JP5307532B2 - Frequency change measurement method and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,被測定信号の周波数変化の測定方法,及び,測定装置に関わる. The present invention relates to a method for measuring a frequency change of a signal under measurement and a measuring apparatus.
物理量の変化に対応して周波数が変化する被測定信号の周波数変化を測定する方法には,1)被測定信号の周波数変化を分周してゲート時間を作成し,そのゲート時間内に測定裝置内部の基準クロックをカウントする方法,2)測定装置内部の基準クロックを分周してゲート時間を作成し,そのゲート時間内に物理量の変化に対応して周波数が変化する被測定信号の周波数をカウントする方法等,が知られている. To measure the frequency change of the signal under measurement whose frequency changes in response to changes in the physical quantity, 1) create a gate time by dividing the frequency change of the signal under measurement, and measure within the gate time. A method of counting the internal reference clock, 2) A gate time is created by dividing the internal reference clock of the measuring device, and the frequency of the signal under measurement whose frequency changes in response to a change in physical quantity within the gate time. There are known methods such as counting.
従来,例えば,精密な温度測定装置として,温度変化に対応して発振周波数が変化する水晶振動子を温度センサとして使用し,その水晶振動子を接続した発振器の発振周波数を分周し,分周信号によってゲートタイムを作成し,そのゲートタイム間に発生する測定装置内部の基準クロックをカウントして温度を測定する水晶温度計が知られている. Conventionally, for example, as a precise temperature measurement device, a crystal resonator whose oscillation frequency changes in response to temperature changes is used as a temperature sensor, and the oscillation frequency of the oscillator connected to the crystal resonator is divided. Quartz thermometers that measure the temperature by creating a gate time using a signal and counting the reference clock inside the measuring device generated during the gate time are known.
この種の水晶温度計は,一般に,図1に示すように,温度センサとしての水晶振動子1,それを発振させる発振回路2,その発振周波数信号を分周する分周器3,その分周信号に基づきゲートタイムを作成するゲート回路5,クロック信号を発生する基準クロック発振器4,ゲートタイム間にクロックをカウントするカウンタ6,及び,カウンタ6の計数値を読み取り各種演算して温度に換算する演算手段であるマイクロコンピュータ(CPU)7等から構成されている.しかし,この種の水晶温度計では,基準クロック発振器4のクロック周波数の安定度が測定精度に大きく影響する.このため,この種の水晶温度計では,測定誤差を少なくし測定精度を保つため,基準クロック発振器4を恒温槽に入れ,クロックの出力周波数を安定化する必要があった. As shown in FIG. 1, this type of crystal thermometer generally includes a crystal resonator as a temperature sensor, an oscillation circuit that oscillates it, a
特許文献1で,基準発振器と被測定信号との相互間で非常に短い周期時間差時間を求め,その周期時間差に該当する信号により特定された短い時間差だけ,カウンタにより測定装置内部の基準クロックをカウントする方法が開示されている.この方法は,測定装置内部の基準クロックをカウントする時間が短いため,測定結果が基準クロックの不安定さの影響を受け難くする特徴がある.しかし,特許文献1の方法は,測定毎に基準発振器と被測定信号の分周回路をリセットし,2つの信号を同期させるため,リセット時に分周周期のずれによりデジタル誤差が生じる欠点があった.このデジタル誤差は,測定値の分解能を向上させるための障害になっている.特許文献2で,リセットによる分周周期の同期を避け,リセット時に発生するデジタル誤差の影響を少なくする方法が開示されている.
特許文献2の技術では,高い分解能で被測定信号を測定するためには,
1)被測定信号と基準発振器との作用による周期時間差信号の発生間隔を長くしてその時間差信号の間,測定装置内部の基準クロックをカウントし,周波数測定に関わるカウント値の差を大きくする,
2)特定された周期時間差信号の間,高速発振する測定装置内部の基準クロックをカウントし,周波数測定に関わるカウント値の差を大きくする,
等の方法が必要である.分解能を2倍か3倍に向上させることはできても,例えば20倍向上させることは容易ではない.1)の場合は,測定間隔が20倍になり,早い応答が必要とされる用途に適さなくなる.また,2)の場合は,基準クロックの発振周波数を20倍高くする必要があり,カウンタ等を含めて消費電流が20倍程度になり,好ましくない.また,20倍の高速発振する基準クロックが製作できない場合も想定される.In the technique of
1) Increase the generation interval of the periodic time difference signal due to the action of the signal under measurement and the reference oscillator, count the reference clock inside the measuring device during the time difference signal, and increase the difference in count value related to frequency measurement.
2) Count the reference clock inside the measuring device that oscillates at high speed during the specified cycle time difference signal, and increase the difference in the count value related to frequency measurement.
Etc. are necessary. Although the resolution can be improved by 2 or 3 times, it is not easy to improve it by 20 times, for example. In the case of 1), the measurement interval is 20 times longer, making it unsuitable for applications that require a quick response. In the case of 2), it is necessary to increase the oscillation frequency of the
この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり,この発明の第1の局面は次のように規定される.
測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段と,その出力信号を分周する第1の分周手段と,物理量の変化に対応して周波数が変化する被測定信号を分周する第2の分周手段と,第1の分周手段と第2の分周手段の分周信号より周期時間差信号を作成する周期時間差発生回路と,該周期時間差発生回路の信号によりラッチ信号を発生するラッチ信号発生回路と,カウント用の信号を出力する基準発振器と,該基準発振器の出力信号をカウントするカウンタと,カウント値を読み取り演算する演算手段より構成され,
該発振手段による出力信号を第1の分周手段で分周した分周信号と,該被測定信号を第2の分周手段で分周した分周信号と,から周期時間差発生回路で周期時間差信号を発生させ,近接した複数の該周期時間差信号に対応してラッチ信号発生回路でラッチ信号を発生させ,該ラッチ信号をカウント用の信号を出力する基準発振器の出力信号をカウントしているカウンタに作用させ,複数の周期時間差信号間のカウンタの値を読み取り,演算手段によりこれらのカウント値の総和から被測定信号の周波数変化を測定する周波数変化測定法.The present invention has been made to solve the above problems, and the first aspect of the present invention is defined as follows.
