專利名稱：頻率測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻率測量裝置等，尤其涉及使用在規(guī)定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)被測量信號并從計(jì) 數(shù)值串中去除高頻成分從而檢測出頻率變動(dòng)成分的頻率測量裝置，能夠測量出絕對頻率的 頻率測量裝置的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
關(guān)于頻率測量方式，已知有對預(yù)定的選通時(shí)間內(nèi)通過的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的直接計(jì) 數(shù)方式(例如參照專利文獻(xiàn)1)、準(zhǔn)確測量脈沖周期并通過該時(shí)間的倒數(shù)求出頻率的倒數(shù)方 式(例如參照專利文獻(xiàn)2)和通過得到△ E調(diào)制信號而獲知頻率的方式(例如參照專利文 獻(xiàn)3) 0專利文獻(xiàn)1日本特開2001-119291號公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開平5-172861號公報(bào)專利文獻(xiàn)3美國專利第7230458號申請人:除上述方式之外作為一種新的方案，進(jìn)行了基于短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的頻 率測量裝置的研究開發(fā)。該頻率計(jì)數(shù)方式由于在短選通時(shí)間內(nèi)不中斷地反復(fù)對含有作為被測量信號的脈 沖信號的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)(采樣)，并從得到的計(jì)數(shù)值的串中去除高頻成分后提取頻率變化 成分(濾波處理)，所以時(shí)間分辨率和頻率分辨率都可大幅度改善。本方式的頻率計(jì)數(shù)器 由計(jì)數(shù)器電路和小規(guī)模運(yùn)算電路構(gòu)成，具有抑制電路規(guī)模的增大且容易多信道(channel) 化的特點(diǎn)。另外，具有越提高采樣頻率(計(jì)數(shù)器電路的選通時(shí)間的倒數(shù))分辨率越好等特 點(diǎn)o為了去除上述高頻成分，使用了低通濾波器。例如，在使用數(shù)字濾波器作為低通濾 波器部的結(jié)構(gòu)的情況下，需要存儲(chǔ)器和運(yùn)算裝置。通過使用移動(dòng)平均濾波器作為低通濾波 器可大幅度削減運(yùn)算量，能夠進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)測量。由于計(jì)數(shù)器電路(后述的短選通時(shí) 間計(jì)數(shù)器)作為硬件是簡單的構(gòu)成，所以適合高速動(dòng)作，另一方面由于濾波器部的處理需 要多位的加減運(yùn)算，故決定實(shí)時(shí)測量的采樣頻率的上限的主要是濾波器部的處理能力。尤 其是，在使用2級以上的移動(dòng)平均濾波器的情況下，由于產(chǎn)生處理多位信息的需要，所以電 路復(fù)雜化。只要這一部分所涉及的電路簡化，就可實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作化、實(shí)時(shí)處理、低耗電化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方式的頻率測量裝置，提供了一種盡可能簡化低通濾波器等電路且 能實(shí)現(xiàn)電路動(dòng)作的高速化和低耗電化的頻率測量裝置。另外，本發(fā)明的一個(gè)方式的頻率測量裝置，在被測量信號為作為二值電平的脈沖 串信號(例如位流(bit stream)信號)時(shí)，可更簡單地構(gòu)成該頻率測量裝置。另外，本實(shí)施方式的一個(gè)方式的頻率測量裝置，在將輸出位流化(串行數(shù)字輸出 化)后的頻率測量裝置中，盡可能簡化由2級以上的濾波器構(gòu)成的低通濾波器部等電路，能實(shí)現(xiàn)電路動(dòng)作的高速化和低耗電化。在本發(fā)明的頻率測量裝置的一個(gè)實(shí)施方式中，該頻率測量裝置具備計(jì)數(shù)器部，其 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)含有脈沖信號的信號(被測量信號)，輸出與含有上述脈沖信號的信號 的頻率對應(yīng)的二值的計(jì)數(shù)值；和低通濾波器部，其對上述計(jì)數(shù)值進(jìn)行濾波處理，上述低通濾 波器部包括第一級濾波器及第二級濾波器，上述第一級濾波器是被輸入上述計(jì)數(shù)值且生成 降低了高頻成分后的二值的輸出的移動(dòng)平均濾波器，上述第二級濾波器對上述二值的輸出 進(jìn)行平均值運(yùn)算，生成降低了高頻成分后的輸出。在此，濾波處理是從短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部 的輸出中去除不需要的成分(高頻成分)提取目標(biāo)成分(被測量信號的頻率變化成分)的 處理。通過采取這種構(gòu)成，可從計(jì)數(shù)器的輸入部到低通濾波器的第一級移動(dòng)平均濾波器 的輸出部為止將信號流位流化，進(jìn)一步減少低通濾波器部的平均值運(yùn)算次數(shù)，并簡化結(jié)構(gòu)。 由此，可謀求電路的簡化、高速化、低耗電化。優(yōu)選，上述第二級濾波器的動(dòng)作頻率比上述第一級濾波器的動(dòng)作頻率低。由于通 過第一級移動(dòng)平均濾波器減少高頻成分，故即使降低該后級濾波器的采樣頻率(或動(dòng)作 頻率)也可降低濾波器特性的劣化。通過使第二級濾波器輸出的動(dòng)作降低得比第一級濾波 器輸出的動(dòng)作還低，從而可實(shí)現(xiàn)電路的簡化、低耗電化。優(yōu)選，上述第二級濾波器為移動(dòng)平均濾波器。優(yōu)選，上述第二級濾波器包括用于計(jì)算區(qū)間平均值的向上計(jì)數(shù)器。由于向上計(jì)數(shù) 器只進(jìn)行加法運(yùn)算，不會(huì)如向上向下計(jì)數(shù)器那樣進(jìn)行減法運(yùn)算，故電路構(gòu)成簡單，可進(jìn)行高 速動(dòng)作。優(yōu)選，上述向上計(jì)數(shù)器包括非同步計(jì)數(shù)器或格雷碼計(jì)數(shù)器。這些計(jì)數(shù)器與向上向 下計(jì)數(shù)器相比，電路構(gòu)成簡單、動(dòng)作快。另外，還存在降低了電路的耗電的優(yōu)點(diǎn)。上述計(jì)數(shù)器部的一部分及上述第一級移動(dòng)平均濾波器由鎖存器、移位寄存器電路 及異或邏輯電路構(gòu)成。由此，能夠以簡單的電路構(gòu)成得到1位計(jì)數(shù)器及移動(dòng)平均濾波器。優(yōu)選，上述頻率測量裝置還具備反相/非反相調(diào)整部，上述反相/非反相調(diào)整部設(shè) 置在上述計(jì)數(shù)器部的輸出端與上述低通濾波器部的輸出端之間，根據(jù)被提供的反相/非反 相指令使二值輸出串反相或非反相。由此，由于在計(jì)數(shù)器的二值輸出以補(bǔ)數(shù)方式輸出的情 況下進(jìn)行校正，故適合。另外，本發(fā)明的頻率測量裝置還包括極性判斷電路(判斷部)，上述極性判斷部使 被測量信號的頻率增加或減少并且根據(jù)該變化判斷從上述計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值的增減方 向，并基于該判斷結(jié)果輸出與該計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值的正反對應(yīng)的反相/非反相指令。在被測量脈沖串信號的頻率變化小的情況下可利用1位的計(jì)數(shù)器來以更簡單的 電路構(gòu)成計(jì)數(shù)器部，但是由于此時(shí)不清楚計(jì)數(shù)的“0”和“1”的值是表示大小(真值)還是 表示補(bǔ)數(shù)，故通過極性判斷電路使脈沖串信號的頻率在一個(gè)方向上變化，并根據(jù)該變化來 判斷計(jì)數(shù)值增加了還是減少了，從而可判斷計(jì)數(shù)值所表示的含義(真值或補(bǔ)數(shù)值)。優(yōu)選，在上述第二級濾波器的后級還設(shè)有一級或多級的移動(dòng)平均濾波器。由此，可 得到更好的低通濾波器特性。優(yōu)選，在上述第二級移動(dòng)平均濾波器的后級設(shè)有DA變換部。由此，可得到更好的 低通濾波器特性。
