JP2019169930A - 発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子を用い、外部クロック信号に基づいて発振周波数を安定させる発振装置において、外部クロックが途切れたときにも出力される発振周波数を安定させる技術を提供すること。【解決手段】水晶振動子１０の発振周波数及び周波数設定値に基づいて周波数信号を出力する発振装置において、発振装置の出力周波数と、外部クロック信号との周波数差に対応する差分値を求める周波数差検出部２０７と、温度検出部を設けている。そして外部クロック信号を取得している期間に、周波数差検出部２０７にて求められた差分値の経時変化と、検出温度の経時変化と、に基づいて、エージング係数（ａ１）と、温度特性係数（ａ２）と、を求めている。さらにホールドオーバー期間には、エージング係数（ａ１）と、温度特性係数（ａ２）とを用いて周波数補正値を算出し、周波数設定値に加算するようにしている。【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子を用いた発振装置に関する。

例えば携帯電話の移動体通信や地上放送システムなどの基地局などにおいては、高い周波数安定性が求められる。この点、より安定性の高い周波数信号を生成する技術として、例えば特許文献１にはＧＰＳ（Global Positioning System）から周波数安定性の高い外部クロック信号（同期信号）を取得し、水晶発振器を用いて生成した周波数信号（逓倍後の修正周波数信号）の較正に用いる発振装置（振動クロック回路）が記載されている（括弧内には、特許文献１に記載の用語を併記してある）。

ところでこのような外部クロック信号を利用して周波数安定性を図る発振装置においては、機器あるいは伝送路に不具合が生じた場合などに外部クロック信号が受信できなくなること（ホールドオーバー）がある。このようにホールドオーバーが発生してしまうと、外部クロック信号を利用できなくなるため、安定性の高い周波数信号を生成するうえで支障が生じる。

そこで特許文献１に記載の発振装置では、周波数信号の安定性に影響を与える要因となる温度変化や経時変化に着目し、ホールドオーバー期間中は、外部クロック信号に替えて、水晶発振器の経年数や周囲の温度をパラメータとして算出した較正信号を用いて温度変化や経時変化の影響を補償することにより安定した周波数信号を得ている。

また特許文献２には、温度調整された雰囲気下にて水晶振動子を発振させて、周波数設定値に対応する発振周波数を得るＯＣＸＯ（Oven Controlled Crystal Oscillator）が記載されている。このＯＣＸＯは、前記水晶振動子の発振開始後の発振の累積経過時間と、発振周波数との対応関係に基づいて、発振周波数の経時変化をキャンセルするための周波数補正値を算出し、周波数設定値を補正することにより安定した発振周波数を得ている。
さらに特許文献３には、ＧＰＳから取得した外部クロック信号に基づいて第１の発振回路を発振させ、周波数設定値に対応する周波数を得る発振装置が記載されている。また第１の発振回路とは別に、周波数設定値に対応する周波数を得るための第２の発振回路を設け、外部クロック信号を受信しているときには当該外部クロック信号の周波数と、第２の発振回路より得た周波数との周波数差に対応する差分値の時系列データに基づき周波数の経時変化の影響を予測する近似式を求めておき、外部クロック信号が途切れたときに、前記近似式と経過時間とにより算出される補正値により前記周波数設定値を補正して得られた第２の発振回路の周波数を内部クロック信号として利用し、第１の発振回路を発振させる技術が記載されている。

このように、ホールドオーバー期間中においても安定性の高い周波数信号を得る技術が種々提案されている一方で、当該期間中における周波数安定性に対する要求はますます高くなっている。

特表２００４−５１６７４０号公報 特開２０１６−４６５８２号公報 特開２０１７−５５９４号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、水晶振動子を用い、外部クロック信号に基づいて周波数を安定させる発振装置において、外部クロック信号が途切れたときであっても、より安定性の高い周波数を得る技術を提供する。

本発明の発振装置は、水晶振動子を用い、周波数設定値に基づいて周波数信号を出力する発振部を備えた発振装置において、
外部から取得した外部クロック信号と、前記発振部から出力された周波数信号との周波数差に対応する差分値を求める周波数差検出部と、
前記水晶振動子が配置された雰囲気の温度を検出する温度検出部と、
前記周波数設定値に対応する周波数と、周波数信号の周波数とを揃えるために、前記周波数設定値に加算される周波数補正値を算出する補正値算出部と、
前記発振部に入力される周波数設定値に、前記補正値算出部から取得した周波数補正値を加算する加算部と、
前記周波数差検出部にて求められた差分値の経時変化と、前記温度検出部にて検出した検出温度の経時変化とに基づき、単位時間当たりの前記周波数補正値の変化率を示すエージング係数と、単位温度当たりの前記周波数補正値の変化率を示す温度特性係数と、を算出する補正係数算出部と、を備え、
前記補正値算出部は、前記外部クロック信号を取得している期間中は、前記周波数差検出部にて検出された差分値に基づいて周波数補正値を算出し、前記外部クロック信号が途切れている期間中は、前記エージング係数及び温度特性係数を用いて周波数補正値を算出することを特徴とする。

