter circuit configuration can be simply configured by using an n-bit counter corresponding to this. It becomes possible.

図21は、このような回路を簡易に構成する実施例を示しており、同図において、図1と対応する部分には、同一符号を付している。   FIG. 21 shows an embodiment in which such a circuit is simply configured. In the figure, portions corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

既述したように、信号源10はパルス列信号を発生する。このパルス列信号は短ゲートタイムカウンタ部20に供給される。短ゲートタイムカウンタ部20は、供給されるパルス列信号のパルス計数を短いゲート時間(サンプリング周波数)で途切れることなく行う。カウント値はローパスフィルタ30に逐次供給される。短ゲートカウンタ20は、パルス列信号の周波数(例えば、30MHz)を表示するに必要なビット数(桁数)よりも少ない、nビットのカウンタで構成されている。   As described above, the signal source 10 generates a pulse train signal. This pulse train signal is supplied to the short gate time counter unit 20. The short gate time counter unit 20 performs pulse counting of the supplied pulse train signal without interruption in a short gate time (sampling frequency). The count value is sequentially supplied to the low pass filter 30. The short gate counter 20 is composed of an n-bit counter that is smaller than the number of bits (number of digits) required to display the frequency (for example, 30 MHz) of the pulse train signal.

図22は、nビットのカウンタとして3ビットカウンタを使用した出力値例を示している。サンプリング周波数は、10Hzである。この例では、3ビットカウンタの出力値は6〜2の範囲内(10進数表示)で変化しており、桁上がり、桁下がりが生じていない。このような場合には、短ゲートカウンタ部20を3ビットカウンタで構成することができる。   FIG. 22 shows an example of an output value using a 3-bit counter as an n-bit counter. The sampling frequency is 10 Hz. In this example, the output value of the 3-bit counter changes within the range of 6 to 2 (decimal number display), and no carry or carry occurs. In such a case, the short gate counter unit 20 can be constituted by a 3-bit counter.

図23は、上記3ビットカウンタのカウント値列からローパスフィルタ30(タップ数64)で高調波成分を除いて周波数成分を復調した例を示している。このデータだけでは、絶対的な周波数を把握することは出来ないが、パルス列信号の周波数変化を十分に把握することが出来る。   FIG. 23 shows an example in which the frequency component is demodulated by removing the harmonic component from the count value string of the 3-bit counter by the low-pass filter 30 (64 taps). The absolute frequency cannot be grasped only with this data, but the frequency change of the pulse train signal can be sufficiently grasped.

図24は、上述した短ゲートカウンタ部20のnビットカウンタとして2ビットカウンタを使用する例を示している。同図において、図21と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
供給されるパルス列信号を短いゲート時間でサンプリングし、カウント値に桁上がり、桁下がりが生じない場合には、2ビットのカウンタを使用することが出来る。
FIG. 24 shows an example in which a 2-bit counter is used as the n-bit counter of the short gate counter unit 20 described above. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 21 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
If the supplied pulse train signal is sampled with a short gate time and no carry or carry occurs in the count value, a 2-bit counter can be used.

図25は、100Hzでサンプリングされた2ビットカウンタの出力値の例を示している。同図において、縦軸はカウント値(10進数表示)、横軸は時間を表している。同図では、2ビット出力のカウンタ部20は、「1」と「2」のカウント値を交互にパルス列状に出力している。   FIG. 25 shows an example of the output value of the 2-bit counter sampled at 100 Hz. In the figure, the vertical axis represents the count value (decimal number display), and the horizontal axis represents the time. In the figure, the 2-bit output counter unit 20 alternately outputs “1” and “2” count values in a pulse train form.

図26は、2ビットカウンタのカウント値列からローパスフィルタ30(タップ数512)で周波数成分を抽出した状態を示している。同図において、縦軸は周波数、横軸は時間を表している。1Hz以下の周波数分解能で検出することが出来る。   FIG. 26 shows a state in which frequency components are extracted from the count value sequence of the 2-bit counter by the low-pass filter 30 (tap number 512). In the figure, the vertical axis represents frequency and the horizontal axis represents time. Detection is possible with a frequency resolution of 1 Hz or less.

次に、nビットカウンタを用いた場合に、カウント値がnビットカウンタのカウント出力範囲外となる場合(桁上がり(オバーフロー)、桁下がり(アンダーフロー))について説明する。   Next, a case where the count value is outside the count output range of the n-bit counter when using an n-bit counter (carry (overflow), carry-down (underflow)) will be described.

