WO2011086976A1 - 基準周波数発生装置 - Google Patents

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WO2011086976A1
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correction
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真也 小和田
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古野電気株式会社
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    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/022Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
    • HELECTRICITY
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    • H03L7/14Details of the phase-locked loop for assuring constant frequency when supply or correction voltages fail or are interrupted
    • H03L7/146Details of the phase-locked loop for assuring constant frequency when supply or correction voltages fail or are interrupted by using digital means for generating the oscillator control signal

Definitions

  • the present invention relates to a reference frequency generator for controlling an oscillator so that a reference frequency signal is synchronized with a reference signal.
  • a reference frequency generator is used to supply a high-accuracy reference frequency signal required to synchronize the timing and frequency of signal transmission.
  • a reference frequency generator there are devices that control a voltage-controlled oscillator so as to synchronize with a highly accurate reference signal obtained from a GPS receiver, for example, and output the reference frequency signal.
  • the voltage-controlled oscillator is configured to generate different frequencies according to the input control voltage, and examples thereof include those using a crystal resonator as a resonator.
  • the control voltage vs. output frequency characteristic (hereinafter referred to as FV characteristic) of this type of voltage controlled oscillator changes slightly with the passage of time or temperature.
  • the reference frequency generator as described above cannot receive a signal from the GPS satellite due to various causes such as the position of the GPS satellite, an obstacle, an interference wave, and the like, and the reference signal cannot be generated. There is. Therefore, a reference frequency generator having a self-running control function for continuously outputting a high-accuracy reference frequency signal even when the reference signal cannot be acquired has been proposed.
  • Such a reference frequency generator can store data used when controlling the voltage controlled oscillator in a situation where a reference signal can be acquired. When the reference signal can no longer be acquired, a highly accurate reference frequency signal can be output over a long period of time by self-running the voltage-controlled oscillator based on the stored past data.
  • Patent Document 1 discloses such a reference frequency generator.
  • Patent Document 1 discloses a reference frequency generator that generates a control voltage for self-running in consideration of the fact that a crystal oscillator changes its FV characteristic according to a change in temperature (frequency temperature characteristic).
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a reference frequency generator capable of continuing to output a highly accurate reference frequency signal even if the reference signal cannot be acquired. is there.
  • a reference frequency generator having the following configuration. That is, the reference frequency generator includes a synchronization circuit, a temperature detection unit, and a control unit.
  • the synchronization circuit controls the reference frequency signal output from the oscillator by a control signal obtained based on the reference signal.
  • the temperature detection unit detects a use temperature of the oscillator.
  • the control unit performs a correction in consideration of the characteristic change of the time-dependent change characteristic of the oscillator based on the time change rate of the temperature gradient of the operating temperature, and the free running based on the correction content. Control signals are generated to control the oscillator.
  • the self-running control signal can be generated in consideration of the characteristic change of the temporal change characteristic. Therefore, it is possible to output a highly accurate reference frequency signal even in a self-running state.
  • the reference frequency generator preferably has the following configuration. That is, the control unit obtains a temperature approximation function by applying an approximate curve to the correspondence relationship between the time and the use temperature associated with the time. In addition, the control unit obtains a time change rate of the temperature gradient by differentiating the temperature approximate function by time.
  • the control unit In the reference frequency generation device, the control unit generates a self-running control signal and performs self-running control, so that the absolute value of the temperature gradient takes a value smaller than the first predetermined value.
  • the absolute value of the temperature gradient is larger than the second predetermined value and the absolute value of the time change rate of the temperature gradient exceeds the threshold value, the correction considering the characteristic change of the time-varying characteristic is performed. It is preferable to start.
  • the reference frequency generator preferably has the following configuration.
  • the control unit generates a control signal for self-running and performs self-running control, and the use temperature changes from the first state in which the use temperature is substantially constant to the use temperature. Is in a substantially constant second state, the first use temperature that is the use temperature in the first state, the second use temperature that is the use temperature in the second state, the first use temperature, and the second use temperature. Based on at least one of the difference and the correction amount, the correction amount for correcting the characteristic change of the temporal change characteristic is determined.
  • the characteristic change of the temporal change characteristic caused by the influence of thermal shock or the like is easily affected by the above operating temperature and the difference thereof.
  • it is possible to perform correction with an accurate correction amount in consideration of the influence of the operating temperature and the difference between the operating temperature and the difference.
  • control unit changes the correction amount with the passage of time when correcting the characteristic change of the temporal change characteristic.
  • the characteristic change of the time-varying characteristic caused by the influence of the thermal shock or the like gradually decreases with time.
  • the control unit considers the frequency temperature characteristic in addition to the correction considering the characteristic change of the time-varying characteristic while performing the self-running control by generating the self-running control signal. It is preferable to perform at least one of the correction and the correction considering the frequency characteristics having hysteresis.
  • the correction when the correction is performed in consideration of the frequency temperature characteristic, it is possible to perform the correction in consideration of the change in the frequency temperature characteristic caused by the influence of the temperature. Further, when the correction is performed in consideration of the frequency characteristics having hysteresis, the correction can be performed in consideration of the memory effect of the crystal or the like.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a reference frequency generator according to an embodiment of the present invention.
  • the flowchart which shows an example of control of a reference frequency generator.
  • amendment which considered the distortion of a time-dependent characteristic.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a reference frequency generator 10 of the present embodiment.
  • the reference frequency generator 10 of the present embodiment is used for a mobile phone base station, a terrestrial digital broadcast transmitter station, a WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) communication facility, and the like. A reference frequency signal is provided. Below, the structure of each part of the reference frequency generator 10 is demonstrated.
  • the reference frequency generator 10 of the present embodiment includes a voltage controlled oscillator 15, a frequency divider 16, a phase comparator 12, a loop filter 13, a temperature sensor 17, and a control unit 11. And a switch circuit 14.
  • the reference frequency generator 10 is connected to a GPS receiver 20 including a GPS receiver 20 and a GPS antenna 21, and the GPS receiver supplies a reference signal to the reference frequency generator 10. More specifically, the GPS receiver 20 generates a 1 PPS signal (1-second periodic signal) as the reference signal based on a positioning signal included in a radio wave received by the GPS antenna 21 from a GPS satellite, It is configured to output to the frequency generator 10. As shown in FIG. 1, the reference signal generated by the GPS receiver 20 and supplied to the reference frequency generator 10 is input to the control unit 11 and the phase comparator 12.
  • the voltage controlled oscillator 15 is configured to change the output frequency according to the level of the voltage applied from the outside.
  • this voltage controlled oscillator 15 for example, TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator, temperature compensated crystal oscillator) using a crystal resonator as a resonator can be used.
  • the reference frequency signal output by the voltage controlled oscillator 15 is output to an external user side system and input to the frequency divider 16.
  • the frequency divider 16 is configured to divide and convert the reference frequency signal input from the voltage controlled oscillator 15 from a high frequency to a low frequency, and to output the obtained phase comparison signal to the phase comparator 12. ing.
  • the phase comparison signal is also output to the external user system as a timing pulse signal (1PPS signal). For example, when the reference frequency output from the voltage controlled oscillator 15 is 10 MHz, the frequency divider 16 divides the 10 MHz signal output from the voltage controlled oscillator 15 by a frequency division ratio of 1 / 10,000,000 and compares the phase of 1 Hz. Signal is generated.