An oscillating means for outputting a frequency signal as a reference for measurement, a first frequency dividing means for dividing the output signal, and a second for dividing the signal under measurement whose frequency changes in response to a change in physical quantity. Frequency dividing means, a period time difference generating circuit for generating a period time difference signal from the frequency dividing signals of the first frequency dividing means and the second frequency dividing means, and a latch signal for generating a latch signal by the signal of the period time difference generating circuit A generation circuit, a reference oscillator that outputs a count signal, a counter that counts the output signal of the reference oscillator, and a calculation means that reads and calculates the count value;
A cycle time difference is generated by a cycle time difference generating circuit from a frequency-divided signal obtained by frequency-dividing the output signal from the oscillation unit by the first frequency-dividing unit and a frequency-divided signal obtained by frequency-dividing the signal under measurement by the second frequency-dividing unit. A counter that counts the output signal of a reference oscillator that generates a signal, generates a latch signal in a latch signal generation circuit in response to a plurality of adjacent time difference signals, and outputs a signal for counting the latch signal This is a frequency change measurement method that reads the value of the counter between multiple period time difference signals and measures the frequency change of the signal under measurement from the sum of these count values by means of arithmetic means.
本発明の周波数変化測定法は,図2の構成図に示すように,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13と,13からの出力信号を分周する分周手段である第1の分周器14と,周波数信号である被測定信号11を分周する分周手段である第2の分周器12と,前記2つの分周器12,14から出力される分周信号の周期時間差を持つ周期時間差信号を発生する周期時間差発生回路15と,周期時間差信号から特定された時間にラッチ信号を発生させるラッチ信号発生回路17と,カウント用の信号を出力する基準発振器16と,16の出力信号をカウンとするカウンタ18と,該ラッチ信号発生回路17に基づくラッチ信号によりラッチされたカウンタ18のカウント値を取り込み,そのカウント値に基づいて被測定信号の周波数変化を演算する演算手段19と,を備えて構成される. As shown in the block diagram of FIG. 2, the frequency change measuring method of the present invention is a first frequency dividing means for dividing an output signal from an oscillation means 13 for outputting a frequency signal serving as a measurement reference.
このように規定される第1の局面の周波数変化測定方法を図2の構成図と図3のタイミングチャートに基づいて説明する.図3の上段のTは,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の出力信号を分周する第1の分周器14の出力である分周信号Tのネガティブエッジ(横軸は時間であり,図示した時間は分周周期Tの連続するネガティブエッジt0,t1,t2近傍である),及び,被測定信号11を分周する第2の分周器12の出力である分周信号Qの変化を示すタイムチャートである.図3の中段は該分周信号Tのネガティブエッジt0近傍を拡大したタイムチャート,図3の下段は,同じくt1近傍を拡大したタイムチャートである.分周信号Qと分周信号Tが図3で示すような関係である場合を例に説明する.図3の横軸は時間軸とし,t0のとき,分周信号Tのネガティブエッジと分周信号Qのネガティブエッジが一致しているとする(時刻t0と時刻q00が一致しているとする).そして,分周信号Tの周期をT’,分周信号Qの周期をQ’とし,Q’のN倍(以下ではN*Q’とする)に近い時間における被測定信号の周波数変化を求めることを想定する.具体的には,カウント用の信号を出力する基準発振器16の出力信号をカウントすることを想定し,この時間にカウントしたカウント値の差から演算によりこの時間内の周波数変化を求めることとする. The frequency change measurement method of the first aspect defined in this way will be described based on the configuration diagram of FIG. 2 and the timing chart of FIG. 3 is a negative edge of the frequency-divided signal T that is the output of the
周期T’と周期Q’との関係が,T’=N*Q’であるとし,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の発振周波数は安定で分周信号の周期T’が一定であると仮定する.また,以下に記載するカウント及びカウント値とは,何れも基準発振器16の出力信号をカウントすること,及び,その結果得られるカウント値を意味する.図3の中段の図で示すように,時刻t0では図2に示した構成要素である13の分周信号Tと,被測定信号11の分周信号Qが一致していると仮定した.したがって,分周信号Tの時系列上の時刻t0と,分周信号Qの時系列上の時刻q00は一致する.図示はしてないが,2つの時間間隔の関係が,T’=N*Q’であり,時間間隔T’が時間軸上でt0からt1であるとする.そして,分周信号Tのネガティブエッジに対応する時刻t0,t1,t2と同時ないしは直後に変化する分周信号Qのネガティブエッジでラッチ信号を出力しカウンタ18の値をラッチし演算手段等で読み取ることとする.この場合,N*Q’の時間だけカウント用の信号を出力する基準発振器16の出力信号をカウントすると想定すれば,この間に被測定信号11の周波数信号が変化すればその周波数変化に対応してカウント値に差が生じる.N=1000で,時刻t0からt1の間が1秒であり,16の出力信号が10MHzであったとする.t0からt1まで連続して16の出力信号をカウントする場合,
10MHz*1sec=10000000 (1)
カウントになる.また,N=1000で,t0からt1までが1秒と仮定したことで,q01−q00は1msecとなり,この間のカウント値は,
10MHz*1msec=10000 (2)
カウントになる.図3で被測定信号11の発振周波数が変化しないとすれば(この場合は下段で図示した時刻t1とq10も重なる),時刻q00から時刻q10,時刻q01からq11まで,16の出力信号をカウントしても,それぞれ,N*Q’時間に相当するカウント値,10000000になる.Assume that the relationship between the period T ′ and the period Q ′ is T ′ = N * Q ′, and the oscillation frequency of the oscillation means 13 that outputs the frequency signal serving as a measurement reference is stable, and the period T ′ of the divided signal is Assume that it is constant. The counts and count values described below mean counting the output signal of the
10MHz * 1sec = 10000000 (1)
It becomes a count. Also, assuming that N = 1000 and the time from t0 to t1 is 1 second, q01-q00 is 1 msec.
