JP2010127914A - Frequency measurement device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a frequency measurement device of short gate counting method, which simplifies a circuit such as a filter as much as possible, increases the speed, and reduces the power in a circuit operation. <P>SOLUTION: This frequency measurement device includes: a short gate time counter (10) that counts signals to be measured at a predetermined sampling frequency and outputs a counted value corresponding to the frequency of the signals to be measured; and a low-pass filter (20) for filtering the counted value. The low-pass filter includes a first moving average filter (21), and is set so that the value obtained by dividing the sampling frequency by the number of taps of the first moving average filter is larger than a frequency variation range of the signals to be measured. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は周波数測定装置に関し、特に、被測定信号を短いサンプリング周期で連続的に計数し、計数値列から高周波成分を除いて周波数変動成分を検出する短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置の改良に関する。   The present invention relates to a frequency measurement device, and more particularly, to improve a short gate time count frequency measurement device that continuously counts a signal under measurement with a short sampling period and detects a frequency fluctuation component by removing a high frequency component from a count value sequence. About.

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(例えば、特許文献1参照)、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(例えば、特許文献2参照)、ΔΣ変調信号を得ることで周波数を知る方式(例えば、特許文献3参照)が知られている。
特開2001−119291号公報 特開平5−172861号公報 米国特許第7230458号
The frequency measurement method includes a direct counting method (see, for example, 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 that time ( For example, see Patent Document 2), and a method of knowing the frequency by obtaining a ΔΣ modulation signal (see Patent Document 3, for example) is known.
JP 2001-119291 A JP-A-5-172861 US Pat. No. 7,230,458

出願人は、上記に加え新たな提案として、短ゲートタイムカウント方式による周波数測定装置を提案している(特願2008−099721号)。   In addition to the above, the applicant has proposed a frequency measurement apparatus using a short gate time count method (Japanese Patent Application No. 2008-099721).

この周波数カウント方式は、短いゲートタイムで途切れることなく繰り返しカウント(サンプリング)を行い、得られたカウント値の列から高周波成分を取り除くようにしたもの(フィルタリング)で、時間分解能・周波数分解能ともに大幅に改善することができる。本方式の周波数カウンタは、カウンタ回路と小規模な演算回路で構成され、回路規模の増大を抑えつつマルチチャネル化が容易という特長を持つ。また、サンプリング周波数を高めるほど分解能が向上する等の特徴がある。   This frequency counting method repeats counting (sampling) without interruption in a short gate time, and removes high-frequency components from the obtained count value sequence (filtering). Both time resolution and frequency resolution are greatly improved. Can be improved. The frequency counter of this system is composed of a counter circuit and a small arithmetic circuit, and has an advantage that multi-channeling is easy while suppressing an increase in circuit scale. Further, there is a feature that the resolution is improved as the sampling frequency is increased.

上記高周波成分を取り除くためにローパスフィルターが使用される。例えば、ローパスフィルター部の構成としてデジタルフィルターを用いる場合、メモリと演算装置が必要になる。ローパスフィルターとして移動平均フィルターを用いることで演算量を大幅に削減することができ、高精度なリアルタイム測定が可能となる。短ゲートカウント部はハードウエアとしても単純な構成であるため高速動作に適しているのに対し、フィルター部の処理には多ビットの加減算が必要となるため、リアルタイム測定におけるサンプリング周波数の上限を規定するのは、主にフィルター部の処理能力である。かかる部分の回路が簡素化されれば、高速動作化、リアルタイム処理、低電力化が可能となる。   A low pass filter is used to remove the high frequency components. For example, when a digital filter is used as the configuration of the low-pass filter unit, a memory and an arithmetic unit are required. By using a moving average filter as a low-pass filter, the amount of calculation can be greatly reduced, and high-precision real-time measurement is possible. The short gate count unit has a simple hardware configuration and is suitable for high-speed operation, but the filter unit requires multi-bit addition and subtraction, so the upper limit of the sampling frequency for real-time measurement is specified. It is mainly the processing capability of the filter part that does. If such a circuit is simplified, high-speed operation, real-time processing, and low power can be achieved.

よって、本発明は短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置においてローパスフィルター部等の回路を可及的に簡素化し、回路動作の高速化と低電力化を可能とした周波数測定装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a frequency measurement device that simplifies circuits such as a low-pass filter unit as much as possible in a frequency measurement device of a short gate time count method, and that enables high-speed circuit operation and low power consumption. Objective.

また、本発明は被測定信号が、パルス列信号、ビットストリーム信号(シリアルに出力されるデジタルデータ)などの2値レベル信号であるとき、当該周波数測定装置をより簡易に構成することを可能とした周波数測定装置を提供することである。   Further, the present invention makes it possible to more easily configure the frequency measuring device when the signal under measurement is a binary level signal such as a pulse train signal or a bit stream signal (digital data output serially). It is to provide a frequency measuring device.

上記目的を達成するため本発明の周波数測定装置の実施態様用の一つは、パルス列信号を所定のサンプリング周波数で計数し、上記パルス列信号の周波数に対応したカウント値を出力する短ゲートタイムカウンター部と、上記カウント値をフィルタリングするローパスフィルター部と、を備え、上記ローパスフィルター部は第1の移動平均フィルターを含み、上記サンプリング周波数を上記第1の移動平均フィルターのタップ数で割り算した値が、上記パルス列信号の周波数変化範囲よりも大となるように設定されている。   In order to achieve the above object, one of the embodiments of the frequency measuring apparatus of the present invention is a short gate time counter that counts a pulse train signal at a predetermined sampling frequency and outputs a count value corresponding to the frequency of the pulse train signal. And a low-pass filter unit that filters the count value, the low-pass filter unit includes a first moving average filter, and a value obtained by dividing the sampling frequency by the number of taps of the first moving average filter is: It is set to be larger than the frequency change range of the pulse train signal.

ここで、「サンプリング周波数÷移動平均フィルターのタップ数」をダイナミックレンジと定義する。ダイナミックレンジ内に被測定信号の周波数変化を収めれば、移動平均フィルターの出力に桁上がり(オーバーフロー)、桁下がり(アンダーフロー)が生じない。   Here, “sampling frequency ÷ tap number of moving average filter” is defined as a dynamic range. If the frequency change of the signal under measurement is kept within the dynamic range, no carry (overflow) and no carry (underflow) occur in the output of the moving average filter.

かかる構成とすることによって、カウンタの入力部からローパスフィルター部の一段目移動平均フィルターの出力部まで、信号の流れをビットストリーム化することができ、2値信号を処理する論理回路などによって当該部分を簡易に構成することができる。これにより、回路の簡易化、高速化、低消費電力化を図ることが可能となる。   With this configuration, the signal flow can be converted into a bit stream from the input section of the counter to the output section of the first-stage moving average filter of the low-pass filter section. Can be configured easily. This makes it possible to simplify the circuit, increase the speed, and reduce power consumption.

上記周波数測定装置においては、動作を設定するパラメータとしての、上記被測定パルス列信号の周波数と上記サンプリング周波数との比である動作点(より正確には下記の動作点パラメータ)が、上記ローパスフィルター部の出力中のパターン雑音レベルの少ない値に選定されることが望ましい。それにより、パターン雑音を回避して、SN比を向上することが可能となる。動作点パラメータは、次のように定義される。   In the frequency measurement device, an operating point (more precisely, the following operating point parameter), which is a ratio of the frequency of the pulse train signal to be measured and the sampling frequency, is set as an operation setting parameter. It is desirable to select a value with a low pattern noise level in the output. As a result, pattern noise can be avoided and the SN ratio can be improved. The operating point parameter is defined as follows.