上述的頻率測量裝置通過使用利用了晶體振蕩器的QCM (QuartzCrystal Microbalance)法，從而適用于將振蕩器基板表面的微量的質(zhì)量變化變換為頻率變化的 QCM器件，例如質(zhì)量傳感器、氣味傳感器、氣體傳感器及生物傳感器等中。


圖1是說明具備對1位輸出的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器的輸出的正反進(jìn)行校正的電路的 短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的頻率測量裝置的例子的框圖。圖2是說明短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器的電路簡化的過程的說明圖。圖3是說明位流結(jié)構(gòu)的1位計(jì)數(shù)器和移動(dòng)平均濾波器的結(jié)構(gòu)例的框圖。圖4是表示移動(dòng)平均濾波器的結(jié)構(gòu)例的框圖。圖5是說明1位短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的等效電路化的框圖。圖6是說明1位短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的等效電路化的框圖。圖7是說明1位短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的等效電路化的說明圖。圖8是說明1位短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的等效電路化的說明圖。圖9是說明1位短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的等效電路化的說明圖。圖10是表示短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(頻率變化大的例子) 的圖表。圖11是表示短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(頻率變化小的例子) 的圖表。圖12是表示短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(抽頭數(shù)調(diào)整例)的 圖表。圖13是表示短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(采樣頻率調(diào)整例) 的圖表。圖14是說明模式噪聲的說明圖。圖15是說明一級移動(dòng)平均濾波器輸出的動(dòng)態(tài)范圍的說明圖。圖16是說明一級移動(dòng)平均濾波器的輸出范圍和計(jì)數(shù)值的對應(yīng)的說明圖。圖17是說明一級移動(dòng)平均濾波器的輸出范圍的偶數(shù)奇數(shù)的對應(yīng)的說明圖。圖18是說明一級移動(dòng)平均濾波器輸出范圍的計(jì)數(shù)值的正反的對應(yīng)的說明圖。圖19是說明短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器+模擬濾波器結(jié)構(gòu)的例子的框 圖。圖20是表示短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器+模擬濾波器的輸出例(動(dòng)作 點(diǎn)參數(shù)0.336)的圖表。圖21是表示短選通計(jì)數(shù)器+ —級移動(dòng)平均濾波器+模擬濾波器的輸出例(動(dòng)作 點(diǎn)參數(shù)調(diào)整例)的圖表。圖22是說明短選通計(jì)數(shù)器+ 二級移動(dòng)平均濾波器結(jié)構(gòu)的例子的框圖。圖23是說明短選通計(jì)數(shù)器+ 二級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)0. 336) 的圖表。圖24是說明短選通計(jì)數(shù)器+ 二級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)調(diào)整例) 的圖表。
圖25是表示使用向上向下計(jì)數(shù)器構(gòu)成低通濾波器部20的第二級移動(dòng)平均濾波器 的例子的框圖。圖26是說明低通濾波器部20的二級移動(dòng)平均濾波器的輸出例的說明圖。圖27是說明有失效期間情況下的二級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(區(qū)間平均值) 的說明圖。圖28是說明無失效期間情況下的二級移動(dòng)平均濾波器的輸出例(區(qū)間平均值) 的說明圖。圖29是表示使用向上計(jì)數(shù)器構(gòu)成第二級移動(dòng)平均濾波器的例子的框圖。圖30是說明圖29的控制部的結(jié)構(gòu)例的說明圖。圖31是表示使用格雷濾波器構(gòu)成第二級移動(dòng)平均濾波器的例子的框圖。圖32是表示在低通濾波器中使用了二級移動(dòng)平均濾波器的輸出例的圖表。圖33是表示在實(shí)施例的第二級移動(dòng)平均濾波器中進(jìn)行了間隔提取情況下的輸出 例的圖表。圖34是表示在第二級移動(dòng)平均濾波器中使用非同步計(jì)數(shù)器而構(gòu)成的例子的框 圖。圖35是表示圖34所示的結(jié)構(gòu)中的被測量頻率和模擬輸出例(無失效期間)的圖表。圖36是表示圖34所示的結(jié)構(gòu)中的被測量頻率和模擬輸出例(無失效期間、有失 效期間)的圖表。符號說明10_短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部，13-計(jì)數(shù)/濾波器部，20-低通濾波器部， 50-向上計(jì)數(shù)器部，70-判斷部，80-反相/非反相部。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。在本發(fā)明的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的頻率測量裝置中，對從被測量信號的輸入部到 一級移動(dòng)平均濾波器的輸出部之間的信號流進(jìn)行位流化(二值信號的輸出串)。另外，為了 在二值輸出的電路中進(jìn)行處理，按照在該位流部分不發(fā)生進(jìn)位及借位的方式調(diào)整被測量信 號頻率、采樣頻率、動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)、一級移動(dòng)平均濾波器的抽頭數(shù)及動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)。如后述，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)定義如下。動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)=被測量頻率+采樣頻率-Int (被測量頻率+采樣頻率)。其中， Int(C)是返回c的整數(shù)部的函數(shù)。根據(jù)該定義式，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)的值取0 1之間的值。動(dòng) 作點(diǎn)參數(shù)與模式噪聲電平有關(guān)。動(dòng)態(tài)范圍定義為“采樣頻率+移動(dòng)平均濾波器的抽頭數(shù)”。若被測量信號的頻率 變化在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，則移動(dòng)平均濾波器的輸出不產(chǎn)生進(jìn)位(上溢)及借位(下溢)。