JP4571905B2

JP4571905B2 - 波形生成回路及びスペクトル拡散クロック発生装置

Info

Publication number: JP4571905B2
Application number: JP2005360980A
Authority: JP
Inventors: 保長嶋; 幸治富岡
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: JP2006197570A

Description

本発明は、三角波信号に所定の修正を加える波形生成回路、及び、この波形生成回路を用いたスペクトル拡散クロック発生装置に関するものである。

ここで、スペクトル拡散クロック発生装置とは、いわゆるスプレッド・スペクトラム・クロック手法に基づいてクロックの周波数を変動させることにより、電磁輻射を低減させるためのクロック発生装置である。

デジタル回路の分野においては、クロックに起因して発生される電磁輻射を低減するために、クロックの周波数を微小に変動させることが知られている。

また、周波数変調されたクロックを得るためには、三角波をＶＣＯ（電圧制御発振器）に入力することが一般に行われている。

図１は、従来から知られている三角波発生回路の一例を示す。この回路における入力信号は矩形波であり、インバータ２０によって駆動される相補的スイッチ２２及びスイッチ２３が交互にオン／オフを繰り返すことによって、電流源２１と電流源２４からの電流がキャパシタ（ＣＡＰ）２５に交互に供給される。かくして、ＣＡＰ２５の充電あるいは放電が繰り返され、その結果として三角波の出力が得られる。

また、特許文献１には、「マイコンやその他のデジタル回路から発生する不要輻射が、ＴＶチューナに与えることに起因して生じる画面上の妨害を視覚上目立たなくすること。」を目的として、「マイクロコンピュータのクロックパルスを作成する回路であって、一定周波数のパルス信号を発生するパルス発生手段と、前記パルス発生手段で発生するパルス信号をランダムに変調するランダム変調手段とを備え、前記ランダム変調手段は、三角波発生器と、この三角波発生器で得られる三角波を周波数変調する周波数変調器と、この周波数変調器の出力とパルス発生器から得られる信号に基づいて周波数変換する周波数変換器とからなり、前記周波数変換手段の出力をクロックパルスとするようにした構成」が記載されている。

特開平０６−２４２８５１号公報（［要約］，図１）

しかしながら、上述の如く三角波で周波数変調をかけようとする際に、変調回路あるいは発振器の入力に対する周波数特性が十分でなかった場合には、三角波の頂点が丸くなってしまい、理想的な周波数拡散がかからないという問題がある。

そして、このような形状の三角波で周波数拡散をかけた場合には、拡散した周波数帯域の両端で他の部分よりも高いレベルのスペクトルが観測されるので、周波数拡散の効果を損なってしまうという問題が生じる。

他方、理想的な形状の三角波を用いて周波数変調をかけることができた場合にも、ＥＭＩ測定は、ある有限の周波数分解能と測定積分時間に基づいて行われるものであることから、三角波の頂点近辺の周波数では測定する周波数レンジ内に他の部分よりも長い時間存在することとなり、その結果として、他の部分よりも高いレベルのスペクトルが観測されてしまうという不都合が生じてくる（図７（ａ）参照）。

なお、このような不都合を回避する為に、周波数変調するための波形を特殊な形状に変形して変調をかけるという手法も考案されているが、回路面積及びコストの両面で余分な代償を支払わなければならない。（電磁環境工学情報ＥＭＣ５月号Ｐ２２〜Ｐ２８）
よって本発明の第１の目的は、上述の点に鑑み、ＶＣＯ（電圧制御発振器）などの周波数変調回路へ入力するのに適した、修正された三角波信号を発生する波形生成回路を提供することにある。

本発明の第２の目的は、周波数変調に用いる三角波の形状を簡単な方法で変形することにより、回路コストを殆ど上昇させること無く周波数拡散の効果を向上させた、スペクトル拡散クロック発生装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、第１の傾斜スロープ部及び第２の傾斜スロープ部から成る三角波信号を発生する三角波発生手段と、前記第１の傾斜スロープ部に対応して、第１のオフセット成分信号を発生し、且つ前記第２の傾斜スロープ部に対応して、前記第１のオフセット成分信号とは異なる第２のオフセット成分信号を発生するオフセット発生手段と、前記三角波発生手段から発生された前記三角波信号と、前記オフセット発生手段から発生された前記オフセット成分信号とを加算する結合手段と、前記結合手段により加算された結果の出力信号を送出する出力手段と、を備える波形生成回路と、波形生成回路から送出された出力信号を入力し、出力信号に対応した周波数のクロック信号を発生する可変周波数クロック発生回路と、を具備し、前記三角波発生手段は、固定キャパシタと、入力クロック信号に応答して相補的に開閉する一対のスイッチを介して、前記固定キャパシタの充電及び放電を行わせる充放電手段と、を備え、前記固定キャパシタの端子間から前記第１の傾斜スロープ部及び前記第２の傾斜スロープ部に相当した電圧を得、前記オフセット発生手段は、前記固定キャパシタへの充電電流及び放電電流を通過することにより、前記第１のオフセット成分信号及び前記第２のオフセット成分信号を端子間電圧として発生する固定抵抗であり、前記結合手段は、前記固定キャパシタと前記固定抵抗を直列に接続する結線であり、前記出力手段は、前記固定キャパシタの２端子のうち前記固定抵抗が接続されていないほうの端子である。