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、動作点パラメータの値は0〜1の間の値を取ることが判る。後述するように、短ゲートタイムカウント方式では、出力にパターン雑音の発生が見られる。動作点パラメータを適切に選定することによってパターン雑音の発生を回避し、あるいはパターン雑音のレベルを低下させることができる。   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. From the definition formula, it can be seen that the value of the operating point parameter takes a value between 0 and 1. As will be described later, in the short gate time count method, generation of pattern noise is observed in the output. By appropriately selecting the operating point parameter, generation of pattern noise can be avoided or the level of pattern noise can be reduced.

上記周波数測定装置において、更に、2値信号の列を入力とし、上記2値信号の列を反転して出力することができる反転/非反転調整部と、上記反転/非反転調整部に反転/非反転の指示を与える判定回路と、を備え、上記カウンタ値は2値信号の列として出力され上記反転/非反転調整部の入力となり、上記反転/非反転調整部の出力が上記ローパスフィルター部の入力となる、ことが望ましい。   In the frequency measurement device, the binary signal sequence is further input, and the binary signal sequence is inverted and output, and the inverted / non-inverted adjustment unit is inverted / A determination circuit for giving a non-inversion instruction, wherein the counter value is output as a binary signal sequence and is input to the inversion / non-inversion adjustment unit, and the output of the inversion / non-inversion adjustment unit is the low-pass filter unit It is desirable to be input.

被測定パルス列信号の周波数変化が少ない場合には1ビットのカウンタで短ゲートカウンタ部をより簡易に回路構成することが可能である。ただし、この場合には、カウントしている“0”と“1”の値が大小(真値)を意味しているのか、補数(あるいは反転)を意味するのかが不明であるので、(極性)判別回路によってパルス列信号の周波数を一方向(周波数増加方向又は周波数減少方向)に変化させ、これに対応してカウント値が増加したか減少したかを判別することによってカウント値の意味(真値か、補数値か)を判別可能とすることが可能となる。   When the frequency change of the pulse train signal to be measured is small, it is possible to more easily configure the short gate counter unit with a 1-bit counter. However, in this case, it is unclear whether the counted values “0” and “1” mean large or small (true value) or complement (or inversion). ) The meaning of the count value (true value) is determined by changing the frequency of the pulse train signal in one direction (frequency increasing direction or frequency decreasing direction) by the determining circuit and determining whether the count value has increased or decreased correspondingly. Or a complementary value) can be discriminated.

上記短ゲートタイムカウンタ部及び上記一段目移動平均フィルターが、ラッチ回路と、シフトレジスタ回路と、排他的論理和回路によって構成される、ことが望ましい。短ゲートタイムカウンタ部及び一段目移動平均フィルターが等価な簡略化された回路(等価回路)で構成される。それにより、回路簡易化、高速化、低消費電力化が図られて好ましい。   It is desirable that the short gate time counter unit and the first-stage moving average filter include a latch circuit, a shift register circuit, and an exclusive OR circuit. The short gate time counter unit and the first stage moving average filter are configured by an equivalent simplified circuit (equivalent circuit). Thereby, circuit simplification, high speed, and low power consumption are achieved, which is preferable.

上記ローパスフィルター部は、更に、複数段の移動平均フィルターを備え、上記複数段の移動平均フィルターは、上記第1の移動平均フィルタの後段に設けられる、ことが望ましい。それにより、より良いローパスフィルター特性が得られる。   It is desirable that the low-pass filter unit further includes a plurality of stages of moving average filters, and the plurality of stages of moving average filters are provided at a stage subsequent to the first moving average filter. Thereby, better low-pass filter characteristics can be obtained.

上記一段目移動平均フィルターの後段に、更に、アナログフィルター部が設けられ、上記複数段の移動平均フィルターは、上記第1の移動平均フィルタの後段に設けられる、ことが望ましい。それにより、より良いローパスフィルター特性が得られる。   It is desirable that an analog filter unit is further provided after the first stage moving average filter, and the plurality of stages of moving average filters are provided after the first moving average filter. Thereby, better low-pass filter characteristics can be obtained.

上記ローパスフィルター部は、更に、アップカウンター部を備え、上記アップカウンター部は、前記第1の移動平均フィルターの後段に設けられる、ことが望ましい。   It is desirable that the low-pass filter unit further includes an up-counter unit, and the up-counter unit is provided at a subsequent stage of the first moving average filter.

また、上記一段目移動平均フィルターの後段に、シフトレジスタとアップダウンカウンタが設けられる、ことが望ましい。シフトレジスタとアップダウンカウンタが移動平均フィルターとして機能し、一段移動平均フィルターのローパスフィルター特性が改善される。   Further, it is desirable that a shift register and an up / down counter are provided after the first stage moving average filter. The shift register and up / down counter function as a moving average filter, and the low-pass filter characteristics of the one-stage moving average filter are improved.

上述した周波数測定装置は、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ようにしたQCMデバイス、例えば、質量センサ、ニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサ等に使用して好適である。   The above-described frequency measuring apparatus uses a QCM (Quartz Crystal Microbalance) method using a crystal resonator to convert a small amount of mass change on the surface of the resonator substrate into a frequency change, such as a mass sensor. It is suitable for use in odor sensors, gas sensors, biosensors and the like.

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置では、被測定信号の入力部から一段移動平均フィルターの出力部までの信号の流れをビットストリーム化(2値信号の出力列)する。また、2値出力の回路で処理すべく、当該ビットストリーム部分において桁上げ、桁下げが生じないように、被測定信号周波数、サンプリング周波数、動作点、一段移動平均フィルターのタップ数等のパラメータが調整される。   In the frequency measurement device of the short gate time count system of the present invention, the signal flow from the input portion of the signal under measurement to the output portion of the one-stage moving average filter is bitstreamed (binary signal output string). In addition, parameters such as the measured signal frequency, sampling frequency, operating point, number of taps of the one-stage moving average filter, and the like are set so that carry or carry-down does not occur in the bit stream portion to be processed by the binary output circuit. Adjusted.

(実施例1)     (Example 1)

まず、本願で説明する短ゲートタイムカウント方式は、供給されるパルス列信号を短いゲート時間で連続的に計数して該パルス列信号の周波数に対応したパルス列状に振る舞う一連のカウント値を得て、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。かかる短ゲートタイムカウント方式の基本については、既述した特願2008−099721号に回路構成や動作について詳細に説明されている。また、1ビットカウンタで短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置を構成した例が特願2008−099728号に説明されている。   First, the short gate time counting method described in the present application continuously counts a supplied pulse train signal with a short gate time to obtain a series of count values that behave like a pulse train corresponding to the frequency of the pulse train signal. The frequency change is extracted by obtaining a series of signals corresponding to the frequency of the pulse train signal supplied by removing high frequency components from the series of count values. The basics of such a short gate time counting method are described in detail in the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2008-099721 for circuit configuration and operation. Japanese Patent Application No. 2008-099728 describes an example in which a 1-bit counter constitutes a short gate time count frequency measuring device.

図1(A)は、短ゲートタイムカウント方式を使用して1ビット(2値)出力のカウンタで周波数測定装置を構成する例を説明するブロック図である。   FIG. 1A is a block diagram illustrating an example in which a frequency measurement device is configured with a 1-bit (binary) output counter using the short gate time count method.

同図に示すように、短ゲートタイムカウンタ部10、ローパスフィルター部20及び反転/非反転部80等によって周波数測定装置が構成されている。   As shown in the figure, a frequency measuring device is constituted by the short gate time counter unit 10, the low-pass filter unit 20, the inversion / non-inversion unit 80, and the like.