図27乃至図30は、2ビットカウンタの桁上がり、桁下がりの処理を行う実施例を示している。この実施例では、桁上がり、桁下がりに対応するため、2ビットカウンタのカウント値出力を4ビット出力に置き換えてローパスフィルタに供給している。   FIGS. 27 to 30 show an embodiment in which carry-over and carry-down processing of a 2-bit counter is performed. In this embodiment, in order to cope with carry and carry, the count value output of the 2-bit counter is replaced with a 4-bit output and supplied to the low-pass filter.

この例では、短ゲートカウンタ部20は、2ビットのカウンタ24を用いている。カウンタ24は直接方式のカウンタであり、サンプリングしたパルス信号を常時計数して累積値を出力する(リセットしない)。カウンタ24の出力は減算器25と前回累積値を保持するレジスタ26に送られる。減算器25はカウンタ24から出力される今回累積値から前回累積値を減じて今回計数値を得る(図3参照)。   In this example, the short gate counter unit 20 uses a 2-bit counter 24. The counter 24 is a direct counter and always counts the sampled pulse signal and outputs an accumulated value (not reset). The output of the counter 24 is sent to a subtracter 25 and a register 26 that holds the previous accumulated value. The subtracter 25 subtracts the previous cumulative value from the current cumulative value output from the counter 24 to obtain the current count value (see FIG. 3).

減算器25の出力のカウント値(今回計数値)は2−4ビット変換部28に供給される。2-4ビット変換部28は、マイクロプロセッサ(MPU)によるデータ処理プログラムあるいはプログラマブルロジックなどによって構成され、連続な2ビットのカウント値列から、桁上がり、桁下がりの発生を判別し、桁上がり、桁下がりした値を表示した4ビット値でローパスフィルタ30に出力する。   The count value (current count value) output from the subtracter 25 is supplied to the 2-4 bit conversion unit 28. The 2-4 bit conversion unit 28 is configured by a data processing program or programmable logic by a microprocessor (MPU), and determines whether a carry or a carry is generated from a continuous 2-bit count value sequence. A 4-bit value indicating the value that has been dropped is output to the low-pass filter 30.

桁上がり、桁下がりの発生を判別は、例えば、2ビットカウンタ24は、10進数表示で「0」、「1」、「2」、「3」を出力するが、増加方向においてカウント値は「3」の次の「4」では「0」に戻る。また、減少方向においてカウント値は「0」の次の「−1」では「3」に戻る。したがって、カウント値が「2」、「3」(2進数で10,11)を繰り返している状態から「0」(2進数で00)に変化した場合には桁上がりが生じたと判別することが出来る。また、カウント値が「0」、「1」(2進数で00,01)を繰り返している状態から「3」(2進数で11、補数)に変化した場合には桁下がりが生じたと判別することが出来る。   For example, the 2-bit counter 24 outputs “0”, “1”, “2”, “3” in decimal notation, but the count value is “ The next “4” after “3” returns to “0”. In the decreasing direction, the count value returns to “3” at “−1” after “0”. Therefore, when the count value changes from “2”, “3” (binary number 10, 11) to “0” (binary number 00), it can be determined that a carry has occurred. I can do it. When the count value changes from “0”, “1” (binary number 00, 01) to “3” (binary number 11, complement), it is determined that a carry has occurred. I can do it.

なお、減算器25と2−4ビット変換部28の機能を持つ、2ビット入力4ビット出力の減算器を用いることとしても良い。   A 2-bit input 4-bit output subtractor having the functions of the subtractor 25 and the 2-4 bit conversion unit 28 may be used.