(實(shí)施例1)首先，本申請中說明的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式是下述方式，即在短選通時(shí)間內(nèi)連續(xù) 計(jì)數(shù)所供給的脈沖串信號，得到與該脈沖串信號的頻率對應(yīng)的以脈沖串狀動(dòng)作的一系列計(jì) 數(shù)值，從該一系列計(jì)數(shù)值中去除高頻成分而得到與所供給的脈沖串信號的頻率對應(yīng)的一系 列信號，從而提取頻率變化。關(guān)于該短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的基本情形，在已述的日本特愿2008-099721號中對電路構(gòu)成和動(dòng)作進(jìn)行了詳細(xì)說明。另外，用1位計(jì)數(shù)器構(gòu)成短選通時(shí)間 計(jì)數(shù)方式的頻率測量裝置的例子已經(jīng)在日本特愿2008-099728號中進(jìn)行了說明。圖1是說明使用短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式并由1位(二值)輸出的計(jì)數(shù)器構(gòu)成頻率測 量裝置的例子的框圖。如該圖1所示，由短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10、低通濾波器部20及反相/非反相部80
等構(gòu)成了頻率測量裝置。短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10使用1位輸出的計(jì)數(shù)器在規(guī)定選通時(shí)間內(nèi)連續(xù)計(jì)數(shù)由未 圖示的QCM器件的晶體振蕩器等所提供的被測量信號(脈沖串信號)的頻率，生成位流(一 系列的二值輸出)的計(jì)數(shù)輸出。在信號源的頻率變化范圍已知的情況下，通過適當(dāng)設(shè)定短 選通計(jì)數(shù)器部10的采樣頻率，從而可進(jìn)行在1位計(jì)數(shù)器中不產(chǎn)生進(jìn)位的動(dòng)作。在這種條件 下，可由1位計(jì)數(shù)器得到測量結(jié)果。如后述，例如被簡化的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10包括以采樣頻率fs動(dòng)作的數(shù)據(jù)鎖 存器、1位輸出的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和抽頭數(shù)為m的移動(dòng)平均濾波器。低通濾波器部20從短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10輸出的位流信號的計(jì)數(shù)輸出中去除 (濾波處理)高頻成分，輸出與頻率變化對應(yīng)的計(jì)測值。濾波處理是去除其中含有的不需要 的部分并提取作為目標(biāo)的信息的處理。如后述，1位計(jì)數(shù)器的輸出有以下兩種情況該“0”和“1”的串與計(jì)數(shù)值大小對應(yīng) 的情況(正輸出的情況)和輸出值串為逆(補(bǔ)數(shù))的情況(補(bǔ)數(shù)輸出)。這例如可通過以 下方式判斷，在手動(dòng)地使被測量信號的頻率增大或減小時(shí)與此對應(yīng)地計(jì)數(shù)值增大或減小的 情況下，判斷出輸出值與輸入頻率準(zhǔn)確地對應(yīng)，另外，在使被測量信號的頻率增大或減小時(shí) 計(jì)數(shù)值減小或增大的情況下，判斷出輸出值為補(bǔ)數(shù)輸出。反相/非反相部80基于上述極性的判斷結(jié)果使短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10的二值輸 出反相或非反相，并中繼到低通濾波器部20中。由此，即使是使用了 1位計(jì)數(shù)器的頻率測 量裝置，也能得到準(zhǔn)確的頻率計(jì)數(shù)值。圖I(B)是表示可自動(dòng)進(jìn)行上述的計(jì)數(shù)器輸出的補(bǔ)數(shù)判斷·校正的短選通時(shí)間計(jì) 數(shù)方式的頻率測量裝置的例子。在該圖中，對與圖I(A)對應(yīng)的部分附加同一符號，并省略相關(guān)部分的說明。如上述，在使用1位輸出的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行采樣并輸出了計(jì)數(shù)值的情況下，在1 位的信息的情況下，無法判斷計(jì)數(shù)值的0和1的輸出對應(yīng)于計(jì)數(shù)值的大小還是與其成補(bǔ)數(shù) 關(guān)系。因此，在本實(shí)施例中，還設(shè)置了位判斷部70。其他的構(gòu)成與圖I(A)相同。判斷部70例如構(gòu)成為在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由控制程序執(zhí)行的功能。判斷部70(更準(zhǔn) 確地說是計(jì)算機(jī))根據(jù)規(guī)定事件的發(fā)生而動(dòng)作。判斷部70首先通過up/down信號使信號 源10的振蕩頻率增減。在低通濾波器部20的輸出與該變化對應(yīng)地增減的情況下，判斷出 計(jì)數(shù)器部10的“0”和“1”的輸出與計(jì)數(shù)值的大小對應(yīng)。另外，在使信號源10的振蕩頻率增減而低通濾波器的輸出與該變化對應(yīng)地減增 的情況下，判斷出計(jì)數(shù)器部10的“0”和“1”的輸出為補(bǔ)數(shù)關(guān)系(輸出為逆)。在成補(bǔ)數(shù)關(guān) 系的情況下，判斷部70將補(bǔ)數(shù)判斷信號提供給反相/非反相部80，使計(jì)數(shù)器部10的“0”和 “1”的輸出反相并將其中繼到低通濾波器部20。此外，判斷部70監(jiān)控的輸出除了低通濾波器部20的輸出之外，也可以是計(jì)數(shù)器部10的輸出或反相/非反相部80的輸出。下面，對使用1位(二值)輸出的計(jì)數(shù)器的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的頻率測量裝置 的電路簡化進(jìn)行說明。圖2(A)到圖2(G)表示頻率測量裝置的電路簡化過程的各階段。在各圖中，對應(yīng) 的部分附加同一符號，并省略相關(guān)部分的說明。首先，如圖2(A)所示，基本的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的頻率測量裝置具備以規(guī)定 采樣頻率對被測量信號(由QCM器件的晶體振蕩器等所提供的脈沖串信號)進(jìn)行計(jì)數(shù)的 k位輸出的計(jì)數(shù)器部10、和從計(jì)數(shù)器部10輸出的連續(xù)計(jì)數(shù)值串中去除高頻成分后提取頻率 變化成分的低通濾波器部20。該圖⑶的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10由1位輸出計(jì)數(shù)器構(gòu)成。被測量信號的頻率 變化范圍已知，或假設(shè)具有余量的充分大的變化范圍(在變化范圍為a、范圍寬度的偏差為 b時(shí)，例如為a+3b等)。例如，在已述的QCM器件的晶體振蕩器等中，有時(shí)能夠預(yù)先判斷出 頻率變化范圍。因此，如后述，按照計(jì)數(shù)結(jié)果不產(chǎn)生進(jìn)位及借位的方式預(yù)先選定采樣頻率 (頻率變化范圍<采樣頻率)。在該條件下，作為短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10可使用1位計(jì)數(shù) 器。在低通濾波器部20中對1位計(jì)數(shù)器10的連續(xù)的二值輸出進(jìn)行信號處理。如該圖(C)所示，1位的計(jì)數(shù)器例如可由以采樣頻率動(dòng)作的鎖存器11和作為1位 的計(jì)數(shù)器起作用的計(jì)數(shù)值計(jì)算部12構(gòu)成。