JP2010085286A - Frequency-measuring apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce pattern noises in a frequency-measuring apparatus that uses a short-gate time count method. <P>SOLUTION: The frequency-measuring apparatus includes a signal source (10) for generating signals to be measured; a short-gate time counter section (20) for continuously counting the signals to be measured at a sampling frequency of a short gate time and outputting a series of count values corresponding to a frequency of the signals to be measured; and a low-pass filter (30) for removing high-frequency components from the series of count values. the combination of the frequency of the signals to be measured and the sampling frequency is defined by an operating point parameter, having a value ranging 0-1 among a ratio a/b between the frequency (a) of the signals to be measured and the sampling frequency (b), and the frequency of the signals to be measured and the sampling frequency are selected by an adjustor (50), in such a way that the value of the operating point parameter should not assume a value (noise peak value) close to a prescribed rational number. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明に係るいくつかの態様は、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装置等に関する。   Some embodiments according to the present invention relate to frequency measurement, and more particularly to a measurement method and 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。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
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. ing. 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

ところで、ニオイ物質のセンサへの付着の有無など、微量の質量変化を検出したい場合に、物質の付着によるセンサ周波数変化を利用する方法が考えられる。例えば、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。   By the way, when it is desired to detect a small amount of mass change such as the presence or absence of adhesion of an odorous substance to the sensor, a method using the sensor frequency change due to the adhesion of the substance can be considered. For example, by using a QCM (Quartz Crystal Microbalance) method using a crystal resonator, a minute 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.

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、周波数分解能が低く、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。   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 at 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, the frequency resolution is low, and in order to increase the frequency resolution, it is necessary to take a considerably long gate time. 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.

そこで、本出願人は、例えば、周波数測定分解能を改善した新たな周波数変化の測定方法及び測定装置を特願2008−099721号によって提案している。   Therefore, the present applicant has proposed, for example, a new frequency change measurement method and measurement apparatus with improved frequency measurement resolution in Japanese Patent Application No. 2008-099721.

当該発明は、後述するように、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得て、この一連のカウント値から高周波成分を除去して供給されるパルス列信号の周波数に対応する一連のレベル信号を得ることによって周波数変化を抽出するものである。   As described later, the present invention continuously counts a supplied pulse train signal with a short gate time to obtain a series of count values that behave in a pulse train corresponding to the frequency of the pulse train signal, and this series of count values The frequency change is extracted by obtaining a series of level signals corresponding to the frequency of the pulse train signal supplied by removing high frequency components from the signal.

本発明のいくつかの態様は、よりパターン雑音を低減することを目的とする。   Some aspects of the present invention aim to further reduce pattern noise.

上記目的を達成するため、本発明に係る周波数測定装置は、パルス列状の被測定信号を発生する信号源と、上記被測定信号を短いゲート時間のサンプリング周波数で連続的に計数して上記被測定信号の周波数に対応した一連のカウント値を出力するゲートタイムカウンタ部と、上記一連のカウント値から第1の周波成分を除去して上記被測定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、上記被測定信号の周波数と上記サンプリング周波数とが、予め求められた、上記被測定信号の周波数と上記サンプリング周波数との周波数比対雑音レベルの分布特性に基づいて選定されることによって上記ローパスフィルタの出力中の雑音レベルを減少させる。ローパスフィルタの周波成分や周波数帯域の抑制特性(第1の周波成分)は、出力信号のS/N(信号/雑音)比、出力信号の応答特性等によって適宜に設定される。   In order to achieve the above object, a frequency measuring apparatus according to the present invention comprises a signal source that generates a signal under measurement in a pulse train and the signal under measurement by continuously counting the signal under measurement at a sampling frequency of a short gate time. A gate time counter unit for outputting a series of count values corresponding to the frequency of the signal, and a low-pass filter for removing a first frequency component from the series of count values and outputting a level signal corresponding to the frequency of the signal under measurement And the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency are selected based on a distribution characteristic of a frequency ratio versus noise level between the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency, which is obtained in advance. To reduce the noise level in the output of the low pass filter. The frequency component of the low-pass filter and the suppression characteristic (first frequency component) of the frequency band are appropriately set according to the S / N (signal / noise) ratio of the output signal, the response characteristic of the output signal, and the like.

かかる構成とすることによって、パターン雑音レベルの抑制された(レベルが低い)短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置が得られる。   By adopting such a configuration, it is possible to obtain a short gate time count type frequency measurement device in which the pattern noise level is suppressed (the level is low).

パターン雑音は、動作点パラメータ(被測定周波数とサンプリング周波数の比)が単純な有理数値に近い場合(単純な有理数値そのものではない)、大きなパターン雑音が発生する。例えば、ΔΣ変調においては、出力が周期的系列を生成するような入力値が
あり、これに近い入力が加えられた場合に発生するパターン雑音が知られている。しかしながら、ΔΣ変調時におけるパターン雑音の回避方法と、短ゲートタイムカウント方
式におけるパターン雑音の回避方法では、その思想が異なる。
When the operating point parameter (ratio of the frequency to be measured and the sampling frequency) is close to a simple rational value (not a simple rational value itself), the pattern noise is large. For example, in ΔΣ modulation, there is an input value whose output generates a periodic sequence, and pattern noise that occurs when an input close to this is added is known. However, the idea is different between the pattern noise avoidance method in the ΔΣ modulation and the pattern noise avoidance method in the short gate time count method.

ΔΣ変調の場合、パターン雑音自体を抑制するために高次の構成や多段の構成とする
工夫がなされる。これは、ダイナミックレンジと同程度の入力信号変化を扱うことに起因する。短ゲートタイムカウント方式の場合、入力信号変化の幅をダイナミックレンジに対してある範囲に収まるように設計することが可能であるため、構成を変更することなく、動作点パラメータを適宜に選ぶことによりパターン雑音を回避することができる。
In the case of ΔΣ modulation, a high-order configuration or a multistage configuration is devised to suppress pattern noise itself. This is due to handling an input signal change comparable to the dynamic range. In the case of the short gate time count method, it is possible to design the input signal change width to be within a certain range with respect to the dynamic range, so by appropriately selecting the operating point parameter without changing the configuration Pattern noise can be avoided.

上記被測定信号の周波数及び上記サンプリング周波数の組み合わせが、上記被測定信号の周波数aと上記サンプリング周波数bとの比a/bのうちの、0〜1の間の値である動作点パラメータによって定義され、該動作点パラメータの値が、雑音レベルが増大する、所定の有理数の近傍値(雑音ピーク値等)とならないように、上記被測定信号の周波数及び上記サンプリング周波数が設定される、ことが望ましい。動作点パラメータを利用することによって、より少ないデータ量でパターン雑音の分布を表す(把握する)ことが可能となる。   The combination of the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency is defined by an operating point parameter that is a value between 0 and 1 in the ratio a / b between the frequency a of the signal under measurement and the sampling frequency b. The frequency of the signal under measurement and the sampling frequency are set so that the value of the operating point parameter does not become a value near a predetermined rational number (noise peak value, etc.) that increases the noise level. desirable. By using the operating point parameter, it is possible to represent (understand) the distribution of pattern noise with a smaller amount of data.

動作点パラメータは以下のように説明される。動作点パラメータ=被測定周波数÷サンプリング周波数−Int(被測定周波数÷サンプリング周波数) ただし、Int(c)はcの整数部を返す関数である。定義式より、動作点パラメータは0〜1の間の値を取ることがわかる。パターン雑音の強度は動作点の複雑な関数であり、動作点パラメータ0.5で対称性を持つ。すなわち、動作点パラメータ0.5−dにおけるパターン雑音強度は、動作点パラメータ0.5+dにおけるパターン雑音強度に等しいという性質がある(0<d≦0.5)。後述のように、雑音強度と動作点の関係は、動作点0〜0.5の範囲で示している(図9参照)。   The operating point parameter is described as follows. Operating point parameter = measured frequency ÷ sampling frequency−Int (measured frequency ÷ sampling frequency) where Int (c) is a function that returns the integer part of c. It can be seen from the definition formula that the operating point parameter takes a value between 0 and 1. The intensity of the pattern noise is a complex function of the operating point and has symmetry with an operating point parameter of 0.5. That is, the pattern noise intensity at the operating point parameter 0.5-d has the property of being equal to the pattern noise intensity at the operating point parameter 0.5 + d (0 <d ≦ 0.5). As will be described later, the relationship between the noise intensity and the operating point is shown in the range of operating points 0 to 0.5 (see FIG. 9).