本発明は、水晶振動子を用い、周波数設定値に基づいて周波数信号を出力する発振部を備えた発振装置に、外部から入力される外部クロック信号と、発振部から出力される周波数信号との周波数差に対応する差分値を求める周波数差検出部と、水晶振動子が配置された雰囲気の温度を検出する温度検出部とを設けている。そして外部クロック信号を取得している期間に、周波数差検出部にて求められた差分値の経時変化と、検出温度の経時変化と、に基づいて、単位時間当たりの周波数補正値の変化率を示すエージング係数と、単位温度当たりの周波数補正値の変化率を示す温度特性係数と、を求めている。さらに外部クロック信号が取得できない期間は、エージング係数と、温度特性係数と、に基づいて、周波数補正値を求めて、周波数設定値に加算するようにしている。そのため外部クロック信号が受信できないときにも発振部の出力する周波数信号を安定させることができる。

本発明の実施の形態に係る発振装置を示すブロック図である。 補正係数を算出するための学習動作を示すフローチャートである。 前記補正係数の算出時の動作に係るタイムチャートである。 周波数設定値を補正する動作の流れを示すフローチャートである。 ＧＰＳ信号が途切れた期間中に周波数設定値を補正する動作に係るタイムチャートである。 他の実施の形態に係る発振装置の例を示すブロック図である。

[実施形態の概要]
本発明の実施形態の詳細を説明する前に、この実施形態の概略を簡単に述べておく。図１は、実施の形態に係る発振装置の全体構成を示すブロック図である。図１にて符号２００にて示す部分は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を利用した発振機能を有するＰＬＬ回路部である。符号２０１はＰＬＬに用いられる参照用の周波数信号（参照信号）を出力するＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）である。
このＤＤＳ２０１を動作させるための基準クロックは、図１にて符号１で示す第１の発振回路１の発振出力が用いられる。従って結果として発振部である電圧制御発振器(ＶＣＸＯ:Voltage-Controlled crystal Oscillator）１００から出力される周波数信号の周波数安定性を向上させるためには、前記基準クロックを安定させることが必要である。

そこで実施の形態に係る、発振装置においては、第１の発振回路１に設けられた第１の水晶振動子１０が置かれる雰囲気の温度を検出し、検出温度を用いて補正値を算出し、周波数設定値を、ＤＤＳ２０１に入力される基準クロックの周波数設定値に加算することにより、ＤＤＳ２０１から出力される参照信号を安定させるように構成している。

またこの実施の形態では、第１の水晶振動子１０が置かれる雰囲気の温度を一定化するためにヒータ回路（ヒータ部）５を設け、検出温度に相当する後述の発振周波数差検出部３の出力ΔＦを、ヒータ回路５の制御に用いている。

さらに本実施の形態に係る発振装置においては、外部クロック信号としてＧＰＳから１ｐｐｓ（pulse per second）の信号（以下、ＧＰＳ信号ともいう）を取得する機能を備える。そして、ＧＰＳ信号を取得している期間中は、ＧＰＳ信号とＰＬＬ回路部２００から出力される周波数信号との周波数比較を行い、その周波数差に対応する差分値をもとに周波数補正値を算出し、ＤＤＳ２０１に入力される周波数設定値の補正に用いている。このように、周波数安定性の高いＧＰＳ信号を用いることにより、ＰＬＬ回路部２００から出力される周波数信号の周波数（以下、出力周波数ともいう）をさらに安定させることができる。

また本例の発振装置は、ＧＰＳ信号を取得している期間中に、第１の水晶振動子１０の使用開始からの時間の経過に起因する周波数変化（エージング）、及び第１の水晶振動子１０が配置された雰囲気の温度変化に起因する周波数変化を学習して、各々これらの周波数変化を補償するための補正係数を取得する。そしてＧＰＳ信号を取得できないホールドオーバー期間中においても、学習しておいた補正係数に基づいて、周波数補正値を算出し、周波数設定値に加算することによりＤＤＳ２０１の出力する参照信号を安定させるように構成している。

[実施形態の全体説明]
以下、本実施形態に係る発振装置の詳細構成について説明する。図１に示すように発振装置は、第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０を備えている。これら第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０は、例えば共通の短冊状の水晶片Ｘｂに２つの分割領域を設け、各分割領域（振動領域）の表裏両面に励振用の電極１１、１２（２１、２２）を設けた構成となっている。

第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０には夫々第１の発振回路１及び第２の発振回路２が接続されている。これら第１及び第２の発振回路１、２の発振出力は、例えば第１、第２の水晶振動子１０、２０のオーバートーン（高調波）である。この例では、両発振出力の周波数の差分に相当する信号を温度検出信号として利用しようとするものであり、第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０は温度検出部の一部であるということができる。この温度検出部は、後述のように発振装置が備えるヒータ回路５の供給電力の制御や、ホールドオーバー期間中の周波数補正値の算出のために用いられている。また既述のように、第１の発振回路１からの発振出力は、ＤＤＳ２０１の基準クロックとして使用されている。

第１の発振回路１、及び第２の発振回路２の後段側には、発振周波数差検出部３が設けられている。この発振周波数差検出部３は概略的な言い方をすれば、第１の発振回路１の発振周波数ｆ１と第２の発振回路２の発振周波数ｆ２との差分と、Δｆｒとの差分である、周波数差検出値ｆ２−ｆ１−Δｆｒ（＝ΔＦ）を取り出すための回路部である。Δｆｒは、基準温度例えば２５℃におけるｆ１（ｆ１ｒ）とｆ２（ｆ２ｒ）との差分である。