図28及び図29は、それぞれ2-4ビット変換部28への入力値の例と2-4ビット変換部28の出力値の例とを示している(サンプリング周波数10Hz)。2-4ビット変換部28は、2ビットカウンタが1と0(10進数)を交互に出力しているとき、これに対応して1と0(10進数)を出力する。次に、図28中に示すように第1の桁下がりが生じると、2-4ビット変換部28は出力を−1、0の交互出力状態とする。更に、カウント値3、2の交互入力状態、2、1の交互入力状態、1、0の交互入力状態への各レベル低下に対応して2-4ビット変換部28の出力を−1、−2の交互出力状態、−2、−3の交互出力状態、−3、−4の交互出力状値とする。更に、2ビットカウンタ出力の第2の桁下がりに対応して2-4ビット変換部28の出力を−4、−5の交互出力状態とする。次に、2ビットカウント値の0、1の交互入力状態に対応して−3、−4の交互出力状態とする。以下同様に、カウント値1、2の交互入力状態、カウント値2、3の交互入力状態、カウント値3、0の交互入力(第1の桁上がり発生)、0、1の交互入力状態への各レベル低下に対応して2-4ビット変換部28の出力を−3、−2の交互出力状態、−2、−1の交互出力状態、−1、0の交互出力状態、0、1の交互出力状態とする。   28 and 29 show examples of input values to the 2-4 bit conversion unit 28 and examples of output values of the 2-4 bit conversion unit 28, respectively (sampling frequency 10 Hz). When the 2-bit counter outputs 1 and 0 (decimal number) alternately, the 2-4 bit conversion unit 28 outputs 1 and 0 (decimal number) correspondingly. Next, as shown in FIG. 28, when the first carry-down occurs, the 2-4 bit conversion unit 28 sets the output to the -1 and 0 alternate output states. Further, the output of the 2-4 bit conversion unit 28 is set to −1, − corresponding to each level drop to the alternate input state of count value 3, 2 and 2, 1 alternate input state, and 1, 0 alternate input state. 2 alternate output states, -2 and -3 alternate output states, and -3 and -4 alternate output state values. Further, the output of the 2-4 bit conversion unit 28 is set to the -4 and -5 alternate output states corresponding to the second carry of the 2-bit counter output. Next, an alternate output state of -3 and -4 is made corresponding to an alternate input state of 0 and 1 of the 2-bit count value. In the same manner, the count values 1 and 2 are alternately input, the count values 2 and 3 are alternately input, the count values 3 and 0 are alternately input (the first carry is generated), and the 0 and 1 are alternately input. Corresponding to each level decrease, the output of the 2-4 bit conversion unit 28 is changed to -3, -2 alternating output state, -2, -1 alternating output state, -1, 0 alternating output state, 0, 1 Set to alternate output state.

図30は、図29に示す4ビットのカウント値列からローパスフィルタ30(タップ数64)によって高周波成分を除いて周波数成分を抽出した例を示している。周波数の変化を十分に把握することが出来る。   FIG. 30 shows an example in which the high frequency components are removed from the 4-bit count value sequence shown in FIG. 29 by the low-pass filter 30 (tap number 64). The change in frequency can be grasped sufficiently.

図31は、短ゲートカウンタ部20を1ビットカウンタで構成した他の実施例を示している。同図において、図1と対応する部分にはは同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。   FIG. 31 shows another embodiment in which the short gate counter unit 20 is constituted by a 1-bit counter. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

既述したように、信号源の周波数変化範囲が既知である場合、短ゲートカウンタ部20のサンプリング周波数を上げることによって1ビットのカウンタにおいて桁上がりの生じない条件に設定することが可能である。この場合には、1ビットのカウンタで上述した実施例と同様の測定結果を得ることが出来る。   As described above, when the frequency change range of the signal source is known, it is possible to set a condition in which no carry occurs in the 1-bit counter by increasing the sampling frequency of the short gate counter unit 20. In this case, a measurement result similar to that of the above-described embodiment can be obtained with a 1-bit counter.

しかしながら、1ビットの情報では、カウント値の0と1の出力がカウント値の大小に対応しているのか、補数の関係なのかを判断することが出来ない。そこで、この実施例では、ビット判別部70を設けている。ビット判別部70は、信号源10の発振周波数を増減させ、これに対応してローパスフィルタの出力が増減する場合には、カウント値の0と1の出力がカウント値の大小に対応していると判別する。また、信号源10の発振周波数を増減させ、これに対応してローパスフィルタの出力が減増する場合には、カウント値の0と1の出力が補数の関係(出力が逆)になっていると判別する。補数の関係になっている場合には、ローパスフィルタ30の出力を正逆反転部60によって出力特性を反転させる。   However, with 1-bit information, it cannot be determined whether the output of the count values 0 and 1 corresponds to the magnitude of the count value or a complement relationship. Therefore, in this embodiment, a bit discrimination unit 70 is provided. The bit discriminating unit 70 increases or decreases the oscillation frequency of the signal source 10, and when the output of the low-pass filter increases or decreases correspondingly, the output of the count values 0 and 1 corresponds to the magnitude of the count value. Is determined. Further, when the oscillation frequency of the signal source 10 is increased or decreased and the output of the low-pass filter is decreased or increased correspondingly, the outputs of the count values 0 and 1 have a complement relationship (the output is reversed). Is determined. In the case of a complement relationship, the output characteristic of the output of the low-pass filter 30 is inverted by the forward / reverse inversion unit 60.