上記所定の有理数が1/1,1/2,1/3,1/4,1/5,2/3,・・・のような単純な有理数を含むものである。gを整数、hを自然数とおくと、上記所定の有理数は一般にg/hと表現できる。特に0≦g≦h≦i(i=10)を満たすような単純な有理数となる動作点パラメータの近くにパターン雑音の極大値(ピーク)が現れる傾向がある(使用するサンプリング周波数や必要なSN比の要求にもよる)。iが大きいほど、0≦g≦h≦iを満たす有理数が増えるので、これに対応する動作点として考慮する点数が多くなることに対応する。要求される仕様によっては、i=20まで考慮しなければならない場合もあり得る。なお特別な例として、有理数となる動作点パラメータでの計測では、被測定信号とサンプリング信号とに周期にズレがないのでパターン雑音は生じない。   The predetermined rational numbers include simple rational numbers such as 1/1, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 2/3,. When g is an integer and h is a natural number, the predetermined rational number can be generally expressed as g / h. In particular, there is a tendency that the maximum value (peak) of pattern noise appears near an operating point parameter that is a simple rational number that satisfies 0 ≦ g ≦ h ≦ i (i = 10) (the sampling frequency used and the required SN). Depending on the ratio requirements). The larger i is, the more rational numbers satisfying 0 ≦ g ≦ h ≦ i. Therefore, this corresponds to an increase in the number of points considered as the corresponding operating point. Depending on the required specifications, it may be necessary to consider up to i = 20. As a special example, in measurement with an operating point parameter that is a rational number, there is no pattern noise because the signal under measurement and the sampling signal are not misaligned.

上記所定の有理数の近傍値は、上記動作点パラメータを種々に設定したときに、上記ローパスフィルタの出力に表れるパターン雑音レベルが基準値を超える場合の動作点パラメータの値である。当該近傍値を避けることによって、ローパスフィルタから基準値を超えるパターン雑音が発生することを回避可能となる。   The neighborhood value of the predetermined rational number is the value of the operating point parameter when the pattern noise level that appears in the output of the low-pass filter exceeds the reference value when the operating point parameter is variously set. By avoiding the neighborhood value, it is possible to avoid generation of pattern noise exceeding the reference value from the low-pass filter.

更に、上記被測定信号の周波数及び/又は上記サンプリング周波数を調整する周波数調整部と、を備え、上記周波数調整部は、上記被測定信号の周波数及び上記サンプリング周波数を、該動作点パラメータの値が所定の有理数の近傍値から離間するように設定する、ことが望ましい。それによって、被測定信号の周波数及びサンプリング周波数を自動的にパターン雑音の少ない周波数に選定することが可能となって具合がよい。   And a frequency adjustment unit that adjusts the frequency of the signal under measurement and / or the sampling frequency, and the frequency adjustment unit determines the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency as a value of the operating point parameter. It is desirable to set so as to be away from the neighborhood value of the predetermined rational number. This makes it possible to automatically select the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency to a frequency with less pattern noise.

更に、上記短ゲートタイムカウンタ部の出力から動作点パラメータを算出する動作点算出部と、上記所定の有理数の近傍を除いた動作点パラメータの範囲を記憶する記憶部と、各部を制御する制御部と、を備え、上記動作点算出部は、ある区間内の短ゲートタイムカウンタ部の出力の列から平均値を求めることで動作点パラメータを算出し、上記制御部は、動作点算出部から動作点パラメータを受け取り、上記周波数調整部を通して上記被測定信号の周波数又は上記サンプリング周波数を変化させる機能を持つ、ことが望ましい。それにより、個々の測定環境に基づいた動作点パラメータの計測と調整が可能となり、製品ばらつきや経時変化に対応することができる。   Furthermore, an operating point calculation unit that calculates an operating point parameter from the output of the short gate time counter unit, a storage unit that stores a range of operating point parameters excluding the vicinity of the predetermined rational number, and a control unit that controls each unit The operating point calculation unit calculates an operating point parameter by obtaining an average value from an output sequence of the short gate time counter unit within a certain section, and the control unit operates from the operating point calculation unit. It is desirable to have a function of receiving a point parameter and changing the frequency of the signal under measurement or the sampling frequency through the frequency adjustment unit. As a result, it is possible to measure and adjust the operating point parameters based on individual measurement environments, and to cope with product variations and changes over time.

上記周波数調整部は、上記動作点算出部が算出した動作点パラメータが上記所定の有理数の近傍の範囲にあるときに、上記被測定信号の周波数と上記サンプリング周波数とを動作点パラメータに基づいて再調整する、ことが望ましい。上記周波数調整部は、上記信号源の発振回路の回路電圧を含む回路定数、該信号源の出力を分周する分周器又は該信号源の出力を逓倍する逓倍器、上記サンプリング周波数のうち少なくともいずれか、あるいはこれ等の2つ以上の組み合わせを調整する、ことが望ましい。   The frequency adjustment unit recalculates the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency based on the operating point parameter when the operating point parameter calculated by the operating point calculating unit is in a range near the predetermined rational number. It is desirable to adjust. The frequency adjusting unit includes at least one of a circuit constant including a circuit voltage of an oscillation circuit of the signal source, a frequency divider that divides the output of the signal source, a multiplier that multiplies the output of the signal source, and the sampling frequency. It is desirable to adjust any one or a combination of two or more of these.

更に、パターン雑音レベルを抑制するために、例えばローパスフィルタの段数(アナログフィルタ)、タップ数(デジタルフィルタ)、あるいはその他の設計パラメータを調整することで、時定数等のフィルタ特性を調整しても良い。   Furthermore, in order to suppress the pattern noise level, for example, the filter characteristics such as the time constant can be adjusted by adjusting the number of stages of the low-pass filter (analog filter), the number of taps (digital filter), or other design parameters. good.

本発明の周波数測定装置は、QCM(Quartz Crystal Microbalance)法を使用する質量検出装置、ニオイ検出装置などの機器に用いて好都合である。   The frequency measuring device of the present invention is convenient for use in devices such as a mass detection device and an odor detection device using the QCM (Quartz Crystal Microbalance) method.

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。まず、特願2008−099721号によって提案された「短ゲートタイムカウント法」を使用する周波測定装置の概略を図1乃至図7を参照して説明する。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. First, an outline of a frequency measuring apparatus using the “short gate time counting method” proposed in Japanese Patent Application No. 2008-099721 will be described with reference to FIGS. 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(パルス発生器)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部(以下、単に「短ゲートカウンタ部」とも称する。)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(時間間隔)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 (pulse generator) 10 is, for example, a crystal oscillator having an oscillation frequency f 0 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 section (hereinafter also simply referred to as “short gate counter section”) 20. The short gate time counter unit 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 (time interval) of the pulse train signal, and is sequentially supplied to the low-pass filter (LPF) 30.

図2は、短ゲートタイムカウンタ部20の第1の構成例を示している。短ゲートタイムカウンタ部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)ことが望まれる。   FIG. 2 shows a first configuration example of the short gate time counter unit 20. It is desirable that the short gate time counter unit 20 counts the pulse train signal supplied from the signal source without interruption (no dead period is provided for the input signal).

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4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。これ等の回路定数を適宜に選定することによって、(図示しないD/A変換器によって)アナログ信号に変換されたカウンタ24の出力信号から第1の周波数成分(あるいは第1の周波数以上の高域成分)を除去(抑制)する。ローパスフィルタのカットオフ周波数や信号レスポンス特性は、出力信号のS/N(信号/雑音)比、出力信号の波形応答特性等によって適宜に設定される。短ゲートタイムカウンタ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、nビット出力に対応したD−A変換器を介して入力することが出来る。   FIG. 4 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. By appropriately selecting these circuit constants, a first frequency component (or a high frequency equal to or higher than the first frequency) is obtained from the output signal of the counter 24 converted into an analog signal (by a D / A converter (not shown)). (Component) is removed (suppressed). The cut-off frequency and signal response characteristic of the low-pass filter are appropriately set according to the S / N (signal / noise) ratio of the output signal, the waveform response characteristic of the output signal, and the like. When output from the short gate time counter 20 in 1-bit serial, 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 corresponding to n bits output.

図5は、ローパスフィルタ30を移動平均フィルタ(デジタルフィルタ)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などを供給する制御部、36は割算器である。   FIG. 5 shows an example in which the low-pass filter 30 is configured by a moving average filter (digital filter). In the figure, 31 is an adder, 32 is a shift register, 33 is a subtractor, 34 is an inverter, 35 is a control unit for supplying an operation timing clock to each unit, and 36 is 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。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. When the moving average filter has a multi-stage configuration, a divider may be disposed only in the final stage.

図6は、短ゲートタイムカウンタ20におけるカウント値の出力の例を示している。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. 6 shows an example of count value output in the short gate time counter 20. 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)
Display of 123.3 Hz or 123.4 Hz multiplied by 1/10 (every 10 seconds)
It becomes. (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、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。   Thus, when a pulse train signal that is stable at a certain frequency is counted, the count values are distributed in a pulse train having an amplitude between two values determined by the gate time. 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6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短ゲートタイムカウント方式では、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. 6, in the short gate time count method in which sampling is performed with a short gate time of less than 1 second, the count value behaves as a pulse train, and the frequency (roughness) of the pulse train changes according to changes in the frequency to be measured. 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7は、上述したカウント値の列(図6参照)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. 7 shows an example in which the above-described sequence of count values (see FIG. 6) 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.