10MHz * 1msec = 10000 (2)
It becomes a count. If the oscillation frequency of the signal under
被測定信号11の発振周波数が変化し,10ppm程度遅くなり分周周期が長くなった状態が図3で示されているとする.何れも,分周信号Tのネガティブエッジを測定の基準時間とし,直後に変化する分周信号Qのネガティブエッジでカウンタ値を読み取ることとする.この場合,図3の中段で示す時刻t0(時刻q00と一致している)からq01までのカウント値をk01,時刻t0からq02までのカウント値をk02,t0からq03までのカウント値をk03とする.同様に,図3の下段で示す時刻t1からq10,q11,q12,q13までのカウント値をk10,k11,k12,k13とする.被測定信号11の発振周波数が変化し,分周周期が長くなったと仮定したから,時刻t0からq01までの時間は,
1msec*(1+0.000010)=1.00001msec (3)
であり,この間のカウント値は,
10MHz*1.00001msec=10000.1 (4)
カウントである.また,時刻q10からq11までの時間も,
1msec*(1+0.000010)=1.00001msec (5)
であり,この間のカウント値は,
10MHz*1.00001msec=10000.1 (6)
カウントになる.時刻t1からq10までの時間は,時刻t0を基準にすると,
1sec*(1.000010)−1sec=0.01msec (7)
であり,この間のカウント値は,
10MHz*0.001*0.01=100 (8)
カウントである.ここでは周波数変化の割合が10ppmと仮定したが,割合が無理数等の値であれば,式(8)の結果は整数にならない.時刻t0からq10までの時間は,式(7)に1秒を加算した時間であり,
0.01msec+1sec=1.00001sec (9)
である.そして,この間のカウント値は,
10MHz*1.00001=10000100 (10)
カウントとなる.また,式(3)と式(5)より,時刻差q01−t0とq11−q10が同じで,t0からt1までが1秒であることから,時刻q01からq11までの間隔は,q10−t0と同じになる.同様にして,時刻q02からq12までの間隔は,q10−t0と同じになる.このように,分周周期Tの連続するネガティブエッジ直後に変化する,分周周期Qのネガティブエッジのそれぞれに対し,個別に時間差を求めれば,式(9)と同じ値になる.言い換えれば,q01からq11までの時間は,t0からq10の時間である式(9)の結果と一致する.同様にして,時刻q02からq12,q03からq13までの時間も式(9)と一致する.Suppose that the oscillation frequency of the signal under
1 msec * (1 + 0.000010) = 1.0001 msec (3)
The count value during this period is
10MHz * 1.00001msec = 10000.1 (4)
It is a count. Also, the time from q10 to q11 is
1 msec * (1 + 0.000010) = 1.0001 msec (5)
The count value during this period is
10 MHz * 1.00001 msec = 10000.1 (6)
It becomes a count. The time from time t1 to q10 is based on time t0.
1 sec * (1.000010) -1 sec = 0.01 msec (7)
The count value during this period is
10 MHz * 0.001 * 0.01 = 100 (8)
It is a count. Here, the rate of frequency change is assumed to be 10 ppm, but if the rate is an irrational value, the result of equation (8) will not be an integer. The time from time t0 to q10 is a time obtained by adding 1 second to the equation (7).
0.01msec + 1sec = 1.0001sec (9)
It is. And the count value during this period is
10 MHz * 1.00001 = 10000100 (10)
It becomes a count. Further, from the equations (3) and (5), the time difference q01-t0 and q11-q10 are the same and the time from t0 to t1 is 1 second, so the interval from time q01 to q11 is q10-t0. Is the same as Similarly, the interval from time q02 to q12 is the same as q10-t0. In this way, if the time difference is obtained individually for each negative edge of the frequency division period Q that changes immediately after the negative edge that continues the frequency division period T, the same value as in equation (9) is obtained. In other words, the time from q01 to q11 coincides with the result of equation (9), which is the time from t0 to q10. Similarly, the times from time q02 to q12 and from q03 to q13 also agree with equation (9).
この式(9)で示される時間,連続して基準発振器16の出力信号をカウントしてカウント値の変化から被測定信号11の周波数変化を求めてもよいが,時刻t0からt1までが時間が既知であるから,この間はカウントしなくても,測定の基準時間とした時刻t0,t1,t2からカウントを開始し,T’=N*Q’の関係から既知となるカウント値を加算すればよい.つまり,測定の基準時間である分周周期Tのネガティブエッジと同期するか,その後の分周周期Qのネガティブエッジの同期する時間にカウント値を読み取るだけで,T’=N*Q’間はカウンターでカウントしなくても,この期間の被測定信号の周波数変化が求められる.上記の議論は,分周周期Tが一定していると仮定している.測定基準としている分周周期Tが変動すればその割合で測定結果は変動する.また,上記議論は,分周周期Tに比較して分周周期Qが1000倍程度異なり,時刻q00とq01,時刻q10とq11等が時刻t0とt1の間隔に比較して充分短いことを仮定している.これらの仮定した条件が崩れれば,測定誤差の要因になることは言うまでもない. The output signal of the
具体的には,分周信号Tのネガティブエッジである時刻t0を基準にしてカウントを開始し,それと同期かその直後に変化する分周信号Qのネガティブエッジである,q01,q02.q03までのカウント値,k01,k02,k03等を必要回数読み取る.そして,引き続いて分周信号Tのネガティブエッジである時刻t1を基準にしてカウントを開始し,その直後に引き続いて変化する分周信号Qのネガティブエッジ,q10,q11,q12.q13までのカウント値,k10,k11,k12,k13等を必要回数読み取る.その後,これらの該当時間のカウント値の差から,演算手段で,時刻t0からt1,時刻t1からt2等に該当する被測定信号11の周波数変化を求める. Specifically, the counting starts on the basis of the time t0 that is the negative edge of the frequency-divided signal T, and is the negative edge of the frequency-divided signal Q that changes in synchronization with or immediately after that, q01, q02. The count value up to q03, k01, k02, k03, etc. are read as many times as necessary. Then, counting is started with reference to the time t1, which is the negative edge of the frequency-divided signal T, and immediately after that, the negative edges of the frequency-divided signal Q, q10, q11, q12. The count values up to q13, k10, k11, k12, k13, etc. are read as many times as necessary. Thereafter, the frequency change of the signal under
