JP5863394B2 - 発振装置 - Google Patents
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- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
図20はTCXOの一般的な構成を示している。90は水晶振動子、91は発振回路であり、制御電圧発生部93から電圧可変容量素子92に供給される制御電圧を変えることにより、電圧可変容量素子92の容量をコントロールして発振周波数(出力周波数)が調整される。
更に温度検出器94と水晶振動子90とは、配置位置が異なることから、水晶振動子90の実際の温度情報を正確に得ることができないため、この点からも周波数精度の向上が期待できない。
しかしながらこの手法は、段落0019に記載されているように、所望の出力周波数f0と、2つの水晶振動子の夫々の周波数f1、f2と、について、f0≒f1≒f2の関係となるように水晶振動子の調整を行う必要があるため、水晶振動子の製造工程が複雑になる上、高い歩留まりが得られないという課題がある。更にまた図4に示されているように、各水晶振動子からの周波数信号であるクロックを一定時間カウントしてその差分(f1−f2)を求めているため、検出時間に検出精度が直接影響し、高精度な温度補償が困難である。
水晶片に第1の電極を設けて構成した第1の水晶振動子と、
水晶片に第2の電極を設けて構成した第2の水晶振動子と、
これら第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、f1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する値を求める周波数差検出部と、
(i)この周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(ii)前記差分値に対応する値と、環境温度が基準温度と異なることに起因する第1の発振回路の発振周波数f1の周波数補正値との関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(ii)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得する第1の補正値取得部と、
前記第1の近似式で決まる第1の補正値と予め実測した周波数補正値との差分を補正残差と呼ぶとすると、(i)前記差分値に対応する値と、(iii)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(iii)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得する第2の補正値取得部と、
前記第1の補正値と第2の補正値とを加算して前記周波数補正値を求める加算部と、を備え、
発振装置の出力は、前記第1の発振回路の出力を利用して生成され、
前記加算部にて求めた前記周波数補正値に基づいて前記設定信号を補正するように構成したことを特徴とする。
(a)前記第1の近似式は、前記差分値に対応する値と実測した前記周波数補正値との関係を最小二乗法で多項式近似したものであること。
(b)前記第2の近似式は、前記群に属し、互いに隣り合って配列される差分値に対応する値について取得した補正残差の間を1次関数で補間したものであること。
(c)前記第1の補正値取得部及び第2の補正値取得部は、f1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する値として、{(f2−f2r)/f2r}−{(f1−f1r)/f1r}を用いること。
(e)第1の水晶振動子の水晶片と第2の水晶振動子の水晶片とは、共通化されていること。
(f)前記第1の補正値取得部は、
(i)この周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(ii)前記差分値に対応する値と、環境温度が基準温度と異なることに起因する第1の発振回路の発振周波数f1の周波数補正値との関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(ii)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得することに代えて、
(i)周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(iv)前記差分値に対応する値と第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子とは異なる他の水晶振動子を発振させる他の発振回路の環境温度が基準温度と異なることに起因する発振周波数f0の周波数補正値と、の関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(iv)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得し、
前記第2の補正値取得部は、
(i)前記差分値に対応する値と、(iii)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(iii)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得することに代えて、
前記第1の近似式で決まる第1の補正値と前記他の水晶振動子について予め実測した周波数補正値との差分を補正残差と呼ぶとすると、(i)前記差分値に対応する値と、(v)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(v)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得し、
前記発振装置の出力は、前記第1の発振回路の出力に代えて、前記他の発振回路の出力を利用して生成されるものであること。
