水晶発振回路および時計装置および計測装置
【課題】 低消費電力で低コストな水晶発振器を用いて、周波数安定度の高い高精度な周波数出力が得られ、発振周波数を校正する作業の必要がない小型でかつ低消費電力で低コストな水晶発振回路および時計装置および計測装置を提供する。
【解決手段】 水晶発振器１の公称周波数１２.８ＭＨzの１／５００００のカウント数(２５６)で一巡するカウンタ２が、ＧＰＳ受信部３からの秒パルスに応じて水晶発振器１からの周波数出力のパルス数を１秒間カウントする。上記カウンタ２のカウント値の平均値に基づいて、ＣＰＵ４により電圧発生器(第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２と加算器５)から出力される制御電圧を制御する。そして、上記電圧発生器から出力された制御電圧が水晶発振器１の制御電圧入力端子に入力されて、発振周波数が公称周波数１２.８ＭＨzになるように補正される。
【解決手段】 水晶発振器１の公称周波数１２.８ＭＨzの１／５００００のカウント数(２５６)で一巡するカウンタ２が、ＧＰＳ受信部３からの秒パルスに応じて水晶発振器１からの周波数出力のパルス数を１秒間カウントする。上記カウンタ２のカウント値の平均値に基づいて、ＣＰＵ４により電圧発生器(第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２と加算器５)から出力される制御電圧を制御する。そして、上記電圧発生器から出力された制御電圧が水晶発振器１の制御電圧入力端子に入力されて、発振周波数が公称周波数１２.８ＭＨzになるように補正される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、水晶発振回路および時計装置および計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、水晶発振回路としては、水晶発振器を恒温槽に入れて高安定化したものがある。この水晶発振回路では、恒温槽内の温度をヒータにより一定に保つことによって、水晶発振器の周波数変動を抑えて、高い周波数安定度を有する周波数出力を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記恒温槽を用いた水晶発振回路は、大型でかつ高価であると共に、恒温槽のために消費電力が多いという欠点がある。また、時間の経過と共に発振周波数が目標周波数(公称周波数)からずれて、周波数精度が低下し、定期的に周波数の校正をしなければならないという問題がある。さらに、発振停止した後に周波数を校正する場合には、十分なエージングにより発振周波数を安定させてから発振周波数を校正しなければならず、校正作業に手間がかかるという欠点がある。
【０００４】そこで、この発明の目的は、低消費電力で低コストな水晶発振器を用いて、周波数安定度の高い高精度な周波数出力が得られ、発振周波数を校正する作業の必要がない小型でかつ低消費電力で低コストな水晶発振回路および時計装置および計測装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、請求項１の水晶発振回路は、発振周波数が制御電圧入力により調整可能な水晶発振器と、上記水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントし、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタと、上記カウンタのカウント動作を制御する秒パルスを出力するＧＰＳ(Global Positioning Satellite)受信部と、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に入力される制御電圧を出力する電圧発生器と、上記カウンタのカウント値に基づいて、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数になるように上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００６】上記請求項１の水晶発振回路によれば、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタが、上記ＧＰＳ受信部からの秒パルスに応じて水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントする。上記ＧＰＳ受信部からの秒パルスは、平均化された周波数特性としては高い周波数安定度と高い周波数精度を有する。上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記制御手段により電圧発生器から出力される制御電圧を制御し、上記電圧発生器から出力された制御電圧が水晶発振器の制御電圧入力端子に入力されて、水晶発振器の発振周波数が公称周波数になるように補正される。例えば、水晶発振器の公称周波数を１２.８ＭＨzとし、カウンタのカウント数を公称周波数の１／５０００００に相当する２５６(＝１２８０００００／５００００)とし、ＧＰＳ受信部からの秒パルスにより１秒間カウンタが水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントすると、カウンタは０〜２５５を５００００周する。そして、水晶発振器の発振周波数が公称周波数に一致している場合は、カウンタのカウント値はゼロとなり、水晶発振器の発振周波数が公称周波数よりも高いか低いと、カウンタのカウント値が０〜２５５の前半(１〜１２７)か後半(１２８〜２５５)かで進み遅れが分かる。このように、上記カウンタのカウント値が発振周波数と公称周波数との誤差を表し、このカウント値を上記電圧発生器の制御に用いる。つまり、上記カウント値が進み側を表すとき、水晶発振器の発振周波数が低くなるように上記電圧発生器から制御電圧を出力させ、上記カウント値が遅れ側を表すとき、水晶発振器の発振周波数が高くなるように上記電圧発生器から制御電圧を出力させるのである。
【０００７】このように、上記水晶発振器の発振周波数を公称周波数に補正する自動校正により、校正作業をすることなく、周波数誤差が累積しないで高い周波数精度が維持され、極めて高い周波数安定度が得られる。また、従来大型かつ高価で消費電力の大きな恒温槽入りの水晶発振回路と同等以上の周波数精度を、小型かつ安価で低消費電力の水晶発振器を使用して得ることができ、特に低消費電力が要求される電池駆動の機器において高精度な基準クロックを提供することができる。また、この水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、各機器の時刻を正確に一致させることが可能になる。また、この水晶発振回路の周波数出力をＡ／Ｄ(アナログ／デジタル)変換のサンプリングクロックとして用いた複数の計測装置では、各計測装置がサンプリングするタイミングを正確に一致させることが可能になる。
【０００８】また、請求項２の水晶発振回路は、請求項１の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴としている。
【０００９】上記請求項２の水晶発振回路によれば、上記カウンタの複数回のカウント値の平均値を求めることで、水晶発振器の発振周波数と公称周波数との誤差がより正確に得られ、その誤差に応じて上記制御手段が上記電圧発生器から出力される制御電圧を制御するので、上記ＧＰＳ受信部の秒パルスのジッターによる影響を除去できる。
【００１０】また、請求項３の水晶発振回路は、請求項１または２の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴としている。
【００１１】上記請求項３の水晶発振回路によれば、上記ＧＰＳ受信部は、ＧＰＳ衛星から得られる高精度の時間情報を利用して上記秒パルスを出力するが、上記制御手段は、ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、受信品位が低下したら上記電圧発生器の制御電圧を受信品位が低下する前の良好なときの電圧値に維持し、その後、受信品位が良くなったら再び上記カウンタのカウント値に基づいて電圧発生器の制御電圧を制御することが可能になる。したがって、ＧＰＳ衛星が受信できなくなった場合でも、ＧＰＳ衛星からの受信が良好なときの上記電圧発生器の制御電圧を維持することにより高い周波数精度の周波数出力を提供できる。
【００１２】また、請求項４の水晶発振回路は、請求項１乃至３のいずれか１つの水晶発振回路において、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を設定する設定値を格納する格納部を備えたことを特徴としている。
【００１３】上記請求項４の水晶発振回路によれば、上記水晶発振器の発振周波数が公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を設定する設定値を上記格納部に格納することによって、例えば電源オフ後に再び電源をオンしたとき、上記格納部に格納された設定値を電圧発生器に設定することにより、電源再投入後の発振周波数が目標の公称周波数に収束するのが早くなり、校正時間を短縮できる。
【００１４】また、請求項５の水晶発振回路は、請求項１乃至４のいずれか１つの水晶発振回路において、上記電圧発生器は、粗調整用の第１電圧発生器と、微調整用の第２電圧発生器と、上記第１電圧発生器の出力電圧と上記第２電圧発生器の出力電圧とを加算して、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に上記制御電圧を入力する加算器とを有することを特徴としている。
