JP2014228508A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振器の短期安定度の測定時間を短縮し、作業効率を向上させることができる測定装置を提供する。【解決手段】 制御部と記憶部とを備え、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置及び測定方法であって、周波数カウンタ１が、電源投入後から特定時間に亘って発振器１０の出力周波数の値（周波数データ）をカウントし、記憶部に周波数データを記憶しておき、移動平均処理手段２が、記憶された周波数データについて、算出タイミングの直近一定時間又は前後一定時間における移動平均値を算出し、減算器３が、周波数データから移動平均値を差し引いた差分を特定時間に亘って求め、アラン分散算出処理手段４が、当該差分についてアラン分散の値を算出して、出力周波数の短期安定度の指標として出力する測定装置及び測定方法としており、発振器の電源投入直後であっても過渡的成分の影響を除去し、短期安定度を精度よく測定できるものである。【選択図】 図２

Description

本発明は、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置に係り、特に測定時間を短縮することができる測定装置及び測定方法に関する。

［先行技術の説明］
従来、発振器の出力周波数の短期安定度を表す指標として、Allan分散（アラン分散）が一般的に使用されている。
アラン分散は、式（１）で表される。

ここで、y_iは、区間長τ間の平均周波数であり、Ｍは、測定回数である。
式（１）で表されるアラン分散を算出するには、区間長τ間の平均周波数y_iを連続して測定し、隣の区間との差分を算出する必要がある。

しかしながら、発振器に電源を投入した直後は、出力周波数が安定するまでの過渡的な周波数変化があり、隣の区間との差分にこの過渡的な変化分が含まれてしまい、正しく測定することができない。
そのため、従来は、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する際には、電源投入後に発振器出力が安定するまで、十分な時間（例えば３分以上）が経過してから測定していた。

［関連技術］
尚、周波数の測定装置に関する技術としては、特開平０７−５５５５４号公報「周波数変化測定装置」（横河電機株式会社、特許文献１）がある。
また、周波数の移動平均を用いた技術としては、特開平０９−３２６７０３号公報「Ａ／Ｄ変換器」（ソニー株式会社、特許文献２）がある。

特許文献１には、センサである水晶振動子の共振周波数を測定し、前回の測定値から過去ｎ個の測定値までを記憶し、過去ｎ個前の測定値を現在の測定値から減算し、この差分を順次加算して累積し、累積値をｎで割って移動平均を求める周波数測定装置が記載されている。
また、特許文献２には、Ａ／Ｄ変換器において移動平均フィルタ群を用いることが記載されている。

特開平０７−５５５５４号公報 特開平０９−３２６７０３号公報

上述したように、従来、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する場合には、電源投入後、発振器の出力周波数が安定するまで十分な時間が経過してから測定しなければならず、測定時間が長くなってしまい、効率が悪いという問題点があった。
特に、不良品の選別などで大量のサンプルの測定を行う場合には、その影響が大きい。

尚、特許文献１及び特許文献２には、測定した発振器の出力周波数の値を移動平均し、出力周波数の値から移動平均値を減算した差分値についてアラン分散の値を算出して、出力周波数の短期安定度の指標として出力することは記載されていない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、発振器の短期安定度の測定時間を短縮し、作業効率を向上させることができる測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、制御部と記憶部とを備え、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置であって、発振器の出力周波数の値を測定する周波数カウンタを接続し、記憶部は、処理プログラムを記憶すると共に、周波数カウンタで測定された周波数の値を周波数データとして時系列に記憶するものであり、制御部が、処理プログラムを動作させて実現する処理手段として、周波数データについて移動平均値を算出する移動平均算出処理手段と、記憶された周波数データから移動平均値を減算して、特定時間における差分値データを算出する減算手段と、特定時間における差分値データについて、短期安定度の指標を算出し、指標を短期安定度の測定値として出力する指標算出処理手段とを備えたことを特徴としている。