仮に,被測定信号が10ppm程度変化した場合でも,Nが1000のような大きな値であれば,カウント値k01,k02,k03,はデジタル誤差の範囲で式(4)のカウント値の整数倍に近い値になる.また,k11−k01,k12−k02,k13−k03等の値は,デジタル誤差の範囲内で,式(8)の値と一致する.したがって,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の分周信号Tとその近傍の被測定信号11の分周信号Qとの時間差に相当する時間,カウント用の信号を出力する基準発振器16の出力信号をカウントし,このカウント値とT’=N*Q’の関係に基づいて,16の出力信号を,t0からt1まで連続してカウントしなくても,演算で被測定信号11の周波数変化が求められる.言い換えれば,T’=N*Q’間は,(1)式の関係から,16の出力信号をカウントすれば10000000カウントになることが分かっているから,この間はカウントしなくても単純に10000000を加算するだけでよい. Even if the signal under measurement changes by about 10 ppm, if N is a large value such as 1000, the count values k01, k02, k03 are an integer multiple of the count value of Equation (4) within the range of digital error. The value is close. In addition, the values of k11-k01, k12-k02, k13-k03, etc. agree with the value of equation (8) within the range of digital error. Therefore, a reference oscillator that outputs a counting signal for a time corresponding to the time difference between the frequency-divided signal T of the oscillation means 13 that outputs a frequency signal serving as a measurement reference and the frequency-divided signal Q of the signal under
仮に,被測定信号が20ppm程度変化した場合でも,時刻t1−t0に比べて,時刻q01−q00,q02−q00,q11−q10,q12−q10等が充分小さな値(短い時間)であればカウント値の差,k11−k01,k12−k02,k13−k03は概ね一致し,時刻t0からq10までの間の周波数変化を反映する.つまり,時刻t0からq10まで連続して基準発振器16の出力信号をカウントしなくても,時刻t0,t1近傍で,被測定信号11の分周信号に同期してカウント用の信号を出力する基準発振器16の出力信号をカウントしているカウンタのカウント値を読み取れば,被測定信号11の周波数変化の情報(この例ではカウント値k10が該当する)が得られる.しかも,カウント値の差,k11−k01,k12−k02,k13−k03のように,複数の近接したデータの平均値を得れば,1回の読み取りで得られる結果より,分解能が高い分周周期変化情報が得られ,結果として,分解能が高い周波数変化が得られる.なお,時間差q10−t0は,t1−t0と概ね一致するから,時刻t0から時刻q10までの被測定信号11の周波数変化は,時刻t0からt1までの周波数変化と同じであると考えてよい. Even if the signal under measurement changes by about 20 ppm, the time q01-q00, q02-q00, q11-q10, q12-q10, etc. are counted if they are sufficiently small (short time) compared to the time t1-t0. The difference in values, k11-k01, k12-k02, and k13-k03 are almost the same, and reflect the frequency change from time t0 to q10. That is, even if the output signal of the
例えば,Nが1000の如く充分大きければ,分周信号Tのネガティブエッジを基準にした,そのエッジ近傍の10パルス程度離れた時間における分周信号Qのネガティブエッジを個別に利用しカウント値の差を求め,カウント値の差の単純な積算を行えば,従前の特許文献1や2の方法に比較して,分解能が10倍の周波数変化が得られる.従前の方法では,カウント値の差は1回しか求められないが,本発明による方法であれば,10回のデータが求められ,その積算ができるためである.この実施例では,N=1000の場合,分周信号Qの10パルスに相当する時間は,分周信号Tの1パルスの相当する時間の1%であり,この時間だけカウント用の信号を出力する基準発振器16の出力信号をカウントすることになる.具体的に,基準発振器16の出力信号が10MHzであるとし,±20ppm程度の乱れがある場合,カウント値には,
±20ppm*0.01=±0.2ppm
相当の影響が生じることになる.16の出力信号の周波数が安定していることが望ましいが,この例のように,±20ppm相当の周波数の乱れがある場合でも,その影響を±0.2ppm相当にすることができる.仮に,時刻t0からt1まで16の出力信号をカウントする場合,この実施例と同様の精度の周波数測定を実施するためには,16の出力信号の周波数の安定度として,±0.2ppmが要求され,恒温槽のある水晶発振器が必要である.恒温槽のある水晶発振器は高価であるし,消費電流が多くなる欠点がある.しかし,量産されている安価な水晶発振器でも±20ppm程度の周波数の安定度は簡単に得ることが可能で,本発明による手法であれば,その安価な水晶発振器使用する場合でも,従前の手法で恒温槽付きの水晶発振器を使用する場合と実質的に同じ精度の測定が実施できる.このことは実用的に大きな利点である.
この例の様に10パルスに相当する時間測定を実施し,分解能を10倍にした場合でも,測定間隔は1パルス相当の場合と変わらず,対応できる応答速度は同じである.また,基準クロックの発振周波数を10倍にする必要はなく,カウント時間が0.9%長くなり,その長くなった割合だけ消費電流が増加する.For example, if N is sufficiently large, such as 1000, the negative edge of the frequency-divided signal Q at a time about 10 pulses away from the negative edge of the frequency-divided signal T is used as a reference, and the difference in count value is individually used. And a simple integration of the difference between the count values, a frequency change with 10 times the resolution can be obtained compared to the methods of the
± 20ppm * 0.01 = ± 0.2ppm
A considerable impact will occur. Although it is desirable that the frequency of the 16 output signals is stable, even if there is a frequency disturbance equivalent to ± 20 ppm as in this example, the influence can be equivalent to ± 0.2 ppm. If 16 output signals are counted from time t0 to time t1, ± 0.2 ppm is required as the frequency stability of the 16 output signals in order to perform frequency measurement with the same accuracy as in this embodiment. A crystal oscillator with a thermostatic chamber is required. A crystal oscillator with a thermostatic chamber is expensive and has the disadvantage of increasing current consumption. However, even a cheap crystal oscillator that is mass-produced can easily obtain a stability of a frequency of about ± 20 ppm. If the method according to the present invention is used, even if the inexpensive crystal oscillator is used, the conventional method is used. Measurements can be performed with substantially the same accuracy as when using a crystal oscillator with a temperature chamber. This is a great practical advantage.