【００１５】上記請求項５の水晶発振回路によれば、上記第１電圧発生器の制御電圧の設定分解能よりも第２電圧発生器の制御電圧の設定分解能を小さくして、発振周波数を公称周波数に補正する周波数校正時に、まず粗調整用の第１電圧発生器の制御電圧を調整して速やかに目標の公称周波数近傍まで近づけた後、微調整用の第２電圧発生器の制御電圧を細かく調整することが可能になる。そうすることによって、目標の公称周波数への収束が早くでき、校正時間を短縮できる。また、上記電圧発生器として制御電圧を出力する分解能の高い高価なＤ／Ａ変換器が不用となり、安価な２つのＤ／Ａ変換器と加算器を用いて上記制御電圧を調整できる。
【００１６】また、請求項６の水晶発振回路は、請求項１乃至５のいずれか１つの水晶発振回路において、省電力モード時に、上記水晶発振器,上記電圧発生器のみに電源を供給する電源供給部を備えたことを特徴としている。
【００１７】上記請求項６の水晶発振回路によれば、上記電源供給部により上記水晶発振器,上記電圧発生器のみに電源を供給することによって、発振周波数を公称周波数に補正する周波数校正を止めて省電力モードにするので、電池駆動の携帯型装置等に適した水晶発振回路を提供できる。
【００１８】また、請求項７の時計装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの水晶発振回路を用いたことを特徴としている。
【００１９】上記請求項７の時計装置によれば、上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力を基準クロックに用いることによって、正確な時刻を計時できる。また、上記水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、互いに離れた場所に設置された各機器の時刻を正確に一致させることが可能になる。
【００２０】また、請求項８の計測装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの水晶発振回路を用いたことを特徴としている。
【００２１】上記請求項８の計測装置によれば、上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力をＡ／Ｄ変換のサンプリングクロックに用いることによって、例えば、上記水晶発振回路を用いた複数の計測装置が異なる場所に離れて設置されていても、同じように時間精度の高い計測を行うことができ、複数箇所で同時に計測する地震波等のサンプリングデータの時間精度を向上でき、計測データの解析精度を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、この発明の水晶発振回路および時計装置および計測装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２３】図１はこの発明の実施の一形態の水晶発振回路の概略ブロック図であり、１は公称周波数が１２.８ＭＨzの水晶発振器、２は上記水晶発振器１の周波数出力のパルス数をカウントするカウンタ、３は上記カウンタ２のカウント動作を制御する秒パルス(１ＰＰＳ；１パルス／秒)を出力するＧＰＳ受信部、４は上記カウンタ２のカウント値およびＧＰＳ受信部３からの測位情報信号を読み込むＣＰＵ(中央処理装置)である。上記測位情報信号には受信品位を表す受信品位情報が含まれている。
【００２４】また、ＤＡＣ１は上記ＣＰＵ４により出力電圧が設定される粗調整用の第１電圧発生器としての第１Ｄ／Ａ(デジタル／アナログ)変換器、ＤＡＣ２は上記ＣＰＵ４により出力電圧が設定される微調整用の第２電圧発生器としての第２Ｄ／Ａ変換器、５は上記第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２の出力電圧を加算して、加算された電圧を制御電圧信号として水晶発振器１の制御電圧入力端子に入力する加算器、６は上記水晶発振器１からの周波数出力を分周する分周器、７は上記ＣＰＵ４により第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の設定値が格納される格納部としての不揮発性のメモリである。上記第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２と加算器５とで電圧発生器を構成している。
【００２５】上記水晶発振器１には、加算器５からの制御電圧信号によって出力周波数の微調整が可能なものを用いており、公称周波数である１２.８ＭＨｚ付近の周波数の信号を出力し、制御電圧が基準値よりも高いときは発振周波数が高くなり、反対に制御電圧が基準値よりも低いときは発振周波数が低くなる。また、上記ＧＰＳ受信部３は、ＧＰＳ衛星から時刻情報を含んだ電波をアンテナ８により受信し、ＧＰＳ衛星は、１０-11以上の高い周波数精度を有する原子時計を搭載し、その原子時計の基準周波数に基づいて時刻情報と測位情報を含む信号を送信しており、受信側のＧＰＳ受信部３において周期１秒の標準時刻に同期した秒パルスが得られる。この秒パルスは、長い測定時間(数十秒〜数分)で平均化した場合は、１０-10以上の高い周波数精度を有している。
【００２６】また、上記カウンタ２は、２５６(水晶発振器１の公称周波数１２.８ＭＨzの１／５００００)のカウント数で一巡し、水晶発振器１の周波数出力のパルスをカウント(０,１,…,２５５,０,１,…,２５５,０,１,…)する。そして、上記水晶発振器１の周波数出力がカウンタ２に入力された状態で、ＧＰＳ受信部３の秒パルスの立ち上がりでカウントを開始し、次の秒パルスの立ち上がりで停止させて、１秒毎にカウント動作を行う。そして、上記カウンタ２のカウント値を読み取った後、カウンタ２のカウント値を０にクリアする。
【００２７】そうすると、１秒間のカウント動作でカウンタ２は約５００００周して、０付近の値を指して止まる。このときのカウント値が１から５０のときは、水晶発振器１の発振周波数が１２.８ＭＨｚよりも高くカウントが進み、カウント値が２０６から２５５のときは、水晶発振器１の発振周波数が１２.８ＭＨｚよりも低くカウントが遅れているものと判断する。また、このときカウンタ２のカウント値が５１から２０５のときは、誤差が大きいので、進み遅れを判定しないようにする。ここで、カウンタ２の１カウントは、１／１２８０００００秒(約７８ナノ秒)に相当する。
【００２８】上記ＧＰＳ受信部３の秒パルスにはジッター(ゆらぎ成分)が含まれる。この影響を除外するため、カウンタ２の読み取りをある期間(たとえば３０秒間,３０回)連続して行ない、進みの場合はカウント値を加算し、遅れの場合は遅れ分を減算する(カウント値が２０６〜２５５では−４９〜−１)。
【００２９】そうして、３０秒後からは過去３０秒間(３０回分)におけるカウント値について平均値を求める演算を行う。この結果に基づき演算結果である平均値が正の場合は第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するディジタル値を下げて制御電圧を下げ、水晶発振器１の発振周波数を低くする一方、上記平均値が負の場合はディジタル値を上げて制御電圧を上げ、水晶発振器１の発振周波数を高くする。
【００３０】こうして、上記水晶発振器１の周波数出力のカウントを繰り返し行ない、周波数を制御し続ける。そうすると、水晶発振器１の周波数出力はＧＰＳ受信部３の秒パルスに追従(同期)するようになり、ある時間を経過するとカウンタ２のカウント値はほぼ０となって一定の周波数(公称周波数)に収束する。上記水晶発振器１に、１２.８ＭＨｚの水晶を使用した場合、１２.８ＭＨｚの１カウントに相当する約７８ナノ秒の分解能で進み／遅れを判別することになる。
【００３１】このようにして得た周波数出力を分周器６により分周することにより、所望の正確な周波数出力を得ることができる。上記分周器６の分周比は、ＣＰＵ４からの分周比設定信号により設定されている。
【００３２】以上は、この発明の水晶発振回路の基本的な動作説明であるが、さらに次の点についても考慮してある。
【００３３】また、ＧＰＳ衛星は周回衛星であるため、受信状況は刻々と変化するので、ＧＰＳ受信部３の秒パルスの精度は、受信状況に左右されて、常に良好とは限らない。上記ＧＰＳ受信部３の秒パルスに基づく周波数補正を無条件に続けると、水晶の精度が劣化する場合があるので、ＧＰＳ受信部３から得られる受信品位情報(測位情報信号)により常時衛星波の品質を監視し、秒パルスによる補正が不適当な場合は、発振周波数の補正を行わないようにする。具体的には、ＧＰＳ受信部３の受信が不安定かまたは困難になったと判断した場合、直ちに第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するディジタル値の更新を中止して制御電圧を一定に保ち、水晶発振器１の発振周波数を保持するようにする。そして、受信状況が回復すれば、第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するディジタル値の更新を再開して、水晶発振器１の発振周波数を適切に制御し、周波数精度を維持するようにしている。
【００３４】さらに、周波数が安定したときのディジタル値を不揮発メモリに格納し、装置の電源を入れたときに読み出して、第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するように構成しておき、ＧＰＳ受信部３が全く受信できない場合であっても、ある程度精度の高い周波数が得られるようにする。
