JP2014002105A - 物理量測定装置、物理量測定方法 - Google Patents

物理量測定装置、物理量測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】連続パルスの入力信号をクロックでカウントする際に、消費電力を増大させることなく、精度を向上させる。
【解決手段】信号入力部と、第1クロック生成部と、高速の第2クロック生成部と、設定された間隔でゲート時間信号を出力するゲート時間生成部と、連続するゲート時間信号について、それぞれのゲート時間信号後に最初に検出される入力信号の検出対象エッジで定められる測定時間内の第1クロックのエッジ数をカウントする低分解能カウンタと、ゲート時間信号を検出後、少なくとも低分解能カウンタのカウント開始まで第2クロックをゲーテッドクロックとして出力する第2クロック生成制御部と、入力信号のエッジをゲーテッドクロックで検出後、低分解能カウンタのカウント開始まで、ゲーテッドクロックのエッジ数をカウントする高分解能カウンタとを備えた物理量測定装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、連続パルスの入力信号の間隔をクロックでカウントすることにより、入力信号の周波数やパルス間隔等の物理量を測定するパルス数カウント技術に関する。
連続パルスの入力信号の周波数を測定する場合、図9に示すように、測定時間Tの間に含まれる入力信号の周期数Lを計数し、L/T[Hz]を演算することで周波数を求めることができる。
所定のクロックで動作するディジタル測定器を用いた実際の測定においては、図10に示すように、入力信号を動作クロックで測定時間Tの間サンプリングして、入力信号の周期数Lと動作クロックの周期数Mとを計数する。動作クロックの周期τは既知であり、測定時間Tは、T=M×τとなるから、入力信号の周波数fは、f=L/(M×τ)により算出される。
しかしながら、一般に、入力信号は動作クロックと非同期で変動するため、入力信号の周期数Lに対応する測定時間Tと、測定結果Tsとの間に誤差が生じる。具体的には、入力信号の最初の立ち上がりから動作クロックで検出されるまでの時間d1が測定結果Tsに含まれず、入力信号のL周期目の終了時から測定結果Tsの終了時までの時間d2が余分に計測される。なお、本明細書では、立ち上がりエッジを検出対象のエッジとするが、立ち下がりエッジを検出対象のエッジとしてもよい。
特開2004−198393号公報
高精度で周波数を測定するためには、この誤差を小さくすることが必要である。そこで、図11に示すように、動作クロックよりも速い高速クロックを用いて入力信号をサンプリングすることで測定結果Tsに含まれる誤差を小さくすることができる。
しかしながら、高速クロックを使用して測定時間Tを計測すると、高速クロックの周期数をカウントするためのカウンタのビット数が増加し、回路規模が増大してしまう。また、高速クロックで測定動作を行なうと、消費電力が増大する。2線式伝送器等のように測定器によっては、電力供給に制約がある場合もあるため、消費電力は少ない方が好ましい。
消費電力を抑えつつ、高精度で計測するために、特許文献1には、時間幅拡大回路を用いて、動作クロック周期時間未満の端数時間である時間d1、時間d2を伸張し、伸張した端数時間を動作クロックでカウントすることが開示されている。
しかし、時間幅拡大回路を測定器に搭載することにより、測定器のコストが上昇するとともに、測定誤差要因が加わることになる。また、時間幅を拡大して動作クロックでカウントしているため、測定に時間がかかるという問題もある。