Even when the time measurement corresponding to 10 pulses is performed and the resolution is increased 10 times as in this example, the measurement interval is the same as in the case of 1 pulse, and the response speed is the same. In addition, it is not necessary to increase the oscillation frequency of the reference clock 10 times, the count time is increased by 0.9%, and the current consumption increases by the increased rate.
通常,カウント用の信号を出力する基準発振器16の出力信号にはジッタが含まれるため,複数の分周周期を利用してカウントした総和を測定値とすれば,ジッタの影響を統計的に小さくすることができ,測定精度が向上する効果がある.なお,本発明の場合,周波数変化の測定には,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の分周信号Tのネガティブエッジを測定基準に用いるため,13の出力周波数が安定していることが好ましい.もちろん,分周信号Tのポジティブエッジを測定基準とすることもできるし,分周信号Qのポジティブエッジでカウント値を読み取ってもよい. Usually, since the output signal of the
この発明の第2の局面は次のように規定される.すなわち,
測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段の出力信号を分周する分周手段の出力信号と,標準時間を刻時する刻時手段による出力信号との,同期をとる信号同期手段を備え,標準時間を測定基準とし前記の第1の局面における工程で被測定信号の周波数変化を測定する周波数変化測定法であり,
このように規定される本発明の周波数変化測定法は,図4の構成図に示すように,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13と,13からの出力信号を分周する第1の分周器14と,14の周波数出力と標準時間を刻時する刻時手段(ここでは図示してない)による出力信号との同期をとる信号同期手段13Aと,周波数信号である被測定信号11を分周する第2の分周器12と,前記2つの分周器12,14から出力される分周信号の周期時間差を持つ周期時間差信号を発生する周期時間差発生回路15と,周期時間差信号から特定された時間にラッチ信号を発生させるラッチ信号発生回路17と,カウント用の信号を出力する基準発振器16からの出力信号をカウンとするカウンタ18と,該ラッチ信号発生回路17に基づくラッチ信号により,ラッチされたカウンタ18のカウント値を取り込み,そのカウント値に基づいて被測定信号の変化を演算処理する演算手段19と,を備えて構成される.The second aspect of the present invention is defined as follows. That is,
Provides signal synchronization means for synchronizing the output signal of the frequency dividing means for dividing the output signal of the oscillating means for outputting the frequency signal used as a measurement reference with the output signal of the clock means for clocking the standard time , A frequency change measurement method for measuring a frequency change of a signal under measurement in the process in the first aspect using a standard time as a measurement reference;
The frequency change measuring method of the present invention defined as described above includes an oscillating means 13 for outputting a frequency signal serving as a reference for measurement, and a first output for frequency-dividing the output signal from 13, as shown in the block diagram of FIG. 1
このように規定される第2の局面の周波数変化測定方法を,図3のタイムチャートと図4を用いて説明する.すなわち,この周波数測定方法は,図2の測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の出力信号を分周する分周器14を,図4で示すように,標準時間を刻時する刻時手段に同期する信号同期手段13Aで制御する.例えば,標準時刻に同期した信号で,分周器14を構成しているカウンタをリセットし,分周器14の出力信号を標準時刻に同期させる.このようにすれば,第1の局面におけると同様の工程で標準時刻に同期した時間を測定基準とする周波数変化のデータが得られる.標準時間を刻時する手段に同期した信号を測定基準とすれば,基準発振器をデータロガー等で使用する時計と併用できる.また,離れた場所における測定結果であっても,標準時間に同期してサンプリングされたデータであり同じ時間軸上で時系列解析できる.なお,ここでは,標準時間を刻時する刻時手段として,測地衛星の電波を受信して標準時刻の情報を得るGPS時計等を想定しているが,ここでは図示してない.GPS時計を基準にすれば,常時,±5μsec程度の精度で,絶対時刻と測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の出力信号を分周する分周器14の出力信号を同期させることが可能で,長期間にわたり精度の高い周波数変化の測定ができる.20分間(1200秒間)で±6μsecの精度がある場合,
6μsec/1200sec=0.005ppm (11)
の精度に相当し,恒温槽付きの水晶発振器でも容易に達成できない精度である.The frequency change measurement method of the second aspect defined in this way will be described with reference to the time chart of FIG. 3 and FIG. That is, in this frequency measurement method, the
6μsec / 1200sec = 0.005ppm (11)
This accuracy cannot be easily achieved even with a crystal oscillator with a thermostatic chamber.
この発明の第3の局面は次のように規定される.
物理量の変化に対応して出力周波数が変化する被測定信号が,発振式温度センサの周波数出力信号であることを特徴とし,前記の第1の局面,及び,第2の局面と同様の工程で周波数変化測定法に基づき温度の変化を測定する温度変化測定装置.The third aspect of the present invention is defined as follows.
The signal under measurement whose output frequency changes in response to a change in physical quantity is the frequency output signal of the oscillation type temperature sensor, and is the same as in the first and second aspects described above. Temperature change measurement device that measures temperature change based on frequency change measurement method.
