JP3174910B2 - 周波数発生方法及び回路 - Google Patents

周波数発生方法及び回路

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JP3174910B2 JP24726298A JP24726298A JP3174910B2 JP 3174910 B2 JP3174910 B2 JP 3174910B2 JP 24726298 A JP24726298 A JP 24726298A JP 24726298 A JP24726298 A JP 24726298A JP 3174910 B2 JP3174910 B2 JP 3174910B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子測定装置にお
ける水晶発振器等の周波数ソース（信号源）を用いる方
法及び回路に関する。特に、本発明は、携帯型デジタル
・マルチメータの如き比較的安価なデジタル電子測定装
置に用い、周波数が温度に対して安定した電気信号を発
生して、安定した時間基準を必要とする測定の精度を改
善する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常、電子測定装置においては、時間又
は周波数のいずれかの測定に対して、基準（リファレン
ス・ベース）を具える必要がある。典型的には、所定周
波数の信号を発生するのに適合する発振回路により、上
述の基準を発生する。例えば、低い周波数信号の複数の
発振の間で、比較的高く固定した周波数の信号の発振数
を計数することにより、低周波数信号の周波数を測定で
きる。同様に、２つの事象の間における信号の発振数を
計数することにより、これら事象間の時間測定を行え
る。典型的には、時間又は周波数の測定を行うために、
周波数が温度に対して安定しているか、補償されている
内蔵発振器を用いている。好ましくは、高周波数の発振
を行う発振器が、時間又は周波数の測定における分解能
を所望のものにする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、発振周波数が
高く、温度安定性（温度変動に対する安定性）が良く、
安価である発振器は、一般的ではない。例えば、１．５
ＭＨｚから６６ＭＨｚまでの周波数範囲内で発振し、価
格が約１ドルの標準水晶結晶板の周波数安定性は、０〜
７０度の温度範囲にわたって、わずか約１００ｐｐｍ
（parts-per-million）である。大雑把に言って、温度
安定性を１０倍に改善するには、１０倍のコストがかか
る。デジタル・マルチメータ（ＤＭＭ）の如き安価なデ
ジタル電子測定装置においては、かかるコストの差額
は、非常に重要である。
【０００４】一方、腕時計に用いる汎用水晶（ウォッチ
・クリスタル）発振器は、温度安定性が比較的に高い。
例えば、１ドル未満のコストで、温度安定性が、０．０
４ｐｐｍ／［摂氏温度］2である。しかし、ウォッチ・
クリスタルの周波数は、３２．７６８ＫＨｚというよう
に比較的低いので、多くの種類の電子測定装置にとって
は、時間分解能が低すぎる。
【０００５】よって、ＤＭＭの如き安価なデジタル電子
測定装置で用いるために、低減したコストで温度安定性
を良くする方法及び装置（回路）が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明では、コストを低
減して、温度安定性の良い周波数を発生する方法及び装
置（回路）を提供して、上述の問題点を改善すると共に
上述の必要性を満足する。本発明では、ＤＭＭの如き安
価なデジタル電子測定装置において、比較的温度に反応
しない（即ち、温度依存性が低い）安価な低周波の第１
発振器と、高周波数で安価であるが比較的温度に敏感な
（即ち、温度安定性が良くない、又は、温度依存性が高
い）第２発振器とを用いる。また、本発明によれば、校
正モジュールがこれら第１発振器及び第２発振器に結合
している。校正モジュールは、基準温度にて、基準信号