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(あるいはある周波数成分)を取り除くことが出来、周波数測定分解能は向上する。前述したように、ローパスフィルタの特性は、出力信号の所要のS/N、信号応答性などに応じて適宜に設計される。短ゲートタイムカウント方式では、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等の利点を有する。   As described above, in the short gate time counting method, when the gate time is shortened (the sampling frequency is increased), each measurement error increases, but a series of measurement values is obtained, and a high-frequency component ( Alternatively, a certain frequency component) can be removed, and the frequency measurement resolution is improved. As described above, the characteristics of the low-pass filter are appropriately designed according to the required S / N of the output signal, signal responsiveness, and the like. In the short gate time count method, the circuit scale can be kept small, so that multi-channeling is easy. By using an analog low-pass filter, there is an advantage that an analog output can be handled.

短ゲートタイムカウント方式は上述した利点を有するものであるが、種々の実験の結果、信号源10が出力する被測定信号(パルス列信号)の周波数と短ゲートタイムカウンタ20のサンプリング周波数との組み合わせによっては、雑音(ノイズ)が発生(レベル増加)する場合があることが判った。短ゲートタイムカウント方式において生じる雑音について、図8乃至図19を参照して説明する。   Although the short gate time count method has the above-described advantages, as a result of various experiments, the short gate time count method depends on the combination of the frequency of the signal under measurement (pulse train signal) output from the signal source 10 and the sampling frequency of the short gate time counter 20. It was found that noise (noise) may occur (level increase). Noise generated in the short gate time counting method will be described with reference to FIGS.

まず、図8は、パターン雑音の発生を実験する実験装置の構成を示すブロック図である。信号源としてパルス発生器10を使用し、被測定信号の周波数を種々に変化する。短ゲートカウンタ部20のサンプリング周波数は100Hz、ローパスフィルタ部30は3段移動平均フィルタ(タップ数30)としている。   First, FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of an experimental apparatus for experimenting generation of pattern noise. The pulse generator 10 is used as a signal source, and the frequency of the signal under measurement is variously changed. The sampling frequency of the short gate counter unit 20 is 100 Hz, and the low-pass filter unit 30 is a three-stage moving average filter (30 taps).

図9は、被測定周波数とサンプリング周波数との比(動作点パラメータ0〜0.5)に対するパターン雑音レベルを示すグラフである。パターン雑音レベルは最大値を1とする相対値(任意単位)で示されている。   FIG. 9 is a graph showing the pattern noise level with respect to the ratio between the frequency to be measured and the sampling frequency (operating point parameters 0 to 0.5). The pattern noise level is shown as a relative value (arbitrary unit) with a maximum value of 1.

動作点パラメータは特性把握の便宜上用いられており、以下のように定義される。
動作点パラメータ=被測定周波数÷サンプリング周波数−Int(被測定周波数÷サンプリング周波数)
The operating point parameter is used for the purpose of grasping the characteristics, and is defined as follows.
Operating point parameter = measured frequency / sampling frequency-Int (measured frequency / sampling frequency)

ただし、Int(c)はcの整数部を返す関数である。定義式より、動作点パラメータは0〜1の間の値を取ることがわかる。パターン雑音のレベル(強度)は動作点パラメータの複雑な関数であり、動作点0.5で対称性を持つ。すなわち、動作点0.5−dにおけるパターン雑音レベル強度は、動作点0.5+dにおけるパターン雑音強度に等しいという性質がある(0<d≦0.5)。そこで、図9では、雑音強度と動作点の関係は、動作点0〜0.5の範囲で示している。   Here, Int (c) is a function that returns the integer part of c. It can be seen from the definition formula that the operating point parameter takes a value between 0 and 1. The level (intensity) of the pattern noise is a complex function of the operating point parameter and has symmetry at the operating point 0.5. That is, the pattern noise level intensity at the operating point 0.5-d has the property of being equal to the pattern noise intensity at the operating point 0.5 + d (0 <d ≦ 0.5). Therefore, in FIG. 9, the relationship between the noise intensity and the operating point is shown in the range of operating points 0 to 0.5.

図10は、被測定周波数501.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.01とした場合のグラフを示している。同図中、横軸は時間、縦軸は周波数、実線は短ゲートタイムカウント値、短点線は被測定周波数、長点線はローパスフィルタ部30の出力を示している(以下、図18まで同様である。)。被測定周波数は一定値であるが、ローパスフィルタ部30の出力には、周期的(時間上において一定間隔)に周波数変化が現れ、パターン雑音が発生することが判る。   FIG. 10 shows a graph when the measured frequency is 501.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.01. In the figure, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents frequency, the solid line represents the short gate time count value, the short dotted line represents the frequency to be measured, and the long dotted line represents the output of the low-pass filter unit 30 (the same applies to FIG. 18 below). is there.). Although the measured frequency is a constant value, it can be seen that the output of the low-pass filter unit 30 has a frequency change periodically (a constant interval in time) and pattern noise is generated.

同様に、図11は、被測定周波数503.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.03とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力には、連続的な周波数変動が見られ、パターン雑音が連続的に発生している。   Similarly, FIG. 11 shows a graph when the measured frequency is 503.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.03. The output of the low-pass filter unit 30 has a continuous frequency fluctuation, and pattern noise is continuously generated.

図12は、被測定周波数505.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.05とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力には、パターン雑音が連続的に発生しているが、動作点パラメータ0.03の場合よりも変動幅は減少している。   FIG. 12 shows a graph when the measured frequency is 505.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.05. Pattern noise is continuously generated in the output of the low-pass filter unit 30, but the fluctuation range is smaller than that in the case of the operating point parameter 0.03.

図13は、被測定周波数510.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.10とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力は、被測定周波数と同じであり、パターン雑音は発生しない。   FIG. 13 shows a graph when the measured frequency is 510.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.10. The output of the low-pass filter unit 30 is the same as the measured frequency, and no pattern noise is generated.

図14は、被測定周波数550.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.50とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力は、被測定周波数と同じであり、パターン雑音は発生しない。   FIG. 14 shows a graph when the measured frequency is 550.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.50. The output of the low-pass filter unit 30 is the same as the measured frequency, and no pattern noise is generated.

図15は、被測定周波数549.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.49とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力には、周期的に周波数変化が現れ、パターン雑音が発生することが判る。   FIG. 15 shows a graph when the measured frequency is 549.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.49. It can be seen that a frequency change periodically appears in the output of the low-pass filter unit 30 to generate pattern noise.

図16は、被測定周波数547.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.47とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力には、小幅な周波数変動が見られ、パターン雑音が存在することが判る。   FIG. 16 shows a graph when the measured frequency is 547.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.47. A small frequency variation is seen in the output of the low-pass filter unit 30, and it can be seen that pattern noise exists.

図17は、被測定周波数534.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.34とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力には、周期的な周波数変動が見られ、パターン雑音が存在することが判る。   FIG. 17 shows a graph when the measured frequency is 534.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.34. Periodic frequency fluctuations are seen in the output of the low-pass filter unit 30, and it can be seen that pattern noise exists.

図18は、被測定周波数566.00Hz、サンプリング周波数100Hz、動作点パラメータ0.66(=0.34に相当)とした場合のグラフを示している。ローパスフィルタ部30の出力には、周期的な周波数変動が見られ、パターン雑音が存在することが判る。図17の場合(動作点パラメータ0.34)と比べると、周波数変動の幅は同じであるが、周波数変動の増減の傾向が逆になっている。   FIG. 18 shows a graph in the case where the measured frequency is 566.00 Hz, the sampling frequency is 100 Hz, and the operating point parameter is 0.66 (corresponding to 0.34). Periodic frequency fluctuations are seen in the output of the low-pass filter unit 30, and it can be seen that pattern noise exists. Compared with the case of FIG. 17 (operating point parameter 0.34), the frequency fluctuation width is the same, but the tendency of increase / decrease in frequency fluctuation is reversed.

図19は、上述した図10乃至図18に示した動作点パラメータに対応するパターン雑音レベルを図9のグラフ中に追加したものである。   FIG. 19 is obtained by adding pattern noise levels corresponding to the operating point parameters shown in FIGS. 10 to 18 to the graph of FIG.

動作点パラメータ0.0(=1.0に相当)の近傍値である動作点パラメータ0.01、0.03、0.05のグループでは動作点パラメータ0.0に近いほど、パターン雑音レベルが大となっている。   In the group of operating point parameters 0.01, 0.03, and 0.05, which is a neighborhood value of the operating point parameter 0.0 (= corresponding to 1.0), the pattern noise level becomes closer to the operating point parameter 0.0. It has become big.