ここでｆ１とｆ２との差分の一例を挙げれば、例えば数ＭＨｚである。本例では、発振周波数差検出部３によりｆ１とｆ２との差分に対応する値と、基準温度例えば２５℃におけるｆ１とｆ２との差分に対応する値との差分であるΔＦを計算することにより成り立つ。この実施形態の場合、より詳しく言えば、発振周波数差検出部３で得られる値は、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝である。ただし、図面では発振周波数差検出部３の出力の表示は略記している。

発振周波数差検出部３の後段には、加算部６が設けられている。加算部６は後述のマイクロコンピュータ９０から温度設定値（目標温度）を取得し、温度設定値と周波数差検出値ΔＦとの差分を演算する。図１に示すように加算部６の後段には積分回路部に相当するループフィルタ６１が設けられている。更にループフィルタ６１の後段には、ディジタル信号を一定時間のパルス信号に変換するＰＷＭ内挿部６２が設けられている。またＰＷＭ内挿部６２の後段には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６３が設けられ、ＰＷＭ内挿部６２からの出力を平均化して当該出力であるパルス数に応じた直流電圧をヒータ回路５に入力する。またループフィルタ６１から出力される検出温度に相当するディジタル信号は、後述のマイクロコンピュータ９０に入力されるように構成されている。発振周波数差検出部３からＬＰＦ６３に至るループは、本例のヒータ制御部を構成している。

ＰＬＬ回路部２００は、ＤＤＳ２０１から出力される参照信号の位相と、ＶＣＸＯ１００の出力を分周器２０４で分周したクロックの位相とを位相比較部２０５にて比較し、その比較結果である位相差がチャージポンプ２０２によりアナログ化される。アナログ化された信号はループフィルタ２０６に入力され、ＰＬＬが安定するように制御される。ＤＤＳ２０１は、基準クロックとして第１の発振回路１からの発振出力が入力される。またＤＤＳ２０１は、後述するように加算部４２にて周波数補正値が加算された補正後の周波数設定値が入力されるように構成されている。

本実施の形態に係る発振装置は、例えば外部クロック信号である１ｐｐｓのＧＰＳ信号とＶＣＸＯ１００から出力される出力周波数との周波数差を検出する周波数差検出部２０７を備えている。周波数差検出部２０７は、例えばＶＣＸＯ１００から出力される周波数信号を分周し、分周後の周波数信号と、ＧＰＳ信号との周波数差を差分値としてマイクロコンピュータ９０に出力するように構成されている。例えば周波数設定値が１０ＭＨｚである場合、ＶＣＸＯ１００からの周波数信号を１０万分の１に分周し、ＧＰＳ信号（１ｐｐｓ）との周波数差検出が行われる。なお、十分な解像度が得られれば、周波数差検出部２０７は、周波数信号の分周に替えて、ＧＰＳ信号を例えば１０ＭＨｚに逓倍して周波数差の検出を行ってもよい。

マイクロコンピュータ９０は、図１に示すように補正値算出部９２と、補正係数算出部９３と、メモリ９４と、タイマ９５と、を備えている。図１中の符号９１はバスである。本例の発振装置は、ＧＰＳから取得したＧＰＳ信号に基づいて周波数補正値を算出し、周波数設定値の補正を行うが、既述のようにＧＰＳ信号が途切れてしまうホールドオーバーが発生することがある。

一方、ホールドオーバー期間中においても、出力周波数を安定させることに対する要請はますます高まっている。例えば既述のように出力周波数が１０ＭＨｚであるとき、ホールドオーバーが２４時間継続した場合であっても、位相ずれ量が１．５μｓ以下程度の安定性を実現できることが要請されている。これは、周波数設定値（より詳細には「周波数設定値に対応する周波数」）に対する出力周波数の変化率が１７．３５ｐｐｔ／秒以下であることに相当する。

そのため既述のように、本例の発振装置においては、ＧＰＳ信号を取得している期間に補正係数算出部９３において、ＧＰＳ信号を取得していないホールドオーバー期間中に用いる周波数補正値を算出するための補正係数を算出する。このとき、１ｐｐｔ／秒以下の極めて高精度な周波数補正を行うためには、従来、実施されていたエージングに伴う周波数変化を補償するのみならず、ヒータ回路５による温度制御が行われている雰囲気下であっても、制御の遅れやゆらぎなどに起因する僅かな温度変化に伴う周波数変化を補償することが可能な周波数補正値を算出しなければならないことが分かった。

この観点において、本例の補正係数算出部９３は、第１水晶振動子１０のエージングによる周波数補正値の変化を補償するためのエージング係数（ａ１）と、第１の水晶振動子１０の温度変化による周波数補正値の変化を補償するための温度特性係数（ａ２）と、を求める機能を備えている。補正係数算出部９３によって算出されたこれらのエージング係数（ａ１）、及び温度特性係数（ａ２）はメモリ９４に記憶される。

補正値算出部９２は、ＧＰＳ信号を取得している期間中は、周波数差検出部２０７から出力される差分値に基づいて周波数補正値を算出する。また補正値算出部９２は、ＧＰＳ信号を取得していないホールドオーバー期間中においては、メモリ９４内に記憶されているエージング係数、温度特性係数、ループフィルタ６１から取得した検出温度Ｔ及びタイマ９５で計測される経過時間τにより、周波数補正値を算出する。
またマイクロコンピュータ９０は、加算部６に対して温度設定値を出力する。