の周波数により第１発振器の周波数を校正し、動作温度
にて、第１発振器の周波数により第２発振器の周波数を
校正する。なお、動作温度は、一般に、基準温度ではな
い。第１発振器の発振周波数は、温度依存性を無視でき
る（即ち、温度安定性が良い）と考えられるので、装置
の所望動作温度にて、第２発振器の周波数を基準信号の
既知の周波数に関連付けることができる。時間基準又は
周波数基準として、比較的高い周波数の第２発振器を用
いて、高分解能の利点が得られる一方、第１発振器に対
して第２発振器を校正することにより、温度安定性の利
点が得られる。これらは、安価に実現できる。
【０００７】したがって、本発明によれば、低減したコ
ストで、温度安定性の良好な周波数を発生する新規で改
良された方法及び装置（回路）を提供できる。従来技術
に対する本発明の方法及び装置の顕著な利点は、同じコ
スト又は低減したコストで、周波数分解能が一層高く、
温度安定性が一層良好なことである。本発明の方法及び
装置には、既存の携帯型ＤＭＭに用いるのに適するとい
う顕著な利点もある。本発明の上述及びその他の概念、
特徴及び利点は、添付図を参照した以下の詳細説明から
一層容易に理解できよう。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明により、低減した
コストで温度安定性の良い周波数を発生する装置のブロ
ック図である。本発明により温度安定性の良い周波数を
発生する装置（回路）１０は、携帯型ＤＭＭの如く、コ
ストに左右されるアプリケーションにおいて、最も好都
合に適用できる。しかし、時間又は周波数を高分解能に
解析するため、時間又は周波数の測定用に比較的高周波
数のクロックを発生できることが望ましい。
【０００９】よって、従来技術において典型的である、
高価で、高周波で、温度安定性の良い単一のクロック発
生器を用いる代わりに、装置１０は、２個のクロック発
生器、即ち、安価で、低周波数で、温度安定性の良い
（温度依存性の低い）第１発振器１２と、安価で、高周
波数で、温度に敏感な（温度依存性の高い）第２発振器
１４とを具えている。装置１０は、これら２個の発振器
を結合する校正モジュール１６も含んでいる。
【００１０】校正モジュール１６は、（１）基準温度に
て既知の基準周波数の基準周波数信号１８により、第１
発振器１２の周波数を校正し、（２）一般的には基準温
度と異なる任意の装置１０の動作温度にて、第１発振器
１２の周波数により第２発振器１４の周波数を校正す
る。第１発振器１２の発振周波数の温度依存性を無視で
きるとすると、第２発振器１２の周波数は、周波数が既
知の基準信号に関連付けることができる。
【００１１】図２は、安価なデジタル電子測定装置で実
施した本発明の装置のブロック図である。上述の回路要
素は、好ましくは、ＤＭＭ２０の如き安価なデジタル電
子測定装置に予め存在する、即ち、既存のハードウェア
から構成できる。既存のＤＭＭ２０は、典型的には、校
正又は測定用の電気信号を受ける電気入力端２０ａと、
カウンタ回路２６を構成する比較器１９及びカウンタ２
１と、メモリ回路２２と、プロセッサ（処理回路）２４
とを含んでいる。カウンタ回路２６は、入力端２０ａに
結合して、この入力端に供給された信号のサイクル数を
計数する。プロセッサ２４は、メモリ回路２２及びカウ
ンタ回路２６に結合して、カウンタ回路２６の計数を制
御すると共に計数値を受けてメモリ回路２２に蓄積し、
メモリ回路２２に蓄積された計数値及びデータを読出
し、これら計数値及びデータを処理し、処理した計数値
及びデータをメモリ回路２２に書込む。なお、処理回路
２４及びカウンタ回路２６は、校正モジュール１６とし
ても機能する。
【００１２】多くの電子装置と同様に、ＤＭＭ２０は、
代表的には、時刻を計時して知らせる時間基準を発生す
るウォッチ・クリスタル発振器を含んでいる。この既存
の構造は、第１発振器１２として用いるのに都合がよ
い。第１発振器１２（即ち、ウォッチ・クリスタル発振
器）の周波数は、実質的に約３２．７６８ＫＨｚであ