このように規定される第3の局面の温度変化測定装置を,図5を用いて説明する.本発明の温度変化測定装置は,図5の構成図に示すように,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13と,13からの出力信号を分周する第1の分周器14と,14の周波数出力と標準時間を刻時する刻時手段(ここでは図示してない)による出力信号との同期をとる信号同期手段13A,測定する温度に応じた局波数信号を発生する発振式温度センサを有する温度測定用発振器11B,11Bから出力された周波数信号を分周する第2の分周器12と,前記2つの分周器12,14から出力される分周信号の周期時間差を持つ周期時間差信号を発生する周期時間差発生回路15と,カウント用の信号を出力する基準発振器16と,15から出力される周期時間差信号により特定された時間に,16からの出力信号をカウンとしているカウンタ18にラッチ信号を送るラッチ信号発生回路17と,16からの出力信号をカウントしたカウンタ18からカウント値を取り込み,そのカウント値に基づいて対象とする温度の変化を演算する演算手段19と,を備えて構成される. The temperature change measuring apparatus of the third aspect defined in this way will be described with reference to FIG. As shown in the configuration diagram of FIG. 5, the temperature change measuring apparatus of the present invention includes an oscillation means 13 that outputs a frequency signal serving as a measurement reference, and a
このように規定される第3の局面の温度変化測定装置による温度測定方法を,図3のタイムチャートと図5を用いて説明する.すなわち,第1及び第2の局面における被測定信号を環境温度の変化によって発振周波数が変化する発振式温度センサ(図では,温度測定用発振器11Bとした)に置き換えれば,第1の局面及び第2局面の工程と同様の工程で,温度変化に対応する周波数変化が測定できる.周波数変化が測定できれば,測定した周波数変化を,ここでは図示してないが,前もって作成した「周波数変化と環境温度の変化との間の関係」を示す関係式,あるいは,変換表を用いて演算手段19により環境温度を求める.図5の構成であれば,信号同期手段13Aにより,分周器14の出力信号のタイミングを制御することが可能で,図4で説明した工程により標準時間に同期した時間を測定の基準時間にできる. The temperature measuring method by the temperature change measuring apparatus of the third aspect defined in this way will be described with reference to the time chart of FIG. 3 and FIG. That is, if the signal under measurement in the first and second aspects is replaced with an oscillation type temperature sensor (in the figure, the
本発明の場合,温度変化測定装置では,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の分周周期Tを測定基準に用いるため,13を温度測定用発振器11Bの近傍に設置する場合,11Bと13が同じ環境温度の影響で変化し,13の周波数変化も環境温度を反映するため,ここでは図示しない「周波数変化と環境温度の変化との間の関係」や換算表を作成する際,13に与える環境温度の影響も考慮した関係や換算表が作成できる.11Bと13の環境温度の変化が異なっていれば,温度変化による13の周波数変化が,僅かであるが測定結果に影響を与える. In the case of the present invention, in the temperature change measuring apparatus, since the frequency dividing period T of the oscillation means 13 that outputs a frequency signal serving as a measurement reference is used as a measurement reference, when 13 is installed in the vicinity of the
本発明では,第1,第2,第3の局面において,カウンタが作動する時間は,被測定信号11,及び,温度測定用発振器11Bと,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の分周信号の周期時間差信号の間のみで,図3で示したタイムチャートにおいて,Nの値が大きくなる比率に分周周期を設定すれば,周期時間差信号が占める割合は短くなり,その割合に対応する短時間だけ基準発振器16の出力信号をカウンタでカウントすれば周波数変化が測定できる.カウンタ回路では高速発振する信号が作動する時間が短ければその割合に応じて消費電力を軽減できる.したがって,被測定信号11及び,発振式温度センサを測定手段とする温度測定用発振器11Bの分周周期と,13の分周周期が1000倍違う設定にすれば,1回の測定には,分周周期の0.1%の時間をカウンタでカウントすればよい.測定を10回実施し分解能を10倍にする場合でも,測定時間はゲート時間t1−t0の間カウントを持続する方法に比較し,
10*0.1%=1%
であり,この時間だけカウンタが作動することになり,エネルギーを節約する効果がある.また,短い時間だけカウントするため,周波数出力の安定度が高い基準発振器をカウント用に使用する必要はない.In the present invention, in the first, second, and third aspects, the time during which the counter operates is the signal under
10 * 0.1% = 1%
And the counter will operate only during this time, which has the effect of saving energy. In addition, since it counts only for a short time, it is not necessary to use a reference oscillator with high frequency output stability for counting.
一方,汎用のカウンタ用のICの1つであるHC590は,カウントを持続しつつ必要に応じて外部信号でカウント値をラッチできる機能がある.このような構成のカウンタ回路を利用すれば,複数回の測定を同じカウンタ回路で実施できる.すなわち,図2,図4,図5の構成であれば,時刻t0の時に分周器14の信号に基づいてカウンタの値を読み取り時刻t0の基準値とし,t0に同期ないしはその直後の分周周期Qのネガティブエッジでカウンターの値をラッチしながら,例えば10回のカウント値を読み取り保存する.また,時刻t1の時に分周器14の信号に基づいて,カウンターの値を読み取り時刻t1の基準値とし,t1に同期ないしはその直後の分周周期Qのネガティブエッジでカウンターの値をラッチしながら,先と同じく10回のカウント値を読み取る.そして,時刻t0とt1の2回の近接した分周周期Tのネガティブエッジを測定の基準時間とする10組のカウント値の差を演算に用いれば,周波数変化や温度変化が10回測定できる.したがって,本発明の構成であれば回路の部品総数を増やすことなく測定手法と演算方法を変更すれば測定回数を増やすことが可能であり,得られたデータを平均化することで分解能が向上する. On the other hand, HC590, which is one of general-purpose counter ICs, has a function capable of latching the count value with an external signal as needed while maintaining the count. Using the counter circuit with this configuration, multiple measurements can be performed with the same counter circuit. That is, in the configuration shown in FIGS. 2, 4, and 5, the counter value is set as the reference value for the read time t0 based on the signal from the
ここでは図示してないが,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の出力信号を分周する分周器14の信号を複数の周期時間差発生回路に作用させ,複数の周波数信号である被測定信号11を分周する複数の分周器12との間で周期時間差信号を作成すれば,13,分周器14を兼用でき,多チャンネル構成にした場合でも,電子部品の個数が軽減でき,プリント基板を小型化できる効果がある. Although not shown here, the signal of the