なお、図19ではグラフ表示上、一部明確ではないが、動作点パラメータが単純な有理数(例えば、1/1〜1/10)で表される横軸上の位置1.0(=1/1)、0.5(=1/2)、0.33…(=1/3)、0.25(=1/4)、0.2(=1/5)、0.66…(=2/3)、0.1(=1/10)、…ではパターン雑音レベルが0となっている。図13、図14に示した例では、動作点パラメータが単純な有理数値(1/10、1/2)と一致しているためパターン雑音は生じない。   In FIG. 19, although not clear on the graph display, a position 1.0 (= 1/1 /) on the horizontal axis where the operating point parameter is represented by a simple rational number (for example, 1/1 to 1/10). 1), 0.5 (= 1/2), 0.33 (= 1/3), 0.25 (= 1/4), 0.2 (= 1/5), 0.66 (...) 2/3), 0.1 (= 1/10),..., The pattern noise level is zero. In the example shown in FIG. 13 and FIG. 14, the operating point parameter matches a simple rational value (1/10, 1/2), so that pattern noise does not occur.

動作点パラメータ0.5の近傍の(単純な有理数から外れた)動作点パラメータ0.49(図15参照)、0.47(図16参照)では、雑音レベルが増大するが、動作点0.0近辺に比べるとパターン雑音強度は小さい。   With the operating point parameters 0.49 (see FIG. 15) and 0.47 (see FIG. 16) in the vicinity of the operating point parameter 0.5 (off from a simple rational number), the noise level increases. Compared to the vicinity of 0, the pattern noise intensity is small.

なお、動作点パラメータ0.34(図17参照)と、動作点パラメータ0.66(図18)とは、パターン雑音レベルの動作点パラメータ依存性は0.50を基準として対称な位置関係となる。   Note that the operating point parameter 0.34 (see FIG. 17) and the operating point parameter 0.66 (FIG. 18) have a symmetrical positional relationship with respect to the operating point parameter dependence of the pattern noise level on the basis of 0.50. .

上述したように、被測定周波数とサンプリング周波数の比を動作点パラメータとして定義することによって、動作点パラメータ0−0.5範囲の雑音レベル特性で被測定周波数とサンプリング周波数との組み合わせに起因するパターン雑音レベルを把握することが可能である。   As described above, by defining the ratio between the frequency to be measured and the sampling frequency as the operating point parameter, the pattern resulting from the combination of the frequency to be measured and the sampling frequency in the noise level characteristic in the range of the operating point parameter 0-0.5. It is possible to grasp the noise level.

上記結果によれば、動作点パラメータの値を適切に選択あるいは設定することにより、具体的には、動作点パラメータが単純な有理数に近い値となる被測定周波数とサンプリング周波数の組み合わせを避けることによってパターン雑音を抑制することができる。   According to the above results, by appropriately selecting or setting the value of the operating point parameter, specifically, by avoiding the combination of the measured frequency and the sampling frequency where the operating point parameter is close to a simple rational number. Pattern noise can be suppressed.

次に、パターン雑音を低減した短ゲートタイムカウント法の周波数測定装置について説明する。   Next, a frequency measurement apparatus using the short gate time count method with reduced pattern noise will be described.

動作点パラメータを調整する方法としては、(1) 被測定信号の周波数を調整する。(2) 被測定信号の周波数を見かけ上変化させる。(3) サンプリング周波数を調整する等が考えられる。   To adjust the operating point parameter: (1) Adjust the frequency of the signal under measurement. (2) Change the frequency of the signal under measurement apparently. (3) The sampling frequency can be adjusted.

上記(1)については、発振器の周波数調整(f調)を行う。具体的には発振器の回路定数の調整、発振回路の印加電圧調整が該当する。(2)については、カウンタ部の前段に分周器・逓倍器を配置する。(3)については、短ゲートタイムカウント部のクロック信号の周波数を調整する。   For (1) above, the oscillator frequency is adjusted (f). Specifically, adjustment of the circuit constant of the oscillator and adjustment of the applied voltage of the oscillation circuit are applicable. For (2), a frequency divider / multiplier is placed in front of the counter unit. For (3), the frequency of the clock signal of the short gate time count unit is adjusted.

(実施例1)   (Example 1)

図20は、本発明の周波数測定装置の第1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同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。   FIG. 20 shows a first embodiment of the frequency measuring apparatus according to the present invention. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

この実施例では、信号源10から出力される被測定信号の周波数を30,026,502Hzから30,026,110Hzに変更し、短ゲートタイムカウンタ部20のサンプリング周波数を1000Hzとしている。それにより、ゲートタイムカウンタ部20の動作点パラメータを0.50付近から0.11付近に設定している。ローパスフィルタ30は三段移動平均フィルタ(タップ数2400)で構成されている。   In this embodiment, the frequency of the signal under measurement output from the signal source 10 is changed from 30,026,502 Hz to 30,026,110 Hz, and the sampling frequency of the short gate time counter unit 20 is set to 1000 Hz. Thereby, the operating point parameter of the gate time counter unit 20 is set from about 0.50 to about 0.11. The low-pass filter 30 includes a three-stage moving average filter (2400 taps).

図21は、信号源10の水晶発振器の構成例を示しており、一段インバータ発振回路である。この回路では、第1のインバータの入出力端間に帰還抵抗Rfが接続される。また、同入出力端間に水晶振動子、抵抗Rx及びRdの直列回路が接続される。第1のインバータの入力端と接地間にはキャパシタCgが接続され、抵抗RxとRdとの接続点と接地間にキャパシタCdが接続される。第1のインバータの出力端はバッファアンプとしての第2のインバータの入力端に接続され、第2のインバータの出力端から発振器出力が得られる。   FIG. 21 shows a configuration example of the crystal oscillator of the signal source 10, which is a one-stage inverter oscillation circuit. In this circuit, a feedback resistor Rf is connected between the input and output terminals of the first inverter. A series circuit of a crystal resonator and resistors Rx and Rd is connected between the input and output terminals. A capacitor Cg is connected between the input terminal of the first inverter and the ground, and a capacitor Cd is connected between the connection point of the resistors Rx and Rd and the ground. The output terminal of the first inverter is connected to the input terminal of the second inverter as a buffer amplifier, and an oscillator output is obtained from the output terminal of the second inverter.

これら等回路構成要素のうち、抵抗Rf、Rd、Rx、キャパシタCg、Cd、回路電圧のいずれかの回路定数を調整することによって発振周波数を調整することができる。本実施例では、外部から制御を行いやすい回路電圧を調整して発振周波数を変えているが、これに限られない。   Of these circuit components, the oscillation frequency can be adjusted by adjusting the circuit constants of the resistors Rf, Rd, Rx, capacitors Cg, Cd, and circuit voltage. In this embodiment, the oscillation frequency is changed by adjusting a circuit voltage that can be easily controlled from the outside, but is not limited thereto.

図22は、水晶振動子に水蒸気を吸着脱離させたときのローパスフィルタ30の出力変化例を示している。発振器の回路電圧は5[V]で動作パラメータ調整前の30,026,502Hzで振動している。短ゲートカウンタのサンプリング周波数は1000Hzであり、動作点パラメータは0.50(より正確には0.502で、0.50の近傍値)である。大きなパターン雑音が生じるため、これを打ち消す(抑制する)ためにローパスフィルタ30は三段移動平均フィルタ(タップ数2400)を用いている。   FIG. 22 shows an output change example of the low-pass filter 30 when water vapor is adsorbed and desorbed from the crystal resonator. The circuit voltage of the oscillator is 5 [V] and oscillates at 30,026,502 Hz before the operation parameter adjustment. The sampling frequency of the short gate counter is 1000 Hz, and the operating point parameter is 0.50 (more accurately, it is 0.502 and a value close to 0.50). Since a large pattern noise is generated, the low-pass filter 30 uses a three-stage moving average filter (2400 taps) in order to cancel (suppress) this.

図23は、動作点パラメータを0.11付近に設定し、図22と同様に水蒸気の吸着脱離の実験をしたものである。発振器の回路電圧を4.55[V]に下げ、30,026,110Hzで振動させている。短ゲートカウンタのサンプリング周波数は1000Hzであり、動作点パラメータは0.11である。ローパスフィルタ30は三段移動平均フィルタ(タップ数2400)である。パターン雑音が良好に抑制されてSN比が向上している。   FIG. 23 shows an experiment of water vapor adsorption / desorption similar to FIG. 22 with the operating point parameter set to around 0.11. The circuit voltage of the oscillator is lowered to 4.55 [V] and is oscillated at 30,026,110 Hz. The sampling frequency of the short gate counter is 1000 Hz, and the operating point parameter is 0.11. The low-pass filter 30 is a three-stage moving average filter (number of taps 2400). Pattern noise is satisfactorily suppressed and the SN ratio is improved.