る。この周波数は、ＤＭＭにおいて信号パラメータを測
定するための所望分解能を得るには、低すぎる。
【００１３】このＤＭＭ２０は、また、処理回路２４を
クロックするためのセラミック共振器の如きシステム・
クロック発振器も含んでいる。このシステム・クロック
発振器の周波数は、メガヘルツのレンジである。かかる
システム・クロック発振器の安価なものは、典型的には
温度に対して敏感である（即ち、温度安定性が良くな
い）が、この温度敏感性は、処理回路２４をクロックす
る機能にとっては、さほど重要ではない。本発明には、
この構成（システム・クロック発振器）を第２発振器１
４として用いると共に、ウォッチ・クリスタルの第１発
振器１２を用いて第２発振器１４の温度敏感性を大幅に
低下させる（即ち、第２発振器１４の温度安定性を改善
させる）という利点がある。
【００１４】第１発振器１２は、出力端１２ａを有し、
この出力端１２ａから、約３２．７６８ＫＨｚの時間基
準信号２８を処理回路２４に供給する（接続線は、図示
せず）。第２発振器１４は、出力端１４ａを有し、この
出力端１４ａから、クロック信号３０を処理回路２４に
供給して（接続線を図示せず）、この処理回路をクロッ
クする。また、カウンタ回路２６は、第１発振器の出力
端１２ａ、第２発振器の出力端１４ａ、及びＤＭＭの入
力端２０ａに結合しており、信号２８、３０及び１８を
夫々受ける。これら信号は、処理回路２４で処理できる
ように、デジタル形式に変換される。なお、カウンタ回
路２６では、比較器１９が入力信号１８を所定レベル
（例えば、ゼロ・レベル）と比較して、パルス信号に変
換する。カウンタ２１は、第２発振器１４からクロック
信号３０と、比較器１９からの出力信号と、第１発振器
１２からの基準時間信号２８との関係で決まる計数を後
述の如く行う。
【００１５】処理回路２４は、ロジック回路を具えてお
り、このロジック回路は、コンピュータ・プログラムを
実行して、カウンタ回路２６が発生したデータ及びメモ
リ回路２２からのデータを読出したり、データを演算処
理したり、その結果をメモリ回路２２に書き込んで、後
で利用したり、ユーザに表示できるようにする。本発明
では、これらカウンタ回路２６及び処理回路２４を構成
モジュール１６としても用いて、これら構成要素を兼用
している。
【００１６】上述のハードウェアを用いて、低減したコ
ストで、温度安定性の良い周波数を発生する。図３は、
本発明により、温度安定性の良い周波数を発生する方法
の流れ図である。ステップ３４から基準校正を行う。こ
のステップ３４では、カウンタ回路２６は、処理回路２
４と共に、基準温度Ｔrefにおいて、第２発振器のクロ
ック信号３０の所定数で決まる如き所定時間内に発生す
る基準信号１８の発振数である第１計数値Ｃ１を求め
る。クロック信号３０の周波数は、基準信号１８の周波
数よりも高いか、低いか、又は等しい。これら２つの信
号の周波数関係に関係なく、第１計数値Ｃ１は、基準信
号１８の所定数の発振の期間中に生じるクロック信号の
発振数にも相当する。いずれにせよ、計数値Ｃ１は、基
準温度における基準信号の測定した周波数に対応する。
【００１７】ステップ３６において、カウンタ回路２６
は、計数値Ｃ１を求めるのに用いたクロック信号３０の
発振数と同じ発振数の期間中の如く、実質的に同じ時間
内に生じる第１発振器１２の時間基準信号２８の発振数
である第２計数値Ｃ２を求める。この計数値Ｃ２は、基
準温度における時間基準信号の測定周波数に対応する。
ステップ３６を実行するのに、基準温度の値を知る必要
はないことが理解できよう。
【００１８】校正ステップ３８において、処理回路２４
は、計数値Ｃ１及びＣ２の一方を他方で除算するなどし
て、これら計数値Ｃ１及びＣ２を比較して、校正係数Ｆ
１を求める。この係数Ｆ１は、時間基準信号２８の周波
数と、基準信号１８の周波数とを相関させる。ここで、
（１）ＤＭＭ２０の温度変化の結果による時間基準信号
２８の周波数変化又は周波数誤差は、測定目的にとって
無視できると仮定するか、又は（２）基準温度からの温
