JP2009300128A - サンプリング同期装置、サンプリング同期方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数を高精度かつ短時間で安定させるサンプリング同期装置等を提供する。
【解決手段】
サンプリングシステムは、サンプリング同期装置１，２、データ収集サーバ３を備える。サンプリング同期装置１は、ＧＰＳ受信機１１、サンプリング同期回路１２、サンプリング回路１３、解析回路１４、を備える。受信機１１は、ＧＰＳクロックを出力する。サンプリング回路１３は、内部に水晶発振器、サンプリング演算回路、サンプリング同期パルス出力部を内蔵し、演算回路は、過去に測定したＧＰＳクロックの１パルス内に含まれる水晶発振器のパルス数を計算する。これに基づいて、サンプリングタイムを各々水晶発振器のパルス数として出力する。サンプリング同期パルス出力部は、ＧＰＳクロックの立ち上がり点を開始点としてそれぞれのサンプリングタイムを水晶発振器のパルス数としてカウントし、そのパルス数に到達すると、サンプリング同期パルスを出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧、電流、信号等をサンプリングしたり、サンプリングされた信号を所定のサンプリングレートで出力するためのサンプリング同期装置、サンプリング同期方法、サンプリング同期システムに関する。

電力会社等では、電力供給の異常の原因を調べるため、複数の地点で同時に電流や電圧をサンプリングし、記録をとっている。異常の発生箇所を特定するためは、複数の地点に設置した装置間のサンプリング周期を同期させて同時に計測値を取得し、複数の地点で同時に起こったことを調べる必要がある。このような同期を取るために、従来、ＧＰＳ（無線測位・航法システム）のクロックを基準周波数としたＰＬＬ回路によりサンプリング周波数を高精度にして、異なる地点間の記録装置を同期させる方法が提案されている（特許文献１等）。ＧＰＳクロックに同期させれば、記録装置間同士をケーブルで接続してサンプリング同期パルスを互いに伝送する必要がないので、装置の設置の自由度が高まる。

ここで、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路は、アナログＰＬＬ回路と、デジタルＰＬＬ回路がある。前者は、入力電圧により周波数を変えることができる発振素子（ＶＣＯ）と、その発振素子の出力を分周する分周回路と、分周回路と基準周波数の入力との位相を比較する位相比較器とを備え、位相比較器が出力する位相差に基づいてＶＣＯの電圧を制御するものである。後者は、カウンタを用いて、ＶＣＯの電圧を調整する。

また、特許文献２には、ＰＬＬを使わない同期回路が開示されている。この特許文献２の装置は、固定サンプリングクロックで連続的にサンプリングしていて、ＣＰＵによりＳ回に１回、ＡＤ変換器からのサンプリングデータを取得することにより、解析信号の周波数に同期させる。特許文献２では、データのサンプリング間隔は、常に一定で、その間隔の小数点以下を四捨五入して求める。
特許３７１８９７７号公報 特開２００２−２１４２６０公報

しかしながら、特許文献１のようにＰＬＬ回路を用いると、アナログ、デジタルいずれのＰＬＬ回路でも、高精度な周波数になるよう安定させるためには、多大な時間を必要とする虞があった。即ち、ＰＬＬによれば、位相がずれている→ＶＣＯの電圧を上げる→周波数が目標の周波数を通り過ぎる→位相差がずれる→電圧を下げる・・・といった繰り返しをすることになり、目標の周波数になったときは、なんらフィードバックがかからず、制御が後手後手に回る可能性がある。したがって、周波数を狭い範囲に収束させるには時間がかかる虞があった。また、常に周波数を連続的に変動させるので、常時、周波数が連続的にふらつく虞があった。

特許文献２の方法では、この構成では、固定サンプリングクロックの誤差を測定するものではないから、それゆえこれを修正できなかった。また、特許文献２では、固定サンプリングパルスを単位にするが、小数点以下の丸め誤差を補正する対策はなされていなかった。

そこで、本発明は、周波数を高精度かつ短時間で安定させるサンプリング同期装置等を提供する。

（１）本発明は、
異なる地点での計測値を同時サンプリングで取得するためのサンプリング同期装置であって、
各サンプリング同期装置が同時に受信する第１のパルスを受信して、前記第１のパルスを出力する第１のパルス生成部と、
前記同時サンプリングのサンプリング周波数および前記第１のパルスのいずれよりも高い周波数の第２のパルスを出力する第２のパルス生成部と、
前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期（＝サンプリング同期パルスの出力周期）を計算し、サンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期回路と、を備え、
前記サンプリング同期回路は、前記第１のパルスの各々のエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期装置である。

この構成では、サンプリング同期回路は、第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期を計算する。したがって、第２のパルスに誤差があっても、第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数を計算することによりこの誤差を吸収でき、誤差の如何にかかわらず、サンプリング周期を正しく求めることができる。また、ＰＬＬのように、周波数を変動させて周波数を合わすような方向へ調整していくのではなく、第２のパルスという固定のものさしを用いて、サンプリング周期をこの固定の尺度の目盛の数として直接求めることができる。したがって、第１のパルスを１回測定するだけで、早期にサンプリング周期を目的の時間間隔に調整できる。また、ＰＬＬであれば、調整がずれてきたときに初めてフィードバックがかかるが、この構成では、調整がずれていない場合でも、適切な時間間隔に調整することができる。

また、サンプリング同期回路は、前記第１のパルスの各々のエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力する。したがって、第１のパルスを同時に受信する限り、これに同期することができるので、サンプリング同期装置間のサンプリングデータの同期を取ることができる。

（２）本発明の前記サンプリング同期回路は、
前記過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数から、前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルス内ですでに出力したサンプリング同期パルスの周期（過去のサンプリング周期）に含まれる前記第２のパルスの数の合計を差し引いたパルス数と、
前記第１のパルス内でサンプリングすべき残りの数と、
に基づいて、前記サンプリング周期を計算する。

