(57)【要約】      （修正有）【課題】短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置においてパターン雑音の影響を低減する。【解決手段】供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング信号で計測して計数値列を得てこれにフィルタ処理を施して周波数に対応した計数値出力を出力する短ゲートタイムカウント方式の第１及び第２周波数測定装置C1,C2と、サンプリング信号を複数のサンプリング周波数のいずれかに設定する信号発生部140と、選択部50と、予め被測定信号の測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係を複数のサンプリング周波数について保持する保持部130と、制御部100と、を備える。【選択図】図９
2011089896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング信号で計測して計数値列を得て前記計数値列にフィルタ処理を施して前記周波数に対応した計数値出力を出力する短ゲートタイムカウント方式の第１周波数測定装置及び第２周波数測定装置と、
指令信号に応じて前記第１周波数測定装置及び前記第２周波数測定装置の各々のサンプリング信号を複数のサンプリング周波数のいずれかに設定する信号発生部と、
指令信号に応じて前記第１周波数測定装置及び前記第２周波数測定装置の各々の出力のうちいずれかを選択して計数値出力とする選択部と、
予め測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係を前記複数のサンプリング周波数の各々について保持する保持部と、
前記第１周波数測定装置に第１サンプリング周波数を設定して前記選択部に前記第１周波数測定装置の出力を選択させ、前記第２周波数測定装置に前記第１サンプリング周波数の第１雑音発生周波数では雑音が発生しない第２サンプリング周波数を設定し、前記第１周波数測定装置における測定周波数が前記第１雑音発生周波数に接近したときに前記第２周波数測定装置の出力の選択を前記選択部に指令し、前記第１周波数測定装置に前記第２サンプリング周波数の第２雑音発生周波数では雑音が発生しない前記第１サンプリング周波数又は第３サンプリング周波数を設定する、制御部と、
を備える周波数測定装置。
【請求項２】
供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング信号で計測して計数値列を得て、該被測定信号の周波数に対応した一連の計数値出力を出力する第１短ゲートタイムカウンター部及び第２短ゲートタイムカウンタ部と、
前記一連の計数値出力をフィルタリングして前記被測定信号の周波数に対応する信号を出力するローパスフィルタと、
指令信号に応じて前記第１短ゲートタイムカウンター部及び前記第２短ゲートタイムカウンタ部の出力のうちいずれかを選択して前記ローパスフィルタに出力する選択部と、
指令信号に応じて前記第１短ゲートタイムカウンター部及び前記第２短ゲートタイムカウンタ部の各々のサンプリング信号を複数のサンプリング周波数のいずれかに設定する信号発生部と、
予め測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係を前記複数のサンプリング周波数の各々について保持する保持部と、
前記選択部に前記第１短ゲートタイムカウンタ部の出力の選択を指令し、前記信号発生部に前記第１短ゲートタイムカウンタ部への第１サンプリング周波数の設定と前記第２短ゲートタイムカウンタ部への前記第１サンプリング周波数の第１雑音発生周波数では雑音が発生しない第２サンプリング周波数の設定を指令し、
前記第１短ゲートタイムカウンタ部における測定周波数が前記第１雑音発生周波数に接近したときに、前記選択部に前記第２短ゲートタイムカウンタ部の出力の選択を指令し、前記信号発生部に前記第１短ゲートタイムカウンタ部に前記第２サンプリング周波数の第２雑音発生周波数では雑音が発生しない前記第１サンプリング周波数又は第３サンプリング周波数の設定を指令する、制御部と、
を備える周波数測定装置。
【請求項３】
供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング信号で計測して計数値列を得て前記計数値列にローパスフィルタによる処理を施して前記周波数に対応した計数値出力を出力する短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置と、
指令信号に応じて前記サンプリング信号のサンプリング周波数を設定する信号発生部と、
予め測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係を複数のサンプリング周波数の各々について保持する保持部と、