図24は、上記図23の場合と同様にして動作点パラメータを0.11付近に設定し、ローパスフィルタ30のみを二段移動平均フィルタ(タップ数240)に変更して、水蒸気の吸着脱離の実験をしたものである。SN比を図22の例(動作点パラメータ0.50)以下に抑えつつ、応答性を10倍高めることができる(タップ数が1/10になっている。)。   FIG. 24 is similar to the case of FIG. 23, the operating point parameter is set near 0.11, only the low-pass filter 30 is changed to a two-stage moving average filter (240 taps), and water vapor adsorption / desorption is performed. This is an experiment. While suppressing the S / N ratio to be equal to or less than the example of FIG. 22 (operating point parameter 0.50), the responsiveness can be increased 10 times (the number of taps is 1/10).

図25は、図24の場合との比較例であり、動作点パラメータを0.50付近に設定し、ローパスフィルタ30を二段移動平均フィルタ(タップ数240)とし、図23の場合と同様に水蒸気の吸着脱離の実験をしたものである。パターン雑音の影響が大きく、動作点パラメータ調整なしに二段移動平均フィルタ(タップ数240)は使用でないことが判る。   FIG. 25 is a comparative example with the case of FIG. 24, in which the operating point parameter is set near 0.50, the low-pass filter 30 is a two-stage moving average filter (240 taps), and similarly to the case of FIG. This is an experiment of water vapor adsorption / desorption. It can be seen that the influence of the pattern noise is large, and the two-stage moving average filter (number of taps 240) is not used without adjusting the operating point parameter.

(実施例2)   (Example 2)

次に、水晶発振器の経時変化に起因する雑音レベルの増大と動作点パラメータの補正による雑音低減効果について説明する。   Next, the noise reduction effect due to the increase of the noise level and the correction of the operating point parameter due to the time-dependent change of the crystal oscillator will be described.

水晶発振器の発振周波数の経時的変化を抑制するため、予め振動子(誘電体)にエージング処理を施すことがある。   In order to suppress a change with time of the oscillation frequency of the crystal oscillator, an aging process may be applied to the vibrator (dielectric material) in advance.

図26は、図24に示す特性を備える周波数測定装置(動作点パラメータ0.11、二段移動平均フィルタ(240タップ))に使用される水晶振動子にエージング処理を施した後のローパスフィルタ30の出力特性例を示している。エージング処理は、発振回路電圧を7[V]に上げ、過電圧駆動状態で所定時間動作させている。その後、発振回路電圧を4.55[V]に戻したところ、発振周波数がエージング前の30,026,110Hzから30,026,145Hzに変化した。エージング処理によって動作点パラメータは0.11付近から0.145付近にシフトしている。このため、図26に示されるように、水晶振動子のエージング処理後の周波数測定装置の出力(ローパスフィルタの出力)にはパターン雑音の影響が顕著に表れるようになっている。   FIG. 26 shows a low-pass filter 30 after aging processing is applied to a crystal resonator used in a frequency measuring apparatus (operating point parameter 0.11, two-stage moving average filter (240 taps)) having the characteristics shown in FIG. An output characteristic example is shown. In the aging process, the oscillation circuit voltage is raised to 7 [V] and the operation is performed for a predetermined time in the overvoltage driving state. Thereafter, when the oscillation circuit voltage was returned to 4.55 [V], the oscillation frequency changed from 30,026,110 Hz before aging to 30,026,145 Hz. The operating point parameter is shifted from about 0.11 to about 0.145 by the aging process. For this reason, as shown in FIG. 26, the influence of the pattern noise appears remarkably in the output of the frequency measuring device (the output of the low-pass filter) after the aging process of the crystal resonator.

図27は、エージング処理後のパターン雑音の発生に対応するために、発振回路定数の抵抗Rfの値を調整した例を示している。発振周波数を30,026,035Hz(動作点パラメータ0.035)に設定したところ、パターン雑音が抑制された。   FIG. 27 shows an example in which the value of the resistance Rf of the oscillation circuit constant is adjusted in order to cope with the generation of pattern noise after the aging process. When the oscillation frequency was set to 30,026,035 Hz (operating point parameter 0.035), pattern noise was suppressed.

図28は、同様に、エージング処理後のパターン雑音の発生に対応するために、(発振回路定数の抵抗Rfの値ではなく、)発振回路電圧を調整した例を示している。電圧を4.70[V]に設定し、発振周波数を30,026,298Hz(動作点パラメータ0.298)に設定したところ、パターン雑音が抑制された。   Similarly, FIG. 28 shows an example in which the oscillation circuit voltage is adjusted (not the value of the resistance Rf of the oscillation circuit constant) in order to cope with the generation of pattern noise after the aging process. When the voltage was set to 4.70 [V] and the oscillation frequency was set to 30,026,298 Hz (operating point parameter 0.298), pattern noise was suppressed.

このようにパターン雑音レベルの低い動作点パラメータ値(図19参照)となるように被測定信号の発振周波数とサンプリング周波数の比を選定することによって、短ゲートタイムカウント法における周波数検出出力中のパターン雑音レベルを抑制し、出力信号のSN比を向上することができる。   By selecting the ratio of the oscillation frequency and sampling frequency of the signal under measurement so that the operating point parameter value (see FIG. 19) has a low pattern noise level, the pattern in the frequency detection output in the short gate time count method is selected. The noise level can be suppressed and the SN ratio of the output signal can be improved.

(実施例3)   (Example 3)

図29は、動作点パラメータを調整する機能を備える周波数測定装置の例を示すブロック図である。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。   FIG. 29 is a block diagram illustrating an example of a frequency measurement device having a function of adjusting operating point parameters. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

この実施例の周波数測定装置においては、既述した信号源10、短ゲートタイムカウンタ部20及びローパスフィルタ30に加えて、更に、動作点算出部70と(周波数)調整部50と記憶部60とを備えている。信号源10の発振周波数foは外部から制御可能に構成されている。例えば、上述したように水晶発振回路の回路定数(抵抗値、キャパシタンス、発振回路電圧)を外部から設定可能な構成としている。また、いわゆる電圧制御発振器(VCO)による調整や位相同期ループ型のPLL発振器の逓倍量を変更する構成等であっても良い。短ゲートタイムカウンタ部20のサンプリング周波数fsは固定周波数である。   In the frequency measuring apparatus of this embodiment, in addition to the signal source 10, the short gate time counter unit 20, and the low-pass filter 30 described above, an operating point calculation unit 70, a (frequency) adjustment unit 50, and a storage unit 60 are further provided. It has. The oscillation frequency fo of the signal source 10 is configured to be controllable from the outside. For example, as described above, the circuit constants (resistance value, capacitance, oscillation circuit voltage) of the crystal oscillation circuit can be set from the outside. Further, adjustment by a so-called voltage controlled oscillator (VCO), a configuration in which a multiplication amount of a phase locked loop type PLL oscillator, or the like may be adopted. The sampling frequency fs of the short gate time counter unit 20 is a fixed frequency.

動作点算出部70は、短ゲートタイムカウンタ部20から出力されるカウント値に基づく被測定信号の測定周波数foと、サンプリング周波数fsとから、動作点パラメータ=fo/fs−Int(fo/fs)なる計算を行う。この計算結果を調整部50に出力する。   The operating point calculation unit 70 calculates the operating point parameter = fo / fs−Int (fo / fs) from the measurement frequency fo of the signal under measurement based on the count value output from the short gate time counter unit 20 and the sampling frequency fs. Perform the following calculation. The calculation result is output to the adjustment unit 50.

調整部50は、図示しない制御コンピュータや操作者等から発せられる調整指令に応じて記憶部60に保持された動作点パラメータを参照し、信号源10の被測定信号の周波数foを調整する機能を備える。ある一定時間ごとに割り込みをかけて自らに調整指令を発する機能を備えても良い。   The adjustment unit 50 has a function of adjusting the frequency fo of the signal under measurement of the signal source 10 with reference to the operating point parameter held in the storage unit 60 in accordance with an adjustment command issued from a control computer (not shown) or an operator. Prepare. A function of issuing an adjustment command to itself by interrupting at certain intervals may be provided.

記憶部60は、パターン雑音レベルが基準以下となる1つ又は複数の動作点パラメータ範囲や周波数情報等を記憶する。パターン雑音レベルが基準値以下となる動作点パラメータ範囲は、0.41−0.44等である。また、パターン雑音レベルが基準値以下となる被測定信号foの1つ又は複数の周波数を記憶部に記憶しても良い。   The storage unit 60 stores one or a plurality of operating point parameter ranges, frequency information, and the like in which the pattern noise level is below the reference. The operating point parameter range in which the pattern noise level is below the reference value is 0.41 to 0.44 or the like. Further, one or a plurality of frequencies of the signal under measurement fo having a pattern noise level equal to or lower than a reference value may be stored in the storage unit.