この構成では、上記の「前記過去の第１のパルスの周期に〜差し引いたパルス数」は、現在の出力している第１のパルスの周期内の残り時間の推定値を表わしている。この推定値と、前記第１のパルス内でサンプリングすべき残りの数に基づいて、サンプリング周期を計算するので、サンプリング同期回路が算出するサンプリング周期に丸め誤差があっても、この丸め誤差を修正でき、この誤差が累積する可能性を減らすことができる。

なお、本発明は、上記推定値、サンプリングすべき残りの数に基づいて、サンプリング周期を計算していれば良い。したがって、本発明には、後述の実施例２のようにサンプリング周期をその周期ごとに計算する構成のみならず、実施例３のように複数回に１回まとめてサンプリング周期を計算して、その間サンプリング周期を同じ値とすることも含む。

（３）本発明は、
異なる地点での計測値を同時サンプリングで取得するためのサンプリング同期装置に用いるサンプリング同期方法であって、
各サンプリング同期装置が同時に受信する第１のパルスを受信して、前記第１のパルスを出力する第１のパルス生成ステップと、
前記同時サンプリングのサンプリング周波数および前記第１のパルスのいずれよりも高い周波数の第２のパルスを出力する第２のパルス生成ステップと、を同時かつ継続的に行うと共に、
前記第１のパルス生成ステップにより現在受信している第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期を計算し、サンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期ステップを実行し、
前記サンプリング同期ステップは、前記第１のパルスの各々のエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期方法である。

この構成では、（１）の方法発明であり、（１）の説明を準用する。

（４）本発明の前記サンプリング同期ステップでは、
前記過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数から、前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルス内ですでに出力したサンプリング同期パルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数の合計を差し引いたパルス数と、
前記第１のパルス内でサンプリングすべき残りの数と、
に基づいて、前記サンプリング周期を計算する。

この構成は、（２）の方法発明であり、（２）の説明を準用する。

（５）本発明の 前記サンプリング同期ステップでは、
前記過去の第１のパルスに含まれる前記第２のパルスの合計の誤差が所定範囲を超えているか判定し、当該範囲を超えている場合には、前記サンプリング同期装置の内部に設けられた第３のパルス生成部が出力する第３のパルスを前記第１のパルスの代わりに用いて、前記第２のパルスを当該第３のパルスに同期させる。

この構成では、前記過去の第１のパルスに含まれる前記第２のパルスの合計の誤差がその誤差が所定範囲を超えている場合には、第３のパルス生成部が出力する第３のパルスを前記第１のパルスの代わりに用いて、前記第２のパルスを当該第３のパルスに同期させる。したがって、第１のパルスを受信できない場合でも、第３のパルスを代替的に用いることができ、サンプリング同期装置の安定性の向上を図ることができる。

（６）本発明は、
前記サンプリング同期パルスに基づいて、所定の計測値をサンプリングし、そのサンプリングデータを出力するサンプリング回路と、
前記サンプリング同期装置で解析する解析周波数を入力して、前記サンプリング同期装置から出力されたサンプリング同期パルスと解析周波数との比率に基づいて、前記サンプリング同期パルスのエッジの中から選択したサンプリング時点におけるサンプリングデータを抽出する解析回路と、をさらに備えた。

この構成では、サンプリング同期装置の解析周波数を入力して、同一周波数帯域のサンプリングデータを抽出することができるので、サンプリングする対象物の故障の原因の解析等に用いることができる。

（７）本発明は、
基準周波数となる第１のパルスを出力する第１のパルス生成部と、
サンプリング周波数および前記第１のパルスのいずれよりも高い周波数の第２のパルスを出力する第２のパルス生成部と、
前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期を計算し、サンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期回路と、を備え、
前記サンプリング同期回路は、前記第１のパルスのエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期装置である。

この構成では、前記サンプリング回路は、前記第１のパルスのエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力するので、基準周波数となる第１のパルスに同期させることができる。（１）と同様、前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期を計算するので、第２のパルスが公称値とずれていても、基準周波数に基づく正確なサンプリング周期を計算できる。また、ＰＬＬのように、周波数を変動させて周波数を合わすような方向へ調整していくのではなく、第２のパルスという固定のものさしを用いて、サンプリング周期をこの固定のものさしの目盛の数として直接求めることができる。したがって、過去の第１のパルスを１回測定するだけで、早期にサンプリング周期を目的の時間間隔に調整できる。また、ＰＬＬであれば、調整がずれてきたときに初めてフィードバックがかかるが、この構成では、調整がずれていない場合でも、サンプリング周期を適切な時間間隔に調整することができる。

（８）本発明の前記サンプリング同期回路は、前記サンプリング周期の計算値を、前記第２のパルスの数または半波長のパルス数を単位とする値に丸め込んだ値とし、当該丸め込んだ値に基づいて、前記第２のパルスのうち、立ち上がりまたは立ち下りのエッジに同期して、サンプリング同期パルスを出力する。

この構成では、前記サンプリング周期の計算値を、前記第２のパルスの数または半波長のパルス数を単位とする値に丸め込んだ値とする。即ち、サンプリング回路が計算するサンプリング周期を整数＋半波長を単位として算出する。前記第２のパルスのうち、立ち上がりまたは立ち下りのエッジに同期して、サンプリング同期パルスを出力する。例えば、サンプリング周期の開始点が立ち上がりの場合に、算出したサンプリング周期が整数＋半波長であれば、サンプリング周期の終了点が立ち下りのエッジに同期する。したがって、サンプリング回路の計算するサンプリング周期の誤差を第２のパルスの±０．２５波長に抑えることができ、統計的に誤差を丸め誤差を半分にすることができる。

（９）本発明の前記サンプリング同期回路は、前記第２のパルスについて立ち下がりまたは立ち上がりのエッジ点のうち、前記第１のパルスのエッジ点に直近のエッジ点を前記開始点としてサンプリングを開始する。