度偏位により比較的小さな誤差が増加する様子は既知で
あり、容易に特徴化でき、その精度を高めるための補償
が容易であると仮定する。よって、ＤＭＭと共に用いる
温度の統計的中央値又は最頻度値に基準温度を選択する
ことが好ましいこととが理解できよう。
【００１９】ステップ４０において、処理回路２４は、
校正係数Ｆ１を後で利用するためにメモリ回路２２に書
き込む。一般的に、上述のステップの総ては、ＤＭＭの
製造時に最も都合良く実行され、校正係数Ｆ１は、メモ
リ回路２２内に存在するＲＯＭ又は他の不揮発性メモリ
に組み込まれる。しかし、必要に応じて、上述のステッ
プは、ＤＭＭ２０を用いる期間中に実行し、校正係数Ｆ
１をユーザが揮発性メモリ又は不揮発性メモリに蓄積し
てもよい。
【００２０】以下の信号測定のステップ４２〜５２は、
校正係数Ｆ１を求めて蓄積するステップ３４〜４０と実
行時が異なるため、開始ステップを分けて別の流れとし
て図３では記載している。ステップ４２において、カウ
ンタ回路２６は、所定時間にわたる時間基準信号２８の
発振数を計数して、この所定時間にわたる対象信号（即
ち、第１発振器１２からの時間基準信号２８）の発振数
である第３計数値Ｃ３を求める。この所定時間は、基準
時間信号２８及びクロック信号３０のいずれかの所定数
の発振により適切に決めてもよいし、他の時間基準によ
り決めてもよい。
【００２１】ステップ４２と同様に、概念的には並列的
に、ステップ４４において、カウンタ回路２６は、同じ
所定時間にわたって、クロック信号３０の発振数を計数
して、対象信号（即ち、第２発振器１４からのクロック
信号３０）の発振数である第４計数値Ｃ４を求める。
【００２２】ステップ４６において、処理回路２４は、
計数値Ｃ３及びＣ４の一方を他方で除算するなどして、
これら計数値を比較し、第２校正係数Ｆ２を求める。こ
の第２校正係数は、動作温度における第２発振器１４の
周波数及び第１発振器１２の周波数を相関させる。な
お、所定時間を基準時間信号２８及びクロック信号３０
の一方で定めて他方を計数する場合、この計数値からそ
のまま第２校正計数Ｆ２が求まる点に留意されたい。こ
の場合、ステップ４２〜４６が１つのステップになる。
【００２３】動作温度におけるクロック信号３０の周波
数を基準信号の周波数に関連付けるために、ステップ４
８において、処理回路２４は、メモリ回路２２から第１
校正係数Ｆ１を読出す。次に、最終校正ステップ５０に
おいて、処理回路２４は、動作温度における第２発振器
１４の発振周波数を、基準温度における装置１０に供給
された基準信号の周波数に関連付ける総合的な校正係数
Ｆcalを求める。特に、処理回路２４は、校正係数Ｆ１
及びＦ２を乗算するなどして、第２校正係数Ｆ２を第１
校正係数Ｆ１と比較して、総合校正計数Ｆcalを求め
る。次に、処理回路２４は、周波数補正ステップ５２に
おいて、総合校正係数Ｆcalを測定値に適用して、発振
器１４における周波数ドリフトにより影響された測定結
果を補正する。
【００２４】上述の比較の一例として、ステップ３８
で、比Ｃ１／Ｃ２＝Ｆ１を求め、ステップ４６で、比Ｃ
３／Ｃ４＝Ｆ２を求めるとする。次に、Ｆcal＝Ｆ１×
Ｆ２を求める。この総合校正計数Ｆcalは、クロック信
号３０の発振数を計数して得た周波数測定結果をＦcal
と乗算して、クロック信号における周波数エラーを調整
するためのものである。これと等価な処理は、当業者に
は明らかであろう。
【００２５】測定ステップ５２において、総合補正係数
Ｆcalを、時間又は周波数の測定値に適用する。この測
定値は、装置１０において、基準として第２発振器１４
の発振を用いて求め、第２発振器１４の周波数における
温度変動誤差を補正する。したがって、装置１０は、安
価に時間又は周波数を測定できる。この測定は、動作温
度及び基準温度の差に比較的影響委されない。
【００２６】本発明は、安価な電子測定装置に一般的に
用いられているものを上述のハードウェアとして使用で
きるという利点があるが、本発明の要旨を逸脱すること
なく、同等な回路により上述の機能を実行できるという