短ゲートタイムカウンタ部10は、図示しないQCMデバイスの水晶発振器などから供給される被測定信号(パルス列信号)の周波数を1ビット出力のカウンタで所定のサンプリング周期で計数してビットストリーム(一連の2値出力)の計数出力を発生する。信号源の周波数変化範囲が既知である場合、短ゲートカウンタ部10のサンプリング周波数を適宜に設定することによって1ビットのカウンタにおいて桁上がりの生じない動作をさせることが可能である。このような条件下では、1ビットのカウンタで測定結果を得ることが出来る。   The short gate time counter unit 10 counts the frequency of a signal under measurement (pulse train signal) supplied from a crystal oscillator of a QCM device (not shown) with a 1-bit output counter at a predetermined sampling period, and generates a bit stream (a series of 2 Value output). When the frequency change range of the signal source is known, it is possible to perform an operation in which no carry occurs in the 1-bit counter by appropriately setting the sampling frequency of the short gate counter unit 10. Under such conditions, a measurement result can be obtained with a 1-bit counter.

後述するように、例えば、簡略化された短ゲートタイムカウンタ部10は、サンプリング周波数fsで動作するデータラッチと、1ビット出力の2進カウンタと、タップ数mの移動平均フィルターとを含んで構成される。   As will be described later, for example, the simplified short gate time counter unit 10 includes a data latch that operates at a sampling frequency fs, a binary counter that outputs 1 bit, and a moving average filter that has m taps. Is done.

ローパスフィルター部20は、短ゲートタイムカウンタ部10が出力するビットストリーム信号の計数出力から高周波成分を除去(フィルタ処理)して周波数変化に対応した計測値を出力する。フィルタ処理は、その中に含まれている不要なものを取り除き、目的とする情報を取り出す処理である。   The low pass filter unit 20 removes (filters) high frequency components from the count output of the bit stream signal output from the short gate time counter unit 10 and outputs a measurement value corresponding to the frequency change. The filtering process is a process of removing unnecessary information contained therein and extracting target information.

後述するように、1ビットカウンタの出力は、その「0」と「1」の列が計数値の大小に対応している場合(正出力の場合)と、出力値列が逆(補数)となっている場合(補数出力)とがある。これは、例えば、手動によって被測定信号の周波数を増加又は減少させ、これに対応して計数値が増加又は減少した場合には、出力値は入力周波数に正しく対応していると判別できる。また、被測定信号の周波数を増加又は減少させ、計数値が減少又は増加した場合には、出力値は補数出力になっていると判別できる。   As will be described later, the output of the 1-bit counter is such that the sequence of “0” and “1” corresponds to the magnitude of the count value (in the case of positive output), and the output value sequence is reversed (complement). (Complement output). For example, when the frequency of the signal under measurement is manually increased or decreased and the count value is increased or decreased correspondingly, it can be determined that the output value correctly corresponds to the input frequency. Further, when the frequency of the signal under measurement is increased or decreased and the count value is decreased or increased, it can be determined that the output value is a complement output.

反転/非反転部80は、上記極性の判別結果に基づいて短ゲートタイムカウンタ部10の2値出力を反転又は非反転としてローパスフィルター部20に中継する。これにより、1ビットカウンタを用いた周波数測定装置であっても、正しい周波数計数値を得ることができる。   The inversion / non-inversion unit 80 relays the binary output of the short gate time counter unit 10 to the low-pass filter unit 20 as inversion or non-inversion based on the polarity determination result. As a result, a correct frequency count value can be obtained even with a frequency measurement device using a 1-bit counter.

図1(B)は、上述したカウンタ出力の補数判別・修正を自動的に行うようにした短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置の例を示している。
同図において、図1(A)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. 1B shows an example of a short gate time count type frequency measuring apparatus that automatically performs the above-described counter output complement determination / correction.
In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1A are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

上述したように、1ビット出力の2進カウンタでサンプリングを行い計数値を出力した場合には、1ビットの情報では、カウント値の0と1の出力がカウント値の大小に対応しているのか、補数の関係なのかを判断することが出来ない。そこで、この実施例ではビット判別部70を更に設けている。他の構成は図1(A)と同様である。   As described above, when sampling is performed by a binary counter with 1-bit output and a count value is output, whether the output of count values 0 and 1 corresponds to the magnitude of the count value in 1-bit information It is impossible to judge whether the relationship is complementary. Therefore, in this embodiment, a bit discrimination unit 70 is further provided. Other structures are similar to those in FIG.

判定部70は、例えば、コンピュータシステムに制御プログラムによって実行される機能として構成される。判定部70(より正確にはコンピュータ)は所定イベントの発生に応じて動作する。判定部70は、まず、up/down信号によって信号源10の発振周波数を増減させる。これに対応してローパスフィルタ部20の出力が増減する場合には、カウンタ部10の「0」と「1」の出力がカウント値の大小に対応していると判別する。また、信号源10の発振周波数を増減させ、これに対応してローパスフィルタの出力が減増する場合には、カウンタ部10の「0」と「1」の出力が補数の関係(出力が逆)になっていると判別する。補数の関係になっている場合には、判定部70は補数判別信号を反転/非反転部80に与え、カウンタ部10の「0」と「1」の出力を反転させてローパスフィルタ部20に中継させる。
なお、判定部70がモニタする出力は、ローパスフィルタ部20の出力の他、カウンタ部10の出力や反転/非反転部80の出力であっても良い。
The determination unit 70 is configured as a function executed by a control program in a computer system, for example. The determination unit 70 (more precisely, a computer) operates in response to the occurrence of a predetermined event. The determination unit 70 first increases / decreases the oscillation frequency of the signal source 10 using the up / down signal. When the output of the low-pass filter unit 20 increases or decreases correspondingly, it is determined that the outputs “0” and “1” of the counter unit 10 correspond to the magnitude of the count value. When the oscillation frequency of the signal source 10 is increased or decreased, and the output of the low-pass filter is increased or decreased correspondingly, the outputs of the counter unit 10 “0” and “1” have a complement relationship (the output is reversed). ) Is determined. In the case of a complement relationship, the determination unit 70 gives a complement determination signal to the inversion / non-inversion unit 80, inverts the outputs of “0” and “1” of the counter unit 10 to the low-pass filter unit 20. Relay.
Note that the output monitored by the determination unit 70 may be the output of the counter unit 10 or the output of the inversion / non-inversion unit 80 in addition to the output of the low-pass filter unit 20.

次に、1ビット(2値)出力のカウンタを使用する短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置の回路簡略化について説明する。   Next, circuit simplification of a short gate time count frequency measuring apparatus using a 1-bit (binary) output counter will be described.

図2(A)乃至同図(H)は、周波数測定装置の回路簡易化過程の各段階を示している。各図において対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。   2A to 2H show each stage of the circuit simplification process of the frequency measuring device. In the drawings, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

まず、図2(A)に示すように、基本的な短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置は、被測定信号(例えば、QCMデバイスの水晶発振器等から供給されるパルス列信号)を所定サンプリング周波数で計数するnビット出力のカウンタ部10と、カウンタ部10が出力する連続的なカウント値列から高周波成分を除いて周波変化成分を抽出するフィルタリング処理を行うローパスフィルター部20を備えている。   First, as shown in FIG. 2A, a basic short-gate time-count frequency measurement apparatus uses a signal to be measured (for example, a pulse train signal supplied from a crystal oscillator of a QCM device) at a predetermined sampling frequency. An n-bit output counter unit 10 that counts and a low-pass filter unit 20 that performs a filtering process for removing a high-frequency component from a continuous count value sequence output from the counter unit 10 and extracting a frequency change component are provided.