請求項２に係る本発明は、請求項１に記載のスペクトル拡散クロック発生装置において、第１の傾斜スロープ部及び第２の傾斜スロープ部から成る三角波信号を発生する三角波発生手段と、前記第１の傾斜スロープ部に対応して、第１のオフセット成分信号を発生し、且つ前記第２の傾斜スロープ部に対応して、前記第１のオフセット成分信号とは異なる第２のオフセット成分信号を発生するオフセット発生手段と、前記三角波発生手段から発生された前記三角波信号と、前記オフセット発生手段から発生された前記オフセット成分信号とを加算する結合手段と、前記結合手段により加算された結果の出力信号を送出する出力手段と、を備える波形生成回路と、前記波形生成回路から送出された前記出力信号を入力し、前記出力信号に対応した周波数のクロック信号を発生する可変周波数クロック発生回路と、を具備し、前記三角波発生手段は、固定キャパシタと、入力クロック信号に応答して相補的に開閉する一対のスイッチを介して、前記固定キャパシタの充電及び放電を行わせる充放電手段とを備え、前記固定キャパシタの端子間から前記第１の傾斜スロープ部及び前記第２の傾斜スロープ部に相当した電圧を得、前記オフセット発生手段は補助キャパシタであり、前記結合手段は、前記入力クロック信号の入力端と前記固定キャパシタの一端との間に前記補助キャパシタを接続する結線であり、前記出力手段は、前記補助キャパシタと前記固定キャパシタの共通接続点である。

請求項３に係る本発明は、請求項１または２に記載のスペクトル拡散クロック発生装置において、前記第１のオフセット成分信号と前記第２のオフセット成分信号とは互いに逆極性である。

図２は、本発明の一実施形態に係るスペクトル拡散クロック発生装置、及び、各部の信号波形を示す。本図の１０は変調波形発生回路であり、その出力信号は（ａ）に実線で示すような変調波形を有している。この変調波形がＶＣＯ（電圧制御発振器）１１に入力される。すなわち、その変調波形に応じてＶＣＯ１１の発振周波数は変調を受け、（ｂ）に示すように、周波数が変動する出力クロックが得られる。この出力クロックの周波数遷移は、（ｃ）の実線で示すような時間的変化を伴う。

図３は、図２の（ａ）に実線で示した変調波形を生成する方法の一例を示す。本図の（ａ）は純粋な三角波であり、（ｂ）はこの三角波の頂点と同じタイミングで変化点を持つオフセット用の矩形波である。そして、図３（ａ）の三角波と図３（ｂ）の矩形波を加算することにより、図３（ｃ）に示すように、三角波の頂点から次の頂点までを上方向あるいは下方向にシフトした波形が得られる。

図１１は、図２の（ａ）に実線で示した変調波形を生成する方法の別の一例を示す。図１１（ａ）は、図３（ａ）と同様に純粋な三角波である。図１１（ｂ）は、この三角波の頂点と同じタイミングで変化点を持つオフセット用の矩形波であるが、図３（ｂ）では信号レベルは一定で、変化点において極性が反転しているのに対し、図１１（ｂ）は、変化点では極性反転せずに信号レベルが変化する矩形波である。よってこれら図１１（ａ）の三角波と図１１（ｂ）の矩形波とを加算することにより、図１１（ｃ）に示すように、三角波の頂点から次の頂点までを各信号レベルに応じて上方向にシフトした波形が得られる。