ことが当業者には理解できよう。
【００２７】ウォッチ・クリスタル発振器の発振周波数
では、温度係数が比較的小さいが、その温度依存性は、
温度の２乗で実質的に変化する。しかし、ドリフトの大
きさは、妥当な温度範囲では小さい。一例として、代表
的なウォッチ・クリスタルの温度ドリフトは、約０．０
４ｐｐｍ／［摂氏温度］2であるが、費用のかからない
システム・クロック発振器の温度ドリフトは大きい。温
度が摂氏１０度変化すると、ウォッチ・クリスタルの温
度ドリフトは、システム・クロックの１００分の１未満
である。温度が摂氏１００度にわたって変化しても、ウ
ォッチ・クリスタルの周波数誤差は、システム・クロッ
クの周波数誤差よりも遥かに小さい。ＤＭＭにおいて、
ウォッチ・クリスタルの温度による周波数ドリフトの依
存性の２乗が特に緩和するが、これは、しばしばＤＭＭ
が＋／−摂氏５度の如き比較的に狭い温度範囲内で動作
するように特定されているためである。
【００２８】ウォッチ・クリスタルを用いた際の本発明
の別の利点は、温度に応じた周波数偏差が既知である点
である。したがって、本発明の別の実施例において、装
置１０は、第１発振器１２に結合した補償モジュールを
用いてもよい。この場合、温度を測定し、第１発振器の
発振周波数を既知の技法により補償する。特に、２ｍｖ
／［摂氏温度］の如く、ダイオード接合の電圧が温度に
応じてほぼ線形に変化する素子を用いて、基準温度に
て、電圧を初めに校正して、メモリ回路２２に蓄積して
もよい。
【００２９】低減したコストで、温度安定性の良い周波
数を発生する本発明による特定の方法及び装置について
上述したが、本発明の要旨を逸脱することなく、上述し
た構成以外に、他の構成を用いこともできることが理解
できよう。例えば、既存のＤＭＭの構成要素を上述では
都合良く用いたが、本発明の要旨を逸脱することなく、
当該技術分野で既知の他の構成要素や付加的な構成要素
を用いてもよい。特定例として、既存の又は付加的なア
ナログ・デジタル変換器を処理回路と共に用いて、計数
値Ｃ１〜Ｃ４を求めてもよい。
【００３０】上述で用いた用語及び表現は、本発明の説
明のためであり、本発明を限定するものではなく、上述
の機能と等価なものを除外するものでもない。
【００３１】
【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、低減した
コストで、温度安定性の良好な周波数を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により、低減したコストで温度安定性の
良い周波数を発生する装置のブロック図である。
【図２】安価なデジタル電子測定装置に実施した本発明
の装置のブロック図である。
【図３】本発明により、低減したコストで温度安定性の
良い周波数を発生する方法の流れ図である。
【符号の説明】
１２ 第１発振器 １４ 第２発振器 １６ 校正モジュール １９ 比較器 ２０ ＤＭＭ ２１ カウンタ ２２ メモリ回路 ２４ 処理回路（プロセッサ：校正モジュール） ２６ カウンタ回路（校正モジュール）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲイリー・エム・ジョンソン アメリカ合衆国 オレゴン州 97124 ヒルズボロ ノース・イースト サー ド・アベニュー 976 (56)参考文献 特開 平11−16467（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−58515（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−79151（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−135232（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−95056（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−18779（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−154807（ＪＰ，Ａ) 