第１のパルス、第２のパルスは、独立であっても良く、必ずしもエッジが一致するとは限らない。この場合、前記開始点は、厳密には、第１のパルスのエッジの後、第２のパルスが最初にエッジを検出する時になる。このエッジとしては、立ち下がりまたは立ち上がりがあるが、この構成では、立ち下がりまたは立ち上がりのうち、前記第１のパルスのエッジ点に直近のエッジ点を前記開始点としてサンプリングを開始する。したがって、第１のパルスのエッジから、半波長以上ずれることがないので、サンプリング周期の誤差を小さくすることができる。

本発明のサンプリング同期装置によれば、周波数を高精度かつ短時間で安定させることができる。

図１を用いて、本実施形態のサンプリング同期システムについて説明する。このシステムは、サンプリング同期装置１、サンプリング同期装置２、データ収集サーバ３を備えている。サンプリング同期装置１とサンプリング同期装置２は、同じものとすることができる。サンプリング同期装置１、２は、所定の電力供給設備、供給網の電流、電圧等を所定のサンプリング周期でＡＤ変換し、そのサンプリングデータを無線または有線でデータ収集サーバ３へ送信する。データ収集サーバ３は、サンプリングデータを収集し、解析データとして記録する。サーバ３は、解析データから事故時における電力系統状態を解析する。装置１、２は、ＧＰＳ衛星１０１〜１０３から発信されるＧＰＳクロック（１ｐｐｓ）のパルスにより同期を取る。

サンプリング同期装置１は、アンテナ１０、ＧＰＳ受信機１１、サンプリング同期回路１２、サンプリング回路１３、解析回路１４、アナログ入力部１９を備える。
アンテナ１０は、ＧＰＳ衛星１０１〜１０３からＧＰＳの電波を受信する。ＧＰＳ受信機１１は、この電波に基づいて、１ｐｐｓの高精度なＧＰＳクロックを出力する。サンプリング同期回路１２は、内部に水晶発振器を備えている。

サンプリング同期回路１２は、サンプリング回路１３がＡＤ変換すべきタイミングを伝達するサンプリング同期パルスを出力する。このサンプリング同期パルスは、基本的には、水晶発振器が出力するパルスの整数倍の周期のパルスである。サンプリング同期パルスは、矩形波でも、インパルス信号でも良く、サンプリング回路１３がそのエッジを検出できれば良い。サンプリング同期回路１２内部には、サンプリング演算回路を備え、その演算回路は、サンプリング同期パルスを新たに出力するまでの時間を、水晶発振器のパルス数として計算する。その計算は、ＧＰＳクロックのパルスのエッジを開始点とし、過去に、ＧＰＳクロック１パルス内で水晶発振器が出力したパルス数Ｐ_ａｌｌを計算した結果に基づいて行う。詳細は後述する。

サンプリング回路１３は、ＡＤ変換器を備える。系統の電流、電圧を検出するセンサ群によって検出された測定対象の電圧、電流をアナログ入力部１９から入力する。サンプリング回路１３は、サンプリング同期回路１２が出力するサンプリング同期パルスによって、サンプリングしＡＤ変換する。このＡＤ変換されたデータは、データ収集サーバ３に送信される。

＜サンプリング同期回路１２の実施例１，２＞
次に、図２を用いて、サンプリング同期回路１２の構成例および制御方法の実施例１，２について、より詳しく説明する。図２（Ａ）は、この実施例の前提を、図２（Ｂ）は、サンプリング同期回路１２の構成を表わしている。

＜設例＞ここで、説明の容易のため、図２（Ａ）に示す以下の設例を用いる。即ち、検出された６０Ｈｚの交流信号（電圧または電流）を、６０Ｈｚの周期当たり約５１２点をサンプリングすることを目的とする。ここでは、１秒間に２５００万パルス（＝２５ＭＨｚ、公称値）の一定周期パルスを発信する水晶発振器を用いて、その整数倍のパルス数でサンプリング周期を出力するものとする。

この設例では、仮に、水晶発振器の周波数が正確であるとすると、サンプリング同期パルス出力部１５４は、水晶発振器が約８１３パルス出力するごとに、１つのサンプリング同期パルスを出力することになる。

＜サンプリング同期回路１２の構成＞
サンプリング同期回路１２は、サンプリング演算回路１５、水晶発振器１６を備える。

サンプリング演算回路１５は、総カウント数計算部１５１、カウントリセット部１５２、サンプリング周期計算処理部１５３、サンプリング同期パルス出力部１５４を備える。総カウント数計算部１５１、カウントリセット部１５２、サンプリング同期パルス出力部１５４は、１または複数のＦＰＧＡ、およびそのサブルーチンで構成することができる。

総カウント数計算部１５１は、ＧＰＳ受信機１１が出力するＧＰＳクロックのエッジを開始点とし、水晶発振器１６のパルスをカウントし、サンプリング周期計算処理部１５３に出力する。カウントリセット部１５２は、総カウント数計算部１５１のカウントをＧＰＳクロックのエッジに同期してリセットする。

サンプリング周期計算処理部１５３は、内部に演算回路、メモリを備えている。メモリは、総カウント数計算部１５１の出力を基にして、前回のＧＰＳクロックの１パルス当たりの水晶発振器のパルスＰ＿ａｌｌを記憶している。また、メモリは、現在のＧＰＳクロックの１パルスにおいて既にサンプリングしたサンプリング周期［秒］を、一定周期の水晶発振器１６のパルス数［cycle］を単位として記憶する。演算回路は、メモリに記憶したこれらの過去のデータを基にして、次にサンプリングするまでの時間を、水晶発振器１６のパルス数［cycle］を単位として計算し、計算値をサンプリング同期パルス出力部１５４に出力する。サンプリング周期計算処理部１５３は、過去のデータを基にサンプリング周期を計算しているので、水晶発振器の誤差を修正できる。なお、この実施例では、サンプリング周期［秒］が、必ず水晶発振器１６のパルス数の整数倍になるよう、計算処理部１５３は、上記計算値の丸め込みを行う。