同図(B)は、短ゲートタイムカウンタ部10が1ビット出力カウンタで構成されている。被測定信号の周波数変化範囲は既知であるか、余裕を見た十分大きい変化範囲(変化範囲幅がaで範囲幅のバラつきがbであるとき、例えばa+3b等)を仮定する。例えば、既述QCMデバイスの水晶発振器等では予め周波数変化範囲が判っているものがある。このため、後述するように、計数結果に桁上がり、桁下がりが生じないようにサンプリング周波数が予め選定(周波数変化範囲<サンプリング周波数)されている。この条件下では、短ゲートタイムカウンタ部10として1ビットカウンタを使用することができる。1ビットカウンタ10の連続な2値の出力をローパスフィルター部20で信号処理する。   In FIG. 5B, the short gate time counter unit 10 is composed of a 1-bit output counter. It is assumed that the frequency change range of the signal under measurement is known or has a sufficiently large change range with a margin (for example, a + 3b when the change range width is a and the range width variation is b). For example, some of the above-described crystal oscillators of the QCM device have a known frequency change range. For this reason, as will be described later, the sampling frequency is selected in advance (frequency change range <sampling frequency) so as not to cause a carry or a carry in the counting result. Under this condition, a 1-bit counter can be used as the short gate time counter unit 10. The low-pass filter unit 20 performs signal processing on the continuous binary output of the 1-bit counter 10.

同図(C)に示すように、1ビットのカウンタは、例えば、サンプリング周波数で動作するラッチ11と、1ビットのカウンタとして機能するカウント計算部12によって構成することができる。1ビットのカウンタは、保持値が「0」のときに「0」が入力されると、出力は「0」、保持値が「0」のときに「1」が入力されると、出力は「1」、保持値が「1」のときに「0」が入力されると、出力は「1」、保持値が「1」のときに「1」が入力されると、出力は「0」となる。ローパスフィルター部20は、例えば、3段の移動平均フィルター21〜23によって構成することができる。   As shown in FIG. 3C, the 1-bit counter can be configured by, for example, a latch 11 that operates at a sampling frequency and a count calculation unit 12 that functions as a 1-bit counter. The 1-bit counter outputs “0” when “0” is input when the hold value is “0”, and outputs “0” when “1” is input when the hold value is “0”. When “0” is input when “1” and the holding value is “1”, the output is “1”, and when “1” is input when the holding value is “1”, the output is “0”. " The low-pass filter unit 20 can be configured by, for example, three-stage moving average filters 21 to 23.

同図(D)に示すように、ローパスフィルター部20の三段移動平均フィルター21〜23のうち一段目21をを1ビットカウンタ部10側に移動しても回路的に同じである。   As shown in FIG. 4D, even if the first stage 21 of the three-stage moving average filters 21 to 23 of the low-pass filter section 20 is moved to the 1-bit counter section 10 side, the circuit is the same.

同図(E)に示すように、残りのローパスフィルター部20はローパスフィルターとして機能するのものであればよい。後述するように、デジタルフィルターでもアナログフィルターであっても所要の特性が得られればよい。   As shown in FIG. 5E, the remaining low-pass filter unit 20 only needs to function as a low-pass filter. As will be described later, a digital filter or an analog filter only needs to have the required characteristics.

図3は、図2(C)乃至同図(E)に示した、ラッチ部11、カウント値計算部12、移動平均フィルター21の具体的な構成例を示している。1ビットカウンタは、1個のラッチ11、1個のレジスタz-1と1個の排他的論理和回路によって構成することができる。移動平均フィルター21は、1ビットmタップ(m段)のシフトレジスタz-mとアップダウンカウンタによって構成することができる。 FIG. 3 shows a specific configuration example of the latch unit 11, the count value calculation unit 12, and the moving average filter 21 shown in FIGS. 2C to 2E. The 1-bit counter can be composed of one latch 11, one register z −1 and one exclusive OR circuit. The moving average filter 21 can be constituted by a 1-bit m-tap (m-stage) shift register z- m and an up / down counter.

図2(F)は、上述した、カウント値計算部12と移動平均フィルター21とを簡略化した、後述のカウント/フィルター部13で構成した例を示している。   FIG. 2F illustrates an example in which the count value calculation unit 12 and the moving average filter 21 described above are simplified and configured with a count / filter unit 13 described later.

更に、同図(G)に示すように、1ビット出力のカウンタ部10を使用する場合(あるいは2値信号のビットストリームで信号処理をする場合)には、出力が補数状態となる場合があるので、カウント/フィルター部13の後段(一段目移動平均フィルターの出力に相当)に前述した反転/非反転部80を設け、適宜にカウント出力の反転/非反転を行うようにしている。反転/非反転部80の動作は、判定部70によって制御される(図1参照)。このようにして、正しい計数値出力を維持することができる。   Furthermore, as shown in FIG. 5G, when the counter unit 10 with 1-bit output is used (or when signal processing is performed with a bit stream of a binary signal), the output may be in a complement state. Therefore, the inversion / non-inversion unit 80 described above is provided at the subsequent stage of the count / filter unit 13 (corresponding to the output of the first-stage moving average filter), and the count output is inverted / non-inverted as appropriate. The operation of the inversion / non-inversion unit 80 is controlled by the determination unit 70 (see FIG. 1). In this way, a correct count value output can be maintained.

同図(H)は、反転/非反転部80をカウント値計算部12と移動平均フィルター部21との間に設けた例を示している。また、図示しないが、反転/非反転部80をローパスフィルター部20の後段に設けても良い。このように、反転/非反転部80は都合の良い位置に配置することができる。   FIG. 5H shows an example in which the inversion / non-inversion unit 80 is provided between the count value calculation unit 12 and the moving average filter unit 21. Although not shown, the inversion / non-inversion unit 80 may be provided at the subsequent stage of the low-pass filter unit 20. Thus, the inversion / non-inversion unit 80 can be arranged at a convenient position.

図4(A)は、図3に示される移動平均フィルター部(アップダウンカウンタ形式)21を、mタップのシフトレジスタ、排他的論理和回路、1タップのシフトレジスタ、排他的論理和回路、によって構成した例を示している。ビットストリーム演算の場合、インクリメントとデクリメントは同じ結果となることから、アップダウンカウンタは排他的論理和と等価である。   FIG. 4A shows the moving average filter unit (up / down counter format) 21 shown in FIG. 3 by using an m-tap shift register, an exclusive OR circuit, a 1-tap shift register, and an exclusive OR circuit. A configured example is shown. In the case of a bitstream operation, increment and decrement have the same result, so the up / down counter is equivalent to exclusive OR.

更に、同図(B)は、同図(A)のカウント値計算部12及び移動平均フィルター部21の部分を、その等価回路であるmタップのシフトレジスタz-mと排他的論理和回路とに置き換えた例を示している。 Further, FIG. 5B shows the count value calculation unit 12 and the moving average filter unit 21 of FIG. 5A that are equivalent to the m-tap shift register z- m and an exclusive OR circuit. The example replaced with is shown.

図5乃至図8は、図4(A)の論理回路と同図(B)の論理回路が等価であることを説明する図である。図5(A)及び同図(B)に示すように、各部の信号A(i)〜J(i)を設定すると、図8に示すように、G(i)=A(i)+A(i−n)=J(i)として求められる。   5 to 8 are diagrams for explaining that the logic circuit in FIG. 4A is equivalent to the logic circuit in FIG. As shown in FIG. 5 (A) and FIG. 5 (B), when the signals A (i) to J (i) of each part are set, as shown in FIG. 8, G (i) = A (i) + A ( i−n) = J (i).

