周波数変化の検出で質問です。

質問

周波数変化の検出で質問です。
100kHz程度の発振周波数が前後5.0％程度変動します。
この変動を増幅して手軽な回路で検出する
方法は何かありますでしょうか。

最終的に変動幅が必要なためその絶対値は重要ではありません。
現在はマイコン等で20ナノSのクロックでその変動を測定して
いますが1usの変化が50カウント程度にしかならないので10倍以上の
変化が得られることが理想です。

回答No.4

正親町（@Ohgimachi） · ベストアンサー

補足に対する回答です。

>これはどのような処理になるのでしょうか。

周波数の変動幅が、温度変化によるもので、ＭＣＵの制御で十分追随可能であるなら、ＰＬＬシンセサイザーの周波数をＭＣＵを使用して変化させると、高精度が得られるのです。

すなわちＦーＶの変換出力をフルレンジで２ＫＨｚとして１２bitADを使用すると、分解能１Hzを得ることが可能です。シンセサイザーの出力を入力周波数に追随させて出力が２KHz以下になるように制御すれば良いのです。ただしクロックに超高安定の水晶振動子（TCXO）が必要ではありますが。

>現在はCMOSの自励発振回路で部品毎に±20度程度の温度変化させて見ていますが

インバータを使用した発振器でしょうか？CMOSは温度でスレッシュショルド電圧が変化しますから、当然CMOSを使用した発振器は周波数の安定度はありません。差動入力のコンパレーターを使用すると改善されますが、高周波では動作しませんね。

いずれにしても、現在ではデジタル・アナログ回路を問わず発振器にはPLLシンセサイザーを使用するのが一般的です。昔に比べてずいぶん低価格になったので。
PLLシンセサイザーの使い方が判らなかったら別途質問してみてください。

参考URL：

http://www.analog.com/jp/rfif-components/pll-synthesizersvcos/products/index.html

お礼

ご回答またイメージまで用意して頂きありがとうございます。

>周波数の変動幅が、温度変化によるもので、ＭＣＵの制御で十分追随可能であるなら
磁力に対するL分の変化を測定していますが応答性が100usあればよいので昨今のワンチップで
問題有りません。

>すなわちF-Vの変換出力をフルレンジで2kHzとして12bitADを使用すると
ここからの内容が今ひとつ理解出来ないところがあります。
素子としてはPLL,MCU,F-V,LPFおよびTCXOを用意して
clockはTCXO, Inputが測定したい信号波形, PLLにMCUからの周波数設定,
MCUのA/DでF-Vの電圧測定の構成と思われますが適切なPLL他の素子の選択と
信号がどのピンに該当するのかまだ解決していません。

>インバータを使用した発振器
はい、その通りです。　
CがX7Rなどではインバーターと同程度、冷却スプレーで瞬時に
対象測定幅をオーバーしてしまいます。

No3の中に
>アルファの抵抗とＰＰＳコン
とありましたが　アルファ・エレクトロニクスの金属箔RとメタライズドPPSコンデンサことでしょうか。
金皮Rとc0G規格のC程度しか使ったことはありませんが精度を要するF-Vにはこのレベルの選択が
必要なのですね。

PLLについてCypressのPSoC1チップでPLLのジッタで玉砕したことがあり、積極的に検討は
していませんでしたが、色々調べてみると希望する精度が期待できるとなると最善の選択に
なりそうな気がしてきました。

回答No.3

正親町（@Ohgimachi）

＃２です。お礼に対する補足です。

>実はLC発振でL分の微小変化を検出しています。

そういう用途であれば、アジレントとかで専用の計測システムがあります。ただし価格が高いのとノウハウの蓄積を考慮すると自作の方がよいでしょう。

現在はデジタルPLLシンセサイザーのLSIが安く購入可能なので、PICとかH8を使用して「Ｆ-Ｖコンバーター」の出力が一定になるように局発のシンセサイザーの発信周波数を変更させる方法が最良かと思います。

Ｆ-Ｖコンバーターはアルファの抵抗とＰＰＳコンを使用すればかなり高精密な回路が構築可能です。精度が１００pmで分解能１Hzのシステムが構築できるかと思います。

お礼

ありがとうございました。
後で関連した質問をさせていただきます。

補足

ご意見ありがとうございます。
>PICとかH8を使用して「Ｆ-Ｖコンバーター」の出力が一定になるように
これはどのような処理になるのでしょうか。
「デジタルPLLシンセサイザー」の製品の検討がつきませんでしたので
理解に至っていません。