1位的計(jì)數(shù)器在保持值為“0”時(shí)若被輸入“0”則 輸出為“ 0 ”，在保持值為“ 0 ”時(shí)若被輸入“ 1”則輸出為“ 1”，在保持值為“ 1”時(shí)若被輸入“ 0 ” 則輸出為“1”，在保持值為“1”時(shí)若被輸入“1”則輸出為“0”。低通濾波器部20例如可由 三級的移動(dòng)平均濾波器21 23構(gòu)成。如該圖(D)所示，即使將低通濾波器部20的三級移動(dòng)平均濾波器21 23中的第 一級21移動(dòng)到1位計(jì)數(shù)器部10側(cè)，在電路上也是相同的。如該圖(E)所示，剩余的低通濾波器部20只要可作為低通濾波器起作用就可以。 如后述，可以是數(shù)字濾波器可以是模擬濾波器，只要能得到想要的特性就可以。圖3是表示圖2 (C) 2 (E)所示的鎖存器部11、計(jì)數(shù)值計(jì)算部12及移動(dòng)平均濾波 器21的具體的結(jié)構(gòu)例。1位計(jì)數(shù)器可由1個(gè)鎖存器11、1個(gè)寄存器ζ—1和1個(gè)異或邏輯電 路構(gòu)成。移動(dòng)平均濾波器21可由1位m抽頭(m級)的移位寄存器z_m和向上向下計(jì)數(shù)器 構(gòu)成(參照后述的圖4)。圖2(F)表示由簡化了上述的計(jì)數(shù)值計(jì)算部12和移動(dòng)平均濾波器21后的后述計(jì) 數(shù)/濾波器部13構(gòu)成的例子。進(jìn)而，如該圖(G)所示，在使用1位輸出的計(jì)數(shù)器部10的情況(或以二值信號的 位流進(jìn)行信號處理的情況)下，由于存在輸出為補(bǔ)數(shù)狀態(tài)的情況，所以在計(jì)數(shù)/濾波器部 13的后級(相當(dāng)于第一級移動(dòng)平均濾波器的輸出)設(shè)置上述的反相/非反相部80，適當(dāng)進(jìn) 行計(jì)數(shù)輸出的反相/非反相。反相/非反相部80的動(dòng)作通過判斷部70進(jìn)行控制(參照圖 1)。由此，可維持準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)值輸出。該圖(H)表示在計(jì)數(shù)值計(jì)算部12與移動(dòng)平均濾波器部21之間設(shè)置了反相/非反 相部80的例子。另外，雖然未圖示，但是也可以在低通濾波器部20的后級設(shè)置反相/非反 相部80。這樣，可將反相/非反相部80配置在合適的位置。圖4是表示移動(dòng)平均濾波器21的結(jié)構(gòu)例。移動(dòng)平均濾波器21可由1位m抽頭(m級)的移位寄存器z_m和向上向下計(jì)數(shù)器構(gòu)成，該向上向下計(jì)數(shù)器在增加輸入(+)端接受計(jì) 數(shù)值計(jì)算部12的輸出且在減少輸入(_)端接受移位寄存器z_m的輸出。圖5(A)表示由m抽頭的移位寄存器、異或邏輯電路、1抽頭的移位寄存器及異或邏 輯電路構(gòu)成圖4所示的移動(dòng)平均濾波器(向上向下計(jì)數(shù)器形式)21的例子。在位流運(yùn)算的 情況下，由于增加和減少都為相同的結(jié)果，故向上向下計(jì)數(shù)器與異或等效。進(jìn)而，該圖(B)表示將該圖(A)的計(jì)數(shù)值計(jì)算部12及移動(dòng)平均濾波器21的部分 替換為作為等效電路的m抽頭的移位寄存器z_m和異或邏輯電路的例子。圖6到圖9是說明圖5 (A)的邏輯電路和該圖⑶的邏輯電路等效的圖。如圖6㈧ 及該圖6 (B)所示，若設(shè)定各部的信號A⑴ J⑴，則如圖9所示求出G (i) = A (i) +A (i-n) =J⑴。利用該結(jié)果，如圖2(F)所示，可將計(jì)數(shù)值計(jì)算部12和移動(dòng)平均濾波器21的功能 替換為具有相同功能的被簡化后的計(jì)數(shù)/濾波器電路13(圖5(B))。其次，對在處理上述的位流(串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù))信號的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的頻率 測量裝置中應(yīng)選定的參數(shù)(動(dòng)態(tài)范圍、動(dòng)作點(diǎn)參數(shù))進(jìn)行說明。動(dòng)態(tài)范圍與短選通時(shí)間計(jì) 數(shù)方式的計(jì)數(shù)器部10中是否發(fā)生進(jìn)位·借位相關(guān)聯(lián)。動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)與模式噪聲的發(fā)生·噪 聲電平關(guān)聯(lián)。首先，對在位流信號處理中不發(fā)生進(jìn)位及借位的條件進(jìn)行說明。圖10是表示在圖2(E)所示的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部(1位計(jì)數(shù)器+—級移動(dòng)平均 濾波器)10中例如將采樣頻率設(shè)為1kHz、動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)設(shè)在0. 283附近、第一級移動(dòng)平均濾波 器21的抽頭數(shù)設(shè)為100的情況下的輸出例(一級移動(dòng)平均濾波器)。如圖所示，若輸入頻 率變化較大的被測量信號(圖中用粗實(shí)線表示)則發(fā)生位變動(dòng)，如圖中細(xì)線所示輸出涉及 多值。發(fā)生這種位變動(dòng)的條件是“被測量信號頻率變化 >第一級移動(dòng)平均濾波器的動(dòng)態(tài) 范圍”。此時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍用“采樣頻率+移動(dòng)平均濾波器的抽頭數(shù)”表示。試著將其應(yīng)用到圖10的例子中，則頻率變化約為25Hz，采樣頻率為1kHz，抽頭數(shù) 為100。動(dòng)態(tài)范圍為IkHz +100 = 10Hz。頻率變化約25Hz >動(dòng)態(tài)范圍10Hz，所以移動(dòng)平均 濾波器輸出涉及多值。圖11是表示被測量信號的頻率變化比較少的情況下的例子。其他與圖10的情況 為相同條件。移動(dòng)平均濾波器部21的輸出為二值。不產(chǎn)生這種位變動(dòng)的條件為“被測量信 號的頻率變化<一級移動(dòng)平均濾波器的動(dòng)態(tài)范圍”。通過滿足該條件，可作為位流(二值信 號串)對信號進(jìn)行處理。試著將其具體應(yīng)用，頻率變化約為7Hz。由于頻率變化約7Hz <動(dòng)態(tài)范圍10Hz，故 可滿足以上必要條件且移動(dòng)平均濾波器21的輸出值為二值。圖12是表示在圖10的被測量信號的頻率變化測量中通過減少抽頭數(shù)來應(yīng)對位流 化的例子。通過將移動(dòng)平均濾波器的抽頭數(shù)從100減少到25，從而作為lkHz + 25 = 40Hz， 將動(dòng)態(tài)范圍從IOHz提升到40Hz，滿足了上述必要條件。圖13是表示在圖10的被測量信號的頻率變化測量中通過增加采樣頻率來應(yīng)對位 流化的例子。將計(jì)數(shù)器及移動(dòng)平均濾波器的動(dòng)作從IkHz提升到3kHz，作為3kHz + 100 = 30Hz，將動(dòng)態(tài)范圍從IOHz提升到30Hz，滿足了上述必要條件。