また、本発明は、上記測定装置において、指標算出処理手段が、短期安定度の指標をアラン分散又はオーバーラッピング・アラン分散によって算出することを特徴としている。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、制御部と記憶部とを備え、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置における測定方法であって、発振器の出力周波数の値を、接続する周波数カウンタで測定する処理と、測定された出力周波数の値を周波数データとして時系列に記憶部に記憶する処理と、周波数データについて移動平均値を算出する移動平均算出処理と、記憶された周波数データから移動平均値を減算して、特定時間における差分値データを算出する減算処理と、特定時間における差分値データについて、短期安定度の指標を算出し、指標を短期安定度の測定値として出力する指標算出処理とを備えたことを特徴としている。

また、本発明は、上記測定方法において、指標算出処理で、短期安定度の指標をアラン分散又はオーバーラッピング・アラン分散によって算出することを特徴としている。

また、本発明は、上記測定方法において、特定時間を、発振器の電源投入後から１０秒間程度とすることを特徴としている。

本発明によれば、制御部と記憶部とを備え、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置であって、発振器の出力周波数の値を測定する周波数カウンタを接続し、記憶部は、処理プログラムを記憶すると共に、周波数カウンタで測定された周波数の値を周波数データとして時系列に記憶するものであり、制御部が、処理プログラムを動作させて実現する処理手段として、周波数データについて移動平均値を算出する移動平均算出処理手段と、記憶された周波数データから移動平均値を減算して、特定時間における差分値データを算出する減算手段と、特定時間における差分値データについて、短期安定度の指標を算出し、指標を短期安定度の測定値として出力する指標算出処理手段とを備えた測定装置としているので、発振器の電源投入直後に現れる過渡的な成分の影響を除去して、電源投入直後であっても、精度よく発振器の出力周波数の短期安定度の指標を算出することができ、測定時間を短縮し、作業効率を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、制御部と記憶部とを備え、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置における測定方法であって、発振器の出力周波数の値を、接続する周波数カウンタで測定する処理と、測定された出力周波数の値を周波数データとして時系列に記憶部に記憶する処理と、周波数データについて移動平均値を算出する移動平均算出処理と、記憶された周波数データから移動平均値を減算して、特定時間における差分値データを算出する減算処理と、特定時間における差分値データについて、短期安定度の指標を算出し、指標を短期安定度の測定値として出力する指標算出処理とを備えた測定方法としているので、発振器の電源投入直後に現れる過渡的な成分の影響を除去して、電源投入直後であっても、精度よく発振器の出力周波数の短期安定度の指標を算出することができ、測定時間を短縮し、作業効率を向上させることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る測定装置における測定方法の概略を示す模式説明図である。 本装置の構成を処理の流れに基づいて概念的に示した説明図である。 本装置と従来の測定装置における短期安定度測定値を示すグラフである。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る測定装置及び測定方法は、発振器の電源投入後から特定時間に亘って出力周波数の値を時系列にカウントしてそのカウント値（周波数の値）を記憶しておき、記憶されたカウント値について移動平均値を算出し、記憶されたカウント値から時間平均値を差し引いた差分データを特定時間に亘って求め、当該特定時間における差分データについてアラン分散を算出して出力周波数の短期安定度の指標として出力するものであり、電源投入直後の出力周波数に含まれる過渡的成分の影響を除去して、電源投入後に直ちに測定を行っても精度の高い短期安定度の測定を行うことができ、測定時間を短縮し、作業効率を向上させることができるものである。

［実施の形態に係る測定装置における測定方法の概略：図１］
本発明の実施の形態に係る測定装置における短期安定度の測定方法の概略について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る測定装置における測定方法の概略を示す模式説明図であり、（ａ）は電源投入直後の周波数データ、（ｂ）は周波数データを時間平均したデータ、（ｃ）は（ａ）のデータから（ｂ）のデータを差し引いたデータを示している。
本発明の実施の形態に係る測定装置（本装置）は、制御部と記憶部とを備え、制御部の処理動作によって、発振器の出力周波数の短期安定度の指標を算出するものであり、電源投入直後に現れる出力周波数の過渡的成分を除去して、発振器の電源投入直後であっても、出力周波数の短期安定度の測定を可能とするものである。