前記計測値出力が現在のサンプリング周波数において前記雑音発生周波数に接近したときに前記現在のサンプリング周波数から当該接近した雑音発生周波数において雑音を発生しない他のサンプリング周波数への切換えを前記信号発生部に指令する制御部と、
を備える周波数測定装置。
【請求項４】
前記ローパスフィルタルターの過渡応答特性が周波数測定間隔以下に設定される、請求項３に記載の周波数測定装置。
【請求項５】
更に、指令信号に応じて前記ローパスフィルタの出力又は前記選択部の出力を調整するスケーリング部を備え、
前記制御部は、前記スケーリング部に前記周波数測定装置又は前記短ゲートタイムカウンタ部に設定したサンプリング周波数に対応するスケーリング係数を設定する、請求項１乃至３のいずれかに記載の周波数測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の周波数測定装置をモジュールとして搭載した電子機器。
【請求項７】
予め測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係あるいは動作点パラメータと雑音発生との関係を複数のサンプリング周波数の各々について保持し、
第１周波数測定装置に第１サンプリング周波数を設定して計数値出力を選択し、第２周波数測定装置に前記第１サンプリング周波数の第１雑音発生周波数ではパターン雑音が発生しない第２サンプリング周波数を設定しておき、
前記第１周波数測定装置における測定周波数が前記第１雑音発生周波数に接近したときに前記第２周波数測定装置の計数値出力を選択し、前記第１周波数測定装置に前記第２サンプリング周波数の第２雑音発生周波数では雑音が発生しない前記第１サンプリング周波数又は第３サンプリング周波数を設定しておく、周波数測定方法。
【請求項８】
更に、選択した前記計数値出力にサンプリング周波数に対応する出力調整を行う、請求項請求項７に記載の周波数測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は周波数測定装置および電子機器等に関し、特に、被測定信号を所定のサンプリング周期で連続的に計数し、計数値列から高周波成分を除いて周波数変動成分を検出する短ゲートタイムカウント方式周波数測定装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数測定の方式には、決められたゲートタイム内に通過するパルスをカウントする直接カウント方式（例えば、特許文献１参照）、パルス周期を正確に計測しその時間の逆数から周波数を求めるレシプロカル方式（例えば、特許文献２参照）、ΔΣ変調信号を得る
ことで周波数を知る方式（例えば、特許文献３参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献２】特開２００１−１１９２９１号公報
【特許文献３】特開平５−１７２８６１号公報
【特許文献４】米国特許第７２３０４５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
出願人は、上記に加え新たな提案として、短ゲートタイムカウント方式（短ゲートカウント方式、短ゲート方式）による周波数測定装置を提案している（特願２００８−０９９７２１号）。
【０００５】
この周波数カウント方式は、所定の短いゲートタイムでパルス列状の被測定信号を途切れることなく繰り返しカウント（サンプリング）し、得られたカウント値の列から高周波成分を取り除く（フィルタリング）ようにしたもので、時間分解能・周波数分解能ともに大幅に改善することができる。本方式の周波数カウンタは、カウンタ回路と小規模な演算回路で構成することが可能であり、回路規模の増大を抑えつつマルチチャネル化が容易であるという特長を持つ。また、サンプリング周波数を高めるほど分解能が向上する等の特徴がある。
【０００６】
しかしながら、この短ゲートタイムカウント方式においては、一定の条件下においてパターン雑音が発生する。パターン雑音は原理的に避けることはできない。これを問題ないレベルまで低減するには、サンプリング周波数を高めることやローパスフィルタの特性を改善する（フィルタの段数を増やす）ことで対処することが出来る。その反面、サンプリング周波数を高めに設定するものとすれば周波数測定の周波数分解能が制限される。また、周波数測定装置のローパスフィルタの段数を高くすれば周波数測定の時間分解能が低下する。
【０００７】
本発明の一態様は短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置において、パターン雑音の影響を低減するものである。
【０００８】