続いて、以上に説明した構成を備える発振装置の作用について説明する。先ずＧＰＳ信号を取得している期間中の動作について説明する。発振装置の電源を投入して発振装置を起動すると、第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０が発振して各々発振出力が得られる。マイクロコンピュータ９０からは、周波数設定値が出力され、第１の発振回路１からの発振出力（基準クロック）と、周波数設定値とに基づきＤＤＳ２０１が作動し、ＤＤＳ２０１から参照信号が出力される。そして、ＤＤＳ２０１からの参照信号とＶＣＸＯ１００からの周波数信号とを位相比較した結果に基づいて、ＶＣＸＯ１００の周波数制御が行われる。

ここで本例の発振装置は、周波数差検出部２０７にて、ＰＬＬ回路部２００から出力された周波数信号（実際には当該周波数信号を分周した分周信号）と、１ｐｐｓのＧＰＳ信号との周波数比較を行う。このとき、ＰＬＬ回路部２００による周波数制御が実施されているにもかかわらず、周波数差が検出された場合には、当該周波数信号と比較される参照信号が周波数設定値に対応する周波数からずれてしまっているおそれがある。このような事象が発生する理由としては、基準クロックの出力に用いられる第１の水晶振動子１０におけるエージングの進行や、ヒータ回路５による温度制御の遅れなどに起因する発振周波数の変化の影響が挙げられる。

一方で、ＧＰＳ信号を取得している期間中は、極めて安定な１ｐｐｓのＧＰＳ信号を利用して、ＰＬＬ回路部２００からの周波数信号（の分周信号）との周波数差を特定することができる。そこで、この周波数差（差分値）に基づいて、ＰＬＬ回路部２００から出力されている周波数信号の実際の周波数を求め、当該実際の周波数と周波数設定値に対応する周波数とのずれ量から、ずれ量がキャンセルされるように周波数設定値を補正すれば、第１の水晶振動子１０側におけるエージングや温度変化の影響に係らず安定した周波数信号を得ることができる。

補正値算出部９２は、上述の考え方に基づき、周波数補正値を算出し、加算部４２へ出力する。加算部４２では、周波数設定値に対して周波数補正値が加算され、ＤＤＳ２０１に入力される。この結果、基準クロック側の周波数ずれの影響がキャンセルされ、周波数設定値に対応した正しい周波数の周波数信号を出力することができる。

上述の動作と比較して、ＧＰＳ信号を取得できないホールドオーバー期間中は、基準クロック側で周波数ずれが発生している要因と、各要因の影響度合いを正確に把握しなければ、精度の高い周波数補正値を算出することはできない。そこで本例の発振装置は、ＧＰＳ信号を取得している期間中に、ホールドオーバー期間中における周波数補正値を算出するための補正係数（エージング係数（ａ１）及び温度特性係数（ａ２））を取得しておく学習動作を実行する。

本例の補正値算出部は、例えば下記の式（１）に示す一次式（線形和）を用いて周波数補正値を算出する。
Δｈ＝（ａ１）×（Δτ）＋（ａ２）×（ΔＴ） …（１）
但し、Δｈは周波数補正値の変化量、ａ１はエージング係数（単位時間当たりの周波数補正値の変化率）、Δτは経過時間、ａ２は温度特性係数（単位温度当たりの周波数補正値の変化率）、ΔＴは検出温度の変化量（温度変化量）である。
本例の補正係数算出部９３は、温度変化の影響が少ないエージング測定期間中にエージング係数（ａ１）の学習を行い、温度変化が発生した期間を温度特性測定期間として、エージング測定期間中に学習したエージング係数を利用して温度特性係数の学習を行う。

以下、図２の流れ図に従って学習動作について説明する。先ず発振装置を起動すると、初期エージングのため例えば６時間、補正係数の学習を行わずに待機する（ステップＳ１１）。式（１）に示したように補正値算出部９２は、周波数補正値の算出にあたって、補正係数（エージング係数、温度特性係数）と各変数（経過時間、温度変化量）との一次式を用いている。一方で、発振装置の電源の投入直後は、第１の水晶振動子１０のエージングによる経過時間と周波数補正値との関係が、一次式で示されるような関係にならない場合がある。そのため、電源の投入後、６時間ほど待機する（初期エージング待機期間）。

所定時間待機すると、経過時間に対応した周波数補正値の変化分が凡そ一次式で近似される相関を示すようになる。
次いでＧＰＳ信号を取得しているか否かの判断を行う（ステップＳ１２）。このときＧＰＳ信号を取得していない場合には、ＧＰＳ信号を取得できるまで待機する（ステップＳ１２；ＮＯ）。

次いでＧＰＳ信号を取得できるようになると（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、所定のエージング測定期間Δｔが経過したか否かを判断する（ステップＳ１３）。エージング測定期間Δｔが経過していない場合には（ステップＳ１３；ＮＯ）、ＧＰＳ信号を取得している状態であることを確認しながら待機する（ステップＳ１２；ＹＥＳ→Ｓ１３；ＮＯ）。