【００３５】また、上記第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１を粗調整用、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２を微調整用として動作するので、水晶発振器１の発振周波数が目標の公称周波数から大きく外れている場合、まず先に粗調整用の第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１を制御して誤差の少ない範囲に追い込み、目的の公称周波数に近づいたら、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の制御電圧を保ったまま微調整用の第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の制御電圧を制御する。このようにすれば(ＣＰＵに内蔵されているような)安価で低分解能のＤＡＣであっても高分解能のＤＡＣと等価の効果が得られるので、きめ細かな制御が可能になり高精度な周波数出力が提供できる上、発振周波数の調整が完了する時間も短縮することができる。
【００３６】図２,図３は上記水晶発振回路のＣＰＵ４の動作を示すフローチャートであり、以下、図２,図３に従ってＣＰＵ４の周波数補正処理を説明する。
【００３７】図２において、まず、処理がスタートすると、ステップＳ１でメモリ７の保存値を第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１に設定し、初期値を第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２に設定する。
【００３８】次に、ステップＳ２に進み、ＧＰＳ受信可能か否かを判定して、ＧＰＳ受信可能であると判定すると、ステップＳ３に進む一方、ＧＰＳ受信不可であると判定すると、ステップＳ２を繰り返す。
【００３９】次に、ステップＳ３で積算値Ｓをクリアする。
【００４０】そして、ステップＳ４でカウンタ２のカウント終了か否かを判定して、カウント終了であると判定すると、ステップＳ５に進む一方、カウント終了していないと判定すると、ステップＳ４を繰り返す。
【００４１】次に、ステップＳ５でカウンタ２のカウント値を読み込む。そして、読み込んだ後、次のカウント動作をゼロから開始させるため、カウンタ２をクリアする。
【００４２】次に、ステップＳ６に進み、そのカウント値(差分)を積算値Ｓに加算する。
【００４３】次に、ステップＳ７に進み、３０回加算したか否かを判定して、３０回加算したと判定すると、ステップＳ８に進む一方、３０回加算していないと判定すると、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４〜Ｓ７を繰り返す。
【００４４】そして、ステップＳ８で積算値Ｓより補正値Ｈを算出する。すなわち、３０回分のカウント値を積算した積算値Ｓを３０で割って平均値を求めるのである。
【００４５】次に、図３に示すステップＳ１１に進み、補正値Ｈの判定を行う。そして、補正値Ｈがしきい値ａ(＞０)を越えると判定すると、ステップＳ１２に進み、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を−１して、ステップＳ２０に進む。
【００４６】また、ステップＳ１１で補正値Ｈがしきい値ａ(＞０)以下でかつしきい値ｂ(＜０)以上であると判定すると、ステップＳ１３に進み、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を保持し、ステップＳ１５に進む。
【００４７】さらに、ステップＳ１１で補正値Ｈがしきい値ｂ(＜０)未満であると判定すると、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を＋１して、ステップＳ２０に進む。
【００４８】次に、ステップＳ１５で第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１に設定された値をメモリ７に格納する。
【００４９】次に、ステップＳ１６に進み、補正値Ｈの判定を行う。そして、補正値Ｈがゼロでなく正の値であると判定すると、ステップＳ１７に進み、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の値を−１して、ステップＳ２０に進む。
【００５０】また、ステップＳ１６で補正値Ｈがゼロであると判定すると、ステップＳ１８に進み、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の値を保持して、ステップＳ２０に進む。
【００５１】さらに、ステップＳ１６で補正値Ｈがゼロでなく負の値であると判定すると、ステップＳ１９に進み、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の値を＋１して、ステップＳ２０に進む。
【００５２】そして、ステップＳ２０でカウンタ２のカウント終了か否かを判定して、カウント終了であると判定すると、ステップＳ２１に進む一方、カウント終了していないと判定すると、ステップＳ２０を繰り返す。
【００５３】次に、ステップＳ２１でカウンタ２のカウント終了か否かを判定して、カウント終了であると判定すると、ステップＳ２２に進む一方、カウント終了していないと判定すると、ステップＳ２１を繰り返す。
【００５４】次に、ステップＳ２２でカウンタ２のカウント値を読み込み、ステップＳ２３に進み、積算値Ｓを更新する。すなわち、過去３０回分のカウント値のうち最初のカウント値(読み込みが最も古いもの)を除外し、新たにステップＳ２２で読み込んだカウント値を加えて、更新された３０回分のカウント値を積算した積算値Ｓを算出する。
【００５５】そして、ステップＳ２４で、ステップＳ２３において更新された積算値Ｓ積算値Ｓより補正値Ｈを算出する。すなわち、カウンタ２のカウント値を読み込む毎に更新される過去３０回分のカウント値が積算された積算値Ｓを３０で割って、カウンタ値の平均値を求める移動平均を行うのである。
【００５６】その後、ステップＳ１１に戻り、周波数補正を繰り返す。
【００５７】なお、ステップＳ１２,Ｓ１４において、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を±１補正しているが、例えば、しきい値ａ,ｂと補正値Ｈとの差の絶対値に応じて第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の補正量を増加させてもよい。この場合、発振周波数の目標の公称周波数への収束が早くなる。
【００５８】図４(A)は上記周波数補正処理における第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の出力電圧Ｖ1の変化を示す図であり、図４(B)は第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の出力電圧Ｖ2の変化を示す図である。図４(A),図４(B)において、縦軸は時間(任意目盛)、横軸は電圧(任意目盛)である。また、この水晶発振器１の発振周波数は、図４(A),図４(B)の出力電圧Ｖ1＋Ｖ2の制御電圧の変化と同様に収束する。
【００５９】上記水晶発振回路では、周波数補正が１回も行われていない場合は、第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２の初期値がメモリ７に格納されている。
【００６０】まず、図４(A)において、粗調整用の第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の初期出力電圧Ｖintが出力された状態から粗調整が行われ、出力電圧Ｖ1がＶ1mに徐々に収束し、積算値Ｓから算出した補正値Ｈがａ≦Ｈ≦ｂの条件を満足すると、Ｖ1mをメモリ７に格納した後、次の図４(B)に示す微調整に処理が移る。なお、図４(A)において、“Ａ”は第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の微調整の範囲を示している。
【００６１】そして、図４(B)において、微調整用の第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の出力電圧Ｖ2がＶ2mに徐々に収束し、Ｖ2mで補正値Ｈがゼロとなり、水晶発振器１の周波数出力が目標の公称周波数となる。
【００６２】上記構成の水晶発振回路によれば、水晶発振器１(周波数安定度１０-6)の発振周波数の安定度を１０-8程度に１００倍程度にすることができる。上記実施の形態では、常時ＧＰＳ受信部３を動作させ、発振周波数の校正を行っていたが、所望する周波数の精度と電力事情に鑑み、適宜定期的にＧＰＳ受信部３を動作させ、発振周波数の校正を行ってもよい。
【００６３】また、上記水晶発振回路を時計装置に用いた場合、上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力を基準クロックに用いることによって、正確な時刻を計時できる。
【００６４】また、上記水晶発振回路を計測装置に用いた場合、高精度で高安定度の周波数出力をサンプリングクロックに用いた複数の計測装置を異なる場所に離れて設置しても、同じように時間精度の高い計測を行うことができ、複数箇所で同時に計測する地震波や送電線電圧の位相角等の様々な計測対象の解析精度を高めることができる。