ワンショット回路32の後段にはPLL(Phase Locked Loop)が設けられ、このPLLは、ラッチ回路33、積分機能を有するループフィルタ34、加算部35及びDDS回路部36により構成されている。ラッチ回路33はDDS回路部36から出力された鋸波をワンショット回路32から出力されるパルスによりラッチするためのものであり、ラッチ回路33の出力は、前記パルスが出力されるタイミングにおける前記鋸波の信号レベルである。ループフィルタ34は、この信号レベルである直流電圧を積分し、加算部35はこの直流電圧とΔfrに対応する直流電圧と加算する。Δfrに対応する直流電圧に対応するデータは図1に示すメモリ30に格納されている。
またフリップフロップ31においてf2をf1によりラッチする動作は非同期であることから、メタステーブル(入力データをクロックのエッジでラッチする際、ラッチするエッジの前後一定時間は入力データを保持する必要があるが、クロックと入力データとがほぼ同時に変化することで出力が不安定になる状態)など不定区間が生じる可能性もあり、ループフィルタ34の出力には瞬間誤差が含まれる可能性がある。上記のPLLではループフィルタ34の出力を、温度に対応する値であるΔfrと(f2−f1)との差分として取り扱っていることから、ループフィルタ34の出力側に、予め設定した時間における入力値の移動平均を求める平均化回路37を設け、前記瞬間誤差が生じても取り除くようにしている。平均化回路37を設けることにより、最終的に変動温度分の周波数ずれ情報を高精度に取得することができる。
(1)式においてXは周波数差検出情報、Yは補正データ(第1の補正値に相当する)、P1〜P9は多項近似式係数である。
さらに補正値演算部4は、(1)式に示した多項近似式(第1の近似式)だけでは補正しきれずに残る補正残差(補正値の実測値と前記第1の補正値との差)を小さくするために、上述の第1の補正値に加えて第2の補正値を取得する機能を備えている。
(y−y0)/(y1−y0)=(x−x0)/(x1−x0)
…(2)
ここで隣り合う取得点同士の間隔は「x1−x0」はの値は除数であり、「x−x0」の値は剰余なので、(2)式は下記の(2)’式に書き替えられる。
y={(剰余)・(y1−y0)/(除数)}+y0 …(2)’
第2の補正値算出部530は第1のセレクタ521から取得したy0、第2のセレクタ522から取得したy1、除算回路512から取得した剰余、及び除算パラメータテーブル301から読み出した除数の各値に基づいて(2)’の計算を行い、得られた値を第2の補正値として出力する。
〔変動比率計算〕
100Hz/10MHz=0.00001
〔ppm換算〕
0.00001*1e6=10〔ppm〕
〔DDS設定精度換算〕
0.00001*2^34≒171,799〔ratio−34bit(仮称)〕となる。
1×〔ratio−34bit〕=10M〔Hz〕/2^34≒0.58m〔Hz/bit〕 ……(3)
従って100〔Hz〕/0.58m〔Hz/bit〕≒171,799〔bit(ratio−34bit)〕となる。
また、0.58mHzは10MHzに対して、次の(4)式のように計算できる。
0.58m〔Hz〕/10M〔Hz〕*1e9≒0.058〔ppb〕…(4)
従って(3)、(4)式から、(5)式の関係が成り立つ。
即ちDDS回路36で処理した周波数は消え、ビット数のみの関係となる。
また周波数差検出部3としては、f1とf2とをカウンタによりカウントし、そのカウント値の差分値からΔfrに相当する値を差し引いて、得られたカウント値に対応する値を出力するようにしてもよい。
(i)この周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(ii)前記差分値に対応する値と、環境温度が基準温度と異なることに起因する第1の発振回路の発振周波数f1の周波数補正値との関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(ii)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得することに代えて、
(i)周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(iv)前記差分値に対応する値と第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子とは異なる他の水晶振動子を発振させる他の発振回路の環境温度が基準温度と異なることに起因する発振周波数f0の周波数補正値と、の関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(iv)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得し、
前記第2の補正値取得部は、
(i)前記差分値に対応する値と、(iii)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(iii)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得することに代えて、
前記第1の近似式で決まる第1の補正値と前記他の水晶振動子について予め実測した周波数補正値との差分を補正残差と呼ぶとすると、(i)前記差分値に対応する値と、(v)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(v)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得し、
前記発振装置の出力は、前記第1の発振回路の出力に代えて、前記他の発振回路の出力を利用して生成されるものであるということができる。
2 第2の発振回路
10 第1の水晶振動子
20 第2の水晶振動子
3 周波数差検出部
31 フリップフロップ回路
32 ワンショット回路
33 ラッチ回路
34 ループフィルタ
35 加算部
36 DDS回路部
4 補正値演算部
40 第1の補正値演算部
50 第2の補正値演算部
100 電圧制御発振器
200 制御回路部
Claims (7)