ここでステップＳ１３以降については、図３も参照して説明する。図３は、ＧＰＳ信号を取得してからの周波数補正値及び検出温度の時間変化を示すタイムチャートである。図３中の時刻ｔ０がステップＳ１３の開始時刻を示している。
図２に示すようにエージング測定期間Δｔ（図３中、Δｔ１と記してある）が経過したら（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、当該期間（エージング測定期間Δｔ中における単位時間当たりの検出温度の変化率（｜ΔＴ／Δｔ｜）を求め、閾値となる最小温度変化率Ｔｍｉｎを越えているか否かが判断される（ステップＳ１４）。

（下記Ｔｍｉｎについて、おおよその値で結構ですのでご記入ください。）
最小温度変化率Ｔｍｉｎは、検出温度の変化がほぼ無視できると判断可能な単位時間当たりの温度変化率であり、例えばメモリ９４に記憶されている。最小温度変化率Ｔｍｉｎは、例えば０．１℃／時以下の値に設定する場合を例示できる。そして単位時間当たりの検出温度の変化率が最小温度変化率Ｔｍｉｎを越えていない場合（｜ΔＴ／Δｔ｜＜Ｔｍｉｎ）には（ステップＳ１４；ＮＯ）、エージング係数を算出する（ステップＳ１５）。

エージング係数（ａ１）は、例えば図３に示すように時刻ｔ０から時刻ｔａまでの時間Δｔ１の期間中の周波数補正値Δｈ１を用い算出する。時刻ｔ０から時刻ｔａまで間の区間１においては、検出温度の変化がほぼ無視できると判断されている（エージング測定期間）。このため、第１の水晶振動子１０の発振周波数が変化した場合であっても、当該発振周波数の変化は、エージングによるものと判断できる。従って区間１の期間中における周波数補正値の変化Δｈ１についても、第１の水晶振動子１０のエージングに起因するということができる。

式（１）に示したように、本例ではエージングによる第１の水晶振動子１０の周波数補正値を、経過時間及び検出温度の変化量を変数とする一次式で近似している。既述のようにエージング測定期間においては、検出温度の変化が無視できるので、式（１）に周波数補正値の変化量Δｈ１、経過時間Δｔ１を代入し、右辺第２項をゼロとして変形すると、単位時間当たりの周波数補正値の変化率を示すエージング係数（ａ１）は、下記の式（２）より算出できる。
ａ１＝Δｈ１／Δｔ１ …（２）

補正係数算出部９３は、上述の計算を実行し、例えばメモリ９４に記憶されているエージング係数（ａ１）を更新する（ステップＳ１５）。そして、ＧＰＳ信号を取得し、検出温度の変化率が最小温度変化率を越えない限り（｜ΔＴ／Δｔ｜＜Ｔｍｉｎ）は、上述の動作を繰り返す（ステップＳ１２；ＹＥＳ→Ｓ１３；ＹＥＳ→Ｓ１４；ＮＯ→Ｓ１５）。

そして検出温度の変化率が最小温度変化率以上であると判断された場合（｜ΔＴ／Δｔ｜≧Ｔｍｉｎ）は、温度特性測定期間の開始とみなし、温度特性係数の学習を実行する（ステップＳ１４；ＹＥＳ）。例えば図３中の時刻ｔａから時刻ｔｂまでの区間２においては、検出温度の変化が生じているため、｜ΔＴ１／Δｔ１｜≧Ｔｍｉｎとなっているので、温度特性測定期間に相当する。

一方で、第１の水晶振動子１０が置かれる雰囲気の温度変化は、外部環境の温度変化に依存する場合もあるので、いつ温度特性測定期間が終了するのか予測することができないこともある。この場合は、例えば所定の計測待機時間Δｔ’待機した後（ステップＳ１６）、当該計測待機時間Δｔ´中における単位時間当たりの検出温度の変化率（｜ΔＴ／Δｔ’｜）を求め、最小温度変化率Ｔｍｉｎを越えているか否か判断する（ステップＳ１７）。

そして最小温度変化率Ｔｍｉｎ以上である場合（｜ΔＴ／Δｔ’｜≧Ｔｍｉｎ）には（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、第１の水晶振動子１０が置かれる雰囲気の温度変化が継続しており、温度特性測定期間が続いているので、そのまま待機する（ステップＳ１７；ＹＥＳ→Ｓ１６）。

やがて図３に示すように、例えば時刻ｔａから時間Δｔ２が経過し、時刻ｔｂにて検出温度が一定になったとする。この場合には、最小温度変化率がＴｍｉｎを下回り、温度特性測定期間が終了したことになる（ステップＳ１７；ＮＯ）。しかる後、区間２の温度特性測定期間中に取得した周波数補正値の変化量Δｈ２を用いて、温度特性係数（ａ２）を算出する（ステップＳ１８）。
なお、第１の水晶振動子１０が置かれる雰囲気の温度の上昇と低下とが連続して発生する環境下では、上述の検出温度の変化率に係る判断に加え、温度変化量（ΔＴ）の正負を判別し温度上昇過程、温度低下過程のそれぞれのタイミングにて温度特性係数を算出するとよい。