図32乃至図34は、上記1ビットカウンタを用いた実施例におけるローパスフィルタ(各例タップ数2048)の出力例を示している。図33は、カウント値が補数の場合の周波数の出力波形を示している。図34は、ローパスフィルタを通過後の周波数出力を反転させたものである。反転させることで元の波形に補正されることが判る。   32 to 34 show output examples of the low-pass filter (each example tap number 2048) in the embodiment using the 1-bit counter. FIG. 33 shows an output waveform of the frequency when the count value is a complement. FIG. 34 shows the inversion of the frequency output after passing through the low-pass filter. It can be seen that the original waveform is corrected by inversion.

図35は、短ゲートカウンタ20の前段に分周器を設けてスケーリングを行うようにした例を示している。同図において、図1と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
同図に示す例では、信号源10からのパルス列信号を分周器40でm分周し、短ゲートカウンタ20に供給する。短ゲートカウンタ20が1秒よりも小さいゲート時間の短ゲート信号によって計数を行い、一連のカウント値列をローパスフィルタ30に供給する。ローパスフィルタ30で抽出された周波数信号を乗算器50でm倍にすることで元のパルス列信号の周波数情報が得られる。
FIG. 35 shows an example in which scaling is performed by providing a frequency divider before the short gate counter 20. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
In the example shown in the figure, the pulse train signal from the signal source 10 is divided by m by the frequency divider 40 and supplied to the short gate counter 20. The short gate counter 20 performs counting with a short gate signal having a gate time smaller than 1 second, and supplies a series of count value sequences to the low-pass filter 30. Frequency information of the original pulse train signal is obtained by multiplying the frequency signal extracted by the low-pass filter 30 by m times by the multiplier 50.

図36は、上記実施例の構成で分周器40の分周率m、乗算器50の乗率mを16とし、ローパスフィルタ30(タップ数2048)で処理した場合の周波数出力の例を示している。他の例と同様に1Hz以下の平滑な周波数出力を得ることが出来る。
かかる分周器(プリスケーラ)を短ゲートカウンタ部の前に設けることにより、被測定周波数が高い周波数である場合、分周器のみを高速化すればよく、カウンタ部以降の回路を相対的に低い周波数で駆動することが可能となって具合がよい。
FIG. 36 shows an example of frequency output when processing is performed by the low-pass filter 30 (number of taps 2048) with the frequency division ratio m of the frequency divider 40 and the multiplier ratio m of the multiplier 50 set to 16 in the configuration of the above embodiment. ing. Similar to other examples, a smooth frequency output of 1 Hz or less can be obtained.
By providing such a frequency divider (prescaler) in front of the short gate counter unit, when the frequency to be measured is a high frequency, it is only necessary to speed up the frequency divider, and the circuit after the counter unit is relatively low. It is possible to drive at a frequency, which is good.

図37は、図35に示す実施例の応用例であり、図35と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。   FIG. 37 shows an application example of the embodiment shown in FIG. 35. Parts corresponding to those in FIG. 35 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

この実施例では、分周器40と短ゲートカウンタ部20とを4ビットカウンタで構成している。例えば、4ビットカウンタの上位2ビットを使用することで、4分周する分周器と2ビットカウンタとを組み合わせた場合と同様の出力が得られる。すなわち、mビットカウンタの上位ビットp(例えば、上位2ビット)を出力ビットに使用し、下位(m−p)ビットをプリスケーラとして使用することが出来る。他の構成は図35の場合と同様である。   In this embodiment, the frequency divider 40 and the short gate counter unit 20 are constituted by a 4-bit counter. For example, by using the upper 2 bits of a 4-bit counter, an output similar to that obtained when a frequency divider that divides by 4 and a 2-bit counter are combined can be obtained. That is, the upper bit p (for example, the upper 2 bits) of the m-bit counter can be used as an output bit, and the lower (mp) bit can be used as a prescaler. Other configurations are the same as those in FIG.

図38は、4ビットカウンタの上位2ビットを使用した例の周波数の出力例であり、サンプリング周波数は1000Hz、ローパスフィルタのタップ数は2048である。1Hz以下の周波数を識別可能な滑らかな出力が得られる。   FIG. 38 shows an output example of the frequency of the example using the upper 2 bits of the 4-bit counter. The sampling frequency is 1000 Hz, and the number of taps of the low-pass filter is 2048. A smooth output capable of discriminating frequencies of 1 Hz or less is obtained.

図39は、本願の周波数測定装置を多数のニオイセンサ10a〜10nを備えた信号源10としてのニオイセンサアレイに設けた例を示している。短ゲートセンサ部20、ローパスフィルタ30については既に説明したので省略する。   FIG. 39 shows an example in which the frequency measurement device of the present application is provided in an odor sensor array as a signal source 10 including a large number of odor sensors 10a to 10n. Since the short gate sensor unit 20 and the low-pass filter 30 have already been described, a description thereof will be omitted.