図１２は、図２の（ａ）に実線で示した変調波形を生成する方法の別の一例を示す。図１２（ａ）は、図３（ａ）と同様に純粋な三角波である。図１１（ｂ）は、この三角波の頂点と同じタイミングで変化点を持つオフセット用の矩形波であるが、図３（ｂ）に対して極性が逆になっている。すなわち、図１２（ｂ）は、図３（ｂ）において正極性である領域で負極性であり、図３（ｂ）において負極性である領域で正極性である。よってこれら図１２（ａ）の三角波と図１２（ｂ）の矩形波とを加算することにより、右斜めに上がり、上に段差があり、右斜めに下がり、下に段差がある波形が得られる。

図４は、図２に示した変調波形発生回路１０の具体的な回路構成の一例を示す。本回路の入力は、図１に示した従来例と同じく矩形波であり、インバータ４０によって駆動される相補的スイッチ４２及び４３が交互にオン／オフを繰り返すことによって、電流源４１と電流源４４からの電流が交互にキャパシタ（ＣＡＰ）４５に流入する。その結果、ＣＡＰ４５の充電と放電が繰り返される。この充電と放電が繰り返されるとき、ＣＡＰ４５とグランドの間に接続された抵抗４６の端子間にはオフセット電圧が発生する。すなわち、スイッチ４２がオンでスイッチ４３がオフの間には、（抵抗４６の抵抗値）×（電流源４１の供給電流値）で発生するオフセット電圧が出力に加算される。他方、スイッチ４２がオフでスイッチ４３がオンの間には、（抵抗４６の抵抗値）×（電流源４４の供給電流値）で発生するオフセット電圧が出力から減算される。これらの加算及び減算により、出力の波形として、三角波の頂点から次の頂点までを上方向または下方向にシフトした波形が得られる。

図５は、変調波形発生回路１０のその他の具体的な回路構成を示す。この回路も入力は矩形波でありインバータ３０によって駆動される相補的スイッチ３２及び３３が交互にオン／オフを繰り返すことによって、電流源３１及び電流源３４からの電流がキャパシタ（ＣＡＰ）３５に流入する。その結果、ＣＡＰ３５の充電と放電が繰り返される。さらに加えて、本回路では、入力端子と出力端子の間にキャパシタ（ＣＡＰ）３６が接続されている。従って、入力矩形波がハイレベルを呈している間には、ＣＡＰ３６の静電容量値とＣＡＰ３５の静電容量値によって定まる電荷が、ＣＡＰ３５に余分に蓄積されることになる。その結果として、入力矩形波がハイレベルを呈している間には、ＣＡＰ３５に生じる上昇スロープ電圧は上方向にシフトされることになる。他方、入力矩形波形がローレベル（零ボルト）を呈している間には、ＣＡＰ３５の電荷がＣＡＰ３６に流出するので、ＣＡＰ３５に生じる下降スロープ電圧は下方向にシフトされることになる。

図８は、変調波形発生回路１０のその他の具体的な回路構成を示す。入力端子は、インバータ３０に接続され、インバータ３０の出力端は、３つに分岐されている。この分岐のうち２つは、スイッチ３２、３３に接続され、インバータ３０から出力される信号のＨｉとＬｏとに応じてスイッチが開閉する。また、電流源３１、スイッチ３２、スイッチ３３、電流源３４という順で、これら電流源３１、３４、スイッチ３２、３３は直列に接続されており、電流源３４はスイッチ３３と接続されていない他端がグランドされている。また、スイッチ３２とスイッチ３３との間には出力端子が接続されている。出力端子とスイッチ３２、３３との間と、電流源３４のグランドされている側との間にＣＡＰ３５が接続されている。さらに、出力端子とスイッチ３２、３３との間と、インバータ３０とスイッチ３２及びスイッチ３３との間との間にＣＡＰ３６が接続されている。

図５に示す変調波形発生回路のＣＡＰ３６は、入力端子とインバータ３０との間と、スイッチ３２及びスイッチ３３と出力端子との間とに接続されているが、図８に示す変調波形発生回路のＣＡＰ３６は、インバータ３０とスイッチ３２及びスイッチ３３との間と、スイッチ３２及びスイッチ３３と出力端子との間とに接続されている。このようにＣＡＰ３６の接続位置を変えることにより、図５に示すＣＡＰ３６に対して逆の極性の電圧がＣＡＰ３６に与えられるため、出力波形の段差の向きも逆にすることができる。

この出力波形の段差の向きは、スイッチ３２、３３の極性を逆にすることによっても変えることができる。すなわち、インバータ３０の出力がＨｉの時にスイッチを閉じるのか、Ｌｏのときにスイッチを閉じるのかを変えることによって出力波形の段差の向きを変えることができる。