  • the phase comparator 12 detects a phase difference between the reference signal and the phase comparison signal divided by the frequency divider 16 and outputs a signal (phase difference signal) based on the phase difference.
  • the phase difference signal output from the phase comparator 12 is input to the loop filter 13.
  • the loop filter 13 is composed of a low-pass filter or the like, and converts the voltage level of the phase difference signal into a control voltage signal by temporally averaging it.
  • This control voltage signal is input to the voltage controlled oscillator 15 via the switch circuit 14.
  • the voltage controlled oscillator 15 outputs a frequency based on the control voltage signal output from the loop filter 13. As described above, the output frequency of the voltage controlled oscillator 15 is appropriately adjusted so that the phase of the phase comparison signal matches the phase of the reference signal.
  • the temperature sensor (temperature detection unit) 17 is for detecting the operating temperature of the voltage controlled oscillator 15 and is arranged in the vicinity of the voltage controlled oscillator 15. Further, the use temperature detected by the temperature sensor 17 is output to the control unit 11.
  • the control unit 11 is for controlling each unit of the reference frequency generator 10, and is configured by a CPU or the like as a calculation unit. Then, the control unit 11 monitors whether or not the reference signal is supplied from the GPS receiver 20. If it is determined that the reference signal is supplied, the control unit 11 transmits a switching control signal to the switch circuit 14 to connect the loop filter 13 and the voltage controlled oscillator 15.
  • a loop of a phase locked circuit (Phase Locked Loop, PLL circuit) 30 is formed so that the reference frequency signal is synchronized with the reference signal.
  • the controlled oscillator 15 is controlled. Therefore, as long as the GPS receiver 20 generates a reference signal and supplies the reference signal to the reference frequency generator 10, and the PLL is locked to the reference signal, voltage control is performed due to changes over time, ambient temperature changes, and the like. Even if the FV characteristic of the oscillator 15 fluctuates, the reference frequency output from the reference frequency generator 10 is kept constant.
  • the state in which the reference frequency generator 10 can acquire the reference signal as described above and outputs the reference frequency signal based on the reference signal may be referred to as a “steady state”.
  • a state in which the reference frequency generator 10 cannot acquire a reference signal and the control unit 11 outputs a control voltage signal for self-running and outputs a reference frequency signal is referred to as a “self-running state”.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of control of the reference frequency generator 10.
  • the control unit 11 determines whether or not the reference signal can be acquired (S101). If the reference signal can be acquired, the control unit 11 controls the voltage controlled oscillator 15 based on the reference signal (S102). . During this steady state, the control unit 11 calculates various data necessary for the self-running control so that the voltage-controlled oscillator 15 can be controlled by outputting an appropriate control voltage signal when the free-running state is entered. is doing. Hereinafter, as an example of this data, the handling of the operating temperature and the level value (DAC value) of the control voltage signal will be described.
  • the operating temperature and the DAC value are input to the control unit 11.
  • necessary data is calculated based on the input value.
  • elapsed time (hereinafter simply referred to as elapsed time) after starting the reference frequency generator 10 and the operating temperature corresponding to this elapsed time
  • the control unit 11 calculates the elapsed time and the operating temperature.
  • a temperature approximation function indicating the relationship is calculated (S104).
  • a weighted sequential least square method in which a weighted least square method and a sequential least square method are combined is used.
  • a weight (weight) corresponding to the elapsed time is set for the stored use temperature. This weight is set so as to become smaller as it goes back in the past, and the influence on the temperature approximation function to be obtained becomes smaller as the operating temperature measured in the past. Note that how to set the weight is arbitrary, and the weight may be adjusted according to the environment.
  • the temperature approximation function can be obtained without placing a storage unit for storing the use temperature, with a greater emphasis on the current environment than the past environment.
  • the control part 11 is comprised so that a temperature approximation function may be updated for every predetermined update timing.
  • the control unit 11 calculates the DAC value at every predetermined update timing. Specifically, the next DAC value is estimated based on the previous DAC value (S105). In the following description, the estimated DAC value may be referred to as an “estimated DAC value”.
  • An appropriate method can be used to estimate the estimated DAC value. For example, it is possible to use a method of calculating only the behavior based on the temporal change characteristic of the reference frequency generator 10 among the behaviors of the DAC value and estimating the next DAC value based on the temporal change characteristic. At this time, the estimated DAC value can also be estimated using the above-described weighted sequential least square method.
  • the most recent DAC value can be used as it is as the estimated DAC value.
  • the self-running control cannot be performed in consideration of the temporal change characteristic or the like, but the arithmetic processing performed by the control unit 11 can be simplified. This method is effective when the influence of other characteristics is larger than that of the time-varying characteristics and the influence of the time-changing characteristics can be almost ignored.
  • control unit 11 determines a control voltage signal to be output to the voltage controlled oscillator 15 based on the estimated DAC value and a correction formula for correcting the estimated DAC value when the control unit 11 enters the self-running state. It has a configuration. The details of this correction formula will be described later.
  • FIG. 3 is a graph for explaining the timing for starting correction in consideration of distortion of the time-varying characteristics.
  • the control unit 11 When the control unit 11 detects the disconnection of the reference signal, the control unit 11 transmits a switching control signal for connecting the control unit 11 and the voltage controlled oscillator 15 to the switch circuit 14 and shifts to the self-running control.
  • a self-running control voltage signal generated by the control unit 11 is transmitted to the voltage controlled oscillator 15 via the switch circuit 14.
  • the input interruption means both a phenomenon in which the pulse of the reference signal is fixed to the Hi side or the Low side and a phenomenon in which the reference continues to be output at an inaccurate timing.
  • the control voltage signal during the self-running control is calculated based on the estimated DAC value and the correction formula.
  • this correction formula will be described.
  • This correction formula is composed of three correction terms and can be expressed as, for example, formula (1).
  • Fco indicates the correction amount of the DAC value.
  • the first (first correction term) of the three correction terms shown on the right side of the equation (1) is a correction term for correcting the deviation of the output frequency caused by the frequency temperature characteristic.
  • the frequency-temperature characteristic is a property that the FV characteristic changes with a change in temperature.
  • the control unit 11 is configured to calculate the correction amount of the first correction term by substituting the operating temperature detected by the temperature sensor 17 into the arithmetic expression for calculating the first correction term.
  • the correction amount of the first correction term is determined based on the operating temperature. This means that in the reference frequency generator 10 of the present embodiment, the deviation of the output frequency caused by the frequency temperature characteristic is corrected based on the operating temperature.
  • the second correction term (second correction term) on the right side of the equation (1) is a correction term for correcting the deviation of the output frequency caused by the frequency characteristic having hysteresis.
  • the frequency characteristic having hysteresis is a characteristic in which the FV characteristic changes due to a memory effect or the like of crystal.
  • the amount of change in the FV characteristic depends on the time change rate of the use temperature (hereinafter referred to as a temperature gradient). Even when the absolute value of the temperature gradient is the same, the amount of change in the FV characteristic varies depending on whether the operating temperature is in the temperature rising state or the temperature falling state.