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如以上說明，在短選通計(jì)數(shù)法中，通過適當(dāng)選擇與動(dòng)態(tài)范圍關(guān)聯(lián)的參數(shù)，從而能夠 不產(chǎn)生位變化。使得被測量信號頻率在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，計(jì)數(shù)值為二值，信息可由位流表現(xiàn)。作為與動(dòng)態(tài)范圍關(guān)聯(lián)的參數(shù)，有被測量信號頻率、采樣頻率fs、一級移動(dòng)平均濾 波器21的抽頭數(shù)m等。圖14是表示短選通時(shí)間計(jì)數(shù)法中的模式噪聲強(qiáng)度分布的動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)依存性的例子。如上述，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)被定義為“被測量頻率+采樣頻率-Int (被測量頻率+采樣 頻率)”。其中，Int(C)為返回c的整數(shù)部的函數(shù)。根據(jù)上述定義式可知，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)取0 1間的值。在短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式中，在 輸出中發(fā)現(xiàn)模式噪聲的發(fā)生。模式噪聲的強(qiáng)度是動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)以0. 5 具有對稱性。即，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)0. 5-d下的模式噪聲強(qiáng)度具有與動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)0. 5+d下的模式 噪聲強(qiáng)度相等的性質(zhì)(0 < d < 0. 5)。因此，圖14在動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)為0 0. 5的范圍內(nèi)表示1噪聲強(qiáng)度與動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)的關(guān)系。由該圖可判斷出，在動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)(被測量頻率與采樣頻率之比)接近簡單的有理 數(shù)值的情況下，發(fā)生大的模式噪聲。在1次△ Σ調(diào)制中存在輸出生成周期性序列這樣的輸 入值，并且在施加了與該值接近的輸入的情況下發(fā)生的模式噪聲已知，是與其相同的類比 (analogy)0但是，在△ Σ調(diào)制時(shí)的模式噪聲的回避方法和短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式下的模式噪 聲的回避方法中，其思想不同。在△ Σ調(diào)制的情況下，為了抑制模式噪聲本身而需要花費(fèi)時(shí)間和勞力實(shí)現(xiàn)高階 結(jié)構(gòu)或多級結(jié)構(gòu)。這是由于在利用了 Δ Σ調(diào)制的AD變換器中，對與動(dòng)態(tài)范圍相同程度的 輸入信號變化進(jìn)行處理。在短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方式的情況下，由于可按照使輸入信號變化的 幅度相對于動(dòng)態(tài)范圍而言收斂于某一范圍內(nèi)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，故無需改變結(jié)構(gòu)，能夠通過 適當(dāng)選擇動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)的范圍來回避有害的模式噪聲。在上述二值化的條件選擇時(shí)，判斷出按照動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)也變得適當(dāng)?shù)姆绞竭x擇參數(shù) 從而可改善SN比。接著，參照圖15到圖18，對上述的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器方式的短選通計(jì)數(shù)輸出的反 相進(jìn)行補(bǔ)充說明。圖15是說明將已述的短選通計(jì)數(shù)輸出及一級移動(dòng)平均濾波器輸出作為位流處理 的情況下的、采樣頻率、移動(dòng)平均濾波器抽頭數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)系的圖表。圖示的圖表的橫軸為時(shí)間(秒)，縱軸為頻率移位(Hz)。在圖表中示出將選通時(shí)間 設(shè)為0. 1秒(采樣頻率為IOHz)時(shí)的短選通計(jì)數(shù)器的輸出(在采樣頻率的下限值與上限值 之間用細(xì)線表示的脈沖狀的輸出)、移動(dòng)平均濾波器(抽頭數(shù)為5)的輸出(用粗線表示的 脈沖狀的輸出)、及低通濾波器的輸出(脈沖串內(nèi)的曲線所示的移動(dòng)平均濾波器的輸出)。 在下面的圖16到圖18中都相同。如上述，動(dòng)態(tài)范圍被定義為“動(dòng)態(tài)范圍=采樣頻率+移動(dòng)平均濾波器的抽頭數(shù)”。 在該例子中，動(dòng)態(tài)范圍為2( = 10 + 5)。若被測量信號的頻率變動(dòng)在該動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，則在計(jì) 數(shù)器中不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位或借位，計(jì)數(shù)器部輸出(一級移動(dòng)平均濾波器輸出)為二值輸出狀態(tài)，成為位流的輸出。這可通過針對被測量信號的頻率選定采樣頻率和移動(dòng)平均濾波器的抽頭 數(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過使短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器及一級移動(dòng)平均濾波器的部分的信號成為位流，如上 述可由邏輯門等來簡化相同部分的電路構(gòu)成。由于后述的電路也可利用數(shù)字(二值)電路 進(jìn)行處理，故可簡化。圖16到圖18說明判斷計(jì)數(shù)器的二值輸出是否是補(bǔ)數(shù)的其他步驟。首先，圖16表示了短選通計(jì)數(shù)值和移動(dòng)平均濾波器輸出值的例子(將計(jì)數(shù)值和移 動(dòng)平均值作為整數(shù)處理的情況)。例如，在選通時(shí)間0. 1秒(采樣頻率為IOHz)內(nèi)測量在120Hz 130Hz之間變化 的被測量信號的情況下，短選通計(jì)數(shù)值為12或13。移動(dòng)平均的計(jì)算是用區(qū)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值的 和除以抽頭數(shù)，但是在不考慮定標(biāo)(scaling)的情況下也可以不用抽頭數(shù)相除。在抽頭數(shù) 為5的情況下，作為移動(dòng)平均值而輸出60 65值中的任一個(gè)值。圖17是表示短選通計(jì)數(shù)值和移動(dòng)平均濾波器輸出值的例子(將計(jì)數(shù)值和移動(dòng)平 均值作為位流處理的情況)。在作為位流處理的情況下，替換為二值。即，替換為圖16的圖 表右側(cè)所示的 “ 13 ” 一 “ 1 ”、“ 12 ” 一 “ 0 ”、“ 65 ” 一 “ 1”、“ 64 ” 一 “ 0 ”、……、“ 60 ”一 “ 0 ”。圖18是表示移動(dòng)平均濾波器輸出值的例子(將計(jì)數(shù)值和移動(dòng)平均值作為位流處 理的情況)。在該圖的圖表的右側(cè)，對應(yīng)于圖17中的“1”、“0”、……、“0”，在移動(dòng)平均濾波 器輸出值的各范圍中記載了 “0K”、“補(bǔ)數(shù)”、“0K”、……、“0K”。比較圖16和圖18，根據(jù)被測量頻率(圖16的右側(cè)欄)在哪個(gè)范圍內(nèi)，來判斷移動(dòng) 平均濾波器輸出值的大小關(guān)系與被測量頻率的增減關(guān)系對應(yīng)還是與被測量頻率的增減關(guān) 系相反(圖18的右側(cè)欄)。(實(shí)施例2)圖19是表示低通濾波器部20的其他結(jié)構(gòu)例。