【００６５】また、上記電源供給部１０により水晶発振器１,第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２,加算器５および分周器６のみに電源を供給し、他のＧＰＳ受信部３等には電源を供給しない省電力モードにすることができ、電池駆動の携帯型装置等に適した水晶発振回路を提供することができる。
【００６６】上記実施の形態では、３０回分のカウント値を積算したが、積算回数はこれに限らず、適宜な回数分のカウント値を平均して補正値としてもよい。
【００６７】また、上記実施の形態では、第１,第２電圧発生器としての第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２と加算器５とで電圧発生器を構成したが、電圧発生器はこれに限らず、高分解能のＤ／Ａ変換器を１つ用いてもよい。
【００６８】また、上記実施の形態では、第１電圧発生器としての第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の設定値を格納部としてのメモリ７に格納したが、第２電圧発生器の設定値も格納部に格納し、電源投入時に初期値の代わりに格納部に格納した設定値を第２電圧発生器に設定してよい。
【００６９】
【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の発明の水晶発振回路は、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタが、ＧＰＳ受信部からの秒パルスに応じて水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントして、カウンタのカウント値の平均値に基づいて、制御手段により電圧発生器から水晶発振器の制御電圧入力端子に入力される制御電圧を制御して、水晶発振器の発振周波数が公称周波数になるように補正するものである。
【００７０】したがって、請求項１の発明の水晶発振回路によれば、上記水晶発振器の発振周波数を公称周波数に補正する自動校正により、校正作業をすることなく、高い周波数安定度の高精度な周波数出力を得ることができる。また、大型で高価な消費電力の大きい恒温槽入りの水晶発振回路と同等以上の周波数安定度を、小型で安価な低消費電力の水晶発振器を用いて得ることができ、特に低消費電力が要求される電池駆動の機器において高精度な基準クロックを提供することができ、この水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、各機器の時刻を正確に一致させることができる。また、この水晶発振回路の周波数出力をＡ／Ｄ変換のサンプリングクロックとして用いた複数の計測装置では、各計測装置のサンプリングデータの時間を正確に一致させることができる。
【００７１】また、請求項２の発明の水晶発振回路は、請求項１の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記電圧発生器から出力される制御電圧を制御するので、上記ＧＰＳ受信部の秒パルスのジッターによる影響を容易に除去することができる。
【００７２】また、請求項３の発明の水晶発振回路は、請求項１または２の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、上記電圧発生器から出力される制御電圧を制御するので、ＧＰＳ衛星が受信できなくなった場合でも、ＧＰＳ衛星からの受信が良好なときの上記電圧発生器の制御電圧を維持することにより高い周波数精度の周波数出力を提供することができる。
【００７３】また、請求項４の発明の水晶発振回路は、請求項１乃至３のいずれか１つの水晶発振回路において、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される制御電圧を設定する設定値を格納部に格納するで、例えば電源オフ後に再び電源をオンしたとき、上記格納部に格納された設定値を電圧発生器に設定することによって、電源再投入後の発振周波数の目標の公称周波数への収束が早くなり、校正時間を短縮することができる。
【００７４】また、請求項５の発明の水晶発振回路は、請求項１乃至４のいずれか１つの水晶発振回路において、上記電圧発生器の第１電圧発生器の制御電圧の設定分解能よりも電圧発生器の第２電圧発生器の制御電圧の設定分解能を小さくし、上記第１電圧発生器の出力電圧と第２電圧発生器の出力電圧とを加算器により加算して水晶発振器の制御電圧入力端子に入力し、周波数校正時に粗調整用の第１電圧発生器の制御電圧を調整して速やかに目標の公称周波数近傍まで近づけた後、微調整用の第２電圧発生器の制御電圧を細かく調整することによって、目標の公称周波数への収束が早くでき、校正時間を短縮することができる。また、上記電圧発生器として制御電圧を出力する分解能の高い高価なＤ／Ａ変換器が不用となり、安価な２つのＤ／Ａ変換器と加算器を用いて上記電圧発生器の制御電圧を調整することができる。
【００７５】また、請求項６の発明の水晶発振回路は、請求項１乃至５のいずれか１つの水晶発振回路において、電源供給部により上記水晶発振器と電圧発生器のみに電源を供給して、発振周波数を公称周波数に補正する周波数校正を止めて、省電力モードにするので、定期的に周波数校正をしてもよい電池駆動の携帯型装置等に適した水晶発振回路を提供することができる。
【００７６】また、請求項７の発明の時計装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力を基準クロックに用いることによって、正確な時刻を計時でき、上記水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、互いに離れた場所に設置された各機器の時刻を正確に一致させることができる。
【００７７】また、請求項８の発明の計測装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力をＡ／Ｄ変換のサンプリングクロックに用いることによって、上記水晶発振回路を用いた複数の計測装置が異なる場所に離れて設置されていても、同じように時間精度の高い計測を行うことができ、複数箇所で同時に計測する地震波等のサンプリングデータの時間精度を向上でき、計測データの解析精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の実施の一形態の水晶発振回路の概略ブロック図である。
【図２】 図２は上記水晶発振回路のＣＰＵの周波数校正処理の動作を示すフローチャートである。
【図３】 図３は図２に続くフローチャートである。
【図４】 図４(A)は周波数校正処理における第１Ｄ／Ａ変換器の出力電圧の変化を示す図であり、図４(B)は図４(A)に続く第２Ｄ／Ａ変換器の出力電圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
１…水晶発振器、
２…カウンタ、
３…ＧＰＳ受信部、
４…ＣＰＵ、
ＤＡＣ１…第１Ｄ／Ａ変換器、
ＤＡＣ２…第２Ｄ／Ａ変換器、
５…加算器、
６…分周器、
７…メモリ、
８…アンテナ、
１０…電源供給部。
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、水晶発振回路および時計装置および計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、水晶発振回路としては、水晶発振器を恒温槽に入れて高安定化したものがある。この水晶発振回路では、恒温槽内の温度をヒータにより一定に保つことによって、水晶発振器の周波数変動を抑えて、高い周波数安定度を有する周波数出力を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記恒温槽を用いた水晶発振回路は、大型でかつ高価であると共に、恒温槽のために消費電力が多いという欠点がある。また、時間の経過と共に発振周波数が目標周波数(公称周波数)からずれて、周波数精度が低下し、定期的に周波数の校正をしなければならないという問題がある。さらに、発振停止した後に周波数を校正する場合には、十分なエージングにより発振周波数を安定させてから発振周波数を校正しなければならず、校正作業に手間がかかるという欠点がある。