  • the control unit 11 obtains the temperature gradient by differentiating the temperature approximation function with time and substituting the elapsed time for the first derivative. And the control part 11 is comprised so that the correction amount of a 2nd correction term may be calculated by substituting this temperature gradient for the computing equation for 2nd correction term calculation.
  • the total value of the correction amounts of the first correction term and the second correction term can be obtained by substituting the temperature and the temperature gradient into a predetermined arithmetic expression without separately obtaining the correction amounts of the first correction term and the second correction term. Can also be requested.
  • the correction amount of the second correction term is determined based on the temperature gradient. This means that in the reference frequency generator 10 of the present embodiment, the deviation of the output frequency caused by the frequency characteristic having hysteresis is corrected based on the temperature gradient.
  • the last correction term (third correction term) on the right side of the equation (1) is a correction term for correcting the deviation of the output frequency due to the distortion (characteristic change) of the time-varying characteristic caused by the temperature change.
  • the distortion of the time-varying characteristics caused by this temperature change occurs when the operating temperature changes suddenly from a state where the operating temperature changes to a state where the temperature is constant, and when the temperature changes suddenly from a state where the temperature is constant. .
  • “distortion of time-varying characteristics caused by temperature change” is simply referred to as “distortion of time-varying characteristics”.
  • the control unit 11 differentiates the temperature approximation function with respect to time in order to detect that distortion has occurred in this time-varying characteristic to obtain a first derivative and a second derivative. Then, as described above, the temperature gradient is obtained from the first derivative, and the time change rate of the temperature gradient (hereinafter referred to as temperature acceleration) is obtained by substituting the elapsed time for the second derivative. The control unit 11 determines the timing for starting the correction based on the temperature gradient and the temperature acceleration.
  • the distortion of the time-varying characteristic occurs when the operating temperature is rapidly changed from the state where the operating temperature is changed to the state where the operating temperature is substantially constant.
  • the absolute value of the temperature gradient takes a small value (takes a value close to 0).
  • the state changes abruptly the temperature gradient changes greatly, so the absolute value of the temperature acceleration takes a large value.
  • the distortion of the time-varying characteristics occurs even when the temperature changes suddenly from a constant temperature state.
  • the absolute value of the temperature gradient takes a large value.
  • the absolute value of the temperature acceleration takes a large value since the absolute value of the temperature gradient suddenly changes and takes a large value from a state where the temperature is constant (a state where the absolute value of the temperature gradient takes a small value).
  • control unit 11 of the present embodiment has the absolute value of the temperature gradient that is equal to or lower than the first predetermined value or the absolute value of the temperature gradient is equal to or higher than the second predetermined value (condition (1)) and the absolute value of the temperature acceleration. Two conditions are set such that the value exceeds the threshold (condition (2)), and when both of these conditions are satisfied, it is determined that distortion has occurred in the time-varying characteristics.
  • FIG. 3A is a graph showing the temperature and temperature gradient according to the elapsed time.
  • the control unit 11 is preset with appropriate first and second predetermined values (s1) and (s2) (s1 ⁇ s2).
  • s1 first and second predetermined values
  • the control unit 11 determines that the condition (1) is satisfied.
  • FIG. 3B is a graph showing temperature and temperature acceleration according to elapsed time.
  • An appropriate threshold value (u) is set in the controller 11 in advance.
  • the control unit 11 determines that the condition (2) is satisfied.
  • the third correction term is configured by a function having a property of decaying with time, and is expressed as, for example, Expression (2).
  • ⁇ and ⁇ are coefficients for determining the correction amount.
  • t ′ is an elapsed time when the correction is started by satisfying the conditions (1) and (2). By setting t ′ in this way, the correction amount immediately after the start of correction can be maximized. Further, by using an exponential function having a negative exponent, the correction amount can be reduced as time passes.
  • the coefficients ( ⁇ and ⁇ in the above example) in the third correction term are configured to be automatically calculated according to the distortion amount of the time-varying characteristics. Items to be considered when calculating the amount of distortion include the operating temperature and the difference between them. For example, as shown in FIG. 3, a situation is considered in which the temperature T2 is maintained after the use temperature is changed from the temperature T1 to the temperature T2. At this time, the strain amount can be estimated to some extent based on the temperature T1, the temperature T2, the difference between the temperature T1 and the temperature T2, and the like. For example, when the temperature T1 is low, the amount of distortion tends to increase.
  • the coefficient in the third correction term is determined in consideration of the behavior of the temporal change characteristic as described above.
  • the correction amount of the third correction term is determined based on the operating temperature, temperature gradient, temperature acceleration, and the like. Therefore, in the reference frequency generator of the present embodiment, the deviation of the output frequency caused by the distortion of the time-varying characteristics is corrected based on the use temperature, the temperature gradient, the temperature acceleration, and the like.
  • the correction amounts of the three correction terms are calculated (S106). Based on the correction formula and the estimated DAC value, a DAC value (self-running DAC value) for use in the self-running control can be obtained. And the control part 11 outputs the control voltage signal which made the self-running DAC value the signal level to the voltage controlled oscillator 15 (S107).
  • the reference frequency generator 10 can continuously output a highly accurate reference frequency signal by performing the above control in the self-running state. As long as the reference signal cannot be acquired, the self-running control as described above is continued.
  • the reference frequency generator 10 includes the PLL circuit 30, the temperature sensor 17, and the control unit 11.
  • the PLL circuit 30 controls the reference frequency signal output from the voltage controlled oscillator 15 by the control voltage signal obtained based on the reference signal.
  • the temperature sensor 17 detects the operating temperature of the voltage controlled oscillator 15.
  • the control unit 11 performs correction in consideration of the distortion of the time-varying characteristic of the voltage controlled oscillator 15 based on the temperature acceleration, and generates a free-running control signal based on the correction content. To control the voltage controlled oscillator 15.
  • the temperature approximation function is obtained by using the weighted sequential least square method with respect to the correspondence relationship between the time and the use temperature associated with the time. Then, the temperature acceleration is obtained by second-order differentiation of the temperature approximation function with respect to time.
  • the temperature approximation function by approximation, it is possible to accurately detect the point in time when the operating temperature changes greatly locally. Furthermore, by using the weighted sequential least squares method, the temperature approximation function can be obtained by placing importance on the current environment rather than the past environment and without providing a storage unit for storing the operating temperature.
  • the control unit 11 generates the self-running control signal and performs the self-running control, and the temperature gradient ⁇ T is “
  • the distortion of the time-varying characteristics caused by the effects of thermal shock, etc. occurs when the operating temperature changes abruptly from a state where the operating temperature changes to a state where the temperature is constant, and when the temperature changes suddenly from a state where the temperature is constant And occur.
  • the reference frequency generator 10 of the present embodiment accurately captures the above characteristics by setting the above s1, s2, and u, it is possible to appropriately determine that characteristic changes have occurred in the time-varying characteristics. It can be detected and corrected.
  • the control unit 11 generates the self-running control signal and performs the self-running control, so that the use temperature is changed from the state where the use temperature is the temperature T1.
  • the amount of correction for correcting characteristic distortion is determined.