調整部50は、調整指令に応じて動作点パラメータ、あるいは動作点パラメータに対応する発振器周波数foを選択して、信号源10の発振器周数foを設定する。それにより、パターン雑音レベルの抑制された周波数測定装置が得られる。   The adjustment unit 50 selects the operating point parameter or the oscillator frequency fo corresponding to the operating point parameter in accordance with the adjustment command, and sets the oscillator frequency fo of the signal source 10. As a result, a frequency measuring device with a suppressed pattern noise level can be obtained.

なお、図示しないが、周波数既知のパイロット信号foを短ゲートタイムカウンタ10に比較用に入力し、ローパスフィルタ30の出力を観察することによって発振器周波数foに対するパターン雑音レベルを得ることができ、foを周波数掃引することで動作点パラメータ対パターン雑音特性(図19に相当)も容易に測定することが可能となる。   Although not shown, a pilot signal fo having a known frequency is input to the short gate time counter 10 for comparison, and by observing the output of the low-pass filter 30, the pattern noise level for the oscillator frequency fo can be obtained. By sweeping the frequency, the operating point parameter versus pattern noise characteristic (corresponding to FIG. 19) can be easily measured.

かかる実施例の構成によれば、比較的簡単な構成で動作点パラメータを調整することができる。   According to the configuration of this embodiment, the operating point parameter can be adjusted with a relatively simple configuration.

(実施例4)   Example 4

図30は、動作点パラメータを調整する機能を備える周波数測定装置の他の例を示すブロック図である。同図において図1、図29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. 30 is a block diagram illustrating another example of a frequency measurement device having a function of adjusting operating point parameters. In the figure, parts corresponding to those in FIGS. 1 and 29 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

この実施例の周波数測定装置においても、既述した信号源10、短ゲートタイムカウンタ部20及びローパスフィルタ30に加えて、更に、動作点算出部70と調整部50と記憶部60とを備えている。信号源10の発振周波数fo及び短ゲートタイムカウンタ部20のサンプリング周波数は外部から制御可能に構成されている。例えば、上述したように水晶発振回路の回路定数(抵抗値、キャパシタンス、発振回路電圧)を外部から設定可能な構成としている。いわゆる電圧制御発振器(VCO)による調整や位相同期ループ型のPLL発振器の逓倍量を変更すること等であっても良い。また、短ゲートタイムカウンタ部20の内部サンプリングクロック回路(図示せず)のクロック周波数を外部から設定可能な構成としている。   In addition to the signal source 10, the short gate time counter unit 20, and the low-pass filter 30, the frequency measurement device of this embodiment further includes an operating point calculation unit 70, an adjustment unit 50, and a storage unit 60. Yes. The oscillation frequency fo of the signal source 10 and the sampling frequency of the short gate time counter unit 20 are configured to be externally controllable. For example, as described above, the circuit constants (resistance value, capacitance, oscillation circuit voltage) of the crystal oscillation circuit can be set from the outside. For example, adjustment by a so-called voltage controlled oscillator (VCO) or changing the multiplication amount of a phase locked loop type PLL oscillator may be used. The clock frequency of an internal sampling clock circuit (not shown) of the short gate time counter unit 20 can be set from the outside.

動作点算出部70は、短ゲートタイムカウンタ部20から出力されるカウント値に基づく被測定信号の測定周波数foと、サンプリング周波数fsとから、動作点パラメータ=fo/fs−Int(fo/fs)なる計算を行う。この計算結果を調整部50に出力する。   The operating point calculation unit 70 calculates the operating point parameter = fo / fs−Int (fo / fs) from the measurement frequency fo of the signal under measurement based on the count value output from the short gate time counter unit 20 and the sampling frequency fs. Perform the following calculation. The calculation result is output to the adjustment unit 50.

調整部50は、指令信号に応じて動作点算出部70からの動作点パラメータを参照して、信号源10の被測定信号の周波数fo、短ゲートタイムカウンタ20のサンプリング周波数fsを調整する機能を備える。記憶部60は、パターン雑音レベルが基準以下となる1つ又は複数の動作点パラメータ範囲や周波数情報を記憶する。記憶データは、例えば、パターン雑音レベルが基準値以下となる1つ又は複数の動作点パラメータ範囲を記憶する。また、パターン雑音レベルが基準値以下となる被測定信号の周波数とサンプリング周波数との1つ又は複数の組み合わせを記憶部60に記憶しても良い。   The adjusting unit 50 has a function of adjusting the frequency fo of the signal under measurement of the signal source 10 and the sampling frequency fs of the short gate time counter 20 with reference to the operating point parameter from the operating point calculating unit 70 according to the command signal. Prepare. The storage unit 60 stores one or more operating point parameter ranges and frequency information whose pattern noise level is below the reference. The stored data stores, for example, one or a plurality of operating point parameter ranges in which the pattern noise level is a reference value or less. Further, one or a plurality of combinations of the frequency of the signal under measurement whose pattern noise level is below the reference value and the sampling frequency may be stored in the storage unit 60.

調整部50は、例えば、サンプリング周波数fsを先に選定し、選択した動作点パラメータ値によって被測定信号の周波数foを決定する。また、被測定信号の周波数foを先に選定した場合、選択した動作点パラメータ値によってサンプリング周波数fsを決定する。より具体的には、調整部50は設定すべき周波数に対応して制御対象の回路定数等を調整する。このような操作を繰り返し行っても良い。   For example, the adjustment unit 50 selects the sampling frequency fs first, and determines the frequency fo of the signal under measurement based on the selected operating point parameter value. When the frequency fo of the signal under measurement is selected first, the sampling frequency fs is determined based on the selected operating point parameter value. More specifically, the adjustment unit 50 adjusts circuit constants to be controlled in accordance with the frequency to be set. Such an operation may be repeated.

なお、本実施例においても、発振器として電圧制御発振器(VCO)を使用したりPLL(位相同期ループ)回路を併用することができる。   Also in this embodiment, a voltage controlled oscillator (VCO) can be used as an oscillator, or a PLL (phase locked loop) circuit can be used in combination.

本実施例の構成によれば、信号源10と短ゲートタイムカウンタ部20の両方の周波数fo、fsを調整可能としているので、より多様な周波数fo、fsの組み合わせによりパターン雑音を抑制することができる。   According to the configuration of the present embodiment, since the frequencies fo and fs of both the signal source 10 and the short gate time counter unit 20 can be adjusted, the pattern noise can be suppressed by combining various frequencies fo and fs. it can.

(実施例5)   (Example 5)

図31は、動作点パラメータを調整する機能を備える周波数測定装置の他の例を示すブロック図である。同図において図30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. 31 is a block diagram illustrating another example of a frequency measurement device having a function of adjusting operating point parameters. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 30 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

この実例では、更に、信号源10と短ゲートタイムカウンタ部20との間に分周・逓倍部40が設けられている。分周・逓倍部40は分周器または逓倍器もしくは分周器と逓倍器の組み合わせのいずれかであってもよい。分周・逓倍部40によって短ゲートタイムカウンタ20からの見かけ上の周波数foをmfo(mは周波数変換倍率で、分周器と逓倍器のパラメータにより決まる有理数)に変えることができる。他の構成は図30に示す構成と同様である。   In this example, a frequency division / multiplication unit 40 is further provided between the signal source 10 and the short gate time counter unit 20. The frequency divider / multiplier 40 may be a frequency divider, a frequency multiplier, or a combination of a frequency divider and a frequency multiplier. The frequency divider / multiplier 40 can change the apparent frequency fo from the short gate time counter 20 to mfo (m is a frequency conversion magnification and is a rational number determined by the parameters of the frequency divider and the multiplier). Other configurations are the same as those shown in FIG.

この実施例でも、記憶部60は、パターン雑音レベルが基準以下となる1つ又は複数の動作点パラメータ範囲や周波数情報を記憶する。記憶データは、例えば、パターン雑音レベルが基準値以下となる1つ又は複数の動作点パラメータ範囲を記憶する。また、パターン雑音レベルが基準値以下となる被測定信号の周波数とサンプリング周波数との1つ又は複数の組み合わせを記憶部に記憶しても良い。   Also in this embodiment, the storage unit 60 stores one or more operating point parameter ranges and frequency information whose pattern noise level is below the reference. The stored data stores, for example, one or a plurality of operating point parameter ranges in which the pattern noise level is a reference value or less. Moreover, you may memorize | store in the memory | storage part one or several combination of the frequency of the to-be-measured signal in which a pattern noise level becomes below a reference value, and a sampling frequency.