そこで、本発明は、連続パルスの入力信号をクロックでカウントする際に、消費電力を増大させることなく、精度を向上させることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様である物理量測定装置は、連続パルスの入力信号を受け付ける信号入力部と、第1クロックを生成する第1クロック生成部と、前記第1クロックより高速の第2クロックを生成する第2クロック生成部と、設定された間隔でゲート時間信号を出力するゲート時間生成部と、連続するゲート時間信号について、それぞれのゲート時間信号後に最初に検出される前記入力信号の検出対象エッジで定められる測定時間内の前記第1クロックの検出対象エッジ数をカウントする低分解能カウンタと、前記ゲート時間信号を検出後、少なくとも前記低分解能カウンタのカウント開始まで前記第2クロックをゲーテッドクロックとして出力する第2クロック生成制御部と、前記入力信号の検出対象エッジを前記ゲーテッドクロックで検出後、前記低分解能カウンタのカウント開始まで、前記ゲーテッドクロックの検出対象エッジ数をカウントする高分解能カウンタと、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記低分解能カウンタの値と、前記高分解能カウンタの値と、次に取得された前記高分解能カウンタの値と、前記第1クロックの周期と、前記第2クロックの周期とに基づいて、前記測定時間を算出する演算部をさらに備えることができる。
また、前記測定時間内の前記入力信号の検出対象エッジ数をカウントする入力信号パルス数カウンタをさらに備え、前記演算部は、前記測定時間と、前記入力信号パルス数カウンタの値とに基づいて、前記入力信号の周波数を算出するようにしてもよい。
また、前記第2クロック生成制御部は、前記ゲーテッドクロックの連続出力個数が所定値を超えると、前記低分解能カウンタのカウント開始前であっても、前記ゲーテッドクロックの出力を停止するようにしてもよい。
上記課題を解決するため、本発明の第2の態様である物理量測定方法は、第1クロックと、前記第1クロックより高速の第2クロックとを用いた、連続パルス入力信号の物理量測定方法であって、設定された間隔でゲート時間信号を出力するゲート時間生成ステップと、連続するゲート時間信号について、それぞれのゲート時間信号後に最初に検出される入力信号の検出対象エッジで定められる測定時間内の前記第1クロックの検出対象エッジ数をカウントする低分解能カウントステップと、前記ゲート時間信号を検出後、少なくとも前記低分解能カウンタのカウント開始まで前記第2クロックをゲーテッドクロックとして出力する第2クロック生成制御ステップと、前記入力信号の検出対象エッジを前記ゲーテッドクロックで検出後、前記低分解能カウンタのカウント開始まで、前記ゲーテッドクロックの検出対象エッジ数をカウントする高分解能カウントステップと、を有することを特徴とする。
本発明によれば、連続パルスの入力信号をクロックでカウントする際に、消費電力を増大させることなく、精度を向上させることができる。
本実施形態に係る周波数測定装置の構成を示すブロック図である。 ゲート時間と測定時間との関係を説明するタイミング図である。 入力信号を低分解能クロックで同期化し、低クロック同期化信号を生成する様子を示すタイミング図である。 ゲーテッドクロックの生成と高クロック同期化信号の生成を説明するタイミング図である。 本実施形態の高分解能カウント動作を説明するフローチャートである。 本実施形態の低分解能カウント動作および入力信号パルス数カウントを説明するフローチャートである。 本実施形態の周波数測定装置のカウント動作例を示すタイミング図である。 本実施形態に係る周波数測定装置の別構成を示すブロック図である。 連続パルスの入力信号の周波数測定を説明する図である。 動作クロックでサンプリング動作を行なう場合を説明する図である。 高速クロックでサンプリング動作を行なう場合を説明する図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を周波数測定装置に適用した場合について説明する。ただし、本発明は、周波数測定装置に限られず、連続パルスの入力信号のパルス間隔を動作クロックでカウントする構成を有する物理量測定装置全般に適用することができる。このような物理量測定装置には、パルス数カウント装置、パルス間隔測定装置等が含まれる。
図1は、本実施形態に係る周波数測定装置の構成を示すブロック図である。本図に示すように、周波数測定装置100は、信号入力部110、ゲート時間設定部120、ゲート時間生成部122、低分解能クロック生成部130、低分解能クロック同期化部132、高分解能クロック生成部140、高分解能クロック生成制御部142、高分解能クロック同期化部144、入力信号パルス数カウンタ150、低分解能カウンタ152、高分解能カウンタ154、演算部160を備えている。