図40は、従来法の直接カウント方式でサンプリング周波数1Hzでセンサアレイの8チャンネル分の出力例を示している。途中時間軸上の矢印部分でニオイ成分を数秒間供給した。ニオイ成分がセンサに付着することで周波数が減少し、付着したニオイ物質は10秒程度で脱離した。   FIG. 40 shows an output example for eight channels of the sensor array at a sampling frequency of 1 Hz in the conventional direct count method. On the way, the odor component was supplied for several seconds at the arrow on the time axis. The frequency decreased due to the odor component adhering to the sensor, and the adhering odor substance was detached in about 10 seconds.

図41は、同じ条件で本発明の短ゲートタイムカウント方式で測定した例を示している。時間分解能および周波数分解能ともに改善されていることが判る。また、短ゲートタイムカウント方式では回路が複雑にならないのでマルチセンサモジュール(あるいは基板)等に使用して好都合である。   FIG. 41 shows an example of measurement using the short gate time counting method of the present invention under the same conditions. It can be seen that both time resolution and frequency resolution are improved. In addition, the short gate time count method is convenient for use in a multi-sensor module (or substrate) because the circuit is not complicated.

上述した本願の実施例によれば、短ゲートカウント部を2ビットカウンタで構成するので、カウンタ回路が簡素化され、消費電力を抑制することが可能となる。   According to the embodiment of the present invention described above, since the short gate count unit is constituted by a 2-bit counter, the counter circuit is simplified and power consumption can be suppressed.

また、カウント値をインクリメントやディクリメントする機能を設けたことによって、使用しているカウンタのビットにおいて桁上がりや桁下がりの生じる周波数変動にも対応することが可能となって具合がよい。   Further, by providing a function for incrementing or decrementing the count value, it is possible to cope with frequency fluctuations in which a carry or a carry is caused in the bits of the counter used.

また、表示出力外に桁上げ、桁下げの生じないnビットのカウンタで短ゲートカウント部を構成することによって、桁上げ、桁下げの発生に対応してカウント値を増減する補正回路が不要となって具合がよい。   In addition, by configuring the short gate count unit with an n-bit counter that does not cause carry or carry out of the display output, a correction circuit that increases or decreases the count value in response to the occurrence of carry or carry is unnecessary. It looks good.

また、1ビットカウンタで短ゲートカウンタ部を構成した場合には、カウンタ回路が簡素化される。   In addition, when the short gate counter unit is configured with a 1-bit counter, the counter circuit is simplified.

また、mビットカウンタの上位2ビットを使用することで、プリスケーラとカウンタとしての機能を内蔵することが可能となって具合がよい。   Further, by using the upper 2 bits of the m-bit counter, it is possible to incorporate functions as a prescaler and a counter.

なお、上述した各実施は適宜に組み合わせることが出来る。   In addition, each implementation mentioned above can be combined suitably.

以上説明したように、短ゲートタイムでカウントを行い、ローパスフィルタを通す方式とすることにより、レシプロカル方式に比べ回路が複雑にならない。時間・周波数分解能を同時に改善できる。サンプリング周波数が被測定信号に対してオーバーサンプリングとなるような条件下で測定する場合に好適である。また、従来の直接カウント方式では、デューティサイクル変調の影響を受けやすいので、この影響が無視できない場合は工夫が必要であるが、本方式では、サンプリング周波数を高めることで影響が低減されるため、特別な工夫を要しない。   As described above, the circuit is not complicated as compared with the reciprocal method by counting with a short gate time and passing the low-pass filter. Time and frequency resolution can be improved at the same time. This is suitable for measurement under conditions where the sampling frequency is oversampling with respect to the signal under measurement. In addition, since the conventional direct count method is easily affected by the duty cycle modulation, it is necessary to devise if this effect cannot be ignored, but in this method, the influence is reduced by increasing the sampling frequency. No special device is required.

また、短ゲートタイムカウント方式は、ゲートタイムを短くして測定点を増やし、データ列の高域スペクトル成分を取り除くことでカウント値を得る方式であり、周波数分解能が著しく改善される。しかしながら、測定値1つ1つが持つ量子化誤差が大きいため、1つの測定点の欠如が分解能に与える影響が相対的に大きくなる。従って、パルス信号を途切れないようにカウントすることの出来るカウンタを使用することで、測定誤差を低減することができる。   In addition, the short gate time count method is a method in which the count value is obtained by shortening the gate time to increase the number of measurement points and removing the high frequency spectrum component of the data string, and the frequency resolution is remarkably improved. However, since the quantization error of each measurement value is large, the influence of the lack of one measurement point on the resolution becomes relatively large. Therefore, measurement errors can be reduced by using a counter that can count the pulse signal without interruption.