  • the distortion of the time-varying characteristic caused by the influence of thermal shock or the like is easily affected by the operating temperature and the difference.
  • it is possible to perform correction with an accurate correction amount in consideration of the influence of the operating temperature and the difference between the operating temperature and the difference.
  • control unit 11 changes the correction amount with the passage of time when correcting the distortion of the temporal change characteristic.
  • the distortion of the temporal change characteristic caused by the influence of the thermal shock or the like gradually decreases with time.
  • the correction amount is calculated using an exponential function having a negative exponent, correction in consideration of this property can be performed.
  • control unit 11 generates a self-running control signal and performs self-running control, in addition to correction in consideration of distortion of the time-varying characteristics, The correction considering the frequency temperature characteristic and the correction considering the frequency characteristic having hysteresis are performed.
  • the correction considering the change of the frequency temperature characteristic caused by the influence of the temperature can be performed. Further, since the correction is performed in consideration of the frequency characteristics having hysteresis, the correction can be performed in consideration of the memory effect of the crystal or the like.
  • the reference signal is generated based on the signal from the GPS satellite.
  • the configuration of the above embodiment can be applied even when a GNSS (Global Navigation Satellite System) other than GPS is used. it can. Examples of GNSS other than GPS include GLONASS and GALILEO. Further, the reference signal generated by the external device may be acquired.
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • GLONASS Global Navigation Satellite System
  • GALILEO GLONASS
  • the reference signal generated by the external device may be acquired.
  • the GPS receiver 20 can be changed to a configuration in which the GPS receiver 20 is arranged inside the reference frequency generator 10 and a reference signal is generated inside the device itself. Further, the GPS receiver 20 can be changed to a configuration in which a signal other than 1 Hz such as PP2S is supplied to the reference frequency generator 10 as a reference signal instead of 1PPS.
  • a signal other than 1 Hz such as PP2S is supplied to the reference frequency generator 10 as a reference signal instead of 1PPS.
  • TCXO which is a temperature-compensated crystal oscillator
  • the voltage controlled oscillator 15 is not limited to a crystal oscillator, and for example, a rubidium oscillator or the like can be used. It should be noted that the use of an oscillator that is likely to be distorted over time due to the influence of thermal shock is advantageous in that the effects of the present invention can be satisfactorily exhibited.
  • the loop filter 13 can be replaced with a controller capable of executing at least one of P control, I control, and D control as long as the control voltage signal output to the voltage controlled oscillator 15 can be appropriately controlled.
  • the PLL circuit 30 is configured to control the voltage-controlled oscillator 15 in synchronization with the supplied reference signal
  • another synchronization circuit such as a DLL circuit
  • the weighted sequential least squares method is used to obtain the temperature approximation function from the correspondence between the operating temperature and the elapsed time.
  • the temperature approximation function may be obtained using another approximation.
  • the correction amounts of the first correction term and the second correction term are obtained by calculation, but instead of this, these correction amounts can be obtained using a correction table.
  • the correction table is a table in which the use temperature and the temperature gradient are associated with the correction amount to be applied.