信号入力部110は、周波数測定対象である連続パルスを受け付ける。連続パルスは、例えば、振動式圧力センサのセンサ部等において生成される。受け付けた信号は入力信号として、低分解能クロック同期化部132、高分解能クロック同期化部144に入力される。
低分解能クロック生成部130は、動作クロックとして用いる低分解能クロックを生成する。低分解能クロックは、ゲート時間生成部122、低分解能クロック同期化部132、高分解能クロック生成制御部142、入力信号パルス数カウンタ150、低分解能カウンタ152、高分解能カウンタ154に入力される。
高分解能クロック生成部140は、低分解能クロックよりも高分解能の高分解能クロックを生成する。高分解能クロックは、高分解能クロック生成制御部142に入力される。
なお、高分解能クロックの速度は、低分解能クロックの速度の整数倍であり、低分解クロックの立ち上がりタイミングが高分解能クロックの立ち上がりタイミングと一致するように、両クロックが同期しているのもとする。また、低分解能クロック、高分解能クロックとも周波数が既知であり、測定中は常時生成されるものとする。
ゲート時間設定部120は、測定時間Tの基準となるゲート時間の設定を受け付け、ゲート時間生成部122に出力する。ゲート時間は、測定時間Tの基準となる時間であり、ユーザが任意に設定することができる。図2に示すように、ゲート時間がt1〜t2であった場合、t1後、入力信号の最初の立ち上がりタイミングtAから、t2後、入力信号の最初の立ち上がりタイミングtBまでの時間が測定時間Tとなる。
ゲート時間生成部122は、低分解能クロックに同期し、設定されたゲート時間の間隔でゲート時間信号を生成する。連続的に測定を行なうため、ゲート時間信号は、ゲート時間毎に繰り返し生成する。ゲート時間信号は、高分解能クロック生成制御部142、入力信号パルス数カウンタ150、低分解能カウンタ152、高分解能カウンタ154に入力される。
低分解能クロック同期化部132は、図3に示すように、入力信号を低分解能クロックで同期化し、低クロック同期化信号を生成する。低クロック同期化信号は、高分解能クロック生成制御部142、入力信号パルス数カウンタ150、低分解能カウンタ152、高分解能カウンタ154に入力される。
高分解能クロック生成制御部142は、図4に示すように、ゲート時間信号(t1)を低分解能クロックで検出すると(t2)、高分解能クロックをゲーテッドクロックとして出力する(t3)。ゲーテッドクロックは、高分解能クロック同期化部144、高分解能カウンタ154に入力される。そして、ゲーテッドクロックの出力後、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジ(t4)を低分解能クロックで検出する(t5)と、ゲーテッドクロックの出力を停止する(t6)。
この結果、高分解能クロックであるゲーテッドクロックは、ゲート時間信号の検出時のみに後段に出力されることになる。このため、高分解能クロックで動作する時間を減らすことができ、高分解能クロックを用いた高精度の測定を可能とするとともに、消費電力の増大を避けることができる。
高分解能クロック同期化部144は、入力信号をゲーテッドクロックで同期化し、高クロック同期化信号を生成する。このため、高クロック同期化信号は、ゲーテッドクロックが出力されている期間のみ入力信号に同期することになる。(図4のt3〜t6を参照。t3以前は前回のゲーテッドクロックの同期状態を維持する)。高クロック同期化信号は、高分解能カウンタ154に入力される。
入力信号パルス数カウンタ150は、低分解能クロックに同期し、ゲート時間信号のアサートから、次のアサートまでの間の低クロック同期化信号の立ち上がりエッジ数をカウントする。入力信号パルス数カウンタ150のカウント値は、図2に示したゲート時間に対応する測定時間Tに含まれる入力信号の周期数Lに相当し、入力信号パルスカウント値として演算部160に入力される。