サンプリング同期パルス出力部１５４は、水晶発振器１６のパルス数をカウントし、出力部１５４は、サンプリング周期計算処理部１５３が出力した、上記計算値のパルス数［cycle］に到達する毎に、サンプリング同期パルスｂをサンプリング回路１３に出力する。

次に、図３〜図６を用いて、サンプリング同期回路１２を用いたサンプリング周期の計算方法の実施例１〜４について説明する。
＜実施例１＞
総カウント数計算部１５１が測定した全パルスＰ＿ａｌｌは、誤差があり、そのＧＰＳクロックの過去の１周期当たり、実測２５０４万パルスであったと仮定する。全パルスＰ＿ａｌｌは、急激に変化するものではないため、前回に測定したＰ＿ａｌｌは、今回のＰ＿ａｌｌに近い値となるはずである。そこで、前回に測定したＰ＿ａｌｌを使用する（前回より前の過去の測定値でもよいが直近である前回が望ましい）。

図３（Ａ）は、実施例１を表わしている。図３（Ｂ）は、実施例１の応用例を表わしている。総カウント数計算部１５１は、過去の（前回の）ＧＰＳクロック１パルス当たりのパルス数をカウントする。上記仮定の下では、過去の１ｐｐｓ当たりのパルス数２５０４万パルスに基づいて、次のＧＰＳの１パルスの時間帯では、２５０４万パルスを等分した周期でサンプリング同期パルスを出力する。サンプリング周期を計算すると、１サンプリング当たり、水晶発振器のパルスが２５０４万／６０／５１２＝８１５．１≒８１５パルスになり、公称値で計算した８１３パルスと異なっている。もし、サンプリング同期パルスを８１３パルス毎に発生させるとすると、サンプリング周期は、８１３/８１５倍になり、大きな誤差を生じさせる。このように、上記公称２５ＭＨｚを基に計算した８１３パルスからずれていても、水晶発振器１６のパルス数を実測した値を用いるので、その誤差を吸収できる。

サンプリング周期計算処理部１５３は、このサンプリング周期を計算し、値をサンプリング同期パルス出力部１５４にセットする。サンプリング同期パルス出力部１５４は、このパルス数を数え、８１５パルスに到達すると、サンプリング回路１３に対し、サンプリング同期パルスを出力する（なお、本願において「同期パルスを出力する」の概念には、このサンプリング同期パルスを連続とし、ＨＩ，ＬＯＷを切り換えてエッジを出現させるようにすることも含むものとし、出力部１５４が何らかの形でサンプリングのタイミングを伝達できれば、便宜的にこの概念に含むものとする。）。

また、図３（Ａ）に示すように、ＧＰＳ受信機１１のＧＰＳクロックの立ち上げ時（立下り時でも良い）には、カウントリセット部１５２は、総カウント数計算部１５１、サンプリング同期パルス出力部１５４のカウントをリセットする。したがって、サンプリング同期パルスとＧＰＳクロックとのずれは、ＧＰＳクロックのパルスの周期ごとに修正され、ＧＰＳクロックとの同期を取ることができる。

以上の通り、この実施例、またはそのサンプリング方法によれば、以下の効果が生じる。
（Ａ）水晶発振器の周波数が公称値からのずれが生じていても、より正確な周期でサンプリングすることができる。
（Ｂ）ＧＰＳクロックに同期させているので、サンプリング同期装置１、２間で同期を取ることができる。
（Ｃ）さらに、以下の通り、短期間に安定させることができる。即ち、水晶発振器の過去の実測の全パルス数は、ＧＰＳ１周期（１秒）で測定できる。したがって、次の周期からはこれを踏まえて、サンプリング同期パルスを出力するまでのパルス数を調整する。したがって、直ちに精度を向上させることができるから、短期間に安定させることができる。これは、本実施形態のサンプリング同期装置１が、ＰＬＬのように周波数全体（ものさし全体）を変えるのではなく、いわば、ＧＰＳという「基準器」の１パルスの長さを、２５ＭＨｚの水晶発振器１６という「固定のものさし」の目盛の数を測定していることに基づく。「固定のものさし」を用いて目盛の数を計算するから、計算により直接に正しいサンプリング周期を求めることができ、サンプリング周期を直ちに適正な値に収束させることができる。これは、ＰＬＬのように、誤差が生じて初めて、順次良い方向に修正していくのとは異なる。また、水晶発振器１６は温度によって周波数が変動するが、温度が１秒単位で振れるということも少ないので、水晶発振器１６に周波数の変動があっても、短期間に安定させることができる。

なお、水晶発振器１６は、ＧＰＳクロックの周期とは独立に動作する。したがって、ＧＰＳクロックのパルスの立ち上がり時と水晶発振器１６の立ち上がりとは、厳密には同期するものではないし、水晶発振器１６のパルスの周期を、ＧＰＳクロックのパルスの立ち上がり時からカウントできるようにリセットできるものでもない。ＧＰＳクロックのパルスの立ち上がり時にリセットされた時の２５ＭＨｚのパルスの起算点（サンプリングの開始点）は、厳密にはＧＰＳクロックのパルスの立ち上がり後の最初の２５ＭＨｚのパルスの立ち上がり時４１１（または立ち下り時）とすることができる。また、このパルスの「立ち上がり時（立ち下り時）」に代えて、「水晶発振器１６の立ち下がりまたは立ち上がりのエッジ点のうち、ＧＰＳクロックのパルスのエッジ点に直近のエッジ点」を前記開始点とすることができる。図３（Ｂ）を用いてこれを説明する。この直近が立ち下がり時となる場合には、その後、サンプリング同期パルス出力部１５４がサンプリングするためのパルスのカウントは、立下り時を基準にサンプリング数をカウントする（開始点４１２）。サンプリング同期パルスの出力点４１３は、サンプリング周期計算処理部１５３が計算したパルス数の経過後であり、立ち下り時になる。このようにすれば、より同期誤差を小さくすることができる。