そこで、本装置では、電源投入直後の出力周波数の値を移動平均することにより出力周波数に含まれる電源投入直後の過渡的成分を求め、出力周波数から当該過渡的成分を差し引いた差分についてアラン分散を算出し、短期安定度の指標として出力する。
これにより、本装置では、発振器の電源投入後であっても、出力周波数の短期安定度の指標を精度よく算出することができ、測定時間を短縮することができるものである。

具体的には、本装置では、まず、図１（ａ）に示すように、電源投入直後の周波数データを特定時間に亘って取得し、これを記憶部に記憶しておく。特定時間は、例えば１０秒程度とする。
図１（ａ）に示すように、電源投入直後の出力周波数は、上下に変動しながら、時間経過と共に徐々に低下して設定周波数付近で安定していく。このように、電源投入直後に、高い周波数から右肩下がりに低下する傾向は、発振器本来の特性（短期安定度）に基づくものではなく、一時的な成分（過渡的成分）によるものである。
尚、図１（ａ）の特性は一例であり、発振器によっては時間経過と共に周波数が上昇するものもある。

次に、本装置では、記憶された周波数データに基づいて、周波数の移動平均値を上述した特定時間（ここでは１０秒）に亘って求める。移動平均値の算出については後述する。
そして、図（ｂ）に示す移動平均データを求める。
移動平均を求めることにより、瞬間的な周波数の変動が吸収され、電源投入直後に現れる過渡的成分の特性を表すデータが得られるものである。

そして、本装置では、（ａ）に示した電源投入直後の周波数データから、（ｂ）に示した移動平均データを差し引いて、（ｃ）に示す差分データを求める。
図１（ｃ）に示すように、差分データは、過渡的成分が除去されて、（ａ）に見られるような右肩下がりの傾向はなく、中心周波数付近における周波数変動を取り出すことができるものである。つまり、この差分データには、発振器本来の短期安定度に基づく周波数変動が現れていると考えられる。

そして、本装置は、図１（ｃ）に示した差分データについて、式（１）によるアラン分散を求め、算出された値を出力周波数の短期安定度の指標として出力するものである。
これにより、本装置では、電源投入直後であっても、精度よく出力周波数の短期安定度の指標を算出することができるものである。

［本装置の構成：図２］
次に、本装置の構成について図２を用いて説明する。図２は、本装置の構成を処理の流れに基づいて概念的に示した説明図である。
図２に示すように、本装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で実現され、周波数カウンタ１を接続している。
ＰＣは、基本的に、制御部と記憶部とを備え、制御部は、処理手段として、移動平均処理手段２と、減算器３と、アラン分散算出処理手段４とを備えている。各処理手段は、記憶部に記憶されたプログラムを制御部が起動することによって実現されるものである。また、ＰＣは表示部を備えている。

周波数カウンタ１は、ＤＵＴ（Device Under Test；被検査機）１０となる発振器に接続し、ＤＵＴ（以下「発振器」とする）１０からの出力周波数を特定時間に亘って時系列にカウントして、カウント値（周波数データ）をＰＣに出力する。特定時間は、例えば、電源投入直後から１０秒間とする。
特定時間の周波数データは、図１に示した（ａ）のグラフとなる。

ＰＣの制御部は、時系列に受信した周波数データを、順次記憶部に記憶しておく。
移動平均処理手段２は、記憶部に記憶された周波数データについて移動平均データを算出する。
具体的には、移動平均処理手段２は、時系列に並んだ周波数データについて、特定のタイミング（移動平均算出タイミング）毎に、当該タイミングの周波数データと、直近の周波数データとを合わせた特定数の周波数データを読み出して、周波数データの移動平均値を算出する。つまり、移動平均処理手段２は、移動平均算出タイミング毎に、直近の特定サンプル数の周波数データについて移動平均値を算出して、記憶部に記憶する。
この値が当該タイミングにおける移動平均値となる。
尚、周波数データは記憶されているので、移動平均値を算出する際に、直近の過去だけでなく、当該タイミングを含む前後の周波数データについて、特定サンプル数の周波数データを読み出して移動平均を算出することも可能である。