低分解能カウンタ152は、低分解能クロックに同期し、ゲート時間信号のアサート後の最初の低クロック同期信号の立ち上がりエッジから、次のゲート時間信号のアサート後の最初の低クロック同期信号の立ち上がりエッジまでの低分解能クロックの立ち上がりエッジ数をカウントする。低分解能カウンタ152のカウント値は、ゲート時間に対応する測定時間Tに含まれる低分解能クロックの個数(図9におけるM)に相当し、低分解能カウント値として演算部160に入力される。
高分解能カウンタ154は、ゲート時間信号のアサート後の最初の高クロック同期信号の立ち上がりエッジをゲーテッドクロックで検出してから、最初の低クロック同期信号の立ち上がりエッジを低分解能クロックで検出するまでの、ゲーテッドクロックの立ち上がりエッジ数をカウントする。高分解能カウンタ154のカウント値は、図10における端数時間d1に近似し、高分解能カウント値として演算部160に入力される。なお、次のゲート時間の際に取得される高分解能カウント値が、図10における端数時間d2に近似することになる。
演算部160は、入力信号パルスカウント値、低分解能カウント値、低分解能カウント値に基づいて、測定時間Tを算出し、測定時間Tに基づいて入力信号の周波数を算出する。具体的な算出方法について後述する。
次に、本実施形態の周波数測定装置100のパルス数カウント動作について説明する。ゲート時間で定められる測定は、複数回繰り返され、測定回数をNで表わすものとする。また、測定回数Nにおける入力信号パルスカウント値、低分解能カウント値、高分解能カウント値を、それぞれ、入力信号パルスカウント値(N)、低分解能カウント値(N)、高分解能カウント値(N)と表わすものとする。
まず、高分解能カウント動作について図5のフローチャートを参照して説明する。測定回数Nを1に初期化し(S101)、高分解能クロック生成制御部142が、ゲート時間信号を検出すると(S102:Yes)、ゲーテッドクロックの出力を開始する(S103)。
入力信号は、高分解能クロック同期化部144によりゲーテッドクロックで同期化され、高分解能カウンタ154が、高クロック同期化信号の立ち上がりエッジを検出すると(S104:Yes)、ゲーテッドクロックの立ち上がりエッジ数をカウントする(S105)。
ゲーテッドクロックのカウントは、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジを低分解能クロックで検出するまで行ない、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジを低分解能クロックで検出すると(S106:Yes)、高分解能カウンタ154はカウントを停止する(S107)。これにより、測定回数N=1における高分解能カウント値(1)が取得される。
また、高分解能クロック生成制御部142は、高分解能カウンタ154のカウント停止後に、ゲーテッドクロックの出力を停止する(S108)。これにより、次のゲート時間信号まで、ゲーテッドクロックに基づく測定動作は行なわれないため、高分解能クロックを用いることによる消費電力の増大を防ぐことができる。
そして、N=N+1として(S110)、2回目以降の高分解能カウント値(N)の取得を、測定が終了するまで繰り返す(S109)。
次に、低分解能カウント動作および入力信号パルス数カウント動作について図6のフローチャートを参照して説明する。測定回数Nを1に初期化し(S201)、ゲート時間信号検出後、低クロック同期化信号の最初の立ち上がりエッジを低分解能クロックで検出すると(S202:Yes)、低分解能カウンタ152が低分解能クロックの立ち上がりエッジ数をカウントし(S203)、入力信号パルス数カウンタ150が、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジ数をカウントする(S204)。
両カウントは、次のゲート時間信号検出後、低クロック同期化信号の最初の立ち上がりエッジを低分解能クロックで検出するまで行ない、次のゲート時間信号検出後、低クロック同期化信号の最初の立ち上がりエッジを低分解能クロックで検出すると(S205:Yes)、両カウントを停止する。これにより、測定回数N=1における低分解能カウント値(1)および入力信号パルスカウント値(1)が取得される(S206)。