＜実施例２＞上記実施例１で示した仮定と同じく、全パルスＰ＿ａｌｌには誤差があり、そのＧＰＳクロックの過去の１周期当たり、実測２５０４万パルスとする。実施例２は、実施例１の応用である。実施例１で算出したサンプリング周期が小数点を含む場合には、小数点以下を四捨五入する。したがって、整数への丸め誤差を含むことになる。この場合には、過去に実測したＧＰＳの１パルス当たりの水晶発振器１６のパルス数と、現在のＧＰＳクロック１パルス内で、水晶発振器１６がすでに生成したパルスの数との差を計算する。この値は、現在出力しているＧＰＳクロックの周期の、残り時間の推定値をパルス数で表わすものである。サンプリング周期計算処理部１５３は、この残りのパルス数の推定値を、ＧＰＳクロック１パルス当たりの残りのサンプリング数で除算することを繰り返す。これにより、小数点以下の丸め誤差を現在のＧＰＳクロックの周期内で修正し、吸収することができる。

実施例２のサンプリング周期の計算方法は以下の通りとなる。

過去に実測したＧＰＳの１パルス当たりの水晶発振器１６のパルス数の合計を上記Ｐ＿ａｌｌとすれば、
１回目：Ｐ１＝Ｐ＿ａｌｌ／６０／５１２＝２５．０４×１０^６／６０／５１２
（図４（Ａ）のサンプリング周期４２１参照）
２回目：Ｐ２＝（Ｐ＿ａｌｌ−Ｐ１）／（６０×５１２−１）
（Ｐ＿ａｌｌ−Ｐ１は、図４（Ａ）の４２２に相当する。（６０×５１２−１）は、図３（Ａ）の４２３に相当する。）
３回目：Ｐ３＝（Ｐ＿ａｌｌ−Ｐ１−Ｐ２）／（６０×５１２−２）
（（Ｐ＿ａｌｌ−Ｐ１−Ｐ２）は、図４の４２５に相当する。Ｐ２は、図４（Ｂ）のサンプリング周期４２４に相当する。（６０×５１２−２）は、図４（Ｂ）の４２５に相当する。）
ｉ回目：
Ｐｉ＝（Ｐ＿ａｌｌ−Σ（ｋ＝１〜（ｉ−１））Ｐｋ）／（６０×５１２−（ｉ−１）
最後の３０７２０回目：
Ｐ３０７２０＝（Ｐ＿ａｌｌ−Σ（ｋ＝１〜３０７１９）Ｐｋ））／１
（なお、６０×５１２＝３０７２０である。また、｛Σ（ｋ＝１〜ｎ）Ｐｋ｝は、ｋ＝１〜ｎとしたＰｋの式をすべて合算することを表わす。以下同じ。）
このようにＧＰＳ１パルス内で計算し直しているので、それぞれのサンプリング周期について整数への丸め込みを行っても、ＧＰＳ１パルス内で修正され、整数への丸め込み誤差が累積する量を減らすことができる。

なお、以上の実施例において、サンプリング同期回路１２がサンプリング時間内に計算を終了させるのは、容易に可能である。上記説例で、周波数６０Ｈｚを５０Ｈｚとすれば、１サンプリングあたりの時間は、３９．０６２５マイクロ秒相当、６０Ｈｚとすれば、３２．５５２１マイクロ秒相当になる。特に特別の構成をとらなくてもサンプリング周期計算処理部１５３をＦＰＧＡとすれば数マイクロ秒以内に計算を終了させることができ、１サンプリングごとに計算することが可能である。

＜実施例３＞
図５は、実施例３の計算例を表わしている。この実施例３は、実施例２の応用である。一定サンプリング数ごとに上記計算を行い、その間は１サンプリング当たりの水晶発振器１６のパルス数を同じとする。ここでは、過去に実測したＧＰＳの１パルス当たりの水晶発振器１６のパルス数の合計を上記Ｐ＿ａｌｌとして、６０回ごとに周期を計算するものとする。この場合、サンプリング周期計算処理部１５３が計算すべきパルスの数は、それぞれのパルス数は以下の通りとなる。

１回目〜６０回目：
Ｐ１＝Ｐ＿ａｌｌ／６０／５１２＝２５．０４×１０^６／６０／５１２
６１回目〜１２０回目：
Ｐ２＝｛（Ｐ＿ａｌｌ／６０）−Ｐ１｝／５１１
１２１回目〜１８０回目：
Ｐ３＝（Ｐ＿ａｌｌ／６０−Ｐ１−Ｐ２）／５１０
ｍ＝１＋（ｎ−１）×６０回目
Ｐｍ＝（Ｐ＿ａｌｌ／６０−Σ（ｋ＝１〜ｍ）Ｐｋ）／（５１２−ｍ＋１）
最後の３０６６１回目〜３０７２０回目：
Ｐ５１２＝（Ｐ＿ａｌｌ／６０−Σ（ｋ＝１〜５１１）Ｐｋ）／１
Ｐ＿ａｌｌが２５０４万パルスとして、以上の計算をまとめると、図５のようになる。図中、整数に丸めたものがＰ１〜Ｐ５１２の計算値である。図５の例では、ＦＰＧＡによる計算のしやすさから小数点以下切捨ての実施例を示しているが、もちろん四捨五入でも良い。

この実施例は、例えば、１サンプリング周期ごとに上記計算をするのがサンプリング周期計算処理部１５３の処理能力上困難な場合や、短期の周波数を安定させたい場合などにおいては、特に有効である。この実施例３では、実施例２と同様、水晶発振器の周波数の誤差のみならず、上記小数点以下の丸め誤差をも吸収できる。