  • the control unit 11 can obtain the correction amount corresponding to the detected use temperature and the correction amount corresponding to the calculated temperature gradient by referring to this table.
  • the correction amount corresponding to the operating temperature or temperature gradient obtained discretely can be obtained by performing an operation such as linear interpolation.
  • the conditions (1) and (2) are set as the conditions for starting the correction in consideration of the distortion of the time-varying characteristics.
  • the conditions for starting the correction are set by, for example, a table or the like. can do.

Landscapes

  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

 基準周波数発生装置(10)は,同期回路(30)と,温度検出部(17)と,制御部(11)とを備える。同期回路は,リファレンス信号に基づいて得られた制御信号によって,電圧制御発振器(15)が出力する基準周波数信号を制御する。温度検出部は,電圧制御発振器の使用温度を検出する。 制御部は,リファレンス信号が取得できなくなると,使用温度の温度勾配の時間変化率に基づいて,電圧制御発振器の経時変化特性の歪みを考慮した補正を行い,この補正内容に基づいて自走用制御信号を生成して電圧制御発振器を制御する。

Description

基準周波数発生装置
 本発明は、基準周波数信号がリファレンス信号に同期するように発振器を制御する基準周波数発生装置に関するものである。
 例えば携帯電話の基地局やデジタル放送の送信局等では、信号を送信するタイミングや周波数の同期を行うために必要とされる高精度な基準周波数信号を、基準周波数発生装置を用いて供給することが行われている。そして、この種の基準周波数発生装置の中には、例えばGPS受信機から得られる高精度なリファレンス信号に同期させるように電圧制御発振器を制御し、上記基準周波数信号を出力させるものがある。
 電圧制御発振器は、入力される制御電圧に応じて異なる周波数を発生するように構成されており、例えば、水晶振動子を共振器として用いるものを挙げることができる。このタイプの電圧制御発振器の制御電圧対出力周波数特性(以下、F-V特性と称する)は、時間の経過や温度の変化に従って、僅かではあるが変化する。
 また、上記のような基準周波数発生装置は、GPS衛星の位置、障害物、妨害電波等の様々な原因により、GPS受信機がGPS衛星からの信号を受信できず、リファレンス信号を生成できなくなることがある。そこで、リファレンス信号を取得できなくなっても高精度な基準周波数信号を継続して出力するための自走制御機能を備えた基準周波数発生装置が提案されている。
 このような基準周波数発生装置は、リファレンス信号を取得できている状況では、電圧制御発振器を制御するときに用いたデータを記憶できるようになっている。そして、リファレンス信号を取得できなくなると、記憶されている過去のデータに基づき、前記電圧制御発振器を自走制御することで、長時間にわたって高精度の基準周波数信号を出力することができる。この種の基準周波数発生装置を開示したものとして例えば特許文献1がある。
 特許文献1は、水晶発振器が温度の変化に従ってF-V特性が変化すること(周波数温度特性)を考慮して自走用の制御電圧を生成する基準周波数発生装置を開示する。
特許第4050618号公報
 しかし、電圧制御発振器を自走制御するときに、経時変化及び温度変化のみを周波数変動の予測に使用すると、特に温度が急激に変化した場合等において、基準周波数信号の周波数が設定値からズレてしまうことがある。そのため、より高精度な自走制御を行うことができる基準周波数発生装置が求められていた。
 本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、リファレンス信号を取得できなくなっても、高精度な基準周波数信号を出力し続けることができる基準周波数発生装置を提供することにある。
課題を解決するための手段及び効果
 本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
 本発明の観点によれば、以下の構成の基準周波数発生装置が提供される。即ち、この基準周波数発生装置は、同期回路と、温度検出部と、制御部と、を備える。前記同期回路は、リファレンス信号に基づいて得られた制御信号によって、発振器が出力する基準周波数信号を制御する。前記温度検出部は、前記発振器の使用温度を検出する。前記制御部は、リファレンス信号が取得できなくなると、使用温度の温度勾配の時間変化率に基づいて、前記発振器の経時変化特性の特性変化を考慮した補正を行い、この補正内容に基づいて自走用制御信号を生成して前記発振器を制御する。
 即ち、例えば使用温度が大きく変化している状態から温度一定の状態に急激に遷移すると、サーマルショック等の影響により前記発振器の経時変化特性に特性変化が生じる。この点、上記の構成においては、状態が遷移したときに温度勾配が大きく変化することを考慮して、温度勾配の時間変化率に基づいて適切な補正を行うことができる。そのため、経時変化特性の特性変化を考慮して自走用制御信号を生成することがことができる。従って、自走状態においても高精度な基準周波数信号を出力することができる。
 前記の基準周波数発生装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、時間と当該時間に対応付けられた使用温度との対応関係に対して近似曲線を適用することで温度近似関数を求める。また、前記制御部は、温度近似関数を時間で2階微分することにより、温度勾配の時間変化率を求める。
 これにより、近似曲線を用いることで、使用温度の局所的な変動を的確に検出することができる。そのため、経時変化特性の特性変化を考慮した補正をより的確なタイミングで行うことができる。また、温度近似関数を時間で2階微分するだけで温度勾配の時間変化率を得ることができるので、演算処理を簡単にすることができる。
 前記の基準周波数発生装置においては、前記制御部は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、温度勾配の絶対値が第1所定値よりも小さい値をとるか又は温度勾配の絶対値が第2所定値よりも大きい値をとり、かつ温度勾配の時間変化率の絶対値が閾値を超えた値をとるときに、経時変化特性の特性変化を考慮した補正を開始することが好ましい。
 これにより、経時変化特性に特性変化が生じるときに温度勾配及び温度勾配の時間変化率に表れる特徴を的確に捉えることができる。そのため、経時変化特性に特性変化が生じたことを的確に検出して補正を行うことができる。
 前記の基準周波数発生装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、使用温度が略一定の第1状態から、使用温度が変化する状態を経由して、使用温度が略一定の第2状態になったときに、第1状態における使用温度である第1使用温度と、第2状態における使用温度である第2使用温度と、第1使用温度と第2使用温度との差分と、のうち少なくとも何れかに基づいて、経時変化特性の特性変化を補正するときの補正量を決定する。
 即ち、サーマルショック等の影響によって生じる経時変化特性の特性変化は、上記の使用温度及びその差分に影響を受け易い。この点、上記の制御を行うことで、使用温度及びその差分の影響を考慮した的確な補正量で補正を行うことができる。
 前記の基準周波数発生装置においては、前記制御部は、経時変化特性の特性変化を補正するときは、時間の経過に従って補正量を変化させることが好ましい。
 即ち、このサーマルショック等の影響によって生じる経時変化特性の特性変化は、時間が経つにつれて徐々に小さくなっていく。この点、上記の制御を行うことで、この性質を考慮した補正を行うことができる。
 前記の基準周波数発生装置において、制御部は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、経時変化特性の特性変化を考慮した補正に加えて、周波数温度特性を考慮した補正、及び、ヒステリシスを有する周波数特性を考慮した補正のうち少なくとも一方を行うことが好ましい。
 これにより、周波数温度特性を考慮した補正を行った場合は、温度の影響によって生じる周波数温度特性の変化を考慮した補正を行うことができる。また、ヒステリシスを有する周波数特性を考慮した補正を行った場合は、水晶等の記憶効果を考慮した補正を行うことができる。