在該例子中，通過將公知的模擬低 通濾波器連接在計(jì)數(shù)濾波器計(jì)算部(1位計(jì)數(shù)器+移動(dòng)平均濾波器的功能)13的后級，從而 得到模擬的電平輸出。圖20是按照采樣頻率為3kHz、動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)在0. 336附近來設(shè)定參數(shù)的情況下的上 述模擬濾波器的輸出例。與被測量信號相比，其發(fā)生變形。圖21表示將動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)設(shè)在0. 283附近、其他參數(shù)設(shè)為與圖20情況相同條件的 情況下的上述模擬濾波器的輸出例。能得到與被測量信號大致相同的輸出。比較圖20及 圖21可知，根據(jù)動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)的不同而SN比不同。對使用上述圖19所示的數(shù)字濾波器(例如移動(dòng)平均濾波器21)和模擬濾波器的 混合濾波器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行研究。在以數(shù)字的方式處理濾波處理的情況下，雖然無信息劣化、可確保高SN，但是卻需 要用于保持計(jì)算所需的信息的存儲(chǔ)器。在模擬濾波器的情況下，可省略數(shù)字濾波器中所需的存儲(chǔ)器部，因此具有可簡化 電路的優(yōu)點(diǎn)，但是由于在使用高的采樣頻率時(shí)要處理相對于被測量信號的變化量較大變化 的信號，故需要在非線性失真對策上花費(fèi)時(shí)間和勞力，因此用于校正該失真的電路復(fù)雜化。 另外，在相對于動(dòng)態(tài)范圍而言信號變化小時(shí)，實(shí)質(zhì)上難以確保高SN比。在混合濾波器中采用如下構(gòu)成將數(shù)字濾波器的輸出輸入到模擬濾波器中。此時(shí)， 由于以2電平的方式將變化大的信號通過數(shù)字濾波器(在此為移動(dòng)平均濾波器)變換為小
11的步幅尺寸，因此具有下述優(yōu)點(diǎn)模擬濾波器的設(shè)計(jì)容易、可確保高SN比、由于數(shù)字濾波器 無需高的性能故數(shù)字濾波器部的構(gòu)成容易等。(實(shí)施例3)圖22是表示在上述一級移動(dòng)平均濾波器21 (計(jì)數(shù)/濾波器電路13)的后級設(shè)置 使用了 m抽頭的移位寄存器z_m和向上向下計(jì)數(shù)器的第二級移動(dòng)平均濾波器22，利用二級移 動(dòng)平均濾波器結(jié)構(gòu)得到數(shù)字輸出的例子。到向上向下計(jì)數(shù)器為止信號以位流的方式傳送， 在向上向下計(jì)數(shù)器中成為多位的輸出。數(shù)字輸出為Int(log2m+l)位。圖23是表示將采樣頻率設(shè)為3kHz、動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)設(shè)為0. 336、二級移動(dòng)平均濾波器 的抽頭數(shù)設(shè)為200的情況下的數(shù)字濾波器的輸出例?？膳袛喑雠c被測量信號相比噪聲大。圖24是表示將動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)設(shè)為0. 283、其他條件設(shè)為相同的情況下的數(shù)字濾波器 的輸出例?？膳袛喑鲈肼暅p少了。由此可知，通過動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)的選擇而SN比不同。圖25是表示在圖22的構(gòu)成中想要得到模擬輸出的情況下的電路結(jié)構(gòu)例。如該圖 所示，通過將DA變換器30連接在第二級移動(dòng)平均濾波器的向上向下計(jì)數(shù)器22a的輸出側(cè)， 從而得到了模擬輸出的頻率位移。(實(shí)施例4)在上述的實(shí)施例中，組合1位計(jì)數(shù)器12(短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部10)和移動(dòng)平均濾 波器21 (低通濾波器部20)，構(gòu)成簡化電路構(gòu)成后的計(jì)數(shù)/濾波器部13。若能夠進(jìn)一步將 上述的低通濾波器部的第二級以后的移動(dòng)平均濾波器22、23也簡化則更佳(參照圖2)。在實(shí)施例中，由于頻率位移的檢測頻帶與采樣頻率相比為低頻，故不一定需要第 二級移動(dòng)平均濾波器的全部輸出值。即，根據(jù)要求的規(guī)格有時(shí)間歇性利用第二級移動(dòng)平均 濾波器的輸出值就足以。在此，由于計(jì)數(shù)某一期間(η時(shí)鐘期間)中的第一級移動(dòng)平均濾波器輸出而得到的 值與第二級移動(dòng)平均濾波器(η抽頭)的輸出瞬時(shí)值等效，故在間歇性輸出足以的情況下可 采用向上計(jì)數(shù)器。如后述，由于此時(shí)的計(jì)數(shù)中可產(chǎn)生失效期間，故作為計(jì)數(shù)器可采用最簡單 的非同步向上計(jì)數(shù)器，在優(yōu)先低耗電化的情況下采用格雷計(jì)數(shù)器即可，任一種結(jié)構(gòu)都比圖 25的向上向下計(jì)數(shù)器22a的電路結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)了簡化。另一方面，若采用在向上計(jì)數(shù)器中不設(shè)置失效期間的構(gòu)成，則由于可使噪聲修整 (noise shaping)起作用，故可改善第三級移動(dòng)平均濾波器輸出值的精度。這在將這里得到 的二級移動(dòng)平均濾波器輸出進(jìn)一步在后級進(jìn)行濾波處理的情況下等尤其有效。圖26到圖28是用于簡化第二級移動(dòng)平均濾波器22的構(gòu)成的說明圖。在短選通 時(shí)間計(jì)數(shù)法中，短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器10使用無失效期間的計(jì)數(shù)器。所謂失效期間是指如計(jì)數(shù) 器的復(fù)位期間那樣不能測量輸入信號的期間。無失效期間的計(jì)數(shù)器例如可通過使計(jì)數(shù)期間 和復(fù)位期間錯(cuò)開的兩個(gè)計(jì)數(shù)器交替動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)(參照已述的日本特愿2008-099721號公 報(bào))。各種研究的結(jié)果，雖然在短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器及第一級移動(dòng)平均濾波器中需要無失 效期間的動(dòng)作，但是在第二級以后的移動(dòng)平均濾波器中卻判斷出即使有失效期間其對輸出 特性影響也較小。這被認(rèn)為由第一級(前級)移動(dòng)平均濾波器減少了輸出中的高頻成分， 在第二級(后級)移動(dòng)平均濾波器中即使降低采樣頻率的情況下影響也較小。若利用這種 趨勢，則可更簡單地形成低通濾波器電路。