10年以上前ですがF-Vは実験的には使ったことが有りますが1Hz分解能
で精度が100ppmでしょうか。　
アナログの知識が怪しい私にとっては想像できない能力ですが
実現できれば理想的であります
どこかに参考回路などありますでしょうか。

現在はCMOSの自励発振回路で部品毎に±20度程度の温度変化させて見ていますが
Lはパーマロイコアや幾つかの方法で良い結果を得ています。
Cについては一般品より特性が良いものらしいのですが±20度では
必要な信号より遥かに大きな変化を起こしてしまいます。
CのそれよりCMOSの温度変化が発振周波数に大きく影響するのが想定外
でしたので自励発振ではなく以前の方法でワンショットパルスで励起した
方法に戻そうかとF-Vも含め思案しています。

回答No.2

正親町（@Ohgimachi）

>この変動を増幅して手軽な回路で検出する
>方法は何かありますでしょうか。

ヘテロダインを使用して周波数を変換すると処理しやすくなります。
±５％の変動を検知するのであれば、１１０KHzの信号を使用すると、９５KHzの場合は１５KHz,１０５KHｚの場合は５KHzの信号となり、５～１５KHの信号として取り出すことができます。

ミキサーは、ICも販売されていますがお勉強ということであれば、簡単な回路なので自作をお薦めします。回路については無線関係の本に載っているので、適当なものを図書館で探してみてください。

>最終的に変動幅が必要なためその絶対値は重要ではありません。

マイコンとかを使用しないで、アナログ回路で処理することをお薦めします。
周波数を変換した後に「Ｆ-Ｖコンバーター」をオペアンプを使って作成し、さらにその電圧出力に最大値と最小値のホールド回路を接続します。それを低速、高分解能のＡＤコンバーターで読み取るのがよいでしょう。

お礼

アドバイスありがとうございます。
>ヘテロダインを
懐かしい響きです。
脳内が殆どデジタル化していますのでXMOSやFPGAで
クロックカウントを...という流れしかありませんでしたので
このようなご意見お待ちしていました。

現在、50MHz程度のA/DでFFT処理したらどうかと考えていましたので
基本に戻ってF-Vも検討してみます。
実はLC発振でL分の微小変化を検出しています。

温度変化で相当の影響があり、幾つかの問題点は克服してきたのですが
分解能だけはイマイチなのでもう一工夫してみたいと思います。

回答No.1

tadys

2nsのクロックで測定すれば10倍になります。
最近のFPGAなら十分動作しますが、簡単ではないかもしれません。
クロック周波数を上げずに精度を上げようとすると測定に時間をかける必要が有ります。
10usの時間をかければ精度を十倍にできます。
この辺の関係は量子力学の不確定性原理に似たところが有って、精度を上げるにはどちらか、あるいは両方を上げる必要があります。

変化のスピードが遅いのであれば測定に時間をかける方法が簡単になります。
周波数を電圧に変換する回路が有りますのでそれを使えば電圧を測定することで周波数を検出することができます。
ただし、途中にローパスフィルタが入るので変化が速い場合には対応できません。
さらに精度を出すためには回路設計と回路実装の技術が必要になります。

周波数を電圧に変換する回路は、例えばこれ
http://ww1.microchip.com/downloads/jp/DeviceDoc/jp011571.pdf
V/Fコンバータで検索すればいいでしょう。

HC4046を使ってPLL回路を組めば同じようなことができます。
http://eshop.engineering.uiowa.edu/NI/pdfs/00/53/DS005352.pdf

こういうのもあります。
http://www.ne.jp/asahi/fa/efu/measure/cdjit.html

予算が有るのならばジッター測定器を購入するのが一番簡単です。
例えば、http://www.actele.co.jp/products/m_6110a.html

予算、時間（いつまでに結果を出さなければならないか）、精度などが分からないといい答えにはならないですorz。

お礼

アドバイスありがとうございます。
>2nsのクロックで測定すれば10倍になります。
確かに。　
ですが実際2nsを動かすのは非常に難しいですよね。

組み込みを想定しているため部品コストやあまり大げさな
機器ともいきません

信号変化は100us程度の応答性があるので測定が追従できれば理想ですが。