なお、以上の実施例２、３では、ＧＰＳクロック１周期の最後のサンプリングは、ＧＰＳクロックのエッジに同期させるから、必ずしも計算する必要がない。

また、以上の実施例３では、６０回分のサンプリング周期をすべて同じとしたが、小数点以下の誤差を吸収できるように、同じ区画ｍ内で、サンプリング周期の計算値の小数点をはさんで、２種類以上のカウント数を比例按分により求めることができる。例えば、Ｐｍの計算値が８１３．１であるとすると、６０回のうち６回は８１４パルス、その他の５４回は、８１３パルスとすることができる（実施例３−２とする）。これにより、時間が後ろの方のＰ５１２におけるサンプリング時間の誤差を抑えることができる。また、実施例３においても、図３（Ｂ）で説明したようにサンプリング周期計算処理部１５３が半波長のパルス数を出力できるように構成できる。この場合、Ｐｍの計算値が８１３．１とすれば、６０回すべてを８１３としても良いし（実施例３−３とする）、上記比例按分により、４８回が８１３．１、その他１２回が８１３．５のパルスを出力してもよい（実施例３−４とする）。これらパルス数を組み合わせるときは、交互にバランスよく混ぜるようにすると、サンプリング時間のずれを小さくすることができる。例えば、上記実施例３−３であれば、６０回のうち、５回に１回が８１３．５のパルスを出力する。

＜実施例４＞
図６に実施例４を示す。サンプリング周期計算処理部１５３が計算した１サンプリング当たりの水晶発振器１６のパルスの数の小数点以下の値ｐが、０．２５＜ｐ≦０．７５である場合（または０．２５≦ｐ＜０．７５）の場合には、小数点以下、サンプリング周期をパルスの半波長（０．５パルス）を計算処理部１５３が出力する。

例えば、過去の実測の全パルスＰ＿ａｌｌが２５０５万パルスとすると、実施例１〜３の最初のサンプリング周期のカウントは、８１５．４パルスになる。この場合、小数点以下が０．２５を超えているので、計算処理部１５３は、８１５．５回というパルス数をサンプリング同期パルス出力部１５４に出力する。そして、出力部１５４が、サンプリング周期のパルスのカウントを水晶発振器１６の立ち上がり時から開始している場合（図６の開始点４４２）には、出力部１５４は、８１５回のパルスの立ち上がり後（図６の位置４４３）、直近の立下り時のタイミングで（図６のサンプリング同期パルスの出力点４４４）、出力部１５４が信号を出力する。

逆に、サンプリング周期のカウントを水晶発振器１６の立ち下がり時から起算している場合には、出力部１５４は、８１３回のパルスの立ち下がり後、直近の立ち上がり時のタイミングでサンプリング同期パルスを出力する。

この実施例４によれば、整数への丸め誤差が±０．２５以内となり、統計上、約半分にすることができる。この実施例４は、実施例１および実施例１の付加的実施例（図３（Ｂ）参照）、および、実施例２、実施例３に適用できる。

なお、この付加的実施例（図３（Ｂ）参照）に実施例４を適用する場合には、サンプリング周期計算処理部１５３が計算するサンプリング周期は整数でない場合もあるから、図３（Ｂ）で説明したパルス出力点４１３は、立ち下がりではない場合もありうる。

図７を用いて、以上の実施例１〜４の応用にかかるサンプリング同期回路１２の構成例１２０について説明する。サンプリング同期回路１２０は、ＧＰＳ受信機１１が、何らかの影響により、パルスを出力できない場合の対策を行うものである。サンプリング同期回路１２０は、上記サンプリング演算回路１５、水晶発振器１６のほかに同期判定回路１７を備えている。水晶発振器１６の出力は、同期判定回路１７に入力される。また、同期判定回路１７の出力は、図２で示す水晶発振器１６の代わりとして、サンプリング演算回路１５に入力される。

同期判定回路１７は、過去にサンプリング周期計算処理部１５３により計算したサンプリング周期をすべて合算する。サンプリング周期の計算値は、以上の通り、水晶発振器１６のパルス数を単位として算出することができる。

同期判定回路１７は、ＧＰＳクロックの１パルスに含まれる水晶発振器のＰ＿ａｌｌが例えば±６２５０パルスの範囲内（時間にして、２５０マイクロ秒程度）であるかどうか判定する。この範囲内にあれば、同期が取れていると判定する。同期判定回路１７は、この範囲外にある（即ち同期が取れていない）と判定した場合には、サンプリング同期装置１内の一定周期パルスｄ（１ｐｐｓ）を基準としてサンプリング同期パルスを得る。これにより、ＧＰＳ受信機１１が、パルスを出力できない場合でもサンプリングを継続することができる。

ここで、一定周期パルスｄは本発明の「第３のパルス」の１例である。また、この設例において±６２５０パルスの範囲は、本発明の「所定範囲」の１例である。この所定範囲は、ＧＰＳクロックと同期を判定できる閾値に設定すればよい。

なお、以上では、周波数誤差についての説明の容易のため、２５ＭＨｚの水晶発振器の誤差を誇張して２５０４万パルス等の例を示したが、水晶発振器を用いればそれほどの誤差は生じない。例えば、上記２５ＭＨｚ±６２５０パルスの誤差は２５０ｐｐｍであり、水晶発振器であれば十分達成できる範囲である。上記±６２５０パルスの範囲は、１サンプリング周期分の誤差に換算して水晶発振器の±約０．２パルスに相当し、±１パルス以内である。ただし、以上の説明の通り、本実施形態のサンプリング方法によれば、１サンプリング周期分の誤差が水晶発振器の±１パルスを超えている実施例であっても、その誤差を吸収できる。

また、システムクロックとしては、例えば、ＲＴＣ（Real Time Clock）、ＦＰＧＡの内部生成クロックを分周して１ｐｐｓを生成して用いることができる。この場合、水晶発振器１６についての上記判定で同期が取れていないとした場合には、ＲＴＣを用い、ＲＴＣによる供給が途絶えた場合には、ＦＰＧＡの内部生成クロックを用いるようにしても良い。ＧＰＳパルスをシステムクロックに切り換えた後は、サンプリング同期装置１は、システムクロックの１ｐｐｓパルスのエッジを検出した後、サンプリングを再開する。これにより、サンプリング周期を一定範囲内に収めることができる。