移動平均処理手段２は、特定時間（ここでは１０秒間）における全ての移動平均タイミングでの移動平均値を算出して記憶部に記憶しておく。
これをグラフに表すと、図１の（ｂ）のグラフとなる。これは、電源投入直後の過渡的成分をよく表しているものである。
移動平均処理手段２における移動平均算出タイミング及び移動平均のサンプル数は、図１（ｂ）のグラフが滑らかな曲線となるよう、予め、ＰＣの記憶部に適切に設定しておくことが望ましい。移動平均算出タイミングの周期は、周波数カウンタにおけるカウントのタイミング周期と同一又はそれより長く設定される。

減算器３は、移動平均算出タイミング毎に、記憶部に記憶された当該タイミングにおける周波数データから、当該タイミングにおける移動平均値データを減算し、差分データとして出力すると共に、特定時間における差分データを記憶部に記憶しておく。減算器３は、請求項に記載した減算手段に相当する。
全移動平均タイミングでの差分データは、図１（ｃ）のグラフとなり、電源投入直後の過渡的成分が除去されて、設定周波数を中心として細かく変動しており、発振器１０の発振器本来の短期安定度による周波数変動のみが現れたものとなる。

アラン分散算出処理手段４は、特定時間における差分データについて、式（１）に従ってアラン分散を算出する。アラン分散算出処理手段４は、請求項における指標算出処理手段に相当する。
アラン分散の値は、発振器１０の短期周波数安定度の指標として、制御部においてグラフ化されて、表示部に、短期安定度測定値のグラフとして表示出力される。

これにより、本装置では、発振器１０の電源投入直後に測定を行っても、周波数データと移動平均データとの差分を取ることにより、過渡的成分の影響を排除して、当該発振器本来の特性を精度よく取得することができ、差分についてアラン分散を算出することで、発振器の出力周波数の短期安定度を精度よく且つ短時間で測定することができるものである。

更に、短期安定度測定値をグラフ表示することにより、不良品の選別等を効率よく行うことができるものである。
例えば、オペレータが、短期安定度測定値を予め設定されたしきい値と比較して、しきい値以上であれば周波数変動が大きいとして不良品とし、しきい値未満であれば周波数変動が許容範囲内であるとして良品として選別する際に、しきい値に対する大小の判断を容易に行うことができるものである。

また、アラン分散算出処理手段４は、より信頼性の高いOverlapping Allan 分散（オーバーラッピング・アラン分散）によって指標を算出してもよい。
オーバーラッピング・アラン分散は、式（２）に基づいて算出されるものである。

式（２）では、区間長τ＝ｍτ0として、τ0のゲート時間で測定を行い、τ0時間ずつずれて重なり合う長さτの区間で平均した周波数を、１つの測定値y_iとしている。
オーバーラッピング・アラン分散を用いることで、短期安定度をより高精度に表す指標を算出することができるものである。

［短期安定度測定値の比較：図３］
次に、本装置と従来の測定装置における短期安定度測定値を比較する。図３は、本装置と従来の測定装置における短期安定度測定値を示すグラフである。
図３では、横軸はアラン分散の区間長（τ（ms））、縦軸はアラン分散の値（σ_y(τ)）であり、「移動平均なし、電源投入直後」の場合と、「移動平均なし、電源投入３分後」の場合と、「１７点移動平均電源投入直後」の場合と、「１７点移動平均電源投入３分後」の場合の４つの場合について、アラン分散による短期安定度測定値を示している。
尚、１７点移動平均は、移動平均算出タイミング毎に、例えば直近の１７サンプル（周波数データ）分の移動平均を算出したものである。

従来の測定方法である「移動平均なし電源投入３分後」の測定結果は、発振器本来の特性を最もよく表していると考えられるが、図３に示すように、従来の測定装置における「移動平均なし電源投入直後」の場合には、それと大きく乖離しており、アラン分散の値はかなり大きくなっている。
これは、電源投入直後の一時的な過渡的成分の影響によるものである。