実施例で提案しているリセットの必要がないカウンタを使用することは有効である。リセット動作やデータ読み込み等により生じる不感時間を設けない構造にするために、2つのカウンタを切り替えて使用する方法があるが、回路規模が大きくなる。この方式は、2つのラッチ回路を用意し、それを切り替えて使用することで代用することができる。この場合、カウント値は測定値から前回の測定値を減じることで算出される。カウンタの動作周波数よりもサンプリング周波数が低い場合は、計算時間に余裕を持たせることができる。このようにすることで、カウンタは1つで済み、回路規模は大きくならない。   It is effective to use a counter that does not require reset as proposed in the embodiment. There is a method in which two counters are switched and used in order to make a dead time caused by reset operation, data reading, etc., but the circuit scale becomes large. This method can be substituted by preparing two latch circuits and switching between them. In this case, the count value is calculated by subtracting the previous measurement value from the measurement value. When the sampling frequency is lower than the operating frequency of the counter, the calculation time can be given a margin. By doing so, only one counter is required, and the circuit scale does not increase.

本発明の方式を備えた装置を使用すれば、カウント方式の別によらず従来の周波数カウンタから得られる測定値に対し本信号処理を適用することで、測定系に変更を加えることなくセンサの分解能が改善される。本方式を念頭に設計されたカウンタは、同じ性能を持つ従来方式のカウンタに比べ回路規模が小さく、マルチチャネル化も容易である。本発明の短ゲートタイムカウント方式は、ニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサ、周波数変化を利用したA−D変換素子などに使用して好都合である。   By using the apparatus equipped with the method of the present invention, the resolution of the sensor can be obtained without changing the measurement system by applying this signal processing to the measured value obtained from the conventional frequency counter regardless of the counting method. Is improved. The counter designed with this system in mind is smaller in circuit scale than the conventional counter having the same performance and can be easily multi-channeled. The short gate time counting method of the present invention is convenient for use in an odor sensor, a gas sensor, a biosensor, an A / D conversion element utilizing frequency change, or the like.