図８を用いて、解析回路１４の構成例について説明する。解析回路１４は、ゼロクロス点検出回路１８１、データ抽出回路１８２、高調波解析回路１８３を備える。ゼロクロス点検出回路１８１は、電圧のグラウンドと比較するコンパレータ、またはそれに相当する回路を備え、サンプリング回路１３で得た電流、電圧データがゼロクロス点をまたぐ回数を計測する。これにより、解析する周波数を算出できる。データ抽出回路１８２は、ゼロクロス点検出回路１８１が解析した周波数と、サンプリング回路１３が出力するサンプリング同期パルスとの比率から、サンプリングデータを抽出する。高調波解析回路１８３は、このサンプリングデータに基づいて、高調波を測定する。このように構成すれば、解析する周波数（解析周波数）に対して、同期するサンプリングデータｃ（図８）の抽出が可能になる。

以上の実施形態について補足する。

以上の図１、図２、図７、図８の説明では、機能ごとに分離したブロックで説明したが、実装上は、物理的に合体していても良いし、別々の筐体に入れられていても良い。これらの機能ブロックの機能のうち、いずれかが複数の機能が一体となったシステムＩＣで構成してもよいし、一つのブロックを複数に分離して構成してもよい。例えば、サンプリング同期回路１２、サンプリング回路１３全体を１チップとすることもできる。サンプリング同期回路１２は、ＦＰＧＡに限らず、汎用ＰＣ、マイコンでも構成できる。また、説明の便宜上、総カウント数計算部１５１と、サンプリング同期パルス出力部１５４を別々としたが、実装上同一のサブルーチンで水晶発振器１６のパルスをカウントしていても良い。また、図２では、カウントリセット部１５２を説明の便宜上設けたが、総カウント数計算部１５１またはサンプリング同期パルス出力部１５４が、ＧＰＳクロックの入力に同期してカウントをリセットできるようにすれば、それで十分であり、必ずしもカウントリセット部１５２を別に設ける必要はない。

ＧＰＳ受信機１１の代替としては、ＧＰＳ受信機としたが、サンプリング同期装置１、２が同時に同じ信号を受信できるのであれば使用できる。例えば、ＪＪＹ等の標準電波でも良いし、装置１、２以外の別の機器が電波を発していても良い。

ＧＰＳ受信機１１が出力するパルスは、本発明の第１のパルスに相当する。水晶発振器１６が出力するパルスは、本発明の第２のパルスに相当する。本発明の第２のパルスの実施例としては、水晶発振器１６に限られず、ＬＣ発振器等でも良い。第１、第２のパルスとも一定周波数のパルスを出力できれば良く、水晶発振器１６でなくてもよい。この一定周波数には、第１のパルス、第２のパルスのいずれとも周波数の誤差を含んでいても良い。第１のパルス、第２のパルスいずれも誤差や時間の揺らぎを含んでいたとしても、共通の第１のパルスを受信する限り、サンプリング同期システムとして成立する。なぜなら、第１のパルスの１パルスを第２のパルスの数で測定するから、第２のパルスの誤差を吸収することができ、同一の第１のパルスを受信する限り同期を取ることができるからである。したがって、異なる装置間でサンプリングの同期を高精度にする必要がある場合でも、サンプリング周期の間隔が高精度でなくても良い場合には、第１のパルスが第２のパルスより必ずしも高精度であることを要しない。

サンプリング同期装置間で同期を取るためには、サンプリング同期装置１、２等の複数のサンプリング同期装置１が必要であり、同じパルスを有線または無線で受信する必要がある。しかし、サンプリング同期装置１単体でも、本実施形態で説明したサンプリング周波数を高速に安定させる効果を得ることができるし、この効果を得るためには、必ずしも、第１のパルスがＧＰＳ受信機１１のように無線でパルスを受信する必要もない。例えば、映像、音声の同期をとる映像記録システム、音響用の再生、録音のジッタを小さくするためのクロックジェネレータに応用できる。この場合、ＧＰＳ受信機１１の代替としては、必ずしも無線でパルスを受信する必要はなく、高精度水晶発振器、ルビジウムクロック、セシウムクロック等を用いることができる。

また、本発明は、第１のパルスの１パルスを第２のパルスの数で計って、第２のパルスの誤差を吸収する関係上、第１のパルスより第２のパルスの方が周波数を高くする必要がある。また、サンプリング周期も第２のパルスの数で測定する関係上、サンプリング周期よりも第２のパルスの方が周波数を高くする必要がある。第２のパルスの周波数は、どのようなものでも良いが、整数丸め誤差を考慮すると、高い周波数の方が望ましい。

本実施形態では、ＧＰＳ受信機１１が出力する過去のパルスの１回分を、水晶発振器１６のパルス数で測定しているが、過去のパルスを複数測定して平均しても良い。

以上では測定対象の電力周波数として６０Ｈｚを用いて説明したが、５０Ｈｚの電力供給源に対しても用いることができる。また、本実施形態で説明の容易のために設けた説例のほか、以上で説明に用いたあらゆる数値、例えば２５ＭＨｚ、２５０４万パルス、５１２点、実施例３の６０回に１回などは一例にすぎず、いずれの数値もそれ以上でもそれ以下でも、本実施形態として用いることができる。また、本実施形態において図２（Ａ）で設定した説例での目的は、あくまで説明を容易にするための具体例であり、それ以外の目的の装置についても本実施形態を適用できる。また、図２（Ｂ）の構成は、この説例で示した数値でなく、別の数値の実施例や別目的の装置にも適用することができる。