【０００４】そこで、この発明の目的は、低消費電力で低コストな水晶発振器を用いて、周波数安定度の高い高精度な周波数出力が得られ、発振周波数を校正する作業の必要がない小型でかつ低消費電力で低コストな水晶発振回路および時計装置および計測装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、請求項１の水晶発振回路は、発振周波数が制御電圧入力により調整可能な水晶発振器と、上記水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントし、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタと、上記カウンタのカウント動作を制御する秒パルスを出力するＧＰＳ(Global Positioning Satellite)受信部と、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に入力される制御電圧を出力する電圧発生器と、上記カウンタのカウント値に基づいて、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数になるように上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００６】上記請求項１の水晶発振回路によれば、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタが、上記ＧＰＳ受信部からの秒パルスに応じて水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントする。上記ＧＰＳ受信部からの秒パルスは、平均化された周波数特性としては高い周波数安定度と高い周波数精度を有する。上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記制御手段により電圧発生器から出力される制御電圧を制御し、上記電圧発生器から出力された制御電圧が水晶発振器の制御電圧入力端子に入力されて、水晶発振器の発振周波数が公称周波数になるように補正される。例えば、水晶発振器の公称周波数を１２.８ＭＨzとし、カウンタのカウント数を公称周波数の１／５０００００に相当する２５６(＝１２８０００００／５００００)とし、ＧＰＳ受信部からの秒パルスにより１秒間カウンタが水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントすると、カウンタは０〜２５５を５００００周する。そして、水晶発振器の発振周波数が公称周波数に一致している場合は、カウンタのカウント値はゼロとなり、水晶発振器の発振周波数が公称周波数よりも高いか低いと、カウンタのカウント値が０〜２５５の前半(１〜１２７)か後半(１２８〜２５５)かで進み遅れが分かる。このように、上記カウンタのカウント値が発振周波数と公称周波数との誤差を表し、このカウント値を上記電圧発生器の制御に用いる。つまり、上記カウント値が進み側を表すとき、水晶発振器の発振周波数が低くなるように上記電圧発生器から制御電圧を出力させ、上記カウント値が遅れ側を表すとき、水晶発振器の発振周波数が高くなるように上記電圧発生器から制御電圧を出力させるのである。
【０００７】このように、上記水晶発振器の発振周波数を公称周波数に補正する自動校正により、校正作業をすることなく、周波数誤差が累積しないで高い周波数精度が維持され、極めて高い周波数安定度が得られる。また、従来大型かつ高価で消費電力の大きな恒温槽入りの水晶発振回路と同等以上の周波数精度を、小型かつ安価で低消費電力の水晶発振器を使用して得ることができ、特に低消費電力が要求される電池駆動の機器において高精度な基準クロックを提供することができる。また、この水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、各機器の時刻を正確に一致させることが可能になる。また、この水晶発振回路の周波数出力をＡ／Ｄ(アナログ／デジタル)変換のサンプリングクロックとして用いた複数の計測装置では、各計測装置がサンプリングするタイミングを正確に一致させることが可能になる。
【０００８】また、請求項２の水晶発振回路は、請求項１の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴としている。
【０００９】上記請求項２の水晶発振回路によれば、上記カウンタの複数回のカウント値の平均値を求めることで、水晶発振器の発振周波数と公称周波数との誤差がより正確に得られ、その誤差に応じて上記制御手段が上記電圧発生器から出力される制御電圧を制御するので、上記ＧＰＳ受信部の秒パルスのジッターによる影響を除去できる。
【００１０】また、請求項３の水晶発振回路は、請求項１または２の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴としている。
【００１１】上記請求項３の水晶発振回路によれば、上記ＧＰＳ受信部は、ＧＰＳ衛星から得られる高精度の時間情報を利用して上記秒パルスを出力するが、上記制御手段は、ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、受信品位が低下したら上記電圧発生器の制御電圧を受信品位が低下する前の良好なときの電圧値に維持し、その後、受信品位が良くなったら再び上記カウンタのカウント値に基づいて電圧発生器の制御電圧を制御することが可能になる。したがって、ＧＰＳ衛星が受信できなくなった場合でも、ＧＰＳ衛星からの受信が良好なときの上記電圧発生器の制御電圧を維持することにより高い周波数精度の周波数出力を提供できる。
【００１２】また、請求項４の水晶発振回路は、請求項１乃至３のいずれか１つの水晶発振回路において、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を設定する設定値を格納する格納部を備えたことを特徴としている。
【００１３】上記請求項４の水晶発振回路によれば、上記水晶発振器の発振周波数が公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を設定する設定値を上記格納部に格納することによって、例えば電源オフ後に再び電源をオンしたとき、上記格納部に格納された設定値を電圧発生器に設定することにより、電源再投入後の発振周波数が目標の公称周波数に収束するのが早くなり、校正時間を短縮できる。
【００１４】また、請求項５の水晶発振回路は、請求項１乃至４のいずれか１つの水晶発振回路において、上記電圧発生器は、粗調整用の第１電圧発生器と、微調整用の第２電圧発生器と、上記第１電圧発生器の出力電圧と上記第２電圧発生器の出力電圧とを加算して、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に上記制御電圧を入力する加算器とを有することを特徴としている。
【００１５】上記請求項５の水晶発振回路によれば、上記第１電圧発生器の制御電圧の設定分解能よりも第２電圧発生器の制御電圧の設定分解能を小さくして、発振周波数を公称周波数に補正する周波数校正時に、まず粗調整用の第１電圧発生器の制御電圧を調整して速やかに目標の公称周波数近傍まで近づけた後、微調整用の第２電圧発生器の制御電圧を細かく調整することが可能になる。そうすることによって、目標の公称周波数への収束が早くでき、校正時間を短縮できる。また、上記電圧発生器として制御電圧を出力する分解能の高い高価なＤ／Ａ変換器が不用となり、安価な２つのＤ／Ａ変換器と加算器を用いて上記制御電圧を調整できる。
【００１６】また、請求項６の水晶発振回路は、請求項１乃至５のいずれか１つの水晶発振回路において、省電力モード時に、上記水晶発振器,上記電圧発生器のみに電源を供給する電源供給部を備えたことを特徴としている。
【００１７】上記請求項６の水晶発振回路によれば、上記電源供給部により上記水晶発振器,上記電圧発生器のみに電源を供給することによって、発振周波数を公称周波数に補正する周波数校正を止めて省電力モードにするので、電池駆動の携帯型装置等に適した水晶発振回路を提供できる。
【００１８】また、請求項７の時計装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの水晶発振回路を用いたことを特徴としている。
【００１９】上記請求項７の時計装置によれば、上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力を基準クロックに用いることによって、正確な時刻を計時できる。また、上記水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、互いに離れた場所に設置された各機器の時刻を正確に一致させることが可能になる。
【００２０】また、請求項８の計測装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの水晶発振回路を用いたことを特徴としている。
【００２１】上記請求項８の計測装置によれば、上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力をＡ／Ｄ変換のサンプリングクロックに用いることによって、例えば、上記水晶発振回路を用いた複数の計測装置が異なる場所に離れて設置されていても、同じように時間精度の高い計測を行うことができ、複数箇所で同時に計測する地震波等のサンプリングデータの時間精度を向上でき、計測データの解析精度を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、この発明の水晶発振回路および時計装置および計測装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２３】図１はこの発明の実施の一形態の水晶発振回路の概略ブロック図であり、１は公称周波数が１２.８ＭＨzの水晶発振器、２は上記水晶発振器１の周波数出力のパルス数をカウントするカウンタ、３は上記カウンタ２のカウント動作を制御する秒パルス(１ＰＰＳ；１パルス／秒)を出力するＧＰＳ受信部、４は上記カウンタ２のカウント値およびＧＰＳ受信部３からの測位情報信号を読み込むＣＰＵ(中央処理装置)である。上記測位情報信号には受信品位を表す受信品位情報が含まれている。