- 環境温度の検出結果に基づいて出力周波数を設定するための設定信号を補正する発振装置において、
水晶片に第1の電極を設けて構成した第1の水晶振動子と、
水晶片に第2の電極を設けて構成した第2の水晶振動子と、
これら第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、f1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する値を求める周波数差検出部と、
(i)この周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(ii)前記差分値に対応する値と、環境温度が基準温度と異なることに起因する第1の発振回路の発振周波数f1の周波数補正値との関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(ii)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得する第1の補正値取得部と、
前記第1の近似式で決まる第1の補正値と予め実測した周波数補正値との差分を補正残差と呼ぶとすると、(i)前記差分値に対応する値と、(iii)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(iii)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得する第2の補正値取得部と、
前記第1の補正値と第2の補正値とを加算して前記周波数補正値を求める加算部と、を備え、
発振装置の出力は、前記第1の発振回路の出力を利用して生成され、
前記加算部にて求めた前記周波数補正値に基づいて前記設定信号を補正するように構成したことを特徴とする発振装置。 - 前記第1の近似式は、前記差分値に対応する値と実測した前記周波数補正値との関係を最小二乗法で多項式近似したものであることを特徴とする請求項1に記載の発振装置。
- 前記第2の近似式は、前記群に属し、互いに隣り合って配列される差分値に対応する値について取得した補正残差の間を1次関数で補間したものであることを特徴とする請求項1または2に記載の発振装置。
- 前記第1の補正値取得部及び第2の補正値取得部は、f1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する値として、{(f2−f2r)/f2r}−{(f1−f1r)/f1r}を用いることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載の発振装置。
- 周波数差検出部は、
前記f1とf2との差分周波数のパルスを作成するパルス作成部と、入力された直流電圧の大きさに応じた周波数で時間と共に信号値が増加、減少を繰り返す周波数信号を出力するDDS回路部と、このDDS回路部から出力された周波数信号を前記パルス作成部にて作成されたパルスによりラッチするラッチ回路と、このラッチ回路にてラッチされた信号値を積分してその積分値を前記差分値に対応する値として出力するループフィルタと、このループフィルタの出力とf1rとf2rとの差分に対応する値との差分を取り出して、前記DDS回路部に入力値とする加算部と、を備えたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の発振装置。 - 第1の水晶振動子の水晶片と第2の水晶振動子の水晶片とは、共通化されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一つに記載の発振装置。
- 前記第1の補正値取得部は、
(i)この周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(ii)前記差分値に対応する値と、環境温度が基準温度と異なることに起因する第1の発振回路の発振周波数f1の周波数補正値との関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(ii)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得することに代えて、
(i)周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、(iv)前記差分値に対応する値と第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子とは異なる他の水晶振動子を発振させる他の発振回路の環境温度が基準温度と異なることに起因する発振周波数f0の周波数補正値と、の関係を示す第1の近似式と、に基づいて、(iv)の第1の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第1の補正値を取得し、
前記第2の補正値取得部は、
(i)前記差分値に対応する値と、(iii)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(iii)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得することに代えて、
前記第1の近似式で決まる第1の補正値と前記他の水晶振動子について予め実測した周波数補正値との差分を補正残差と呼ぶとすると、(i)前記差分値に対応する値と、(v)予め設定した間隔で配列された前記差分値に対応する値の群と、この群に属する前記差分値に対応する値ごとに予め取得した補正残差と、の関係を示す第2の近似式と、に基づいて、(v)の第2の近似式に(i)の前記差分値に対応する値を入力した結果から第2の補正値を取得し、
前記発振装置の出力は、前記第1の発振回路の出力に代えて、前記他の発振回路の出力を利用して生成されるものであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一つに記載の発振装置。
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