この発明の第1実施例として,演算手段にCPUを用いる周波数変化測定法について,図6の周波数変化測定手段の構成図で説明する.図6では,11から19までは図2と同じ構成であり,カウンタ回路18にはラッチ回路が含まれている.また,分周器14であるカウンタのビットをビット選択回路20で選択する構成である.さらに周波数変化測定用の回路の電源21も図示してある.図6の22は,11,12,13,14,15,17,20を含む第1実施例としての周波数変化測定手段のセンサ部であり,図6の23は,16,18,19を含む該周波数変化測定手段のデータ処理部である. As a first embodiment of the present invention, a frequency change measurement method using a CPU as a calculation means will be described with reference to the block diagram of the frequency change measurement means in FIG. In FIG. 6, the configuration from 11 to 19 is the same as that in FIG. 2, and the
被測定信号11を分周して分周信号を作成する際に,カウンタ用のICを利用すると,ビットの選択により,測定に利用する分周信号より分周周期が長い信号が簡単に作成できる.例えば分周器14が2進カウンタの場合,第1のビット選択回路20により選択したn乗のビットとm乗のビットの負論理のAND信号より,n乗の負論理のビット信号は短い間隔で出力する.仮に,n乗の負論理のビット信号で演算手段19であるCPUをウエイクアップさせ,その信号によりデータ処理部23に電源を入れる.その後,n乗とm乗の負論理のAND信号を,図3で記した測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の分周信号Tのレベルが変化するタイミングと見なし,この変化時間を基準として,分周器12の出力である分周信号Qを利用しラッチ信号を発生させ,カウンタの値を演算手段に取り込む,なお,上記したn乗,m乗は,2のn乗,2のm乗を意味する. When a divided signal is created by dividing the signal under
測定に利用した分周信号が予め設定した予定回数に達した後,演算手段であるCPUの制御でデータ処理部23の電源を切る.このような構成であれば,高速発振する信号が使用され消費電力が大きな,基準発振器16やカウンタ回路18,演算手段であるCPUを必要な時間だけ作動させることで測定ができる.その結果,測定装置全体の消費電流を軽減でき,野外等で電池を電源とする長時間の測定が可能になる. After the frequency-divided signal used for the measurement reaches a preset scheduled number of times, the
この発明の第2実施例として,演算手段にCPUを用いる周波数変化測定手段について,図7を用いて説明する.図7では,11から23までは図6と同じ構成であり,第2のビット選択回路24を付加し、第1のビット選択回路20の出力信号が周期時間差発生回路15に入力される前に,24によりn乗のビットとk乗のビットの負論理のAND信号を発生させ,ラッチ信号発生回路17に入力する.さらに,24より発生する信号を,図3のタイムチャートで記した測定時間の基準である発振手段の分周信号Tのレベルが変化するタイミングと見なす.この実施例では測定基準である信号が複数回出力され測定基準が複数回になる(図8参照,図8のt10だけでなく,t11,t12,t13等が測定の基準時間になる).そして,その後発生する周期時間差発生回路15及びラッチ信号発生回路17によるラッチ信号に基づいて,カウンタの値を演算手段に取り込み,演算処理して周波数変化を求める.演算処理では,図8のタイミングチャートで示すように(図3のタイムチャートのt1近郷に相当する時間を拡大した),t10,t11,t12のように,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の信号が複数で,それぞれ分周器14の分周比に基づいて遅延して出力され,カウントを開始する測定基準の時間が順次遅延する.したがって,ラッチされたデータの総和を取る際,測定基準の時間が遅延するタイミングを考慮して演算する必要がある.測定時間の基準である発振手段の分周周期Tが一定していれば,図8の時刻t10,t11,t12,t13は一定の間隔であり,上記の遅延によるカウント値は予め予測できる値である. As a second embodiment of the present invention, a frequency change measuring means using a CPU as a calculating means will be described with reference to FIG. In FIG. 7, 11 to 23 have the same configuration as FIG. 6, the second
この場合,演算に利用する複数の測定基準としてのタイミング(t10,t11,t12等)が,図8で示したように,図3のタイムチャートのq01時間の前に終了するような分周比の設定と,ビット選択回路20,24に入力するビットを選択をすることが好ましい.なお,上記したn乗,k乗は,2のn乗,2のk乗を意味する. In this case, the division ratio is such that the timings (t10, t11, t12, etc.) as a plurality of measurement references used for the calculation end before q01 time in the time chart of FIG. 3, as shown in FIG. And the bit input to the
第1施例である周波数変化測定手段では,図6で記した発振手段13の分周信号Tのレベルが変化するタイミングを基準として,分周信号Qのネガティブエッジを利用しカウンタの値を演算手段に取り込み,温度変化を演算していた.この場合,分周信号Tのレベルが変化するタイミングである測定基準の検出にデジタル誤差がある場合,この基準時間に基づいて測定したカウント値にはデジタル誤差が重畳する.すなわち,この基準時間を利用する測定回数が10回の場合,この測定基準に基づいて測定した10回の測定の総和を取ると,デジタル誤差が累積し,10倍になる可能性がある.このデジタル誤差の影響を避けるため,図8のタイムチャートで示した第2の実施例のように測定基準を複数回設ければ,測定基準のデジタル誤差が平均化され,誤差の累積が避けられる.また,測定基準に偶発誤差が生じる場合も,複数回の測定基準を設けることで統計的に偶発誤差の大きさを軽減できる効果がある.一方,目的とする周波数帯域の信号を取り出す目的でフィルター効果を持たせるように測定の基準時間を遅延させ,この遅延に対応させてカウント値の読み取りも遅延させる方法もある. In the frequency change measuring means according to the first embodiment, the counter value is calculated using the negative edge of the divided signal Q with reference to the timing at which the level of the divided signal T of the oscillating means 13 shown in FIG. 6 changes. Incorporated into the means, the temperature change was calculated. In this case, if there is a digital error in the detection of the measurement reference, which is the timing at which the level of the frequency-divided signal T changes, the digital error is superimposed on the count value measured based on this reference time. In other words, if the number of measurements using this reference time is 10, the sum of the 10 measurements measured based on this measurement reference may accumulate a digital error, which can be multiplied by ten. In order to avoid the influence of this digital error, if the measurement standard is provided a plurality of times as in the second embodiment shown in the time chart of FIG. 8, the digital error of the measurement standard is averaged, and accumulation of errors can be avoided. . In addition, even if an accidental error occurs in the measurement standard, it is possible to statistically reduce the magnitude of the random error by providing multiple measurement standards. On the other hand, there is also a method of delaying the reading of the count value corresponding to this delay by delaying the reference time of measurement so as to have a filter effect for the purpose of extracting the signal of the target frequency band.