【００２４】また、ＤＡＣ１は上記ＣＰＵ４により出力電圧が設定される粗調整用の第１電圧発生器としての第１Ｄ／Ａ(デジタル／アナログ)変換器、ＤＡＣ２は上記ＣＰＵ４により出力電圧が設定される微調整用の第２電圧発生器としての第２Ｄ／Ａ変換器、５は上記第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２の出力電圧を加算して、加算された電圧を制御電圧信号として水晶発振器１の制御電圧入力端子に入力する加算器、６は上記水晶発振器１からの周波数出力を分周する分周器、７は上記ＣＰＵ４により第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の設定値が格納される格納部としての不揮発性のメモリである。上記第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２と加算器５とで電圧発生器を構成している。
【００２５】上記水晶発振器１には、加算器５からの制御電圧信号によって出力周波数の微調整が可能なものを用いており、公称周波数である１２.８ＭＨｚ付近の周波数の信号を出力し、制御電圧が基準値よりも高いときは発振周波数が高くなり、反対に制御電圧が基準値よりも低いときは発振周波数が低くなる。また、上記ＧＰＳ受信部３は、ＧＰＳ衛星から時刻情報を含んだ電波をアンテナ８により受信し、ＧＰＳ衛星は、１０-11以上の高い周波数精度を有する原子時計を搭載し、その原子時計の基準周波数に基づいて時刻情報と測位情報を含む信号を送信しており、受信側のＧＰＳ受信部３において周期１秒の標準時刻に同期した秒パルスが得られる。この秒パルスは、長い測定時間(数十秒〜数分)で平均化した場合は、１０-10以上の高い周波数精度を有している。
【００２６】また、上記カウンタ２は、２５６(水晶発振器１の公称周波数１２.８ＭＨzの１／５００００)のカウント数で一巡し、水晶発振器１の周波数出力のパルスをカウント(０,１,…,２５５,０,１,…,２５５,０,１,…)する。そして、上記水晶発振器１の周波数出力がカウンタ２に入力された状態で、ＧＰＳ受信部３の秒パルスの立ち上がりでカウントを開始し、次の秒パルスの立ち上がりで停止させて、１秒毎にカウント動作を行う。そして、上記カウンタ２のカウント値を読み取った後、カウンタ２のカウント値を０にクリアする。
【００２７】そうすると、１秒間のカウント動作でカウンタ２は約５００００周して、０付近の値を指して止まる。このときのカウント値が１から５０のときは、水晶発振器１の発振周波数が１２.８ＭＨｚよりも高くカウントが進み、カウント値が２０６から２５５のときは、水晶発振器１の発振周波数が１２.８ＭＨｚよりも低くカウントが遅れているものと判断する。また、このときカウンタ２のカウント値が５１から２０５のときは、誤差が大きいので、進み遅れを判定しないようにする。ここで、カウンタ２の１カウントは、１／１２８０００００秒(約７８ナノ秒)に相当する。
【００２８】上記ＧＰＳ受信部３の秒パルスにはジッター(ゆらぎ成分)が含まれる。この影響を除外するため、カウンタ２の読み取りをある期間(たとえば３０秒間,３０回)連続して行ない、進みの場合はカウント値を加算し、遅れの場合は遅れ分を減算する(カウント値が２０６〜２５５では−４９〜−１)。
【００２９】そうして、３０秒後からは過去３０秒間(３０回分)におけるカウント値について平均値を求める演算を行う。この結果に基づき演算結果である平均値が正の場合は第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するディジタル値を下げて制御電圧を下げ、水晶発振器１の発振周波数を低くする一方、上記平均値が負の場合はディジタル値を上げて制御電圧を上げ、水晶発振器１の発振周波数を高くする。
【００３０】こうして、上記水晶発振器１の周波数出力のカウントを繰り返し行ない、周波数を制御し続ける。そうすると、水晶発振器１の周波数出力はＧＰＳ受信部３の秒パルスに追従(同期)するようになり、ある時間を経過するとカウンタ２のカウント値はほぼ０となって一定の周波数(公称周波数)に収束する。上記水晶発振器１に、１２.８ＭＨｚの水晶を使用した場合、１２.８ＭＨｚの１カウントに相当する約７８ナノ秒の分解能で進み／遅れを判別することになる。
【００３１】このようにして得た周波数出力を分周器６により分周することにより、所望の正確な周波数出力を得ることができる。上記分周器６の分周比は、ＣＰＵ４からの分周比設定信号により設定されている。
【００３２】以上は、この発明の水晶発振回路の基本的な動作説明であるが、さらに次の点についても考慮してある。
【００３３】また、ＧＰＳ衛星は周回衛星であるため、受信状況は刻々と変化するので、ＧＰＳ受信部３の秒パルスの精度は、受信状況に左右されて、常に良好とは限らない。上記ＧＰＳ受信部３の秒パルスに基づく周波数補正を無条件に続けると、水晶の精度が劣化する場合があるので、ＧＰＳ受信部３から得られる受信品位情報(測位情報信号)により常時衛星波の品質を監視し、秒パルスによる補正が不適当な場合は、発振周波数の補正を行わないようにする。具体的には、ＧＰＳ受信部３の受信が不安定かまたは困難になったと判断した場合、直ちに第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するディジタル値の更新を中止して制御電圧を一定に保ち、水晶発振器１の発振周波数を保持するようにする。そして、受信状況が回復すれば、第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するディジタル値の更新を再開して、水晶発振器１の発振周波数を適切に制御し、周波数精度を維持するようにしている。
【００３４】さらに、周波数が安定したときのディジタル値を不揮発メモリに格納し、装置の電源を入れたときに読み出して、第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２に出力するように構成しておき、ＧＰＳ受信部３が全く受信できない場合であっても、ある程度精度の高い周波数が得られるようにする。
【００３５】また、上記第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１を粗調整用、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２を微調整用として動作するので、水晶発振器１の発振周波数が目標の公称周波数から大きく外れている場合、まず先に粗調整用の第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１を制御して誤差の少ない範囲に追い込み、目的の公称周波数に近づいたら、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の制御電圧を保ったまま微調整用の第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の制御電圧を制御する。このようにすれば(ＣＰＵに内蔵されているような)安価で低分解能のＤＡＣであっても高分解能のＤＡＣと等価の効果が得られるので、きめ細かな制御が可能になり高精度な周波数出力が提供できる上、発振周波数の調整が完了する時間も短縮することができる。
【００３６】図２,図３は上記水晶発振回路のＣＰＵ４の動作を示すフローチャートであり、以下、図２,図３に従ってＣＰＵ４の周波数補正処理を説明する。
【００３７】図２において、まず、処理がスタートすると、ステップＳ１でメモリ７の保存値を第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１に設定し、初期値を第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２に設定する。
【００３８】次に、ステップＳ２に進み、ＧＰＳ受信可能か否かを判定して、ＧＰＳ受信可能であると判定すると、ステップＳ３に進む一方、ＧＰＳ受信不可であると判定すると、ステップＳ２を繰り返す。
【００３９】次に、ステップＳ３で積算値Ｓをクリアする。
【００４０】そして、ステップＳ４でカウンタ２のカウント終了か否かを判定して、カウント終了であると判定すると、ステップＳ５に進む一方、カウント終了していないと判定すると、ステップＳ４を繰り返す。
【００４１】次に、ステップＳ５でカウンタ２のカウント値を読み込む。そして、読み込んだ後、次のカウント動作をゼロから開始させるため、カウンタ２をクリアする。
【００４２】次に、ステップＳ６に進み、そのカウント値(差分)を積算値Ｓに加算する。
【００４３】次に、ステップＳ７に進み、３０回加算したか否かを判定して、３０回加算したと判定すると、ステップＳ８に進む一方、３０回加算していないと判定すると、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４〜Ｓ７を繰り返す。
【００４４】そして、ステップＳ８で積算値Ｓより補正値Ｈを算出する。すなわち、３０回分のカウント値を積算した積算値Ｓを３０で割って平均値を求めるのである。
【００４５】次に、図３に示すステップＳ１１に進み、補正値Ｈの判定を行う。そして、補正値Ｈがしきい値ａ(＞０)を越えると判定すると、ステップＳ１２に進み、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を−１して、ステップＳ２０に進む。
【００４６】また、ステップＳ１１で補正値Ｈがしきい値ａ(＞０)以下でかつしきい値ｂ(＜０)以上であると判定すると、ステップＳ１３に進み、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を保持し、ステップＳ１５に進む。
【００４７】さらに、ステップＳ１１で補正値Ｈがしきい値ｂ(＜０)未満であると判定すると、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を＋１して、ステップＳ２０に進む。