図９は、変調波形発生回路１０のその他の具体的な回路構成を示す。この変調波形発生回路１０は、ＲＯＭ９１と、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）９２とを備える。ＲＯＭ９１に、スロープにオフセットを持たせた波形に関するデータを予め格納しておく。ＲＯＭ９１から出力されるデータ列をＤＡＣ９２に供給し、ＤＡＣ９２がアナログ信号に変換して出力信号を送出することにより、上述の実施形態と同様に各スロープにオフセットを持たせた波形を実現することができる。本実施形態では、ＲＯＭ９１に替えて、プログラマブルメモリ、マイクロプロセッサーまたはＤＳＰ（不図示）などの演算装置を用いて所与のデータ列を生成させ、ＲＯＭ９１を用いた場合と同様に各スロープにオフセットを持たせた波形を実現することも可能である。

図１０（ａ）は、ＶＣＯ１１の具体的な回路構成を示す。ＶＯＣ１１は、電流によって速度が可変のインバータ１０４〜１０６と、インバータ１０４〜１０６に電流を供給する電流源１０１〜１０３と、電流源１０１〜１０３を制御してインバータ１０４〜１０６に供給する電流を電圧に応じて決定するＶ／Ｉ（電圧／電流）変換器１００とを備える。入力端から与えられた電圧は、Ｖ／Ｉ変換器１００によって電圧に応じた電流に変換され、その電流が各インバータ１０４〜１０６に供給される。図１０（ｂ）は、ＶＣＯ１１の一般的な入力電圧と出力周波数との関係を示す。一般にインバータ１０４〜１０６に供給される電流が多いほど出力信号の周波数は高くなるため、ここでは入力電圧が高くなると、それに応じて出力周波数も高くなる。但し、Ｖ／Ｉ変換器１００の極性を変えることにより、入力電圧に対して出力周波数が低くなるようにすることもできる。

図６は、従来の変調波発生回路（図１参照）におけるスペクトル拡散と、本発明に係る実施形態（図２〜図５参照）におけるスペクトル拡散の効果を比較説明した図である。ここで、（ａ）は周波数変調波形としてサイン波あるいは角が丸くなった三角波を使用した場合の、スペクトルを示す。サイン波の上または下の頂点部分では周波数変調が緩やかになるので、拡散したスペクトルの両端が盛り上がった形となる。また、（ｂ）は周波数変調波形として三角波を使用した場合の、スペクトルを示す。周波数変調波形として三角波を使用した場合、周波数変調の時間的な変化は常に一定であるが、ＥＭＩ測定は有限の周波数解像度で行われることから、三角波の頂点部分ではその周波数解像度の中に他の時間よりも長い時間いることになり、やはり拡散したスペクトルの両端は盛り上がった形となる。このような上記２つの例に対して、本発明に係る実施形態では、（ｃ）に示すように、三角波の頂点から次の頂点までを上方向または下方向にシフトした波形を使用しているので、この波形の頂点部分についてみると、一定の周波数帯域に存在する時間が一定となる。その結果、スペクトルの両端の盛り上がりを低減あるいは平坦化とすることができる。

図７は、図６で示したスペクトルの低減効果あるいは平坦化を、更に詳細に説明した図である。（ａ）は、従来例の如く変調波形が三角波であって、ＥＭＩ測定の周波数解像度がΔｆであるとした場合の説明図である。この図（ａ）から明らかなように、三角波の頂点以外の部分でそのΔｆの周波数領域を通過する時間をΔｔとすると、頂点部分でそのΔｆの周波数領域を通過する時間は、折り返しの時間も含めて２Δｔである。したがって、この周波数領域では、他の部分よりも高いスペクトルが観測されてしまうことになる。他方、（ｂ）は変調波形として、三角波の頂点から次の頂点までを上方向または下方向にシフトした波形を使った場合、すなわち、本発明の実施形態についての説明図である。この（ｂ）から明らかなように、本実施形態に係る波形においては、頂点部分でもそれ以外の部分でも周波数解像度のΔｆの周波数領域を通過する時間は同じであるので、拡散されたスペクトルの両端を平坦とすることができる。

本発明を実施することにより、ＶＣＯなどの周波数変調回路へ入力するのに適した、修正された三角波信号を発生する波形生成回路を実現することができる。さらに本発明によれば、周波数変調に用いる三角波の形状を簡単な方法で変形することにより、回路コストを殆ど上昇させること無く周波数拡散の効果を向上させた、スペクトル拡散クロック発生装置を実現することができる。