本発明のパルスとしては、矩形波に限らない。ゼロクロス点または閾値でエッジを捉えることができる限り、別の形状の波形、例えば、サインカーブでもよく、３角波でも良い。エッジは、立ち上がりでも、立ち下がりのいずれでもよく、いずれを捕らえても良い。本願のエッジには、矩形波のそれに限らず、ゼロクロス点でエッジを捉えることができればその概念を含む。

本発明の実施形態のサンプリング同期装置の概略を表わす。 本発明の実施形態のサンプリング演算回路の構成例を表わす。 本発明の実施形態のサンプリング演算回路を用いたサンプリング算出方法の例１を表わす。 本発明の実施形態のサンプリング演算回路を用いた図３とは異なるサンプリング算出方法の例２を表わす。 本発明の実施形態のサンプリング演算回路を用いた図４とは異なるサンプリング算出方法の例３を表わす。 本発明の実施形態のサンプリング演算回路を用いた図５とは異なるサンプリング算出方法の例４を表わす。 本発明の実施形態のサンプリング同期装置の構成例を表わす。 本発明の実施形態のサンプリング同期装置の構成例を表わす。

符号の説明

１−サンプリング同期装置、 ２−サンプリング同期装置、 ３−データ収集サーバ、
１０−アンテナ、 １１−ＧＰＳ受信機、 １２−サンプリング同期回路、
１３−サンプリング回路、 １４−解析回路、１５−サンプリング演算回路、
１５０−サンプリング演算回路、 １５１−総カウント数計算部、
１５２−カウントリセット部、 １５３−サンプリング周期計算処理部、
１５４−サンプリング同期パルス出力部、 １６−水晶発振器、
１７−同期判定回路、 １８１−ゼロクロス点検出回路、
１８２−データ抽出回路、 １８３−高調波解析回路、
１０１，１０２，１０３−ＧＰＳ衛星

Claims (9)

1. 異なる地点での計測値を同時サンプリングで取得するためのサンプリング同期装置であって、
   各サンプリング同期装置が同時に受信する第１のパルスを受信して、前記第１のパルスを出力する第１のパルス生成部と、
   前記同時サンプリングのサンプリング周波数および前記第１のパルスのいずれよりも高い周波数の第２のパルスを出力する第２のパルス生成部と、
   前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期を計算し、サンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期回路と、を備え、
   前記サンプリング同期回路は、前記第１のパルスの各々のエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期装置。
2. 前記サンプリング同期回路は、
   前記過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数から、前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルス内ですでに出力したサンプリング同期パルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数の合計を差し引いたパルス数と、
   前記第１のパルス内でサンプリングすべき残りの数と、
   に基づいて、前記サンプリング周期を計算する請求項１に記載のサンプリング同期装置。
3. 異なる地点での計測値を同時サンプリングで取得するためのサンプリング同期装置に用いるサンプリング同期方法であって、
   各サンプリング同期装置が同時に受信する第１のパルスを受信して、前記第１のパルスを出力する第１のパルス生成ステップと、
   前記同時サンプリングのサンプリング周波数および前記第１のパルスのいずれよりも高い周波数の第２のパルスを出力する第２のパルス生成ステップと、を同時かつ継続的に行うと共に、
   前記第１のパルス生成ステップにより現在受信している第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期を計算し、サンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期ステップを実行し、
   前記サンプリング同期ステップは、前記第１のパルスの各々のエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期方法。
4. 前記サンプリング同期ステップでは、
   前記過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数から、前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルス内ですでに出力したサンプリング同期パルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数の合計を差し引いたパルス数と、
   前記第１のパルス内でサンプリングすべき残りの数と、
   に基づいて、前記サンプリング周期を計算する請求項３に記載のサンプリング同期方法。
5. 前記サンプリング同期ステップでは、
   前記過去の第１のパルスに含まれる前記第２のパルスの合計の誤差が所定範囲を超えているか判定し、当該範囲を超えている場合には、前記サンプリング同期装置の内部に設けられた第３のパルス生成部が出力する第３のパルスを前記第１のパルスの代わりに用いて、前記第２のパルスを当該第３のパルスに同期させる請求項３〜４のいずれかに記載のサンプリング同期方法。
6. 前記サンプリング同期パルスに基づいて、所定の計測値をサンプリングし、そのサンプリングデータを出力するサンプリング回路と、
   前記サンプリング同期装置で解析する解析周波数を入力して、前記サンプリング同期装置から出力されたサンプリング同期パルスと解析周波数との比率に基づいて、前記サンプリング同期パルスのエッジの中から選択したサンプリング時点におけるサンプリングデータを抽出する解析回路と、をさらに備えた請求項１，２のいずれかのサンプリング同期装置。
7. 基準周波数となる第１のパルスを出力する第１のパルス生成部と、
   サンプリング周波数および前記第１のパルスのいずれよりも高い周波数の第２のパルスを出力する第２のパルス生成部と、
   前記第１のパルス生成部が現在受信している第１のパルスより前に受信した、過去の第１のパルスの周期に含まれる前記第２のパルスの数に基づいて、前記第２のパルスの数を単位とするサンプリング周期を計算し、サンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期回路と、を備え、
   前記サンプリング同期回路は、前記第１のパルスのエッジを開始点としてサンプリング同期パルスを出力するサンプリング同期装置。
8. 前記サンプリング同期回路は、前記サンプリング周期の計算値を、前記第２のパルスの数または半波長のパルス数を単位とする値に丸め込んだ値とし、当該丸め込んだ値に基づいて、前記第２のパルスのうち、立ち上がりまたは立ち下りのエッジに同期して、サンプリング同期パルスを出力する請求項１、請求項２、請求項７のいずれかに記載のサンプリング同期装置。
9. 前記サンプリング同期回路は、前記第２のパルスについて立ち下がりまたは立ち上がりのエッジ点のうち、前記第１のパルスのエッジ点に直近のエッジ点を前記開始点としてサンプリングを開始する請求項１、請求項２、請求項７、請求項８のいずれかに記載のサンプリング同期装置。

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