圖26是概略說明構(gòu)成低通濾波器部20的多級(二級)移動(dòng)平均濾波器的輸出關(guān) 系的說明圖。此外，在該圖中，為了說明的方便，用十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行表示。在該例中，設(shè)成為測量對象的脈沖串信號的頻率從維持123. 34Hz的狀態(tài)逐漸變 化為124. 7Hz。首先，若以選通時(shí)間0. 1秒采樣，則以某一比例從計(jì)數(shù)器10送出12或13的 計(jì)數(shù)值。10個(gè)數(shù)據(jù)合計(jì)的三個(gè)組為124、123、125、……，值朝著124. 7Hz的方向移動(dòng)。在 此，將12或13的計(jì)數(shù)值的10個(gè)(抽頭數(shù)10)設(shè)為移動(dòng)平均計(jì)算的對象(第一級移動(dòng)平 均)。根據(jù)第一級移動(dòng)平均值可知，隨著向右方向移動(dòng)，數(shù)值增加的數(shù)據(jù)的出現(xiàn)增加了。進(jìn) 而，若將第一級移動(dòng)平均值作為輸入進(jìn)行第二級移動(dòng)平均(抽頭數(shù)10)的計(jì)算，則該傾向變 強(qiáng)，精度也提高。采用多級移動(dòng)平均濾波器相當(dāng)于使作為低通濾波器特性的衰減傾斜度變 得陡峭，同時(shí)相當(dāng)于從由12或13構(gòu)成的脈沖串的頻譜中除去高頻成分。圖27是表示利用第二級移動(dòng)平均濾波器計(jì)數(shù)第一級移動(dòng)平均濾波器的輸出時(shí)在 某一區(qū)間的平均值運(yùn)算階段存在失效期間的情況下的例子。對比圖26和圖27可判斷出 某一區(qū)間的計(jì)數(shù)值與間隔提取移動(dòng)平均濾波器的輸出值后的值(減少平均值輸出次數(shù)的 情況下的平均輸出值)等效。圖28是表示在利用第二級移動(dòng)平均濾波器計(jì)數(shù)第一級移動(dòng)平均濾波器的輸出 (區(qū)間平均值運(yùn)算)時(shí)無失效期間的情況下的例子。與圖27同樣，與間隔提取移動(dòng)平均濾 波器輸出值后的值等效。由此可知，在以間歇性取得第二級移動(dòng)平均濾波器輸出值為目的 的情況下，用于得到該值的計(jì)數(shù)器的失效期間的有無與所得到的值的精度無關(guān)(只是間隔 提取時(shí)刻的移位)。因此，可使用存在失效期間的計(jì)數(shù)器。如后述，可使用電路構(gòu)成簡單且 能夠高速動(dòng)作但存在復(fù)位期間的向上計(jì)數(shù)器。向上計(jì)數(shù)器也可以是非同步計(jì)數(shù)器。另外， 向上計(jì)數(shù)器也可以是格雷計(jì)數(shù)器等。此外，存在間歇性得到二級移動(dòng)平均濾波器輸出值之后實(shí)施更進(jìn)一步的信號處理 (第三級移動(dòng)平均濾波器等)的情況、失效期間的有無對結(jié)果有影響的情況。另外，由于存 在失效期間時(shí)無法得到噪聲修整效果(通過以高的頻率采樣(量化)被測量信號使低頻帶 的噪聲分散在寬頻帶中從而SN提高的效果)，故根據(jù)用途適當(dāng)選擇輸出值的間隔提取。圖29是表示著眼于上述情況而構(gòu)成的第二級移動(dòng)平均濾波器22的變形例。在該 例子中，圖25所示的移動(dòng)平均濾波器22的η級移位寄存器ζ _η及向上向下計(jì)數(shù)器22a由 向上計(jì)數(shù)器22b及控制部22c構(gòu)成。另外，DA變換器30的動(dòng)作時(shí)刻通過控制部22c進(jìn)行 調(diào)整?？刂撇?2c使向上計(jì)數(shù)器22b保持η時(shí)鐘區(qū)間內(nèi)輸入的計(jì)數(shù)值，使DA變換器30輸 出該值。然后，復(fù)位向上計(jì)數(shù)器22b。圖30是說明控制部22c的動(dòng)作的圖，如該圖㈧所示，控制部22c的功能由定時(shí) 發(fā)生器210和定時(shí)調(diào)整器212構(gòu)成。此外，可由微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行同樣的控制。該圖(B)是 從定時(shí)發(fā)生器210和定時(shí)調(diào)整器212輸出的各種控制信號的時(shí)序圖。向上計(jì)數(shù)器22b在Enable信號為High的情況下，如果輸入信號為High，則配合時(shí) 鐘來向上計(jì)數(shù)。在Enable信號為Low的情況下，保持計(jì)數(shù)值。若被輸入Reset信號，則復(fù)位 計(jì)數(shù)值。DA變換器30若被輸入Trigger信號則使Busy信號為High然后讀取計(jì)數(shù)值。輸 出與計(jì)數(shù)值相應(yīng)的模擬值，使Busy信號為Low。定時(shí)發(fā)生器210生成規(guī)定向上計(jì)數(shù)器22c 的計(jì)數(shù)期間的信號(Enable信號)。只在相當(dāng)于η計(jì)數(shù)區(qū)間的時(shí)間輸出High。定時(shí)發(fā)生 器210例如可由時(shí)鐘分頻電路構(gòu)成。在定時(shí)發(fā)生器的Enable信號成為Low時(shí)，定時(shí)調(diào)整器212在某一設(shè)定時(shí)間(對于確定計(jì)數(shù)值而言充分的時(shí)間)以后輸出Trigger信號。接受 來自DA變換器30的Busy信號從High切換為Low這一情況，輸出Reset信號(也可省略 Busy線，從Trigger輸出一定時(shí)間之后輸出Reset的構(gòu)成)。重復(fù)這種動(dòng)作，進(jìn)行基于向上 計(jì)數(shù)器22b的計(jì)算。(實(shí)施例5)圖31是表示代替上述的移動(dòng)平均濾波器22使用格雷計(jì)數(shù)器22d的例子。格雷計(jì) 數(shù)器是輸出信號的位變化始終為1位的計(jì)數(shù)器。因此，有消耗功率少的優(yōu)點(diǎn)。格雷碼計(jì)數(shù) 器的保持值通過解調(diào)器22e返回到計(jì)數(shù)值。格雷碼計(jì)數(shù)器22d以及解調(diào)器22e通過控制部 22c控制動(dòng)作。圖32表示使用二級移動(dòng)平均濾波器(第一級抽頭數(shù)為100，第二級抽頭數(shù)為64) 的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器的比較例(圖24)。采樣頻率被設(shè)定為1kHz，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)被設(shè)定為 0.290。圖33表示作為第二級移動(dòng)平均濾波器而使用格雷計(jì)數(shù)器22d的例子。采樣頻率 被設(shè)定為1kHz，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)被設(shè)定為0. 290。該圖中的細(xì)虛線表示被測量信號，粗實(shí)線表示 已述的“無失效期間”的例子，粗虛線表示已述的“有失效期間”的例子。與二級移動(dòng)平均 濾波器的比較例(圖22)相比耗電降低。SN比與失效期間的有無無關(guān)，與比較例相同。此外，比較格雷計(jì)數(shù)器和后續(xù)的非同步計(jì)數(shù)器，關(guān)于計(jì)數(shù)器部的耗電而言，格雷計(jì) 數(shù)器的耗電小，被抑制到1/3左右。(實(shí)施例6)圖34表示代替上述的第二級移動(dòng)平均濾波器的向上向下計(jì)數(shù)器22a而使用非同 步計(jì)數(shù)器22f的例子。另外，使DA變換器30的輸出通過模擬低通濾波器22g，從而輸出模 擬的頻率位移。同步計(jì)數(shù)器各位的輸出與時(shí)鐘信號同步地同時(shí)輸出，而非同步計(jì)數(shù)器22f 的輸出根據(jù)輸入變化。非同步計(jì)數(shù)器22f具有比同步計(jì)數(shù)器的電路構(gòu)成還簡單的優(yōu)點(diǎn)。圖35表示從圖34所示的結(jié)構(gòu)的低通濾波器22g輸出的模擬輸出和被測定頻率的 例子(無失效期間)。采樣頻率為1kHz，動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)為0. 290，向上計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)期間為64 區(qū)間。圖36表示在圖35所示的無失效期間的例子(粗實(shí)線)設(shè)置6區(qū)間(10% )的失 效期間的例子(粗虛線)。在無失效期間的條件下的輸出結(jié)果中可確認(rèn)噪聲修整效果。在上述的各實(shí)施例的頻率測量裝置中，通過判斷已述的輸入信號頻率的增減和輸 出電平的增減的對應(yīng)等，適當(dāng)校正頻率測量輸出的極性。如上述的說明，在本發(fā)明的實(shí)施例中，由于使用了被位流化(二值信號化)的短選 通計(jì)數(shù)部和一級移動(dòng)平均濾波器部的構(gòu)成，故與未位流化的情況相比可簡化電路構(gòu)成，可 高速動(dòng)作。