既述のように、本例の発振装置は、第１の水晶振動子１０が置かれている雰囲気をヒータ回路５により加熱し温度制御することにより第１の発振回路の発振周波数を安定させている。それでも周囲の温度の急激な温度変化が発生した場合などにおける温度制御の遅れなどにより、第１の水晶振動子１０が置かれている雰囲気の温度が変化する場合もある。この結果、第１の発振回路１の発振周波数（ＤＤＳ２０１の基準クロック）が変化したときに、出力周波数の分周周波数信号と、１ｐｐｓのＧＰＳ信号と、の間に周波数差が生じ、周波数補正値の変化が生じる場合もある。図３に示す区間２（温度特性測定期間）における周波数補正値の変化量には、第１の水晶振動子１０のエージングに起因する周波数補正値の変化量（エージング要因周波数補正量）と、前記温度変化に起因する周波数補正値の変化量（温度変化要因周波数補正量）とが含まれていると理解することができる。

ここで、例えば数時間や数日程度の比較的短い期間では、エージング係数（ａ１）の値は大きく変化せず、時間的に安定である場合がある。図３に示す区間１〜２の期間についても、このようなエージング係数が時間的に安定している期間に相当する場合、区間１にて算出したエージング係数を用いて区間２の期間中のエージング要因周波数補正量を推定することができる。そこで区間２における周波数補正値の変化量Δｈ２から、当該期間中のエージング要因周波数補正量を差し引くことにより、時刻ｔａと時刻ｔｂとの間の温度変化要因周波数補正量が求まる。

具体的には、区間２のエージング要因周波数補正量は、メモリ９４に記憶されている区間１にて更新されたエージング係数（ａ１）と、区間２の時間Δｔ２とを乗算すれば求まる。さらに、式（１）の関係を利用すれば区間２の温度変化要因周波数補正量は、当該期間中の周波数補正量Δｈ２から、エージング要因周波数補正量（Δｔ２）×（ａ１）を差し引いた値となる。これらの値を式（１）に代入して変形すると、温度特性係数（ａ２）は、下記の式（３）により求められる。
ａ２＝{Δｈ２−（Δｔ２）×（ａ１）}／ΔＴ …（３）

補正係数算出部９３は、上述の計算を実行し、メモリ９４に記憶されている温度特性係数（ａ２）を更新する。
その後、図３に示す時刻ｔｂから時刻ｔｃの区間３においては、検出温度がほぼ一定であることからエージング測定期間と判断して、既述のエージング係数を算出がする動作が実行される（ステップＳ１２〜Ｓ１５）。

以上に説明した動作に基づき、ＧＰＳ信号と比較した結果に基づいて得られた周波数補正値を利用して、ホールドオーバー期間中に使用するエージング係数、及び温度特性係数を算出する。
次いで、これらのエージング係数、温度特性係数の利用を含む、発振装置からの周波数信号の出力動作について図４のフローチャート及び図５のタイムチャートを参照しながら説明する。
発振装置の起動後（スタート）、ＧＰＳ信号を取得できている期間中（ステップＳ２１；ＹＥＳ）は、ＰＬＬ回路部２００から出力される周波数信号と、１ｐｐｓのＧＰＳ信号とから得られた周波数差（差分値）に基づき周波数補正値を算出し、周波数設定値に加算する（ステップＳ２７）。

一方、ＧＰＳ信号が取得できないホールドオーバー期間になると（ステップＳ２１；ＮＯ）、ＧＰＳ信号を取得している期間中に算出した各補正係数（エージング係数、温度特性係数）が使用可能となっているか否かを確認する（ステップＳ２２）。使用可能か否かの判断基準は、例えばメモリ９４内に補正係数が記憶されているか否かの判断や、後述するように複数回、算出した補正係数の平均値を利用する場合には、平均値の算出に用いる補正係数の個数が予め設定された個数に達しているか否かの判断などを行う。

そしてエージング係数、温度特性係数が使用可能となっていないと判断した場合には（ステップＳ２２；ＮＯ）、例えばＧＰＳ信号の取得できない期間となる直前に取得した周波数補正値を用いた周波数設定値の補正を行い（ステップＳ２８）、ＧＰＳ信号の取得確認（ステップＳ２１）に戻る。

一方、エージング係数、温度特性係数が使用可能となっている場合（ステップＳ２２；ＹＥＳ）においては、所定の補正値調整時間Δτの経過まではＧＰＳ信号の取得確認、補正係数の使用可否確認を行う（ステップＳ２３；ＮＯ→Ｓ２１；ＮＯ→Ｓ２２；ＹＥＳ）。そして、補正値調整時間Δτが経過すると、当該補正値調整時間Δτ中の検出温度の変化量ΔＴに基づき、単位時間当たりの検出温度の変化率（｜ΔＴ／Δτ｜）が最小温度変化率Ｔｍｉｎを越えているか否かを判断する（ステップＳ２４）。

例えば図５に示す時刻ｔｄから時刻ｔｅまで区間４は、「｜ΔＴ／Δτ｜＜Ｔｍｉｎ」であり、検出温度の変化が小さくΔＴはゼロとみなせる。なお、補正値調整時間Δτは、既述のエージング測定期間、温度係数測定期間Δｔよりも短い期間に設定して、小刻みに周波数補正値の算出、設定動作を繰り返してよい。但し、周波数補正値算出の考え方を把握しやすくするため、図５に示す補正値調整時間Δτ４〜Δτ６は、図３を用いて説明したエージング測定期間、温度係数測定期間Δｔ１〜Δｔ３と同程度の間隔で示してある。