そして、N=N+1として(S208)、2回目以降の低分解能カウント値(N)および入力信号パルスカウント値(N)の取得を、測定が終了するまで繰り返す(S208)。それぞれのカウントは連続して行なうため、取得されたカウント値(N)は、即座に退避させるか、それぞれ複数個のカウンタを用いるようにする。
演算部160は、上述の手順によって取得された高分解能カウント値、低分解能カウント値に基づいて、測定時間Tを算出する。N回目の測定に係る測定時間T(N)は、低分解能クロックの周期をτL、高分解能クロックの周期をτHとして、以下の式に基づいて算出することができる。なお、以下の式は、図10における測定時間T=測定結果Ts+d1−d2に相当する。
測定時間T(N)=低分解能カウント値(N)×τL+高分解能カウント値(N)×τH−高分解能カウント値(N+1)×τH
すなわち、測定時間T(N)を算出するにあたり、N回目の高分解能カウント値(N)とN+1回目の高分解能カウント値(N+1)とを用いることになる。
また、演算部は、算出された測定時間T(N)と上述の手順によって取得された入力信号パルスカウント値(N)とに基づいて、以下の式により入力信号の周波数f(N)を算出する。
周波数f(N)=入力信号パルスカウント値(N)/測定時間T(N)
図7は、上述の手順で行なわれる周波数測定装置100のカウント動作例を示すタイミング図である。本図の例では、タイミングt1においてゲート時間信号が発生し、これを低分解能クロックで検出してゲーテッドクロックの出力が開始される。
タイミングt2において入力信号の立ち上がりエッジが発生し、ゲーテッドクロックで同期して測定回数Nの高分解能カウントが開始される。その後、低分解能クロックでも同期し、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジがタイミングtBで検出されると、高分解能カウントを停止するとともにゲーテッドクロックの出力が停止される。同時に、測定回数Nの低分解能カウントと入力信号パルスカウントとが開始される。
タイミングt3において、次のゲート時間信号が発生した後、タイミングt4において入力信号の立ち上がりエッジが発生して、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジがタイミングtCで検出されると、測定回数Nの低分解能カウントと入力信号パルスカウントを停止し、測定回数N+1のカウントを開始する。
また、タイミングt3における次のゲート時間信号により、ゲーテッドクロックの出力が再開する。その後、タイミングt4における入力信号の立ち上がりエッジにより、測定回数N+1の高分解能カウントを開始し、タイミングtCで測定回数N+1の高分解能カウントを停止する。
次に、周波数測定装置100の別構成について図8を参照して説明する。例えば、振動式圧力センサからのセンサ信号を入力信号とした場合、振動停止などの異常状態になったとき、ゲート時間信号の後、低クロック同期化信号が検出されずに、ゲーテッドクロックが出力されたままになり、消費電力が増大してしまうおそれがある。
そこで、本図に示す周波数測定装置101は、周波数異常を検出すると、ゲーテッドクロックを停止することで消費電力の増加を防ぐための構成を追加している。具体的には、上述の周波数測定装置100に振動停止時間設定部170と周波数異常検出部172とを付加している。また、高分解能クロック生成制御部173に、上述の高分解能クロック生成制御部142の機能に加え、周波数異常検出信号が入力されると、ゲーテッドクロックの出力を停止させる機能を追加している。
振動停止時間設定部170は、周波数異常と判定するゲーテッドクロックのカウント値の設定を受け付ける。ゲーテッドクロックは、ゲート時間信号検出後、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジまで出力されるが、周波数異常が発生すると立ち上がりエッジが検出されないので、入力信号の下限周波数時におけるゲーテッドクロックの最大個数を見積もって設定することで、周波数異常を判定することができる。
周波数異常検出部172は、カウンタを備えており、ゲート時間信号検出後、ゲーテッドクロックの数をカウントする。このカウント値が、高クロック同期信号の立ち上がりエッジ(あるいは、低クロック同期化信号の立ち上がりエッジ)を検出する前に振動停止時間設定値を超えると、周波数異常が発生したと判定し、周波数異常検出信号を出力する。