この結果を利用すると、図2(F)に示したように、カウント計算部12と移動平均フィルター部21の機能を同等機能を有する簡略化されたカウント/フィルター回路13(図4(B))に置き換えることができる。   Using this result, as shown in FIG. 2 (F), a simplified count / filter circuit 13 (FIG. 4 (B)) having the same functions as those of the count calculation unit 12 and the moving average filter unit 21. Can be replaced.

次に、上述したビットストリーム(シリアルデジタルデータ)信号を処理する短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置において選定すべきパラメータ(ダイナミックレンジ、動作点)について説明する。ダイナミックレンジは短ゲートタイムカウント方式のカウンタ部10における、桁上がり・桁下がりの発生に関連する。動作点はパターン雑音の発生・雑音レベルに関連する。   Next, parameters (dynamic range, operating point) to be selected in the short gate time count frequency measuring apparatus for processing the above-described bit stream (serial digital data) signal will be described. The dynamic range relates to the occurrence of a carry or a carry in the short gate time count type counter unit 10. The operating point is related to pattern noise generation and noise level.

まず、ビットストリーム信号の信号処理において桁上がり、桁下がりが生じない条件について説明する。   First, the condition under which no carry or carry occurs in the signal processing of the bit stream signal will be described.

図9は、図2(E)に示す、短ゲートタイムカウンタ部(1ビットカウンタ+一段移動平均フィルター)10において、例えば、サンプリング周波数を1kHz、動作点を0.283付近、一段目移動平均フィルター部21のタップ数を100とした場合の、出力例(一段移動平均フィルター)を示している。図示のように、比較的に大きい周波数変化の被測定信号(図中に太い実線で示されている。)が入力されると、桁変動が生じ、図中に実線で示されるように出力は多値に及ぶ。   FIG. 9 shows, for example, a sampling frequency of 1 kHz, an operating point of around 0.283, and a first-stage moving average filter in the short gate time counter unit (1 bit counter + one-stage moving average filter) 10 shown in FIG. An output example (one-stage moving average filter) when the number of taps of the unit 21 is 100 is shown. As shown in the figure, when a signal under measurement having a relatively large frequency change (indicated by a thick solid line in the figure) is input, digit fluctuation occurs, and the output is as shown by the solid line in the figure. Multi-valued.

このような桁変動が生じる条件は、「被測定信号周波数変化>一段目移動平均フィルターのダイナミックレンジ」である。この場合、ダイナミックレンジは「サンプリング周波数÷移動平均フィルターのタップ数」で表される。   The condition for causing such digit fluctuation is “change in signal frequency to be measured> dynamic range of first-stage moving average filter”. In this case, the dynamic range is expressed by “sampling frequency ÷ tap number of moving average filter”.

これを図9の例に当てはめてみると、周波数変化は約25Hz、サンプリング周波数は1kHz、タップ数は100である。ダイナミックレンジは、1kHz÷100=10Hzとなる。周波数変化約25Hz>ダイナミックレンジ10Hzより、移動平均フィルター出力は多値に及ぶ。   When this is applied to the example of FIG. 9, the frequency change is about 25 Hz, the sampling frequency is 1 kHz, and the number of taps is 100. The dynamic range is 1 kHz / 100 = 10 Hz. Since the frequency change is about 25 Hz> the dynamic range is 10 Hz, the moving average filter output is multivalued.

図10は、被測定信号の周波数変化が比較的に少ない場合の例を示している。他は図9の場合と同条件である。移動平均フィルター部21の出力は2値に収まっている。このような桁変動が生じない条件は、「被測定信号の周波数変化<一段移動平均フィルターのダイナミックレンジ」である。この条件を満たすことによって、ビットストリームとして信号を処理することができる。   FIG. 10 shows an example where the frequency change of the signal under measurement is relatively small. The other conditions are the same as in FIG. The output of the moving average filter unit 21 is within a binary value. The condition in which such digit fluctuation does not occur is “frequency change of signal under measurement <dynamic range of one-stage moving average filter”. By satisfying this condition, the signal can be processed as a bit stream.

具体的に当てはめてみると、周波数変化は約7Hzである。周波数変化約7Hz<ダイナミックレンジ10Hzであることから、上の必要条件を満たしており、移動平均フィルター21の出力値を2値に収めることができる。   When specifically applied, the frequency change is about 7 Hz. Since the frequency change is about 7 Hz <dynamic range 10 Hz, the above requirement is satisfied, and the output value of the moving average filter 21 can be kept in a binary value.

図11は、図9の被測定信号の周波数変化測定において、タップ数を減らすことでビットストリーム化に対処した例を示す。移動平均フィルターのタップ数を100から25に減らすことで、1kHz÷25=40Hzとし、ダイナミックレンジを10Hzから40Hzに上げて上記必要条件を満たしている。   FIG. 11 shows an example of dealing with bitstreaming by reducing the number of taps in the frequency change measurement of the signal under measurement of FIG. By reducing the number of taps of the moving average filter from 100 to 25, 1 kHz ÷ 25 = 40 Hz, and the dynamic range is increased from 10 Hz to 40 Hz to satisfy the above requirement.

図12は、図9の被測定信号の周波数変化測定において、サンプリング周波数を増加することでビットストリーム化に対処した例を示す。カウンタ及び移動平均フィルターの動作を1kHzから3kHzに引き上げ、3kHz÷100=30Hzとし、ダイナミックレンジを10Hzから30Hzに上げて上記必要条件を満たしている。   FIG. 12 shows an example of dealing with bitstreaming by increasing the sampling frequency in the frequency change measurement of the signal under measurement of FIG. The operation of the counter and the moving average filter is increased from 1 kHz to 3 kHz, 3 kHz ÷ 100 = 30 Hz, and the dynamic range is increased from 10 Hz to 30 Hz to satisfy the above requirement.

以上説明したように、短ゲートカウント法では、ダイナミックレンジに関連するパラメータを適切に選択することによって、桁変化が生じないようにすることができる。被測定信号周波数がダイナミックレンジ内に収まり、カウント値は2値となり、情報はビットストリームで表現することができる。   As described above, in the short gate count method, digit change can be prevented from occurring by appropriately selecting a parameter related to the dynamic range. The measured signal frequency falls within the dynamic range, the count value becomes binary, and the information can be expressed as a bit stream.

ダイナミックレンジに関連するパラメータとしては、被測定信号周波数、サンプリング周波数fs、1段移動平均フィルター21のタップ数m、などがある。   The parameters related to the dynamic range include the measured signal frequency, the sampling frequency fs, the number of taps m of the one-stage moving average filter 21, and the like.

図13は、短ゲートタイムカウント法におけるパターン雑音強度分布の動作点パラメータ依存性の例を示している。   FIG. 13 shows an example of the operating point parameter dependence of the pattern noise intensity distribution in the short gate time counting method.

前述したように、動作点パラメータは「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)として定義される。ただし、Int(c)はcの整数部を返す関数である。   As described above, the operating point parameter is defined as “measured frequency ÷ sampling frequency−Int (measured frequency ÷ sampling frequency). Here, Int (c) is a function that returns the integer part of c.

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。短ゲートタイムカウント方式では、出力にパターン雑音の発生が見られる。パターン雑音の強度は動作点パラメータ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)。   It can be seen from the definition formula that the operating point parameter takes a value between 0 and 1. In the short gate time count method, pattern noise is generated in the output. The intensity of the pattern noise is a complex function of the operating point parameter and has symmetry with the 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).

そこで、図13は、雑音強度と動作点の関係は、動作点パラメータ0〜0.5の範囲で示している。   Therefore, FIG. 13 shows the relationship between the noise intensity and the operating point in the range of operating point parameters 0 to 0.5.