従来から知られている三角波発生回路の一例を示す回路図である。本発明を適用したスペクトル拡散クロック発生装置、及び、各部の信号波形を示す図である。図２（ａ）に実線で示した変調波形を生成する方法の一例を示す図である。図２に示した変調波形発生回路１０の具体的な回路構成図である。図２に示した変調波形発生回路１０のその他の具体的な回路構成図である。従来の変調波発生回路（図１）におけるスペクトル拡散と、本発明に係る実施形態（図２〜図５）におけるスペクトル拡散の効果を比較説明した図である。図６で示したスペクトルの低減効果あるいは平坦化を、更に詳細に説明した図である。図２に示した変調波形発生回路１０のその他の具体的な回路構成図である。図２に示した変調波形発生回路１０のその他の具体的な回路構成図である。（ａ）は、ＶＣＯ１１の具体的な回路構成図であり、（ｂ）は、ＶＣＯ１１の一般的な入力電圧と出力周波数との関係を示す図である。図２（ａ）に実線で示した変調波形を生成する方法の一例を示す図である。図２（ａ）に実線で示した変調波形を生成する方法の一例を示す図である。

符号の説明

１０変調波形発生回路
１１ＶＣＯ
１００Ｖ／Ｉ変換器
１０１〜１０３電流源
１０４〜１０６インバータ

Claims

第１の傾斜スロープ部及び第２の傾斜スロープ部から成る三角波信号を発生する三角波発生手段と、前記第１の傾斜スロープ部に対応して、第１のオフセット成分信号を発生し、且つ前記第２の傾斜スロープ部に対応して、前記第１のオフセット成分信号とは異なる第２のオフセット成分信号を発生するオフセット発生手段と、前記三角波発生手段から発生された前記三角波信号と、前記オフセット発生手段から発生された前記オフセット成分信号とを加算する結合手段と、前記結合手段により加算された結果の出力信号を送出する出力手段と、を備える波形生成回路と、
前記波形生成回路から送出された前記出力信号を入力し、前記出力信号に対応した周波数のクロック信号を発生する可変周波数クロック発生回路と、
を具備し、
前記三角波発生手段は、
固定キャパシタと、
入力クロック信号に応答して相補的に開閉する一対のスイッチを介して、前記固定キャパシタの充電及び放電を行わせる充放電手段と、を備え、
前記固定キャパシタの端子間から前記第１の傾斜スロープ部及び前記第２の傾斜スロープ部に相当した電圧を得、
前記オフセット発生手段は、前記固定キャパシタへの充電電流及び放電電流を通過することにより、前記第１のオフセット成分信号及び前記第２のオフセット成分信号を端子間電圧として発生する固定抵抗であり、
前記結合手段は、前記固定キャパシタと前記固定抵抗を直列に接続する結線であり、
前記出力手段は、前記固定キャパシタの２端子のうち前記固定抵抗が接続されていないほうの端子である、
ことを特徴とするスペクトル拡散クロック発生装置。
第１の傾斜スロープ部及び第２の傾斜スロープ部から成る三角波信号を発生する三角波発生手段と、前記第１の傾斜スロープ部に対応して、第１のオフセット成分信号を発生し、且つ前記第２の傾斜スロープ部に対応して、前記第１のオフセット成分信号とは異なる第２のオフセット成分信号を発生するオフセット発生手段と、前記三角波発生手段から発生された前記三角波信号と、前記オフセット発生手段から発生された前記オフセット成分信号とを加算する結合手段と、前記結合手段により加算された結果の出力信号を送出する出力手段と、を備える波形生成回路と、
前記波形生成回路から送出された前記出力信号を入力し、前記出力信号に対応した周波数のクロック信号を発生する可変周波数クロック発生回路と、
を具備し、
前記三角波発生手段は、
固定キャパシタと、
入力クロック信号に応答して相補的に開閉する一対のスイッチを介して、前記固定キャパシタの充電及び放電を行わせる充放電手段と、を備え、
前記固定キャパシタの端子間から前記第１の傾斜スロープ部及び前記第２の傾斜スロープ部に相当した電圧を得、
前記オフセット発生手段は補助キャパシタであり、
前記結合手段は、前記入力クロック信号の入力端と前記固定キャパシタの一端との間に前記補助キャパシタを接続する結線であり、
前記出力手段は、前記補助キャパシタと前記固定キャパシタの共通接続点である、
ことを特徴とするスペクトル拡散クロック発生装置。
請求項１または２に記載のスペクトル拡散クロック発生装置において、
前記第１のオフセット成分信号と前記第２のオフセット成分信号とは互いに逆極性であることを特徴とするスペクトル拡散クロック発生装置。