このように温度の変化が小さい場合（ステップＳ２４；ＮＯ）には、メモリ９４から読み出したエージング係数（ａ１）、温度特性係数（ａ２）を用いて得られる既述の式（１）の第１項のみに補正値調整時間（経過時間）Δτ４を代入し、周波数補正値を算出する これによりエージング係数のみを用いた周波数補正値（図５中のΔｈ４）が算出され、周波数設定値の補正に用いられる（ステップＳ２５）。

一方、図５に示す時刻ｔｅから時刻ｔｆまでの区間５のように第１の水晶振動子１０の雰囲気温度が変化する場合には、単位時間当たりの検出温度の変化率が最小温度変化率以上である（｜ΔＴ２／Δτ５｜≧Ｔｍｉｎ）と判断される（ステップＳ２４；ＹＥＳ）。この場合は、メモリ９４から読み出したエージング係数（ａ１）、温度特性係数（ａ２）を用いて得られる式（１）に補正値調整時間（経過時間）Δτ５、温度変化量ΔＴ２の双方を代入し、周波数補正値を算出する。
これによりエージング係数、温度特性係数の双方を用いた周波数補正値（図５中のΔｈ５）が算出され、周波数設定値の補正に用いられる。

さらに図５に示す時刻ｔｆから時刻ｔｇまでの区間６においては、温度が一定であるため温度変化量ΔＴはゼロとみなされ、区間６の経過時間Δτ６、エージング係数（ａ１）から周波数補正値Δｈ６が算出される。

上述の実施の形態によれば、第１の水晶振動子１０の発振周波数を基準クロックとして用い、周波数設定値に基づいて周波数信号を出力する発振装置において、発振装置の出力周波数（の分周信号）と、１ｐｐｓのＧＰＳ信号との周波数差に対応する差分値を求める周波数差検出部２０７を設けると共に、第１の水晶振動子１０が置かれる雰囲気の温度を検出するように構成している。そしてＧＰＳ信号を取得している期間中に、第１の水晶振動子１０のエージングによる周波数変動を補正する補正値を算出するためのエージング係数（ａ１）と、第１の水晶振動子１０の温度変化による周波数変動を補正する補正値を算出するための温度特性係数（ａ２）と、を求めている。そしてホールドオーバー期間中には、エージング係数と、温度特性係数とを用いて周波数補正値を算出し、周波数設定値に加算するようにしている。そのためＧＰＳ信号が取得できないホールドオーバーの期間中にも出力周波数を安定させることができる。

ここで図２を用いて説明したエージング係数や温度特性係数の学習にあたっては、補正係数（エージング係数、温度特性係数）の算出ステップ（ステップＳ１５、１８）において、過去に繰り返し算出した補正係数（ａ２）を各々直近の複数回分ずつ記憶しておき、新たに算出した補正係数と過去に算出した補正係数とを含む複数の補正係数の平均値を用いて周波数補正値を算出してもよい。複数回算出したエージング係数及び温度特性係数の平均値を用いて周波数補正値を算出することができるため、出力周波数の補正精度を向上させることができる。

また本発明は、図１〜５を用いて説明した実施の形態には限らず、水晶振動子を用い、周波数設定値に基づいて発振出力が得られる発振装置であれば適用することができる。
図６に他の実施形態に係る発振装置５００の一例を示す。本例の発振装置５００は、不図示の水晶振動子が設けられた発振器（発振部）５０１を用い、入力された周波数設定値に応じた周波数信号を出力する。発振器５０１にはヒータ回路（ヒータ部）５０２により水晶振動子が置かれている雰囲気を一定の温度に加熱している。従ってこの発振器５０１を含む発振装置５００は、ＯＣＸＯである。

発振器５０１の一例としては、例えばコルピッツ回路からなる発振回路を備え、可変容量ダイオードを介して当該コルピッツ回路の制御電圧が入力されるものを挙げることができる。この場合には、制御電圧は周波数設定値に相当し、制御電圧に応じて発振器５０１の出力周波数が調整される。また発振装置５００は、既述の補正値算出部、補正係数算出部の機能を備えたマイクロコンピュータ９０と周波数差検出部２０７とを備える。

例えば周波数差検出部２０７は、発振器５０１から出力された周波数信号（分周信号）と、１ｐｐｓのＧＰＳ信号との周波数差（差分値）を取得し、マイクロコンピュータ９０に入力される。また発振器５０１は、温度検出部５０３を備え、温度検出部５０３にて取得された検出温度は、マイクロコンピュータ９０に入力される。マイクロコンピュータ９０は、検出温度に基づいてヒータ回路５０２の出力を調整して、発振器の温度を一定にする。このような構成の発振装置５００においても、図２を用いて説明した補正係数（エージング係数、温度特性係数）の学習動作、図４を用いて説明した周波数補正値の算出、設定動作を実行することにより、安定した周波数信号を出力することができる。