同図から判るように、動作点パラメータが単純な有理数値に近い場合、大きなパターン雑音が発生する。1次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が、これと同じアナロジーである。
As can be seen from the figure, when the operating point parameter is close to a simple rational value, a large pattern noise is generated. In the first-order ΔΣ modulation, there is an input value whose output generates a periodic sequence, and pattern noise generated when an input close to this is added is known, but this is the same analogy.

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。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、ΔΣ変調を用いたAD変換器では、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、動作点範囲を適宜選ぶことにより有害なパターン雑音を回避することができる。   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. 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 the fact that an AD converter using ΔΣ modulation handles 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 it is harmful to select the operating point range appropriately without changing the configuration. Pattern noise can be avoided.

上記2値化の条件選択に際しては、動作点パラメータも適切になるようにパラメータを選ぶことでSN比を改善することができることが判る。   It can be seen that the S / N ratio can be improved by selecting parameters so that the operating point parameters are also appropriate when selecting the binarization conditions.

次に、図14乃至図17を参照して、上述した、短ゲートタイムカウンタ方式の短ゲートカウント出力の反転とビットストリームについて説明する。
を補足する。
Next, with reference to FIG. 14 to FIG. 17, the inversion of the short gate count output of the short gate time counter method and the bit stream will be described.
To supplement.

図14は、既述した、短ゲートカウント出力及び一段移動平均フィルター出力をビットストリームとして扱う場合の、サンプリング周波数と移動平均フィルタータップ数とダイナミックレンジの関係を説明するグラフである。   FIG. 14 is a graph for explaining the relationship between the sampling frequency, the moving average filter tap number, and the dynamic range when the short gate count output and the one-stage moving average filter output described above are handled as a bit stream.

図示のグラフの横軸は時間(秒)、縦軸は周波数シフト(Hz)である。グラフ中には、ゲート時間を0.1秒(サンプリング周波数10Hz)としたときの、短ゲートカウンタの出力(サンプリング周波数の下限値と上限値との間に細線で示されるパルス状の出力)、移動平均フィルター(タップ数5)の出力(太線で示されるパルス状の出力)、被測定周波数(パルス列内の曲線で示される移動平均フィルターの出力)を示している。以下の図15乃至図17においても同じである。   The horizontal axis of the illustrated graph is time (seconds), and the vertical axis is frequency shift (Hz). In the graph, when the gate time is 0.1 seconds (sampling frequency 10 Hz), the output of the short gate counter (pulse-like output indicated by a thin line between the lower limit value and the upper limit value of the sampling frequency), It shows the output of a moving average filter (5 taps) (pulse-shaped output indicated by a thick line) and the frequency to be measured (output of a moving average filter indicated by a curve in a pulse train). The same applies to FIGS. 15 to 17 below.

既述のように、ダイナミックレンジは「ダイナミックレンジ=サンプリング周波数÷移動平均フィルターのタップ数」として定義される。この例では、ダイナミックレンジは2(=10÷5)である。このダイナミックレンジ内に被測定信号の周波数変動が収まっていれば、カウンタに桁上がり桁下がりが生じず、カウンタ部出力(一段移動平均フィルタ出力)は2値出力状態となってビットストリームの出力となる。これは、被測定信号の周波数に対してサンプリング周波数と移動平均フィルターのタップ数の選定によって実現できる。短ゲートタイムカウンタ及び一段移動平均フィルターの部分の信号をビットストリームとすることによって、上述したように同部分の回路構成を論理ゲートなどによって簡略化することができる。後続する回路もデジタル(2値)回路で処理できるので簡略化することができる。   As described above, the dynamic range is defined as “dynamic range = sampling frequency ÷ number of moving average filter taps”. In this example, the dynamic range is 2 (= 10 ÷ 5). If the frequency variation of the signal under measurement is within this dynamic range, the counter will not carry a carry and the counter output (single-stage moving average filter output) will be in the binary output state and the bit stream output will be Become. This can be realized by selecting the sampling frequency and the number of taps of the moving average filter with respect to the frequency of the signal under measurement. By using the signal of the part of the short gate time counter and the one-stage moving average filter as a bit stream, the circuit configuration of the part can be simplified by a logic gate as described above. Subsequent circuits can be processed with a digital (binary) circuit, which can be simplified.

図15乃至図17は、カウンタの2値出力が補数かどうかを判別する他の手順を説明するものである。   FIGS. 15 to 17 illustrate another procedure for determining whether the binary output of the counter is a complement.

まず、図15は、短ゲートカウント値と移動平均フィルター出力値の例(カウント値と移動平均値を整数として扱う場合)を示している。   First, FIG. 15 shows an example of the short gate count value and the moving average filter output value (when the count value and the moving average value are treated as integers).

例えば、120Hz〜130Hzの間で変化する被測定信号をゲート時間0.1秒(サンプリング周波数10Hz)で測定した場合、短ゲートカウント値は12又は13となる。移動平均の計算は、区間内のカウント値の和をタップ数で除したものであるが、スケーリングを考えない場合はタップ数で除さなくとも良い。タップ数が5の場合、移動平均値として60〜65の値のいずれかが出力される。   For example, when a signal under measurement changing between 120 Hz and 130 Hz is measured with a gate time of 0.1 second (sampling frequency 10 Hz), the short gate count value is 12 or 13. The moving average is calculated by dividing the sum of the count values in the section by the number of taps, but if scaling is not considered, it may not be divided by the number of taps. When the number of taps is 5, any one of values 60 to 65 is output as the moving average value.

図16は、短ゲートカウント値と移動平均フィルター出力値の例(カウント値と移動平均値をビットストリームとして扱う場合)を示している。ビットストリームとして扱う場合には、2値に置き換える。すなわち、図15のグラフの右側に示された、「13」→「1」、「12」→「0」、「65」→「1」、「64」→「0」、…、「60」→「0」のように置き換えられる。   FIG. 16 shows an example of the short gate count value and the moving average filter output value (when the count value and the moving average value are handled as a bit stream). When it is handled as a bit stream, it is replaced with a binary value. That is, “13” → “1”, “12” → “0”, “65” → “1”, “64” → “0”,..., “60” shown on the right side of the graph of FIG. → Replaced with “0”.

図17は、移動平均フィルター出力値の例(カウント値と移動平均値をビットストリームとして扱う場合)を示している。同図のグラフの右側には、図16中の「1」、「0」、…、「0」に対応して、移動平均フィルター出力値の各レンジに「OK」、「補数」、「OK」、…、「OK」が記載されている。   FIG. 17 shows an example of the moving average filter output value (when the count value and the moving average value are handled as a bit stream). On the right side of the graph of the same figure, “OK”, “complement”, “OK” are shown in each range of the moving average filter output value corresponding to “1”, “0”,..., “0” in FIG. ... “OK” is described.

図15と図17とを比較すると、被測定周波数(図15の右側欄)がどこのレンジ内に収まるかにより、移動平均フィルター出力値の大小関係が被測定周波数の増減関係と対応しているか、補数の関係にあるかが判る(図17の右側欄)。   15 is compared with FIG. 17, whether the magnitude relationship of the moving average filter output value corresponds to the increase / decrease relationship of the measured frequency, depending on which range the measured frequency (right column in FIG. 15) falls within. , It can be seen whether there is a complement relationship (right column in FIG. 17).

(実施例2)     (Example 2)

図18は、ローパスフィルター部20の他の構成例を示している。この例では、カウント/フィルター部(1ビットカウンタ+移動平均フィルターの機能)13の後段に公知のアナログローパスフィルターを接続することによってアナログのレベル出力が得られる。   FIG. 18 shows another configuration example of the low-pass filter unit 20. In this example, an analog level output is obtained by connecting a known analog low-pass filter downstream of the count / filter unit (function of 1-bit counter + moving average filter) 13.