それに対して、本装置の測定結果である「１７点移動平均電源投入直後」の場合は、τ＝１０msと、τ＝３０msの場合において、「移動平均なし電源投入３分後」と同等の結果が得られており、高精度な測定値となっている。
すなわち、本装置を用いることにより、発振器の電源投入直後であっても、適切な区間長を設定してアラン分散を算出すれば、十分高精度な短期安定度を測定できることがわかる。
また、本装置では、電源投入後３分経過してから測定した「１７点移動平均電源投入３分後」の場合にも、ほぼ同じ結果が得られている。

但し、本装置の「１７点移動平均電源投入直後」及び「１７点移動平均電源投入３分後」では、τ＝１００msの場合には、「移動平均なし電源投入３分後」に比べてアラン分散の値は小さくなっている。
これは、周波数データから１７点移動平均データを差し引いたことにより、周波数の低い成分が抑圧されているためである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る測定装置及び測定方法によれば、周波数カウンタ１が、電源投入後から特定時間に亘って発振器１０の出力周波数の値（周波数データ）をカウントし、記憶部に周波数データを時系列に記憶しておき、移動平均処理手段２が、記憶された周波数データについて、特定のタイミング毎に、例えば直近一定時間又は前後一定時間における移動平均値を算出し、減算器３が、各周波数データから対応するタイミングにおける移動平均値を差し引いた差分を、特定時間に亘って求め、アラン分散算出処理手段４が、当該差分についてアラン分散の値を算出して、出力周波数の短期安定度の指標として表示出力する測定装置としているので、電源投入直後の出力周波数に含まれる過渡的成分の影響を抑え、電源投入直後であっても精度の高い短期安定度の測定を行うことができ、測定時間を短縮し、作業の効率を向上させることができる効果がある。
特に、不良品の選別等、多くの被試験器の測定を行う場合には、周波数が安定するまでの数分間（例えば３分間）の待ち時間を無くすことができ、大幅に時間短縮を図ることができる効果がある。

また、本測定装置及び測定方法によれば、アラン分散算出処理手段４が、短期安定度をオーバーラッピング・アラン分散によって算出しているので、より精度よく発振器の短期安定度を示す指標を算出することができる効果がある。

本発明は、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する際の測定時間を短縮することができる測定装置及び測定方法に適している。

１...減算器、 ２...移動平均処理手段、 ３...減算器、 ４...アラン分散算出処理手段、 １０...ＤＵＴ

Claims (5)

1. 制御部と記憶部とを備え、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置であって、
   前記発振器の出力周波数の値を測定する周波数カウンタを接続し、
   前記記憶部は、処理プログラムを記憶すると共に、前記周波数カウンタで測定された周波数の値を周波数データとして時系列に記憶するものであり、
   前記制御部が、前記処理プログラムを動作させて実現する処理手段として、
   前記周波数データについて移動平均値を算出する移動平均算出処理手段と、
   前記記憶された周波数データから前記移動平均値を減算して、特定時間における差分値データを算出する減算手段と、
   前記特定時間における差分値データについて、短期安定度の指標を算出し、前記指標を短期安定度の測定値として出力する指標算出処理手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
2. 指標算出処理手段が、短期安定度の指標をアラン分散又はオーバーラッピング・アラン分散によって算出することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 制御部と記憶部とを備え、発振器の出力周波数の短期安定度を測定する測定装置における測定方法であって、
   前記発振器の出力周波数の値を、接続する周波数カウンタで測定する処理と、
   前記測定された出力周波数の値を周波数データとして時系列に前記記憶部に記憶する処理と、
   前記周波数データについて移動平均値を算出する移動平均算出処理と、
   前記記憶された周波数データから前記移動平均値を減算して、特定時間における差分値データを算出する減算処理と、
   前記特定時間における差分値データについて、短期安定度の指標を算出し、前記指標を短期安定度の測定値として出力する指標算出処理とを備えたことを特徴とする短期安定度の測定方法。
4. 指標算出処理において、短期安定度の指標をアラン分散又はオーバーラッピング・アラン分散によって算出することを特徴とする請求項３記載の測定方法。
5. 特定時間を、発振器の電源投入後から１０秒間程度とすることを特徴とする請求項３又は４記載の測定方法。

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