また本発明は、温度特性係数（ａ２）を求めるにあたって、例えば既述のヒータ部（図１、６のヒータ回路５０２）などの温調機構により、水晶振動子（図）が置かれている雰囲気の温度を変動させることができるよう構成してもよい。温度特性係数（ａ２）を求めるにあたって、水晶振動子の温度変化が小さい場合には、求められた温度特性係数の精度が悪くなるおそれもある。さらに温度変化に対する周波数変化の分解能が高い発振装置においては、わずかな温度変化に対しては周波数信号が揺らいでいるように見えてしまい、算出した温度特性係数の精度が悪くなるおそれもある。そこで水晶振動子に、一定の温度差以上、例えば既述の温調機構などを利用して１℃以上の温度変化を与えて温度特性係数を求めることで、温度特性係数の精度の高めてもよい。

強制的な温度変化を与えて温度特性係数（ａ２）を求めるときは、例えば図１に示す発振装置において、マイクロコンピュータ９０から第１の水晶振動子１０が配置された雰囲気の温度を１℃以上変化させるための温度特性係数（ａ２）の算出用の温度設定値を出力し、温度が変化している期間中に図２のステップＳ１４、Ｓ１６〜１８の動作を実行する場合を例示することができる。
また上述の例では、ホールドオーバー期間に、周波数補正値を算出するにあたってエージング係数（ａ１）及び温度特性係数（ａ２）を用いた一次式を採用しているが、周波数補正値を算出する際に用いる式は一次式に限定されない。より適切である場合には、経過時間（Δτ）や温度変化量（ΔＴ）の対数関数や指数関数と各補正係数との線形和に基づき、周波数補正値を算出することもできる。

１ 第１の発振回路
２ 第２の発振回路
５ ヒータ回路
１０ 第１の水晶振動子
２０ 第２の水晶振動子
４２ 加算部
９０ マイクロコンピュータ
９２ 補正値算出部
９３ 補正係数算出部
９４ メモリ
１００ ＶＣＸＯ
２００ ＰＬＬ回路部
２０１ ＤＤＳ
２０７ 周波数差検出部

Claims (9)

1. 水晶振動子を用い、周波数設定値に基づいて周波数信号を出力する発振部を備えた発振装置において、
   外部から取得した外部クロック信号と、前記発振部から出力された周波数信号との周波数差に対応する差分値を求める周波数差検出部と、
   前記水晶振動子が配置された雰囲気の温度を検出する温度検出部と、
   前記周波数設定値に対応する周波数と、周波数信号の周波数とを揃えるために、前記周波数設定値に加算される周波数補正値を算出する補正値算出部と、
   前記発振部に入力される周波数設定値に、前記補正値算出部から取得した周波数補正値を加算する加算部と、
   前記周波数差検出部にて求められた差分値の経時変化と、前記温度検出部にて検出した検出温度の経時変化とに基づき、単位時間当たりの前記周波数補正値の変化率を示すエージング係数と、単位温度当たりの前記周波数補正値の変化率を示す温度特性係数と、を算出する補正係数算出部と、を備え、
   前記補正値算出部は、前記外部クロック信号を取得している期間中は、前記周波数差検出部にて検出された差分値に基づいて周波数補正値を算出し、前記外部クロック信号が途切れている期間中は、前記エージング係数及び温度特性係数を用いて周波数補正値を算出することを特徴とする発振装置。
2. 前記発振部は、電圧制御発振器を含むＰＬＬ回路部と、前記周波数設定値及び基準クロックが入力されることにより当該周波数設定値に応じた、前記ＰＬＬ回路部の参照用の周波数信号を出力するＤＤＳと、を備え、
   前記水晶振動子は、前記ＤＤＳの基準クロックを出力する発振回路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
3. 前記発振部は、前記水晶振動子が設けられた発振回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
4. 前記水晶振動子が設けられている雰囲気を加熱するヒータ部と、前記温度検出部にて検出された温度が予め設定された目標温度となるように、前記ヒータ部の出力を調節するヒータ制御部と、を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発振装置。
5. 前記周波数設定値に対応する周波数に対する前記周波数信号の周波数の変化率が１ｐｐｔ／秒以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発振装置。
6. 前記補正係数算出部は、予め設定された時間内における前記検出温度の変化率が、予め設定した最小温度変化率以下の期間であるエージング測定期間中の前記周波数補正値の変化量に基づいて、前記エージング係数を算出することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発振装置。
7. 前記補正係数算出部は、前記検出温度の変化率が、前記最小温度変化率よりも大きい期間である温度特性測定期間中の前記周波数補正値の変化量から、当該温度特性測定期間開始前のエージング測定期間にて算出したエージング係数と前記温度特性測定期間の経過時間とに基づいて求めたエージング要因周波数補正量を差し引いた値である温度変化要因周波数補正量に基づいて、前記温度特性係数を算出することを特徴とする請求項６に記載の発振装置。
8. 前記補正係数算出部は、時間の経過に沿って前記エージング係数及び温度補正係数の算出を繰り返し行って、複数のエージング係数、及び複数の温度補正係数を取得し、前記補正値算出部は、前記複数エージング係数の平均値と、前記複数エージング係数の平均値と、に基づいて前記周波数補正値を算出することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発振装置。
9. 前記水晶振動子が配置された雰囲気の温度を変化させるための温調機構を備え、
   前記温調機構は、前記補正係数算出部にて前記温度補正係数を算出するために前記差分値の経時変化及び前記検出温度の経時変化を取得する期間中に、前記水晶振動子が配置された雰囲気の温度を変化させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発振装置。

Images