図19は、装置動作のパラメータをサンプリング周波数3kHz、動作点パラメータ0.336付近、に設定した場合の上記アナログフィルターの出力例である。被測定信号と比べると、歪みがある。   FIG. 19 shows an output example of the analog filter when the apparatus operation parameters are set to a sampling frequency of 3 kHz and an operating point parameter of around 0.336. There is distortion compared to the signal under measurement.

図20は、動作点パラメータ0.283付近とし、他を図19の場合と同条件とした場合の上記アナログフィルターの出力例を示している。略被測定信号と同じ出力が得られている。図19及び図20を比べると、動作点パラメータにより、SN比が異なることが判る。   FIG. 20 shows an output example of the analog filter when the operating point parameter is around 0.283 and the other conditions are the same as those in FIG. The same output as the signal under measurement is obtained. Comparing FIG. 19 and FIG. 20, it can be seen that the SN ratio varies depending on the operating point parameter.

上記図18に示すような、デジタルフィルター(例えば、移動平均フィルター21)とアナログフィルターとを用いるハイブリッドフィルターの利点について検討する。   Consider the advantages of a hybrid filter using a digital filter (for example, moving average filter 21) and an analog filter as shown in FIG.

フィルター処理をデジタルで処理する場合、情報の劣化が無く高SN比を確保できるが、計算に必要な情報を保持するためのメモリが必要となる。   When the filter processing is performed digitally, a high signal-to-noise ratio can be ensured without deterioration of information, but a memory for holding information necessary for calculation is required.

アナログフィルターの場合、デジタルフィルターで必要であったメモリ部が省略できるため回路が単純化できるというメリットがあるが、高いサンプリング周波数を用いる際は被測定信号の変化量に対し大きく変化する信号を扱うことになるため、非線形ひずみ対策に工夫が必要な場合が出てくることがあり、これを補正するための回路が複雑化する。また、ダイナミックレンジに対し信号変化が小さいと、高SN比を確保することが本質的に困難となる。   In the case of an analog filter, there is a merit that the circuit can be simplified because the memory part necessary for the digital filter can be omitted. However, when a high sampling frequency is used, a signal that varies greatly with the amount of change in the signal under measurement is handled. For this reason, there are cases where it is necessary to devise countermeasures for nonlinear distortion, and the circuit for correcting this becomes complicated. Moreover, if the signal change is small with respect to the dynamic range, it is essentially difficult to ensure a high S / N ratio.

ハイブリッドフィルターでは、デジタルフィルターの出力をアナログフィルターに入力する構成とする。この場合、2レベルで大きく変化する信号がデジタルフィルター(ここでは移動平均フィルター)により小さいステップサイズに変換されるので、(1)アナログフィルターの設計が容易になる、(2)高SN比が確保できる、(3)デジタルフィルターに高い性能も必要としないためデジタルフィルター部の構成が容易となる、等のメリットがある。   The hybrid filter is configured to input the output of the digital filter to the analog filter. In this case, the signal that changes greatly at 2 levels is converted to a smaller step size by the digital filter (here, moving average filter), so (1) the design of the analog filter becomes easy, and (2) a high S / N ratio is secured. (3) Since the digital filter does not require high performance, the configuration of the digital filter unit is easy.

(実施例3)     (Example 3)

図21は、上記一段移動平均フィルター21(カウント/フィルター回路13)の後段に、mタップのシフトレジスタz-mとアップダウンカウンタを用いた2段めの移動平均フィルターを設けて2段移動平均フィルター構成でデジタル出力を得るようにした例を示している。アップダウンカウンタまではビットストリームで信号が伝送され、アップダウンカウンタで複数ビットの出力となる。デジタル出力は、Int(log2m+1)ビットとなる。 FIG. 21 shows a two-stage moving average in which a second-stage moving average filter using an m-tap shift register z- m and an up / down counter is provided after the first-stage moving average filter 21 (count / filter circuit 13). An example in which a digital output is obtained with a filter configuration is shown. A signal is transmitted as a bit stream up to the up / down counter, and an up / down counter outputs a plurality of bits. The digital output is Int (log 2 m + 1) bits.

図22は、サンプリング周波数を3kHz、動作点パラメータを0.336、2段移動平均フィルターのタップ数を200とした場合のデジタルフィルターの出力例を示している。被測定信号に比べるとノイズが大きいことが判る。   FIG. 22 shows an output example of the digital filter when the sampling frequency is 3 kHz, the operating point parameter is 0.336, and the number of taps of the two-stage moving average filter is 200. It can be seen that the noise is larger than the signal under measurement.

図23は、動作点パラメータを0.283とし、他の条件を同じとした場合のでのデジタルフィルターの出力例を示している。ノイズが減少していることが判る。このように、動作点パラメータの選択によって、SN比が異なることがわかる。   FIG. 23 shows an output example of the digital filter when the operating point parameter is 0.283 and the other conditions are the same. It can be seen that the noise is reduced. Thus, it can be seen that the SN ratio varies depending on the selection of the operating point parameter.

以上説明したように、本発明の実施例では、ビットストリーム化された短ゲートカウント部(1ビットカウンタ)+1段移動平均フィルター部の構成を使用しているので、ビットストリーム化されてない場合と比較し回路を簡単化することができ、高速駆動可能となる。測定分解能が向上し、消費電力が抑制できる。   As described above, in the embodiment of the present invention, since the configuration of the bit stream converted short gate count unit (1 bit counter) +1 stage moving average filter unit is used, In comparison, the circuit can be simplified, and high-speed driving is possible. Measurement resolution is improved and power consumption can be suppressed.

また、ビットストリーム化された短ゲートカウント部+1段移動平均フィルター部の構成が等価回路によって簡単化され、回路面積が減り、消費電力の抑制が図られる。   In addition, the configuration of the bit gate converted short gate count unit + 1 stage moving average filter unit is simplified by an equivalent circuit, the circuit area is reduced, and the power consumption is reduced.

また、短ゲートカウント部+1段移動平均フィルター部の構成において、サンプリング周波数とタップ数を適切に選択することによって出力を2値出力とすることができ、当該構成における信号をビットストリーム化することができる。また、動作点パラメータの選択を適切に行うことによって、ビットストリーム化した際のパターン雑音の影響を低減できる。   Also, in the configuration of the short gate count unit + 1 stage moving average filter unit, the output can be made binary output by appropriately selecting the sampling frequency and the number of taps, and the signal in the configuration can be converted into a bit stream. it can. In addition, by appropriately selecting the operating point parameter, it is possible to reduce the influence of pattern noise when bitstreaming is performed.

また、短ゲートカウント部+1段移動平均フィルター部+アナログフィルター部の構成とすることによって、簡単な構成で高分解能なアナログ出力を得ることができる。   Further, by adopting the configuration of the short gate count unit + 1 stage moving average filter unit + analog filter unit, a high resolution analog output can be obtained with a simple configuration.

また、短ゲートカウント部+1段移動平均フィルター部+アップダウンカウンタの構成とすることによって、簡単な構成で2段移動平均フィルター出力(デジタル出力)を得ることができる。   Further, by adopting a configuration of a short gate count unit + 1 stage moving average filter unit + up / down counter, a 2-stage moving average filter output (digital output) can be obtained with a simple configuration.