この発明の第3の実施例として,基準発振器として標準時間を刻時する刻時手段に同期する周波数出力手段を,演算手段にCPUを用いる温度変化測定装置について,図9を用いて説明する.図9では,図5の構成要素である温度測定用発振器11Bとその出力信号の分周器12をセンサ部30とし,他の構成要素を第2のデータ処理部23Aに移動し,図5におけると同様に測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の出力信号を分周する分周器14の出力信号が標準時間を刻時する刻時手段に同期する信号同期手段13Aの制御を受け,図示してない標準時間を刻時する刻時手段の信号と,14の出力信号が同期する構成になっている.図9には記してないが,図7と同様にビット選択回路20を付加した場合であれば,図8で示したタイムチャートに準じて,分周器14のn乗の負論理のビット信号で演算手段19であるCPUをウエイクアップさせ,その信号によりデータ処理部23に電源を入れる.なお,図9では図6,7に図示した電源21は図示してない. A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9, which is a temperature change measuring apparatus using a frequency output means synchronized with a clocking means for clocking a standard time as a reference oscillator and a CPU as a computing means. In FIG. 9, the
この場合,図9では図示してないが図7の場合と同様に第2のビット選択回路24を付加した場合であれば,24により発振手段13の出力信号を分周した分周器14のn乗のビットとk乗のビットの負論理のAND信号を発生させ,ラッチ信号発生回路17に入力する.17による複数のラッチ信号を,図3で記した測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の分周信号Tのレベルが変化するタイミングと見なし,この複数の変化時間を基準とする.その後,分周器14のn乗とm乗の負論理の複数のAND信号によるラッチ利用し,複数のカウント値を得る.そして,演算処理では,図8のタイムチャートで示すと同様に(図8は図3のタイムチャートのt1近郷に相当する時間を拡大した),t10,t11,t12のように,測定の基準となる周波数信号を出力する発振手段13の信号を分周する分周器14の分周比に基づいて,測定基準が遅延するタイミングを考慮して演算する. In this case, although not shown in FIG. 9, if the second
第3の実施例では,標準時計の出力信号が測定基準である信号に同期する構成である.データロガー等の測定では,通常,標準時刻にしたがってデータ処理する.したがって,GPS時計等の標準時刻に基づいて,データ処理部23に電源を入れ,基準発振器を作動させ,その信号に基づいて複数の温度測定用発振器からの複数の周波数変化を測定でき,測定に必要な時間だけ,データ処理部23に電源を入れることで消費電流を節減できる.また,時分割処理をする場合であれば,13から24まで,全ての構成要素を複数設ける必要が無く,多くの構成要素を兼用できる.この場合,演算に利用する複数の測定基準としてのタイミング(t10,t11,t12等)が,図8のタイムチャートで示したように,図3のタイムチャートのq01時間の前に終了するような分周比の設定と,ビット選択回路20,24に入力するビットを選択をすることが好ましい.なお,上記したn乗,m乗,k乗は,2のn乗,2のm乗,2のk乗を意味する. In the third embodiment, the output signal of the standard clock is synchronized with the signal that is the measurement reference. In data logger measurement, data processing is usually performed according to the standard time. Therefore, based on the standard time of a GPS clock or the like, the
本発明は,上記の実施例の説明に何ら限定されるものではない.特許請求の範囲を逸脱せず,当事者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる. The present invention is not limited to the description of the above embodiments. Various modifications are also included in the present invention within the scope that can be easily conceived by a party without departing from the scope of the claims.
1 … 水晶振動子
2 … 発振回路
3,12,14 … 分周器
4 … 基準クロック発振器
5 … ゲート回路
6,18 … カウンタ
7 … マイクロコンピュータ
11 … 被測定信号
13 … 発振手段
13A … 信号同期手段
15 … 周期時間差発生回路
16 … 基準発振器
17 … ラッチ信号発生回路
19 … 演算手段
20,24 … ビット選択回路
21 … 電源
22,30 … センサ部
23,23A … データ処理部DESCRIPTION OF
Claims (3)
該発振手段による出力信号を第1の分周手段で分周した分周信号と,該被測定信号を第2の分周手段で分周した分周信号と,から周期時間差発生回路で周期時間差信号を発生させ,近接した複数の該周期時間差信号に対応してラッチ信号発生回路でラッチ信号を発生させ,該ラッチ信号をカウント用の信号を出力する基準発振器の出力信号をカウントしているカウンタに作用させ,複数の周期時間差信号間のカウンタの値を読み取り,演算手段によりこれらのカウント値の差分から被測定信号の周波数変化を測定することを特徴とする周波数変化測定法. An oscillating means for outputting a frequency signal as a reference for measurement, a first frequency dividing means for dividing the output signal, and a second for dividing the signal under measurement whose frequency changes in response to a change in physical quantity. Frequency dividing means, a period time difference generating circuit for generating a period time difference signal from the frequency dividing signals of the first frequency dividing means and the second frequency dividing means, and a latch signal for generating a latch signal by the signal of the period time difference generating circuit A generation circuit, a reference oscillator that outputs a count signal, a counter that counts the output signal of the reference oscillator, and a calculation means that reads and calculates the count value;
A cycle time difference is generated by a cycle time difference generating circuit from a frequency-divided signal obtained by frequency-dividing the output signal from the oscillation unit by the first frequency-dividing unit and a frequency-divided signal obtained by frequency-dividing the signal under measurement by the second frequency-dividing unit. A counter that counts the output signal of a reference oscillator that generates a signal, generates a latch signal in a latch signal generation circuit in response to a plurality of adjacent time difference signals, and outputs a signal for counting the latch signal A frequency change measuring method, characterized in that a counter value between a plurality of cycle time difference signals is read and a frequency change of a signal under measurement is measured from a difference between these count values by a calculation means.
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