【００４８】次に、ステップＳ１５で第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１に設定された値をメモリ７に格納する。
【００４９】次に、ステップＳ１６に進み、補正値Ｈの判定を行う。そして、補正値Ｈがゼロでなく正の値であると判定すると、ステップＳ１７に進み、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の値を−１して、ステップＳ２０に進む。
【００５０】また、ステップＳ１６で補正値Ｈがゼロであると判定すると、ステップＳ１８に進み、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の値を保持して、ステップＳ２０に進む。
【００５１】さらに、ステップＳ１６で補正値Ｈがゼロでなく負の値であると判定すると、ステップＳ１９に進み、第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の値を＋１して、ステップＳ２０に進む。
【００５２】そして、ステップＳ２０でカウンタ２のカウント終了か否かを判定して、カウント終了であると判定すると、ステップＳ２１に進む一方、カウント終了していないと判定すると、ステップＳ２０を繰り返す。
【００５３】次に、ステップＳ２１でカウンタ２のカウント終了か否かを判定して、カウント終了であると判定すると、ステップＳ２２に進む一方、カウント終了していないと判定すると、ステップＳ２１を繰り返す。
【００５４】次に、ステップＳ２２でカウンタ２のカウント値を読み込み、ステップＳ２３に進み、積算値Ｓを更新する。すなわち、過去３０回分のカウント値のうち最初のカウント値(読み込みが最も古いもの)を除外し、新たにステップＳ２２で読み込んだカウント値を加えて、更新された３０回分のカウント値を積算した積算値Ｓを算出する。
【００５５】そして、ステップＳ２４で、ステップＳ２３において更新された積算値Ｓ積算値Ｓより補正値Ｈを算出する。すなわち、カウンタ２のカウント値を読み込む毎に更新される過去３０回分のカウント値が積算された積算値Ｓを３０で割って、カウンタ値の平均値を求める移動平均を行うのである。
【００５６】その後、ステップＳ１１に戻り、周波数補正を繰り返す。
【００５７】なお、ステップＳ１２,Ｓ１４において、第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の値を±１補正しているが、例えば、しきい値ａ,ｂと補正値Ｈとの差の絶対値に応じて第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の補正量を増加させてもよい。この場合、発振周波数の目標の公称周波数への収束が早くなる。
【００５８】図４(A)は上記周波数補正処理における第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の出力電圧Ｖ1の変化を示す図であり、図４(B)は第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の出力電圧Ｖ2の変化を示す図である。図４(A),図４(B)において、縦軸は時間(任意目盛)、横軸は電圧(任意目盛)である。また、この水晶発振器１の発振周波数は、図４(A),図４(B)の出力電圧Ｖ1＋Ｖ2の制御電圧の変化と同様に収束する。
【００５９】上記水晶発振回路では、周波数補正が１回も行われていない場合は、第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２の初期値がメモリ７に格納されている。
【００６０】まず、図４(A)において、粗調整用の第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の初期出力電圧Ｖintが出力された状態から粗調整が行われ、出力電圧Ｖ1がＶ1mに徐々に収束し、積算値Ｓから算出した補正値Ｈがａ≦Ｈ≦ｂの条件を満足すると、Ｖ1mをメモリ７に格納した後、次の図４(B)に示す微調整に処理が移る。なお、図４(A)において、“Ａ”は第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の微調整の範囲を示している。
【００６１】そして、図４(B)において、微調整用の第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２の出力電圧Ｖ2がＶ2mに徐々に収束し、Ｖ2mで補正値Ｈがゼロとなり、水晶発振器１の周波数出力が目標の公称周波数となる。
【００６２】上記構成の水晶発振回路によれば、水晶発振器１(周波数安定度１０-6)の発振周波数の安定度を１０-8程度に１００倍程度にすることができる。上記実施の形態では、常時ＧＰＳ受信部３を動作させ、発振周波数の校正を行っていたが、所望する周波数の精度と電力事情に鑑み、適宜定期的にＧＰＳ受信部３を動作させ、発振周波数の校正を行ってもよい。
【００６３】また、上記水晶発振回路を時計装置に用いた場合、上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力を基準クロックに用いることによって、正確な時刻を計時できる。
【００６４】また、上記水晶発振回路を計測装置に用いた場合、高精度で高安定度の周波数出力をサンプリングクロックに用いた複数の計測装置を異なる場所に離れて設置しても、同じように時間精度の高い計測を行うことができ、複数箇所で同時に計測する地震波や送電線電圧の位相角等の様々な計測対象の解析精度を高めることができる。
【００６５】また、上記電源供給部１０により水晶発振器１,第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ２,加算器５および分周器６のみに電源を供給し、他のＧＰＳ受信部３等には電源を供給しない省電力モードにすることができ、電池駆動の携帯型装置等に適した水晶発振回路を提供することができる。
【００６６】上記実施の形態では、３０回分のカウント値を積算したが、積算回数はこれに限らず、適宜な回数分のカウント値を平均して補正値としてもよい。
【００６７】また、上記実施の形態では、第１,第２電圧発生器としての第１,第２Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１,ＤＡＣ２と加算器５とで電圧発生器を構成したが、電圧発生器はこれに限らず、高分解能のＤ／Ａ変換器を１つ用いてもよい。
【００６８】また、上記実施の形態では、第１電圧発生器としての第１Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ１の設定値を格納部としてのメモリ７に格納したが、第２電圧発生器の設定値も格納部に格納し、電源投入時に初期値の代わりに格納部に格納した設定値を第２電圧発生器に設定してよい。
【００６９】
【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の発明の水晶発振回路は、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタが、ＧＰＳ受信部からの秒パルスに応じて水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントして、カウンタのカウント値の平均値に基づいて、制御手段により電圧発生器から水晶発振器の制御電圧入力端子に入力される制御電圧を制御して、水晶発振器の発振周波数が公称周波数になるように補正するものである。
【００７０】したがって、請求項１の発明の水晶発振回路によれば、上記水晶発振器の発振周波数を公称周波数に補正する自動校正により、校正作業をすることなく、高い周波数安定度の高精度な周波数出力を得ることができる。また、大型で高価な消費電力の大きい恒温槽入りの水晶発振回路と同等以上の周波数安定度を、小型で安価な低消費電力の水晶発振器を用いて得ることができ、特に低消費電力が要求される電池駆動の機器において高精度な基準クロックを提供することができ、この水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、各機器の時刻を正確に一致させることができる。また、この水晶発振回路の周波数出力をＡ／Ｄ変換のサンプリングクロックとして用いた複数の計測装置では、各計測装置のサンプリングデータの時間を正確に一致させることができる。
【００７１】また、請求項２の発明の水晶発振回路は、請求項１の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記電圧発生器から出力される制御電圧を制御するので、上記ＧＰＳ受信部の秒パルスのジッターによる影響を容易に除去することができる。
【００７２】また、請求項３の発明の水晶発振回路は、請求項１または２の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、上記電圧発生器から出力される制御電圧を制御するので、ＧＰＳ衛星が受信できなくなった場合でも、ＧＰＳ衛星からの受信が良好なときの上記電圧発生器の制御電圧を維持することにより高い周波数精度の周波数出力を提供することができる。