動作点算出部70は、短ゲートタイムカウンタ部20から出力されるカウント値に基づく被測定信号の測定周波数foと、サンプリング周波数fsとから、動作点パラメータ=mfo/fs−Int(mfo/fs)なる計算を行う。この計算結果を調整部50に出力する。この実施例においては、測定周波数foは周波数変換倍率mが考慮されたものとなる。   The operating point calculation unit 70 calculates the operating point parameter = mfo / fs−Int (mfo / fs) from the measurement frequency fo of the signal under measurement based on the count value output from the short gate time counter unit 20 and the sampling frequency fs. Perform the following calculation. The calculation result is output to the adjustment unit 50. In this embodiment, the measurement frequency fo takes into account the frequency conversion magnification m.

調整部50は、外部から供給される指令に応じて、記憶部60に予め記憶された所望の動作点パラメータ値が得られるように、被測定信号の周波数fo、周波数変換倍率m、サンプリング周波数fsを選定する。これ等のパラメータを適宜に組み合わせることによって回路状態をより正確に所望の動作点パラメータ値になるように設定することができる。それにより、パターン雑音がより良く抑制され得る。   The adjustment unit 50 receives the frequency fo, the frequency conversion magnification m, and the sampling frequency fs of the signal under measurement so that a desired operating point parameter value stored in advance in the storage unit 60 can be obtained according to a command supplied from the outside. Is selected. By appropriately combining these parameters, it is possible to set the circuit state more accurately to a desired operating point parameter value. Thereby, pattern noise can be better suppressed.

なお、この構成において、調整部50は、被測定信号の周波数fo、周波数変換倍率m、サンプリング周波数fsの一部を調整するもの(図29、図30参照)であっても良い。それにより、調整がより簡単になる。   In this configuration, the adjustment unit 50 may adjust a part of the frequency fo, the frequency conversion magnification m, and the sampling frequency fs of the signal under measurement (see FIGS. 29 and 30). Thereby, the adjustment becomes easier.

(実施例6)   (Example 6)

図32は、他の実施例を示している。同図において図31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. 32 shows another embodiment. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 31 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

この実施例では、図29乃至図31に示すような回路構成において、所望の動作点パラメータになるように回路状態(被測定信号周波数fo、周波数変換倍率m、サンプリング周波数fs)を設定する機能の他に、周波数測定装置の出力中の動作点パラメータを逐次検出し判定する機能を備えている。それにより、パターン雑音が抑制される、被測定信号周波数fo、周波数変換倍率m及びサンプリング周波数fsの組み合わせになるように周波数測定装置を自動的に調節することを可能とする。なお、分周/逓倍器40はこの実施例において必須の構成要素ではない。   In this embodiment, in the circuit configuration as shown in FIG. 29 to FIG. 31, the function of setting the circuit state (measured signal frequency fo, frequency conversion magnification m, sampling frequency fs) so as to be a desired operating point parameter. In addition, it has a function of sequentially detecting and determining operating point parameters in the output of the frequency measuring device. Thereby, it is possible to automatically adjust the frequency measuring device so as to be a combination of the measured signal frequency fo, the frequency conversion magnification m, and the sampling frequency fs, in which pattern noise is suppressed. The frequency divider / multiplier 40 is not an essential component in this embodiment.

このため、この実施例では、先の実施例に加えて、各部の動作を制御する制御部80を備えている。検出された動作点パラメータ値は、記憶部60のデータと逐次比較される。調整部50、記憶部60、動作点算出部70及び制御部80の各機能(図32中に点線で示す)は、コンピュータシステムによって形成される。   For this reason, in this embodiment, in addition to the previous embodiment, a control unit 80 for controlling the operation of each unit is provided. The detected operating point parameter value is sequentially compared with the data in the storage unit 60. Each function (indicated by a dotted line in FIG. 32) of the adjustment unit 50, the storage unit 60, the operating point calculation unit 70, and the control unit 80 is formed by a computer system.

次に、本実施例の周波数測定装置の動作例について説明する。   Next, an operation example of the frequency measuring apparatus according to the present embodiment will be described.

制御部80は、コンピュータプログラムや操作者から動作点パラメータ抽出指令を受けると、信号源10、分周・逓倍器40及び短ゲートタイムカウンタ部20にそれぞれ初期値fo、m、fsを設定させるよう調整部50に指示する。分周・逓倍器40のmは周波数foを見かけ上変化させる。なお、分周・逓倍器40を設けない場合はmは1である。   When receiving an operating point parameter extraction command from a computer program or an operator, the control unit 80 causes the signal source 10, the frequency divider / multiplier 40, and the short gate time counter unit 20 to set initial values fo, m, and fs, respectively. The adjustment unit 50 is instructed. The m of the frequency divider / multiplier 40 apparently changes the frequency fo. Note that m is 1 when the frequency divider / multiplier 40 is not provided.

制御部80は、記憶部60のデータを参照して、パターン雑音が基準レベル以下となる動作点パラメータを得、サンプリング周波数fsに対応したfo(及びm)を選定し、調整部50に各部のパラメータを設定させる。それにより、パターン雑音を回避して短ゲートタイムカウント法による周波数測定を行う周波数測定装置が得られる。   The control unit 80 refers to the data in the storage unit 60, obtains an operating point parameter at which the pattern noise is equal to or lower than the reference level, selects fo (and m) corresponding to the sampling frequency fs, and sends the adjustment unit 50 to each unit Set parameters. As a result, a frequency measurement device that avoids pattern noise and performs frequency measurement by the short gate time count method can be obtained.

以上説明したように、本発明の実施例では、短ゲートタイムカウント方式周波数測定装置が動作点(被測定信号とサンプリング周波数の比)を調整する機能を有するので、パターン雑音を抑制することができ、SN比が向上する。   As described above, in the embodiment of the present invention, the short gate time count frequency measuring device has a function of adjusting the operating point (ratio of the signal to be measured and the sampling frequency), so that pattern noise can be suppressed. , The SN ratio is improved.

また、パターン雑音が抑制されることにより、設計余裕度が増すためローパスフィルタのタップ数を下げることができ、高速応答性が実現できる(高速応答、フィルタタップ数の減少は、使用するメモリの削減を意味する。)。   In addition, by suppressing the pattern noise, the design margin increases, so the number of taps of the low-pass filter can be reduced, and high-speed response can be realized. (High-speed response and decrease in the number of filter taps reduce the memory used. Means.)

また、調整機能により、動作点パラメータがシフトした場合に発生するパターン雑音を、その都度抑制することができる。同じサンプリング周波数では、性能が著しく向上するため、要求される性能が低い場合はサンプリング周波数を下げることができ、消費電力が抑制される。   In addition, the adjustment function can suppress pattern noise that occurs when the operating point parameter is shifted. Since the performance is significantly improved at the same sampling frequency, the sampling frequency can be lowered and the power consumption is suppressed when the required performance is low.

また、本発明の実施例によれば、動作点パラメータが事前に調整された短ゲートタイムカウント方式周波数測定装置が提供されるので、使用する際に調整する必要がないので、ユーザの負担を減らすことができ、具合がよい。また簡単に再調整する機能を有する短ゲートタイムカウント方式周波数周波数測定装置カウンタを提供することができる。ユーザの負担を減らすことができる上、簡単な調整により製品寿命を延ばすことができる。   In addition, according to the embodiment of the present invention, a short gate time count frequency measuring device in which the operating point parameter is adjusted in advance is provided, so that it is not necessary to adjust the operating point parameter, so that the burden on the user is reduced. Can be good. Further, it is possible to provide a short gate time count type frequency frequency measuring device counter having a function of easy readjustment. In addition to reducing the burden on the user, the product life can be extended by simple adjustment.

本方式の周波数測定装置は、回路規模が小さく、実装が容易なため、デバイスを小型化・軽量化・低コスト化できる。例えば、水晶を用いた各種センサの小型化・高分解能化、AD変換素子等に用いて都合がよい。また、水晶を用いた各種センサの集積化・プラットフォーム化に用いて都合がよい。また、ニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサ用トランスデューサアレイ等に用いて都合がよい。   Since the frequency measuring apparatus of this system has a small circuit scale and is easy to mount, the device can be reduced in size, weight, and cost. For example, it is convenient to use various sensors using quartz for miniaturization / high resolution, AD conversion elements, and the like. Moreover, it is convenient to use for integration and platformization of various sensors using crystal. Moreover, it is convenient to use for a odor sensor, a gas sensor, a transducer array for a biosensor, or the like.