本発明の一実施形態に係る基準周波数発生装置を概略的に示したブロック図。 基準周波数発生装置の制御の一例を示すフローチャート。 経時変化特性の歪みを考慮した補正を開始するタイミングを説明するグラフ。
 次に発明の実施の形態について説明する。初めに、図1を参照して、基準周波数発生装置10の全体構成について説明する。図1は、本実施形態の基準周波数発生装置10を概略的に示したブロック図である。
 本実施形態の基準周波数発生装置10は、携帯電話の基地局、地上デジタル放送の送信局及びWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)通信設備等に用いられるものであり、接続されるユーザ側の機器に基準周波数信号を提供するものである。以下に、基準周波数発生装置10の各部の構成について説明していく。
 図1に示すように、本実施形態の基準周波数発生装置10は、電圧制御発振器15と、分周器16と、位相比較器12と、ループフィルタ13と、温度センサ17と、制御部11と、スイッチ回路14と、を備える。
 基準周波数発生装置10には、GPS受信機20とGPSアンテナ21からなるGPS受信部が接続されており、このGPS受信部は基準周波数発生装置10にリファレンス信号を供給する。より具体的には、GPS受信機20は、GPSアンテナ21がGPS衛星から受信した電波に含まれる測位用信号に基づいて、前記リファレンス信号としての1PPS信号(1秒周期信号)を生成し、基準周波数発生装置10に出力するよう構成されている。図1に示すように、GPS受信機20で生成されて基準周波数発生装置10に供給されたリファレンス信号は、制御部11及び位相比較器12に入力される。
 電圧制御発振器15は、外部から印加される電圧のレベルによって出力する周波数を変更可能に構成されている。この電圧制御発振器15としては、例えば水晶振動子を共振器として使用したTCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator、温度補償型水晶発振器)を用いることができる。この電圧制御発振器15によって出力された基準周波数信号は、外部のユーザ側のシステムへ出力されるとともに、分周器16に入力される。
 分周器16は、電圧制御発振器15から入力される基準周波数信号を分周して高い周波数から低い周波数に変換し、得られた位相比較用信号を位相比較器12へ出力するように構成されている。また、この位相比較用信号は、タイミングパルス信号(1PPS信号)として外部のユーザ側のシステムに対しても出力される。例えば、電圧制御発振器15が出力する基準周波数が10MHzである場合、分周器16は、電圧制御発振器15が出力する10MHzの信号を分周比1/10000000で分周して、1Hzの位相比較用信号を生成する。
 位相比較器12は、リファレンス信号と、分周器16で分周された前記位相比較用信号と、の位相差を検出し、その位相差に基づく信号(位相差信号)を出力する。位相比較器12が出力した位相差信号は、ループフィルタ13に入力される。
 ループフィルタ13はローパスフィルタ等によって構成されており、前記位相差信号の電圧レベルを時間的に平均化することで制御電圧信号に変換する。この制御電圧信号は、スイッチ回路14を介して電圧制御発振器15に入力される。電圧制御発振器15は、このループフィルタ13から出力されてきた制御電圧信号に基づく周波数を出力する。このように、電圧制御発振器15の出力周波数は、前記位相比較用信号の位相がリファレンス信号の位相と一致するように適宜調整される。
 温度センサ(温度検出部)17は、電圧制御発振器15の使用温度を検出するためのものであり、電圧制御発振器15の近傍に配置されている。また、温度センサ17が検出した使用温度は、制御部11へ出力されている。
 制御部11は、基準周波数発生装置10の各部の制御を行うためのものであり、演算部としてのCPU等で構成されている。そして、制御部11は、GPS受信機20から前記リファレンス信号が供給されているか否かを監視する。そして、リファレンス信号が供給されていると判断した場合は、制御部11は切換制御信号をスイッチ回路14に送信し、ループフィルタ13と電圧制御発振器15とを接続させる。
 スイッチ回路14によってループフィルタ13と電圧制御発振器15とが接続されることで、位相同期回路(Phase Locked Loop、PLL回路)30のループが形成され、リファレンス信号に基準周波数信号が同期するように電圧制御発振器15が制御される。従って、GPS受信機20がリファレンス信号を生成して基準周波数発生装置10に供給し、当該リファレンス信号に対してPLLがロックしている限り、経時変化や周囲の温度変化等に起因して電圧制御発振器15のF-V特性の変動が生じたとしても、基準周波数発生装置10から出力される基準周波数は一定に保たれる。
 なお、以下の説明では、上記のように基準周波数発生装置10がリファレンス信号を取得でき、それに基づいて基準周波数信号を出力している状態を「定常状態」と称することがある。それに対して、基準周波数発生装置10がリファレンス信号を取得できず、制御部11が自走用の制御電圧信号を出力して基準周波数信号を出力している状態を「自走状態」と称することがある。
 次に、図2を参照して、定常状態において制御部11が行っている処理について説明する。図2は、基準周波数発生装置10の制御の一例を示すフローチャートである。
 制御部11はリファレンス信号が取得できているか否かを判断しており(S101)、リファレンス信号が取得できている場合は、そのリファレンス信号に基づいて電圧制御発振器15を制御している(S102)。そして、この定常状態の間に制御部11は、自走状態になったときに適切な制御電圧信号を出力して電圧制御発振器15を制御できるように、自走制御に必要な各種データを算出している。以下では、このデータの例として使用温度と制御電圧信号のレベル値(DAC値)の取扱いについて説明する。
 制御部11には、使用温度及びDAC値が入力されている。そして、所定の更新タイミングになると(S103)、この入力された値に基づいて必要なデータを算出している。
 初めに、使用温度に関する処理について説明する。制御部11は、基準周波数発生装置10を起動してからの経過時間(以下では単に経過時間と称する)と、この経過時間に対応した使用温度と、に基づいて、経過時間と使用温度との関係を示す温度近似関数を算出している(S104)。本実施形態では、この温度近似関数を求めるために、重み付け最小二乗法と逐次最小二乗法とを合成した重み付け逐次最小二乗法が用いられている。
 重み付け最小二乗法を適用するために、温度近似関数を求める際には、記憶された使用温度に対して経過時間に応じたウェイト(重み)が設定される。このウェイトは過去に遡るにつれて小さくなるように設定されていて、過去に計測した使用温度ほど、求める温度近似関数に対する影響が小さくなるようになっている。なお、このウェイトをどのように設定するかは任意であり、環境に応じてウェイトを調整可能な構成にしても良い。
 また、逐次最小二乗法が用いられていることにより、温度近似関数を更新する際には、直近の温度近似関数を求める際に用いたデータと、新しく検出した使用温度と、に基づいて新しい温度近似関数が算出されている。そのため、過去に検出した使用温度を蓄積しておく必要がない。また、過去の演算時に設定したウェイトを今回の推定演算時に重ねて反映させることができる。
 このように、重み付け逐次最小二乗法を用いることにより、過去の環境よりも現在の環境を相対的に重視し、使用温度を記憶させるための記憶部を設けることなく温度近似関数を求めることができる。そして、制御部11は、所定の更新タイミング毎に温度近似関数を更新するように構成されている。
 また、制御部11はDAC値に対しても所定の更新タイミング毎に演算を行っている。具体的には、前回までのDAC値に基づいて次回のDAC値を推定している(S105)。なお、以下の説明では、この推定したDAC値を「推定DAC値」と称することがある。推定DAC値の推定には適宜の方法を用いることができる。例えば、DAC値の挙動のうち基準周波数発生装置10の経時変化特性に基づいた挙動のみを算出して、この経時変化特性に基づいて次回のDAC値を推定する方法を用いることができる。このときに、前述の重み付け逐次最小二乗法を用いて推定DAC値を推定することもできる。
 なお、推定DAC値として直近のDAC値をそのまま用いることもできる。この場合、経時変化特性等を考慮して自走制御を行うことができないが、制御部11が行う演算処理を簡単にすることができる。この方法は、経時変化特性よりも他の特性の影響が大きく、経時変化特性の影響をほぼ無視できるときは有効である。
 そして、制御部11は自走状態になったときに、この推定DAC値と、推定DAC値を補正するための補正式と、に基づいて、電圧制御発振器15に出力する制御電圧信号を決定する構成となっている。なお、この補正式の詳細については後述する。
 次に、図2及び図3を参照して、自走状態において制御部11が行っている制御について説明する。図3は、経時変化特性の歪みを考慮した補正を開始するタイミングを説明するグラフである。