周波数異常検出信号は、高分解能クロック生成制御部173に入力され、ゲーテッドクロックの出力が停止される。これにより、消費電力の増大を防ぐことができる。また、周波数異常検出信号は、割込信号として、図示しないCPUに通知することが望ましい。なお、周波数異常検出部172の機能を高分解能クロック生成制御部173に内蔵させるようにしてもよい。
100…周波数測定装置、101…周波数測定装置、110…信号入力部、120…ゲート時間設定部、122…ゲート時間生成部、130…低分解能クロック生成部、132…低分解能クロック同期化部、140…高分解能クロック生成部、142…高分解能クロック生成制御部、144…高分解能クロック同期化部、150…入力信号パルス数カウンタ、152…低分解能カウンタ、154…高分解能カウンタ、160…演算部、170…振動停止時間設定部、172…周波数異常検出部、173…高分解能クロック生成制御部

Claims (5)

  1. 連続パルスの入力信号を受け付ける信号入力部と、
    第1クロックを生成する第1クロック生成部と、
    前記第1クロックより高速の第2クロックを生成する第2クロック生成部と、
    設定された間隔でゲート時間信号を出力するゲート時間生成部と、
    連続するゲート時間信号について、それぞれのゲート時間信号後に最初に検出される前記入力信号の検出対象エッジで定められる測定時間内の前記第1クロックの検出対象エッジ数をカウントする低分解能カウンタと、
    前記ゲート時間信号を検出後、少なくとも前記低分解能カウンタのカウント開始まで前記第2クロックをゲーテッドクロックとして出力する第2クロック生成制御部と、
    前記入力信号の検出対象エッジを前記ゲーテッドクロックで検出後、前記低分解能カウンタのカウント開始まで、前記ゲーテッドクロックの検出対象エッジ数をカウントする高分解能カウンタと、
    を備えたことを特徴とする物理量測定装置。
  2. 前記低分解能カウンタの値と、前記高分解能カウンタの値と、次に取得された前記高分解能カウンタの値と、前記第1クロックの周期と、前記第2クロックの周期とに基づいて、前記測定時間を算出する演算部をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の物理用測定装置。
  3. 前記測定時間内の前記入力信号の検出対象エッジ数をカウントする入力信号パルス数カウンタをさらに備え、
    前記演算部は、前記測定時間と、前記入力信号パルス数カウンタの値とに基づいて、前記入力信号の周波数を算出することを特徴とする請求項2に記載の物理量測定装置。
  4. 前記第2クロック生成制御部は、前記ゲーテッドクロックの連続出力個数が所定値を超えると、前記低分解能カウンタのカウント開始前であっても、前記ゲーテッドクロックの出力を停止することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の物理量測定装置。
  5. 第1クロックと、前記第1クロックより高速の第2クロックとを用いた、連続パルス入力信号の物理量測定方法であって、
    設定された間隔でゲート時間信号を出力するゲート時間生成ステップと、
    連続するゲート時間信号について、それぞれのゲート時間信号後に最初に検出される入力信号の検出対象エッジで定められる測定時間内の前記第1クロックの検出対象エッジ数をカウントする低分解能カウントステップと、
    前記ゲート時間信号を検出後、少なくとも前記低分解能カウンタのカウント開始まで前記第2クロックをゲーテッドクロックとして出力する第2クロック生成制御ステップと、
    前記入力信号の検出対象エッジを前記ゲーテッドクロックで検出後、前記低分解能カウンタのカウント開始まで、前記ゲーテッドクロックの検出対象エッジ数をカウントする高分解能カウントステップと、
    を有することを特徴とする物理量測定方法。
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