短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置の構成を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structure of the frequency measurement apparatus of a short gate time count system. 短ゲートタイムカウンタ部の構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structural example of a short gate time counter part. 短ゲートタイムカウンタ部の他の構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the other structural example of a short gate time counter part. ローパスフィルタ(アナログ)の構成例を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the structural example of a low-pass filter (analog). ローパスフィルタ(デジタル)の構成例を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the structural example of a low-pass filter (digital). 短ゲートタイムカウンタ部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 short gate time counter part. ローパス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 a low-pass filter. パターン雑音の測定実験を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the measurement experiment of pattern noise. パターン雑音の例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. パターン雑音の測定例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of a measurement of pattern noise. 動作点パラメータとパターン雑音レベルとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an operating point parameter and a pattern noise level. 短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置を動作点パラメータで調整した例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the example which adjusted the frequency measuring apparatus of the short gate time count system with the operating point parameter. 信号源に用いる発振回路の例を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the example of the oscillation circuit used for a signal source. 動作点パラメータを調整前のローパスフィルタの出力例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of an output of the low-pass filter before adjusting an operating point parameter. 動作点パラメータを調整後のローパスフィルタの出力例を示すグラフである。It is a graph which shows the output example of the low-pass filter after adjusting an operating point parameter. 動作点パラメータを調整後のローパスフィルタの他の出力例を示すグラフである。It is a graph which shows the other output example of the low-pass filter after adjusting an operating point parameter. 比較例の出力例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of an output of a comparative example. 経時変化によってパターン雑音が発生するようになった例を示すグラフである。It is a graph which shows the example where pattern noise came to generate | occur | produce with a time-dependent change. 動作点パラメータ再調整後ローパスフィルタの出力例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of an output of a low-pass filter after an operating point parameter readjustment. 動作点パラメータ再調整後ローパスフィルタの他の出力例を示すグラフである。It is a graph which shows the other output example of the low-pass filter after an operating point parameter readjustment. 動作点パラメータ調整手段を備える周波数測定装置の第1の例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the 1st example of a frequency measurement apparatus provided with an operating point parameter adjustment means. 動作点パラメータ調整手段を備える周波数測定装置の第2の例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the 2nd example of a frequency measurement apparatus provided with an operating point parameter adjustment means. 動作点パラメータ調整手段を備える周波数測定装置の第3の例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the 3rd example of a frequency measurement apparatus provided with an operating point parameter adjustment means. 動作点パラメータ調整手段を備える周波数測定装置の第4の例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the 4th example of a frequency measurement apparatus provided with an operating point parameter adjustment means.

符号の説明Explanation of symbols

10 信号源、20 短ゲートタイムカウンタ部、30 ローパスフィルタ、450 分周・逓倍器、50 調整部、60 記憶部、70 動作点算出部、80 制御部 10 signal source, 20 short gate time counter unit, 30 low-pass filter, 450 frequency divider / multiplier, 50 adjustment unit, 60 storage unit, 70 operating point calculation unit, 80 control unit

Claims (9)

パルス列状の被測定信号を発生する信号源と、
前記被測定信号を短いゲート時間のサンプリング周波数で連続的に計数して前記被測定信号の周波数に対応した一連のカウント値を出力するゲートタイムカウンタ部と、
前記一連のカウント値から第1の周波成分を除去して前記被測定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、
前記被測定信号の周波数と前記サンプリング周波数とが、予め求められた、前記被測定信号の周波数と前記サンプリング周波数との周波数比対雑音レベルの分布特性に基づいて選定されることによって前記ローパスフィルタの出力中の雑音レベルを減少させる、周波数測定装置。
A signal source for generating a signal under measurement in the form of a pulse train;
A gate time counter unit that continuously counts the signal under measurement at a sampling frequency of a short gate time and outputs a series of count values corresponding to the frequency of the signal under measurement;
A low-pass filter that removes a first frequency component from the series of count values and outputs a level signal corresponding to the frequency of the signal under measurement,
The frequency of the signal under measurement and the sampling frequency are selected based on a distribution characteristic of a frequency ratio versus a noise level between the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency, which is obtained in advance. A frequency measurement device that reduces the noise level in the output.
前記被測定信号の周波数及び前記サンプリング周波数の組み合わせが、前記被測定信号の周波数aと前記サンプリング周波数bとの比a/bのうちの、0〜1の間の値である動作点パラメータによって定義され、前記動作点パラメータの値が、雑音レベルが増大する、所定の有理数の近傍値とならないように、前記被測定信号の周波数及び前記サンプリング周波数が設定される、請求項1に記載の周波数測定装置。   The combination of the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency is defined by an operating point parameter that is a value between 0 and 1 in the ratio a / b between the frequency a of the signal under measurement and the sampling frequency b. 2. The frequency measurement according to claim 1, wherein the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency are set so that the value of the operating point parameter does not become a value near a predetermined rational number that increases a noise level. apparatus. 前記所定の有理数が、1/1,1/2,1/3,1/4,1/5のいずれかを含む、請求項2に記載の周波数測定装置。   The frequency measurement apparatus according to claim 2, wherein the predetermined rational number includes any one of 1/1, 1/2, 1/3, 1/4, and 1/5. 前記所定の有理数の近傍値は、前記動作点パラメータを種々に設定したときに、前記ローパスフィルタの出力に表れるパターン雑音レベルが基準値を超える場合の前記動作点パラメータの値である、請求項2又は3に記載の周波数測定装置。   The neighborhood value of the predetermined rational number is a value of the operating point parameter when a pattern noise level appearing in an output of the low-pass filter exceeds a reference value when the operating point parameter is variously set. Or the frequency measuring apparatus of 3. 更に、前記被測定信号の周波数及び/又は前記サンプリング周波数を調整する周波数調整部と、を備え、
前記周波数調整部は、前記被測定信号の周波数及び前記サンプリング周波数を、前記動作点パラメータの値が所定の有理数の近傍値から離間するように設定する、請求項2乃至4のいずれかに記載の周波数測定装置。
And a frequency adjustment unit for adjusting the frequency of the signal under measurement and / or the sampling frequency.
5. The frequency adjustment unit according to claim 2, wherein the frequency adjustment unit sets the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency so that the value of the operating point parameter is separated from a value near a predetermined rational number. Frequency measuring device.
更に、
前記被測定信号の周波数及び/又は前記サンプリング周波数を調整する周波数調整部と、
前記短ゲートタイムカウンタ部の出力から動作点パラメータを算出する動作点算出部と、
前記所定の有理数の近傍を除いた動作点パラメータの範囲を記憶する記憶部と、
各部を制御する制御部と、を備え、
前記動作点算出部は、ある区間内の短ゲートタイムカウンタ部の出力の列から平均値を求めることで前記動作点パラメータを算出し、
前記制御部は、前記動作点算出部から算出した動作点パラメータを受け取り、この動作点パラメータが前記記憶部に記憶された動作点パラメータの範囲内に存在するように、前記周波数調整部を通して前記被測定信号の周波数又は前記サンプリング周波数を変化させる機能を有する、請求項2乃至4のいずれかに記載の周波数測定装置。
Furthermore,
A frequency adjustment unit for adjusting the frequency of the signal under measurement and / or the sampling frequency;
An operating point calculation unit for calculating an operating point parameter from the output of the short gate time counter unit;
A storage unit for storing a range of operating point parameters excluding the vicinity of the predetermined rational number;
A control unit for controlling each unit,
The operating point calculation unit calculates the operating point parameter by obtaining an average value from a sequence of outputs of the short gate time counter unit within a certain section,
The control unit receives the operating point parameter calculated from the operating point calculating unit, and passes through the frequency adjusting unit so that the operating point parameter is within the range of the operating point parameter stored in the storage unit. The frequency measurement device according to claim 2, having a function of changing a frequency of a measurement signal or the sampling frequency.
更に、
前記短ゲートタイムカウンタ部の出力から動作点パラメータを算出する動作点算出部と、
前記所定の有理数の近傍を除いた動作点パラメータの範囲を記憶する記憶部と、を備え、
前記周波数調整部は、前記動作点算出部が算出した動作点パラメータが前記所定の有理数の近傍の範囲にあるときに、前記被測定信号の周波数と前記サンプリング周波数とを動作点パラメータに基づいて再調整する、請求項5に記載の周波数測定装置。
Furthermore,
An operating point calculation unit for calculating an operating point parameter from the output of the short gate time counter unit;
A storage unit for storing a range of operating point parameters excluding the vicinity of the predetermined rational number,
The frequency adjustment unit recalculates the frequency of the signal under measurement and the sampling frequency based on the operating point parameter when the operating point parameter calculated by the operating point calculating unit is in a range near the predetermined rational number. The frequency measuring device according to claim 5, which is adjusted.
前記周波数調整部は、前記信号源の発振回路の回路電圧を含む回路定数、該信号源の出力を分周する分周器又は該信号源の出力を逓倍する逓倍器、前記サンプリング周波数のうち少なくともいずれかを調整する、請求項5乃至7のいずれかに記載の周波数測定装置。   The frequency adjustment unit includes at least one of a circuit constant including a circuit voltage of an oscillation circuit of the signal source, a frequency divider that divides the output of the signal source, a multiplier that multiplies the output of the signal source, and the sampling frequency. The frequency measuring device according to claim 5, wherein any one of the frequency measuring devices is adjusted. 請求項1乃至8のいずれかに記載の周波数測定装置を使用した機器。   A device using the frequency measuring device according to claim 1.
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