本願発明の概要を説明する図である。It is a figure explaining the outline | summary of this invention. 短ゲートカウンタ部20の構成例を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a short gate counter unit 20. 短ゲートカウンタ部20の他の構成例を説明する図である。It is a figure explaining the other structural example of the short gate counter part. 短ゲートカウンタ部20によるカウント値の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the count value by the short gate counter part. ローパスフィルタ30の出力例を示す図である。4 is a diagram illustrating an output example of a low-pass filter 30. 短ゲートタイム方式を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining a short gate time system. 短ゲートタイム方式による出力例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of an output by a short gate time system. 短ゲートタイム方式による効果例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of an effect by a short gate time system. 入力の不連続の影響を説明する図である。It is a figure explaining the influence of the discontinuity of input. ローパスフィルタ(アナログ)の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of a low-pass filter (analog). ローパスフィルタ(アナログ)の出力例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an output of a low-pass filter (analog). ローパスフィルタ(移動平均)の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of a low-pass filter (moving average). 移動平均計算の例を説明する図であり、図中の2行目の数列が1段移動平均フィルタ出力値(1段目のタップ数10)に相当し、3行目の数列が2段移動平均フィルタ出力値(2段目のタップ数10)に相当する。It is a figure explaining the example of a moving average calculation, the number sequence of the 2nd row in the figure is equivalent to 1 step moving average filter output value (the number of taps of the 1st step), and the number sequence of the 3rd row moves 2 steps This corresponds to the average filter output value (10 taps in the second stage). ローパスフィルタ(移動平均)のインパルス応答例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an impulse response of a low-pass filter (moving average). ローパスフィルタ(移動平均)の出力例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an output of a low pass filter (moving average). ローパスフィルタをデジタルフィルタとアナログフィルタとを組み合わせて構成する例を説明する図である。It is a figure explaining the example which comprises a low-pass filter combining a digital filter and an analog filter. 参考例のデジタルフィルタ(移動平均フィルタ3段構成)の出力例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an output of the digital filter (moving average filter 3 steps | paragraph structure) of a reference example. 参考例のアナログフィルタの出力例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of an output of the analog filter of a reference example. デジタルフィルタ(移動平均フィルタ1段構成)の出力をD/A変換した出力例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an output which D / A converted the output of the digital filter (moving average filter 1 step | paragraph structure). D/A変換値をアナログフィルタによって処理した例を説明する図である。It is a figure explaining the example which processed the D / A conversion value by the analog filter. 短ゲートカウンタ部をnビットのカウンタで構成する例を説明する図である。It is a figure explaining the example which comprises a short gate counter part by the counter of n bits. 3ビットカウンタの出力例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of an output of a 3-bit counter. ローパスフィルタの出力例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an output of a low-pass filter. 短ゲートカウンタ部20を2ビットカウンタで構成する例を説明する図である。It is a figure explaining the example which comprises the short gate counter part 20 by a 2-bit counter. 2ビットカウンタの出力例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of an output of a 2-bit counter. ローパスフィルタの出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output of a low-pass filter. 2ビット出力の短ゲートカウンタ部の後段に2ビット出力を4ビット出力に変換する回路を設けた例を説明する図である。It is a figure explaining the example which provided the circuit which converts 2 bit output into 4 bit output in the back | latter stage of the short gate counter part of 2 bit output. 2ビットカウンタの出力例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of an output of a 2-bit counter. ローパスフィルタへの4ビット入力値の例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of the 4-bit input value to a low-pass filter. 4ビット入力されローパスフィルタの出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of a 4-bit input and the output of a low-pass filter. 1ビットカウンタで短ゲート部を構成した例を説明する図である。It is a figure explaining the example which comprised the short gate part with 1 bit counter. 1ビットカウンタで短ゲート部を構成した場合の出力例を示す図。The figure which shows the example of an output at the time of comprising a short gate part by 1 bit counter. 1ビットカウンタの出力が補数である場合の出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output when the output of a 1-bit counter is a complement. 補数出力を補正した出力例を説明する図である。It is a figure explaining the output example which correct | amended the complement output. 短ゲートカウンタの前段に分周器を用いる例を説明する図である。It is a figure explaining the example which uses a frequency divider in the front | former stage of a short gate counter. 分周器を用いた場合の出力例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an output at the time of using a frequency divider. 4ビットカウンタの上位2ビットを出力に使用してプリスケーラとカウンタとして機能させる例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example which functions as a prescaler and a counter using the upper 2 bits of a 4-bit counter for output. 4ビットカウンタの上位2ビットを使用した場合の出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output at the time of using the upper 2 bits of a 4-bit counter. センサアレイに本願を適用した例を説明する図である。It is a figure explaining the example which applied this application to the sensor array. 従来の方法によるセンサアレイの出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output of the sensor array by the conventional method. 本願の方法によるセンサアレイの出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output of the sensor array by the method of this application.

符号の説明Explanation of symbols

10 信号源、20 短ゲートカウンタ部、30 ローパスフィルタ 10 signal source, 20 short gate counter, 30 low-pass filter

Claims (15)