 制御部11は、リファレンス信号の入力断を検出すると、当該制御部11と電圧制御発振器15とを接続させるための切換制御信号をスイッチ回路14に送信し、自走制御に移行する。この自走制御では、ループフィルタ13から出力される制御電圧信号に代わって、制御部11が生成する自走用の制御電圧信号がスイッチ回路14を介して電圧制御発振器15に送信される。なお、前記入力断とは、リファレンス信号のパルスがHi側あるいはLow側に固定される現象と、リファレンスが正確でないタイミングで信号を出し続ける現象と、の両方を意味している。
 自走制御時の制御電圧信号は、推定DAC値と補正式とに基づいて算出されている。以下、この補正式について説明する。この補正式は3つの補正項から構成されており、例えば式(1)のように表すことができる。なお、式(1)においてFcoはDAC値の補正量を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 式(1)の右辺に示されている3つの補正項のうち最初のもの(第1補正項)は、周波数温度特性によって生じる出力周波数のズレを補正するための補正項である。周波数温度特性とは、温度の変化によってF-V特性が変化する性質のことである。
 制御部11は、温度センサ17が検出した使用温度を、第1補正項算出用の演算式に代入することで、第1補正項の補正量を算出するように構成されている。
 以上で示したように、第1補正項の補正量は使用温度に基づいて決定されている。これは、本実施形態の基準周波数発生装置10においては、周波数温度特性によって生じる出力周波数のズレが使用温度に基づいて補正されることを意味する。
 式(1)の右辺における2番目の補正項(第2補正項)は、ヒステリシスを有する周波数特性によって生じる出力周波数のズレを補正するための補正項である。ヒステリシスを有する周波数特性とは、水晶の記憶効果等によってF-V特性が変化する性質である。そして、このF-V特性の変化量は、使用温度の時間変化率(以下では温度勾配と称する)に依存する。なお、温度勾配の絶対値が同一であった場合においても、使用温度が昇温状態にあるか降温状態にあるかによってF-V特性の変化量は異なる。
 制御部11は、温度近似関数を時間で微分して、この第1次導関数に経過時間を代入することで、温度勾配を求める。そして、制御部11は、この温度勾配を第2補正項算出用の演算式に代入することで、第2補正項の補正量を算出するように構成されている。なお、第1補正項及び第2補正項の補正量を個別に求めず、所定の演算式に温度及び温度勾配を代入することで、第1補正項及び第2補正項の補正量の合計値を求めることもできる。
 以上で示したように、第2補正項の補正量は温度勾配に基づいて決定されている。これは、本実施形態の基準周波数発生装置10においては、ヒステリシスを有する周波数特性によって生じる出力周波数のズレが温度勾配に基づいて補正されることを意味する。
 式(1)の右辺における最後の補正項(第3補正項)は、温度変化によって生じる経時変化特性の歪み(特性変化)に起因した出力周波数のズレを補正するための補正項である。この温度変化によって生じる経時変化特性の歪みは、使用温度が変化している状態から温度一定の状態に急激に遷移した場合と、温度一定の状態から急激に温度変化が発生した場合と、に生じる。なお、以下の説明では、「温度変化によって生じる経時変化特性の歪み」を単に「経時変化特性の歪み」と称する。
 制御部11は、この経時変化特性に歪みが生じたことを検出するために、温度近似関数を時間で微分して、第1次導関数と第2次導関数とを求める。そして、前述のように第1次導関数から温度勾配を求め、第2次導関数に経過時間を代入して温度勾配の時間変化率(以下では温度加速度と称する)を求める。制御部11は、この温度勾配及び温度加速度に基づいて補正を開始するタイミングを決定している。
 経時変化特性の歪みは、前述のように、使用温度が変化している状態から使用温度が略一定の状態へ急激に遷移した場合に生じる。ここで、使用温度が略一定の状態であるときは、温度勾配の絶対値は小さな値をとる(0付近の値をとる)。一方で、状態が急激に遷移したときは、温度勾配が大きく変化するので、温度加速度の絶対値は大きな値をとる。
 また、経時変化特性の歪みは、前述のように、温度一定の状態から急激に温度変化が発生した場合においても生じる。ここで、急激に温度変化が発生したときは、温度勾配の絶対値は大きな値をとる。一方で、温度一定の状態(温度勾配の絶対値が小さな値をとる状態)から温度勾配の絶対値が急激に変化して大きな値をとるため、温度加速度の絶対値は大きな値をとる。
 そのため、本実施形態の制御部11は、温度勾配の絶対値が第1所定値以下又は温度勾配の絶対値が第2所定値以上であって(条件(1))、かつ、温度加速度の絶対値が閾値を超えていること(条件(2))、という2つの条件を設定し、これらの条件を両方満たしたときに、経時変化特性に歪みが生じたと判定するようになっている。
 上記の条件(1)について図3の(a)を参照して説明する。図3の(a)は、経過時間に応じた温度及び温度勾配を示したグラフである。制御部11には、予め適当な値の第1所定値(s1)及び第2所定値(s2)が設定されている(s1<s2)。そして、温度勾配ΔTが「|ΔT|<s1」であるか「s2<|ΔT|」であるときに、制御部11は、条件(1)を満たしていると判断する。
 上記の条件(2)について図3の(b)を参照して説明する。図3の(b)は、経過時間に応じた温度及び温度加速度を示したグラフである。制御部11には、予め適当な値の閾値(u)が設定されている。そして、温度加速度aが「u<|a|」であるときに、制御部11は、条件(2)を満たしていると判断する。
 このように、第1所定値、第2所定値、及び閾値を設定することで、経時変化特性に歪みが生じたことを的確に検出して補正を開始することができる。
 次に、経時変化特性に歪みが生じたことを検出したときにどのような補正を行うか、つまり第3補正項の具体的な形について説明する。この経時変化特性の歪みは、使用温度が一定になった瞬間(状態が急激に遷移した直後)が最も大きく、その後は時間が経過するに従って減少する。そのため、第3補正項は、時間とともに減衰する性質の関数によって構成されることが望ましく、例えば、式(2)のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、α及びβは補正量を決定するための係数である。t’は、条件(1)及び条件(2)を満たして補正を開始したときの経過時間である。このようにt’を設定することで、補正を開始した直後の補正量を最大にすることができる。また、指数が負の指数関数を用いることで、時間が経過するに従って補正量を減少させることができる。
 第3補正項における係数(上記の例ではα及びβ)は、経時変化特性の歪み量に応じて自動的に算出されるように構成されている。この歪み量を算出するときに考慮される事項としては、使用温度及びその差分がある。例えば図3のように、使用温度が温度T1から温度T2に変化した後、温度T2を維持している状況を考える。このとき、温度T1、温度T2、及び温度T1と温度T2との差分等に基づいて歪み量をある程度見積もることができる。例えば、温度T1が低温である場合は歪み量が大きくなり易い。また、温度T1から温度T2へ向かうときの傾きが急であると(即ち、単位時間あたりの使用温度の変化が大きいと)、歪み量が大きくなり易い。第3補正項における係数は、上記のような経時変化特性の挙動を考慮して決定されている。
 以上で示したように、第3補正項の補正量は使用温度、温度勾配、及び温度加速度等に基づいて決定されている。従って、本実施形態の基準周波数発生装置では、経時変化特性の歪みによって生じる出力周波数のズレは、使用温度、温度勾配、及び温度加速度等に基づいて補正されることになる。
 以上のようにして3つの補正項の補正量が算出される(S106)。そして、補正式と前記推定DAC値とに基づいて、自走制御に用いるためのDAC値(自走DAC値)を得ることができる。そして、制御部11は、自走DAC値を信号レベルとした制御電圧信号を電圧制御発振器15に出力する(S107)。
 基準周波数発生装置10は、自走状態において以上のような制御を行うことで、精度の高い基準周波数信号を継続して出力することができる。そして、リファレンス信号が取得できない限り、上記のような自走制御を行い続けるように構成されている。
 以上に説明したように、基準周波数発生装置10は、PLL回路30と、温度センサ17と、制御部11と、を備える。PLL回路30は、リファレンス信号に基づいて得られた制御電圧信号によって、電圧制御発振器15が出力する基準周波数信号を制御している。温度センサ17は、電圧制御発振器15の使用温度を検出している。制御部11は、リファレンス信号が取得できなくなると、温度加速度に基づいて、電圧制御発振器15の経時変化特性の歪みを考慮した補正を行い、この補正内容に基づいて自走用制御信号を生成して電圧制御発振器15を制御する。
 即ち、例えば使用温度が大きく変化している状態から温度一定の状態に急激に遷移すると、サーマルショック等の影響により電圧制御発振器15の出力周波数の経時変化特性に歪みが生じる。この点、上記の構成においては、状態が遷移したときに温度勾配が大きく変化することを考慮して、温度加速度に基づいて適切な補正を行うことができる。そのため、経時変化特性の歪みを考慮して自走用制御信号を生成することがことができる。従って、自走状態においても高精度な基準周波数信号を出力することができる。