另外，通過高速動(dòng)作可提高測量分辨率，通過電路構(gòu)成的簡化可抑制耗電。另外，被位流化的短選通計(jì)數(shù)部+ —級移動(dòng)平均濾波器部的構(gòu)成可由等效電路簡 化，從而削減電路面積，謀求了耗電的抑制。另外，在短選通計(jì)數(shù)部+—級移動(dòng)平均濾波器部的構(gòu)成中，通過適當(dāng)選擇采樣頻 率和抽頭數(shù)(適當(dāng)選定動(dòng)態(tài)范圍)可將輸出設(shè)為二值輸出，可對該構(gòu)成中的信號進(jìn)行位流 化。另外，通過適當(dāng)進(jìn)行動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)的選擇，可降低位流化時(shí)的模式噪聲的影響。另外，通過采用短選通計(jì)數(shù)部+ —級移動(dòng)平均濾波器部+模擬濾波器部的構(gòu)成，可利用簡單結(jié)構(gòu)得到高分辨率的模擬輸出。另外，通過采用短選通計(jì)數(shù)部+ —級移動(dòng)平均濾波器部+向上向下計(jì)數(shù)器的構(gòu)成， 可利用簡單結(jié)構(gòu)得到二值移動(dòng)平均濾波器輸出(數(shù)字輸出)。另外，通過采用被位流化的短選通計(jì)數(shù)部+ —級移動(dòng)平均濾波器部+向上計(jì)數(shù)器 的構(gòu)成，與“短選通計(jì)數(shù)+ 二級移動(dòng)平均年濾波器”的結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)變得簡單。作為上述向上計(jì)數(shù)器，可使用非同步計(jì)數(shù)器和格雷計(jì)數(shù)器。非同步計(jì)數(shù)器在向上 計(jì)數(shù)器中為最簡單的電路。由于格雷計(jì)數(shù)器一次計(jì)數(shù)至多只有1位變化，故謀求了低耗電 化?？刹捎没谏鲜鰳?gòu)成+DA變換器的模擬輸出。由此，可利用簡單構(gòu)成得到高分辨 率的模擬輸出。由于也可以是低采樣速率，故可降低對DA變換電路要求的性能。輸入脈沖串信號的計(jì)數(shù)中也可以存在失效期間。在設(shè)置失效期間的情況下，可復(fù) 位計(jì)數(shù)器電路，電路構(gòu)成被簡化。在輸入脈沖串信號的計(jì)數(shù)中不設(shè)置失效期間的情況下，由于可使短選通時(shí)間計(jì)數(shù) 的噪聲修整起作用，故可改進(jìn)第二級移動(dòng)平均濾波器輸出值的精度。這在將這里得到的二 級移動(dòng)平均濾波器輸出進(jìn)一步在后級進(jìn)行濾波處理的情況等下尤其有效。上述的頻率測量裝置由于電路規(guī)模小且安裝容易，故可使裝置小型化、高精度化、 輕量化、低成本化。例如，適用于使用晶體的各種傳感器的小型化、高分辨率化。適用于使 用晶體的各種傳感器的集成化、平臺化。適用于氣味傳感器、氣體傳感器、生物傳感器用換 能器陣列、QCM器件等中。根據(jù)本發(fā)明的具備測量脈沖串信號的頻率的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部和低通濾波器 部的頻率測量裝置，使低通濾波器部為多級構(gòu)成的移動(dòng)平均濾波器，第二級(后級)濾波器 的動(dòng)作頻率比第一級(前級)移動(dòng)平均濾波器的動(dòng)作頻率低(間歇性動(dòng)作)。由于通過第 一級移動(dòng)平均濾波器減少了濾波器輸出中的高頻成分，即使降低該后級濾波器的采樣頻率 (動(dòng)作頻率)也會(huì)減小濾波器特性的劣化。通過使第二級(后級)濾波器輸出的動(dòng)作降低 得比第一級(前級)濾波器輸出的動(dòng)作頻率還低，可簡化電路實(shí)現(xiàn)低耗電化。
權(quán)利要求
一種頻率測量裝置，其特征在于，具備計(jì)數(shù)器部，其在規(guī)定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)含有脈沖信號的信號，輸出與含有所述脈沖信號的信號的頻率對應(yīng)的二值的計(jì)數(shù)值；和低通濾波器部，其對所述計(jì)數(shù)值進(jìn)行濾波處理；所述低通濾波器部包括第一級濾波器及第二級濾波器，所述第一級濾波器是被輸入所述計(jì)數(shù)值且生成降低了高頻成分后的二值的輸出的移動(dòng)平均濾波器，所述第二級濾波器對所述二值的輸出進(jìn)行平均值運(yùn)算，生成降低了高頻成分后的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率測量裝置，其特征在于，所述第二級濾波器的輸出動(dòng)作 頻率比所述第一級濾波器的動(dòng)作頻率低。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的頻率測量裝置，其特征在于， 所述第二級濾波器是移動(dòng)平均濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任意一項(xiàng)所述的頻率測量裝置，其特征在于， 所述第二級濾波器包括用于計(jì)算區(qū)間平均值的向上計(jì)數(shù)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頻率測量裝置，其特征在于， 所述向上計(jì)數(shù)器包括非同步計(jì)數(shù)器或格雷碼計(jì)數(shù)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任意一項(xiàng)所述的頻率測量裝置，其特征在于，所述計(jì)數(shù)器部的一部分及所述第一級移動(dòng)平均濾波器由鎖存器電路、移位寄存器電路 以及異或邏輯電路構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任意一項(xiàng)所述的頻率測量裝置，其特征在于，還具備反相/非反相調(diào)整部，所述反相/非反相調(diào)整部設(shè)置在所述計(jì)數(shù)器部的輸出 端與所述低通濾波器部的輸出端之間，根據(jù)被供給的反相指令而使二值輸出串反相或非反 相。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項(xiàng)所述的頻率測量裝置，其特征在于， 在所述第二級濾波器的后級還設(shè)有一級或多級的移動(dòng)平均濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項(xiàng)所述的頻率測量裝置，其特征在于， 在所述第二級移動(dòng)平均濾波器的后級設(shè)有DA變換部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種頻率測量裝置，其在短選通計(jì)數(shù)方式頻率測量裝置中盡可能簡化濾波器部等電路、可實(shí)現(xiàn)電路動(dòng)作的高速化和低耗電化。其中，頻率測量裝置具備計(jì)數(shù)被測量信號的頻率生成連續(xù)的二值的計(jì)數(shù)輸出的短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部(10)和從連續(xù)的二值的計(jì)數(shù)輸出中去除高頻成分的由多級濾波器形成的低通濾波器部(20)，短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部的至少一部分(12)和低通濾波器部的第一級濾波器(21)一體式形成電路(13)，第一級濾波器是以連續(xù)的二值的計(jì)數(shù)輸出作為輸入且生成降低了高頻成分后的連續(xù)的二值的輸出的移動(dòng)平均濾波器，第二級濾波器(22)對移動(dòng)平均濾波器的連續(xù)的二值的輸出串進(jìn)行間歇性平均值運(yùn)算來生成降低了高頻成分后的輸出。
文檔編號G01R23/10GK101893658SQ20101018426
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者轟原正義 申請人:精工愛普生株式會(huì)社