供給されるパルス列信号を短いゲート時間で連続的に計数して該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を出力する短ゲートタイムカウンタ部と、
前記一連のカウント値から高周波成分を除去して前記供給されるパルス列信号の周波数に対応するレベル信号を出力するローパスフィルタと、を備え、
前記短ゲートタイムカウンタ部は、前記パルス列信号の最大周波数の表示に必要なビット数よりも少ないビット数のn(nは2以上の自然数)ビットカウンタで前記一連のカウント値を出力する、ことを特徴とする周波数測定装置。
A short gate time counter unit that continuously counts the supplied pulse train signal in a short gate time and outputs a series of count values that behave in a pulse train shape corresponding to the frequency of the pulse train signal;
A low-pass filter that removes high-frequency components from the series of count values and outputs a level signal corresponding to the frequency of the supplied pulse train signal, and
The short gate time counter unit outputs the series of count values with an n bit counter (n is a natural number of 2 or more) having a bit number smaller than the number of bits necessary for displaying the maximum frequency of the pulse train signal. A characteristic frequency measuring device.
前記nが2〜4ビットである請求項1に記載の周波数測定装置。   The frequency measuring apparatus according to claim 1, wherein n is 2 to 4 bits. 更に、前記供給されるパルス列信号を分周して前記短ゲートタイムカウンタ部に供給する分周器と、を含む、請求項1又は2に記載の周波数測定装置。   The frequency measuring device according to claim 1, further comprising a frequency divider that divides the supplied pulse train signal and supplies the divided pulse train signal to the short gate time counter unit. 更に、前記ローパスフィルタから出力されるレベル信号をスケーリングする乗算器と、を含む、請求項1乃至3のいずれかに記載の周波数測定装置。   The frequency measuring device according to claim 1, further comprising a multiplier that scales a level signal output from the low-pass filter. 供給されるパルス列信号を短いゲート時間で連続的に計数して該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を出力する短ゲートタイムカウンタ部と、
前記一連のカウント値から高周波成分を除去して前記供給されるパルス列信号の周波数に対応するレベル信号を得るローパスフィルタと、を備え、
前記短ゲートタイムカウンタ部は、前記パルス列信号が供給される1ビットカウンタである、ことを特徴とする周波数測定装置。
A short gate time counter unit that continuously counts the supplied pulse train signal in a short gate time and outputs a series of count values that behave in a pulse train shape corresponding to the frequency of the pulse train signal;
A low-pass filter that removes high-frequency components from the series of count values to obtain a level signal corresponding to the frequency of the supplied pulse train signal, and
The frequency measuring device, wherein the short gate time counter unit is a 1-bit counter to which the pulse train signal is supplied.
更に、前記短ゲートタイムカウンタ部は、
前記パルス列信号の周波数を増加又は減少させると共にこれに対応して前記1ビットカウンタから出力されるカウント値の増減方向を判別し、該判別結果に基づいて該1ビットカウンタのカウント値の正逆を決定する極性判別回路、を含む、
ことを特徴とする請求項5に記載の周波数測定装置。
Furthermore, the short gate time counter unit is
The frequency of the pulse train signal is increased or decreased, and the increment / decrement direction of the count value output from the 1-bit counter is determined correspondingly, and the count value of the 1-bit counter is determined based on the determination result. Including a polarity discrimination circuit for determining,
The frequency measuring device according to claim 5, wherein
供給されるパルス列信号を分周する分周器と、
分周されたパルス列信号を短いゲート時間で連続的に計数して該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を出力する短ゲートタイムカウンタ部と、
前記一連のカウント値から高周波成分を除去して前記供給されるパルス列信号の周波数に対応するレベル信号を出力するローパスフィルタと、
を備える周波数測定装置。
A frequency divider for dividing the supplied pulse train signal;
A short gate time counter unit that continuously counts the divided pulse train signal in a short gate time and outputs a series of count values that behave in a pulse train corresponding to the frequency of the pulse train signal;
A low-pass filter that removes high-frequency components from the series of count values and outputs a level signal corresponding to the frequency of the supplied pulse train signal;
A frequency measuring device comprising:
更に、前記ローパスフィルタから出力されるレベル信号をスケーリングする乗算器、
を備える請求項7に記載の周波数測定装置。
A multiplier for scaling the level signal output from the low-pass filter;
The frequency measurement device according to claim 7.
前記nビットカウンタの上位pビットをカウンタ出力とし、その下位(m−p)ビットを分周器として使用する、請求項1に記載の周波数測定装置。   The frequency measurement apparatus according to claim 1, wherein the upper p bits of the n-bit counter are used as a counter output, and the lower (mp) bits thereof are used as a frequency divider. 前記ゲート時間は1秒よりも小さく装置の動作限界よりも大きい時間である、請求項1乃至9のいずれかに記載の周波数測定装置。   The frequency measurement device according to claim 1, wherein the gate time is a time shorter than one second and longer than an operation limit of the device. 前記短ゲートタイムカウンタ部は、前記パルス列信号に対して不感期間を生じないカウンタを備える。請求項1乃至10のいずれかに記載の周波数測定装置。   The short gate time counter unit includes a counter that does not cause a dead period for the pulse train signal. The frequency measuring device according to claim 1. 前記ローパスフィルタが、アナログフィルタ又はデジタルフィルタである、請求項1乃至11のいずれかに記載の周波数測定装置。   The frequency measurement device according to claim 1, wherein the low-pass filter is an analog filter or a digital filter. 前記ローパスフィルタが、デジタルフィルタとアナログフィルタとを組み合わせたものである、請求項1乃至11のいずれかに記載の周波数測定装置。   The frequency measurement device according to claim 1, wherein the low-pass filter is a combination of a digital filter and an analog filter. 前記デジタルフィルタが、多段構成の移動平均フィルタである請求項12又は13に記載の周波数測定装置。   The frequency measuring device according to claim 12 or 13, wherein the digital filter is a moving average filter having a multistage configuration. 請求項1乃至14のいずれかに記載の周波数測定装置を使用した機器。   The apparatus using the frequency measuring device in any one of Claims 1 thru | or 14.
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