米国特許4448543（ＵＳ，Ａ) 国際公開98／20620（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03B 5/00 H03L 7/00 G01R 15/00 G01R 35/00 H03L 1/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１温度依存性を有する第１周波数の第
    １信号を発生する第１発振器と、上記第１温度依存性よ
    りも実質的に高い第２温度依存性を有し上記第１周波数
    よりも高い第２周波数の第２信号を発生する第２発振器
    とを具えたデジタル信号測定装置において、 基準温度にて、実質的に同一の期間にわたって、基準信
    号の第１発振数及び上記第１信号の第２発振数を計数
    し、上記第１発振数及び上記第２発振数を比較して第１
    校正係数を求め、 動作温度にて、実質的に同一の期間にわたって上記第１
    信号の第３発振数及び上記第２信号の第４発振数を計数
    し、上記第３発振数及び上記第４発振数を比較して第２
    校正係数を求め、 上記第１校正係数及び上記第２校正係数を比較して、上
    記動作温度における上記第２信号の発振数を上記基準信
    号の対応発振数に関連付けて上記第２信号の周波数を校
    正し、 温度に対して安定した周波数を発生する周波数発生方
    法。
  2. 【請求項２】 第１温度依存性を有する第１周波数の第
    １信号を発生する第１発振器と、上記第１温度依存性よ
    りも実質的に高い第２温度依存性を有し上記第１周波数
    よりも高い第２周波数の第２信号を発生する第２発振器
    とを具えたデジタル信号測定装置において、 基準温度にて、実質的に同一の期間にわたって、基準信
    号の第１発振数及び上記第１信号の第２発振数を計数
    し、上記第１発振数及び上記第２発振数を比較して第１
    校正係数を求め、 動作温度にて、上記第１信号及び上記第２信号の一方の
    所定数発振数の期間にわたって上記第１信号及び上記第
    ２信号の他方の発振数を計数して、第２校正係数を求
    め、 上記第１校正係数及び上記第２校正係数を比較して、上
    記動作温度における上記第２信号の発振数を上記基準信
    号の対応発振数に関連付けて上記第２信号の周波数を校
    正し、 温度に対して安定した周波数を発生する周波数発生方
    法。
  3. 【請求項３】 第１温度依存性を有する周波数の第１信
    号を発生する第１発振器と、 上記第１温度依存性よりも実質的に高い第２温度依存性
    を有し、上記第１信号の周波数よりも高い周波数の第２
    信号を発生する第２発振器と、 第１所定温度における上記第１信号の発振周波数を基準
    信号の発振周波数に関連付けた第１校正係数を蓄積する
    メモリ回路と、 上記第１発振器、上記第２発振器及び上記メモリ回路に
    結合された校正モジュールとを具え、 該校正モジュールは、上記動作温度にて、実質的な同一
    の期間にわたって、上記第１信号の発振数及び上記第２
    信号の発振数を計数し、上記第１信号の発振数及び上記
    第２信号の発振数を比較して第２校正係数を求め、上記
    メモリ回路から上記第１校正係数を読み出し、上記第１
    校正係数及び上記第２校正係数を比較して上記動作温度
    における上記第２信号の発振数を上記基準信号の周波数
    に関連付け、上記第２発振器の周波数を校正することを
    特徴とする温度に対して安定した周波数を発生する周波
    数発生回路。
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