上述した周波数測定装置は、回路規模が小さく実装が容易なため、装置を小型化・高精度化・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・高分解能化に好適である。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好適である。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、QCMデバイス等に使用して好適である。   Since the frequency measuring apparatus described above has a small circuit scale and can be easily mounted, the apparatus can be reduced in size, increased in accuracy, reduced in weight, and reduced in cost. For example, it is suitable for reducing the size and increasing the resolution of various sensors using quartz. It is suitable for integration and platformization of various sensors using quartz. It is suitable for use in odor sensors, gas sensors, biosensor transducer arrays, QCM devices, and the like.

1ビット出力の短ゲートタイムカウンタの出力を反転/非反転する回路を備えた短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置の例を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the example of the frequency measuring apparatus of the short gate time count system provided with the circuit which inverts / non-inverts the output of the short gate time counter of 1 bit output. 短ゲートタイムカウンタの回路簡略化を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the circuit simplification of a short gate time counter. ビットストリーム構成の1ビットカウンタと移動平均フィルター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 1 bit counter of a bit stream structure, and a moving average filter. 1ビット短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの等価回路化を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the equivalent circuitization of 1 bit short gate counter + one-stage moving average filter. 1ビット短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの等価回路化を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the equivalent circuitization of 1 bit short gate counter + one-stage moving average filter. 1ビット短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの等価回路化を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the equivalent circuitization of 1 bit short gate counter + one-stage moving average filter. 1ビット短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの等価回路化を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the equivalent circuitization of 1 bit short gate counter + one-stage moving average filter. 1ビット短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの等価回路化を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the equivalent circuitization of 1 bit short gate counter + one-stage moving average filter. 短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの出力例(周波数変化大の例)を示すグラフである。It is a graph which shows the output example (example of large frequency change) of a short gate counter + 1 step | paragraph moving average filter. 短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの出力例(周波数変化小の例)を示すグラフである。It is a graph which shows the output example (example with a small frequency change) of a short gate counter + 1 step | paragraph moving average filter. 短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの出力例(タップ数調整例)を示すグラフである。It is a graph which shows the output example (tap number adjustment example) of a short gate counter + 1 step moving average filter. 短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルターの出力例(サンプリング周波数数調整例)を示すグラフである。It is a graph which shows the output example (example of sampling frequency number adjustment) of a short gate counter + 1 step | paragraph moving average filter. パターン雑音強度-動作点パラメータ特性を説明する図である。It is a figure explaining pattern noise intensity-operating point parameter characteristic. 一段移動平均フィルター出力におけるダイナミックレンジを説明する図である。It is a figure explaining the dynamic range in a 1 step moving average filter output. 一段移動平均フィルターの出力レンジとカウント値の対応を説明する図である。It is a figure explaining a response | compatibility with the output range and count value of a one-stage moving average filter. 一段移動平均フィルター出力における補数の対応を説明する図である。It is a figure explaining the correspondence of the complement in a one-stage moving average filter output. 一段移動平均フィルター出力における補数の対応を説明する図である。It is a figure explaining the correspondence of the complement in a one-stage moving average filter output. 短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルター+アナログフィルター構成の例を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the example of a short gate counter + 1 step moving average filter + analog filter structure. 短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルター+アナログフィルターの出力例(動作点0.336)を示すグラフである。It is a graph which shows the output example (operating point 0.336) of a short gate counter + 1 step moving average filter + analog filter. 短ゲートカウンタ+一段移動平均フィルター+アナログフィルターの出力例(動作点調整例)を示すグラフである。It is a graph which shows the output example (example of operating point adjustment) of a short gate counter + 1 step moving average filter + analog filter. 短ゲートカウンタ+2段移動平均フィルター構成の例を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the example of a short gate counter + 2 step | paragraph moving average filter structure. 短ゲートカウンタ+2段移動平均フィルターの出力例(動作点パラメータ0.336)を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the output example (operating point parameter 0.336) of a short gate counter + 2 stage moving average filter. 短ゲートカウンタ+2段移動平均フィルターの出力例(動作点パラメータ調整例)を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the output example (operation point parameter adjustment example) of a short gate counter + 2 stage moving average filter.

符号の説明Explanation of symbols

10 短ゲートタイムカウンタ部、20 ローパスフィルター部、50 アップカウンタ部、70 判定部、80 反転非反転部 10 short gate time counter unit, 20 low-pass filter unit, 50 up counter unit, 70 determination unit, 80 inversion non-inversion unit

Claims (6)

パルス列信号を所定のサンプリング周波数で計数し、前記パルス列信号の周波数に対応したカウント値を出力する短ゲートタイムカウンター部と、
前記カウント値をフィルタリングするローパスフィルター部と、
を備え、
前記ローパスフィルター部は第1の移動平均フィルターを含み、
前記サンプリング周波数を前記第1の移動平均フィルターのタップ数で割り算した値が、前記パルス列信号の周波数変化範囲よりも大となるように設定された、周波数測定装置。
A short gate time counter that counts a pulse train signal at a predetermined sampling frequency and outputs a count value corresponding to the frequency of the pulse train signal;
A low-pass filter for filtering the count value;
With
The low-pass filter unit includes a first moving average filter;
A frequency measurement device, wherein a value obtained by dividing the sampling frequency by the number of taps of the first moving average filter is set to be larger than a frequency change range of the pulse train signal.
前記周波数測定装置の動作を設定するパラメータとして、
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)の値、(ただし、Int(c)はcの整数部を返す関数)を使用する、請求項1に記載の周波数測定装置。
As a parameter for setting the operation of the frequency measuring device,
The frequency measuring device according to claim 1, wherein a value of measured frequency ÷ sampling frequency−Int (measured frequency ÷ sampling frequency) (where Int (c) is a function that returns an integer part of c).
更に、
2値信号の列を入力とし、前記2値信号の列を反転して出力することができる反転/非反転調整部と、
前記反転/非反転調整部に反転/非反転の指示を与える判定回路と、を備え、
前記カウンタ値は2値信号の列として出力され前記反転/非反転調整部の入力となり、
前記反転/非反転調整部の出力が前記ローパスフィルター部の入力となる、請求項1または2のいずれかに記載の周波数測定装置。
Furthermore,
An inversion / non-inversion adjustment unit that takes a binary signal sequence as input and can invert and output the binary signal sequence;
A determination circuit that gives an inversion / non-inversion instruction to the inversion / non-inversion adjustment unit,
The counter value is output as a sequence of binary signals and is input to the inversion / non-inversion adjustment unit.
The frequency measurement device according to claim 1, wherein an output of the inversion / non-inversion adjustment unit is an input of the low-pass filter unit.
前記ローパスフィルター部は、更に、複数段の移動平均フィルターを備え、
前記複数段の移動平均フィルターは、前記第1の移動平均フィルタの後段に設けられる、請求項1乃至3のいずれかに記載の周波数測定装置。
The low-pass filter unit further includes a plurality of stages of moving average filters,
4. The frequency measurement device according to claim 1, wherein the plurality of stages of moving average filters are provided after the first moving average filter. 5.
前記ローパスフィルター部は、更に、アナログフィルターを備え、
前記複数段の移動平均フィルターは、前記第1の移動平均フィルタの後段に設けられる、請求項1乃至3のいずれかに記載の周波数測定装置。
The low-pass filter unit further includes an analog filter,
4. The frequency measurement device according to claim 1, wherein the plurality of stages of moving average filters are provided at a stage subsequent to the first moving average filter. 5.
前記ローパスフィルター部は、更に、アップカウンター部を備え、
前記アップカウンター部は、前記第1の移動平均フィルターの後段に設けられる、請求項1乃至3のいずれかに記載の周波数測定装置。
The low-pass filter unit further includes an up counter unit,
4. The frequency measurement device according to claim 1, wherein the up-counter unit is provided at a subsequent stage of the first moving average filter. 5.
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