 また、本実施形態の基準周波数発生装置10においては、時間と当該時間に対応付けられた使用温度との対応関係に対して重み付け逐次最小二乗法を用いることで温度近似関数を求めている。そして、温度近似関数を時間で2階微分することにより、温度加速度を求めている。
 これにより、近似によって温度近似関数を求めることで、使用温度が局所的に大きく変化する時点を的確に検出することができる。更に、重み付け逐次最小二乗法を用いることで、過去の環境よりも現在の環境を重視し、また、使用温度を記憶するための記憶部を設けることなく温度近似関数を求めることができる。
 また、本実施形態の基準周波数発生装置10において、制御部11は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、温度勾配ΔTが「|ΔT|<s1」であるか「s2<|ΔT|」であって、かつ温度加速度aが「u<|a|」であるときに、経時変化特性の歪みを考慮した補正を開始している。
 即ち、サーマルショック等の影響によって生じる経時変化特性の歪みは、使用温度が変化している状態から温度一定の状態に急激に遷移したときと、温度一定の状態から急激に温度変化が発生した場合と、に生じる。この点、本実施形態の基準周波数発生装置10では、上記のs1,s2,uを設定することで上記の特徴を的確に捉えているため、経時変化特性に特性変化が生じたことを適切に検出して補正を行うことができる。
 また、本実施形態の基準周波数発生装置10において、制御部11は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、使用温度が温度T1である状態から、使用温度が変化する状態を経由して、使用温度が温度T2である状態になったときに、温度T1と、温度T2と、温度T1と温度T2の差分と、のうち少なくとも何れかに基づいて、経時変化特性の歪みを補正するときの補正量を決定している。
 即ち、サーマルショック等の影響によって生じる経時変化特性の歪みは、使用温度及びその差分に影響を受け易い。この点、上記の制御を行うことで、使用温度及びその差分の影響を考慮した的確な補正量で補正を行うことができる。
 また、本実施形態の基準周波数発生装置10において、制御部11は、経時変化特性の歪みを補正するときは、時間の経過に従って補正量を変化させている。
 即ち、このサーマルショック等の影響によって生じる経時変化特性の歪みは、時間が経つにつれて徐々に小さくなっていく。この点、本実施形態においては指数が負の指数関数を用いて補正量を計算する構成のため、この性質を考慮した補正を行うことができる。
 また、本実施形態の基準周波数発生装置10において、制御部11は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、経時変化特性の歪みを考慮した補正に加えて、周波数温度特性を考慮した補正、及び、ヒステリシスを有する周波数特性を考慮した補正を行っている。
 これにより、周波数温度特性を考慮した補正を行っていることにより、温度の影響によって生じる周波数温度特性の変化を考慮した補正を行うことができる。また、ヒステリシスを有する周波数特性を考慮した補正を行っていることにより、水晶等の記憶効果を考慮した補正を行うことができる。
 以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
 上記実施形態では、GPS衛星からの信号に基づいてリファレンス信号を生成する構成であるが、GPS以外のGNSS(Global Navigation Satellite System)を利用する場合においても、上記実施形態の構成を適用することができる。GPS以外のGNSSとしては、例えばGLONASSやGALILEO等を挙げることができる。また、外部装置が生成したリファレンス信号を取得する構成としても良い。
 基準周波数発生装置10の内部にGPS受信機20を配置し、自機の内部でリファレンス信号を生成する構成に変更することができる。また、GPS受信機20が、1PPSに代えて、PP2S等の1Hz以外の信号をリファレンス信号として基準周波数発生装置10に供給する構成に変更することができる。
 上記実施形態では、電圧制御発振器15として温度補償型の水晶発振器であるTCXOを用いる例を示したが、TCXOの他にも、電圧制御発振器15としてOCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator、恒温槽付水晶発振器)等の水晶発振器を用いることができる。また、電圧制御発振器15は、水晶発振器に限られず、例えばルビジウム発振器等を用いることができる。なお、サーマルショックの影響によって経時変化特性の歪みが生じ易い発振器を用いる場合は、本発明の効果を良好に発揮できて有利である。
 ループフィルタ13は、電圧制御発振器15に出力する制御電圧信号を適切に制御できる限り、P制御、I制御及びD制御のうち少なくとも1つを実行可能な制御器に代えることができる。
 PLL回路30は、供給されるリファレンス信号に同期して電圧制御発振器15を制御する構成である限り、他の同期回路(DLL回路等)を使用することもできる。
 電圧制御発振器15の部分に別の同期回路を配置し、異なる周波数を生成して出力する構成に変更することができる。
 上記実施形態では、使用温度と経過時間との対応関係から温度近似関数を求めるために重み付け逐次最小二乗法を用いたが、他の近似を用いて温度近似関数を求める構成にしても良い。
 上記実施形態では、演算によって第1補正項及び第2補正項の補正量を求めたが、これに代えて、補正テーブルを用いてこれらの補正量を求めることができる。補正テーブルとは、使用温度及び温度勾配と、適用すべき補正量と、が対応付けられたテーブルである。そして、制御部11は、このテーブルを参照することで、検出した使用温度に対応する補正量と、算出した温度勾配に対応する補正量と、を求めることができる。なお、離散的に得られている使用温度又は温度勾配の間に対応する補正量は、線補間等の演算を行うことで求めることができる。
 上記実施形態では、経時変化特性の歪みを考慮した補正を開始する条件として、条件(1)及び条件(2)を設定したが、これに代えて、補正を開始する条件を例えばテーブル等で設定することができる。
 10 基準周波数発生装置
 11 制御部
 12 位相比較器
 13 ループフィルタ
 15 電圧制御発振器(発振器)
 17 温度センサ(温度検出部)
 30 PLL回路(同期回路)

Claims (6)

  1.  リファレンス信号に基づいて得られた制御信号によって、発振器が出力する基準周波数信号を制御する同期回路と、
     前記発振器の使用温度を検出する温度検出部と、
     リファレンス信号が取得できなくなると、使用温度の温度勾配の時間変化率に基づいて、前記発振器の経時変化特性の特性変化を考慮した補正を行い、補正内容に基づいて自走用制御信号を生成して前記発振器を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする基準周波数発生装置。
  2.  請求項1に記載の基準周波数発生装置であって、
     前記制御部は、
     時間と当該時間に対応付けられた使用温度との対応関係に対して近似曲線を適用することで温度近似関数を求め、
     温度近似関数を時間で2階微分することにより、温度勾配の時間変化率を求めることを特徴とする基準周波数発生装置。
  3.  請求項1又は2に記載の基準周波数発生装置であって、
     前記制御部は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、温度勾配の絶対値が第1所定値よりも小さい値をとるか又は温度勾配の絶対値が第2所定値よりも大きい値をとり、かつ温度勾配の時間変化率の絶対値が閾値を超えた値をとるときに、経時変化特性の特性変化を考慮した補正を開始することを特徴とする基準周波数発生装置。
  4.  請求項1から3までの何れか一項に記載の基準周波数発生装置であって、
     前記制御部は、自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、使用温度が略一定の第1状態から、使用温度が変化する状態を経由して、使用温度が略一定の第2状態になったときに、
     第1状態における使用温度である第1使用温度と、
     第2状態における使用温度である第2使用温度と、
     第1使用温度と第2使用温度との差分と、
    のうち少なくとも何れかに基づいて、経時変化特性の特性変化を補正するときの補正量を決定することを特徴とする基準周波数発生装置。
  5.  請求項1から4までの何れか一項に記載の基準周波数発生装置であって、
     前記制御部は、経時変化特性の特性変化を補正するときは、時間の経過に従って補正量を変化させることを特徴とする基準周波数発生装置。
  6.  請求項1から5までの何れか一項に記載の基準周波数発生装置であって、
     前記制御部は、
     自走用制御信号を生成して自走制御を行っている間において、経時変化特性の特性変化を考慮した補正に加えて、周波数温度特性を考慮した補正、及び、ヒステリシスを有する周波数特性を考慮した補正のうち少なくとも一方を行うことを特徴とする基準周波数発生装置。
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