【００７３】また、請求項４の発明の水晶発振回路は、請求項１乃至３のいずれか１つの水晶発振回路において、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される制御電圧を設定する設定値を格納部に格納するで、例えば電源オフ後に再び電源をオンしたとき、上記格納部に格納された設定値を電圧発生器に設定することによって、電源再投入後の発振周波数の目標の公称周波数への収束が早くなり、校正時間を短縮することができる。
【００７４】また、請求項５の発明の水晶発振回路は、請求項１乃至４のいずれか１つの水晶発振回路において、上記電圧発生器の第１電圧発生器の制御電圧の設定分解能よりも電圧発生器の第２電圧発生器の制御電圧の設定分解能を小さくし、上記第１電圧発生器の出力電圧と第２電圧発生器の出力電圧とを加算器により加算して水晶発振器の制御電圧入力端子に入力し、周波数校正時に粗調整用の第１電圧発生器の制御電圧を調整して速やかに目標の公称周波数近傍まで近づけた後、微調整用の第２電圧発生器の制御電圧を細かく調整することによって、目標の公称周波数への収束が早くでき、校正時間を短縮することができる。また、上記電圧発生器として制御電圧を出力する分解能の高い高価なＤ／Ａ変換器が不用となり、安価な２つのＤ／Ａ変換器と加算器を用いて上記電圧発生器の制御電圧を調整することができる。
【００７５】また、請求項６の発明の水晶発振回路は、請求項１乃至５のいずれか１つの水晶発振回路において、電源供給部により上記水晶発振器と電圧発生器のみに電源を供給して、発振周波数を公称周波数に補正する周波数校正を止めて、省電力モードにするので、定期的に周波数校正をしてもよい電池駆動の携帯型装置等に適した水晶発振回路を提供することができる。
【００７６】また、請求項７の発明の時計装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力を基準クロックに用いることによって、正確な時刻を計時でき、上記水晶発振回路の周波数出力を基準クロックとして用いた時計を備えた複数の機器では、互いに離れた場所に設置された各機器の時刻を正確に一致させることができる。
【００７７】また、請求項８の発明の計測装置は、請求項１乃至６のいずれか１つの上記水晶発振回路の高精度で高安定度の周波数出力をＡ／Ｄ変換のサンプリングクロックに用いることによって、上記水晶発振回路を用いた複数の計測装置が異なる場所に離れて設置されていても、同じように時間精度の高い計測を行うことができ、複数箇所で同時に計測する地震波等のサンプリングデータの時間精度を向上でき、計測データの解析精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の実施の一形態の水晶発振回路の概略ブロック図である。
【図２】 図２は上記水晶発振回路のＣＰＵの周波数校正処理の動作を示すフローチャートである。
【図３】 図３は図２に続くフローチャートである。
【図４】 図４(A)は周波数校正処理における第１Ｄ／Ａ変換器の出力電圧の変化を示す図であり、図４(B)は図４(A)に続く第２Ｄ／Ａ変換器の出力電圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
１…水晶発振器、
２…カウンタ、
３…ＧＰＳ受信部、
４…ＣＰＵ、
ＤＡＣ１…第１Ｄ／Ａ変換器、
ＤＡＣ２…第２Ｄ／Ａ変換器、
５…加算器、
６…分周器、
７…メモリ、
８…アンテナ、
１０…電源供給部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 発振周波数が制御電圧入力により調整可能な水晶発振器と、上記水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントし、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタと、上記カウンタのカウント動作を制御する秒パルスを出力するＧＰＳ受信部と、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に入力される制御電圧を出力する電圧発生器と、上記カウンタのカウント値に基づいて、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数になるように上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項２】 請求項１に記載の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項３】 請求項１または２に記載の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の水晶発振回路において、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を設定する設定値を格納する格納部を備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の水晶発振回路において、上記電圧発生器は、粗調整用の第１電圧発生器と、微調整用の第２電圧発生器と、上記第１電圧発生器の出力電圧と上記第２電圧発生器の出力電圧とを加算して、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に上記制御電圧を入力する加算器とを有することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の水晶発振回路において、省電力モード時に、上記水晶発振器,上記電圧発生器のみに電源を供給する電源供給部を備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の水晶発振回路を用いたことを特徴とする時計装置。
【請求項８】 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の水晶発振回路を用いたことを特徴とする計測装置。
【請求項１】 発振周波数が制御電圧入力により調整可能な水晶発振器と、上記水晶発振器からの周波数出力のパルス数をカウントし、上記水晶発振器の公称周波数の１／ｎ(ｎは正の整数)のカウント数で一巡するカウンタと、上記カウンタのカウント動作を制御する秒パルスを出力するＧＰＳ受信部と、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に入力される制御電圧を出力する電圧発生器と、上記カウンタのカウント値に基づいて、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数になるように上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項２】 請求項１に記載の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記カウンタのカウント値の平均値に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項３】 請求項１または２に記載の水晶発振回路において、上記制御手段は、上記ＧＰＳ受信部の受信品位情報に基づいて、上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を制御することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の水晶発振回路において、上記水晶発振器の発振周波数が上記公称周波数に略一致したときの上記電圧発生器から出力される上記制御電圧を設定する設定値を格納する格納部を備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の水晶発振回路において、上記電圧発生器は、粗調整用の第１電圧発生器と、微調整用の第２電圧発生器と、上記第１電圧発生器の出力電圧と上記第２電圧発生器の出力電圧とを加算して、上記水晶発振器の制御電圧入力端子に上記制御電圧を入力する加算器とを有することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の水晶発振回路において、省電力モード時に、上記水晶発振器,上記電圧発生器のみに電源を供給する電源供給部を備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の水晶発振回路を用いたことを特徴とする時計装置。
【請求項８】 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の水晶発振回路を用いたことを特徴とする計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００２−１６４３８（Ｐ２００２−１６４３８Ａ）
【公開日】平成１４年１月１８日（２００２．１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−１９８０２６（Ｐ２０００−１９８０２６）
【出願日】平成１２年６月３０日（２０００．６．３０）
【出願人】（５９２０６１５９９）株式会社近計システム (14)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年１月１８日（２００２．１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年６月３０日（２０００．６．３０）
【出願人】（５９２０６１５９９）株式会社近計システム (14)
【Ｆターム（参考）】
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