また、本発明の一態様は短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置において、周波数分解能や時間分解能を低下させずにパターン雑音の影響を低減するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題に対応する本発明の実施の形態の周波数測定装置は、供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング信号で計測して計数値列を得てこれにフィルタ処理を施して前記周波数に対応した計数値出力を出力する短ゲートタイムカウント方式の第１及び第２周波数測定装置と、指令信号に応じて上記第１及び第２周波数測定装置の各々のサンプリング信号を複数のサンプリング周波数のいずれかに設定する信号発生部と、指令信号に応じて上記第１及び第２周波数測定装置の各々の出力のうちいずれかを選択して計数値出力とする選択部と、予め被測定信号の測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係を上記複数のサンプリング周波数について保持する保持部と、上記第１周波数測定装置に第１サンプリング周波数を設定して上記選択部に上記第１周波数測定装置の出力を選択させ、上記第２周波数測定装置に上記第１サンプリング周波数の第１雑音発生周波数では雑音が発生しない第２サンプリング周波数を設定し、上記第１周波数測定装置における測定周波数が上記第１雑音発生周波数に接近したときに上記第２周波数測定装置の出力の選択を上記選択部に指令し、上記第１周波数測定装置に上記第２サンプリング周波数の第２雑音発生周波数では雑音が発生しない第１又は第３サンプリング周波数を設定する、制御部と、を備える。
【００１０】
ここで、「雑音が発生しない」は測定上問題となる所定値以上の雑音が発生しないという程度のことであり、雑音レベル（強度）が０に限定されるものではない。以下同様である。
【００１１】
かかる構成とすることによって、予め一方の周波数測定装置におけるパターン雑音の発生が予測される周波数において他方の周波数測定装置をパターン雑音が生じない（雑音レベルが低い）サンプリング周波数（あるいは動作点パラメータ）に設定しておいて、一方の周波数測定装置における測定周波数がパターン雑音の発生する周波数に接近したときに他方の周波数測定装置の出力に切換えることができ、測定出力中へのパターン雑音の発生を回避することが出来る。これにより、時間分解能を犠牲にせずに周波数分解能を改善することができ、ＳＮ比の良い出力が得られる。なお、動作点パラメータについては後述する。
【００１２】
また、本発明の実施の形態の周波数測定装置は、供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング信号で計測して計数値列を得て、該被測定信号の周波数に対応した一連の計数値出力を出力する第１及び第２短ゲートタイムカウンタ部と、上記一連の計数値出力をフィルタリングして上記被測定信号の周波数に対応する信号を出力するローパスフィルタと、指令信号に応じて上記第１及び第２短ゲートタイムカウンタ部の出力のうちいずれかを選択して上記ローパスフィルタに出力する選択部と、指令信号に応じて上記第１及び第２短ゲートタイムカウンタ部の各々のサンプリング信号を複数のサンプリング周波数のいずれかに設定する信号発生部と、予め被測定信号の測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係を上記複数のサンプリング周波数について保持する保持部と、上記選択部に上記第１短ゲートタイムカウンタ部の出力の選択を指令し、上記信号発生部に上記第１短ゲートタイムカウンタ部への第１サンプリング周波数の設定と上記第２短ゲートタイムカウンタ部への上記第１サンプリング周波数の第１雑音発生周波数では雑音が発生しない第２サンプリング周波数の設定を指令し、上記第１短ゲートタイムカウンタ部における測定周波数が上記第１雑音発生周波数に接近したときに、上記選択部に上記第２短ゲートタイムカウンタ部の出力の選択を指令し、上記信号発生部に上記第１短ゲートタイムカウンタ部に上記第２サンプリング周波数の第２雑音発生周波数では雑音が発生しない第１又は第３サンプリング周波数の設定を指令する、制御部と、を備える。
【００１３】
かかる構成によっても、予め一方の周波数測定装置におけるパターン雑音の発生が予測される周波数において他方の周波数測定装置をパターン雑音が生じない（雑音レベルが低い）サンプリング周波数（あるいは動作点パラメータ）に設定しておいて、一方の周波数測定装置における測定周波数がパターン雑音の発生する周波数に接近したときに他方の周波数測定装置の出力に切換えることができ、測定出力中へのパターン雑音の発生を回避することが出来る。これにより、時間分解能を犠牲にせずに周波数分解能を改善することができ、ＳＮ比の良い出力が得られる。また、ローパスフィルタを共用することによって回路の部品点数を削減することが出来る。
【００１４】
また、本発明の実施の形態の周波数測定装置は、供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング信号で計測して計数値列を得てこれにローパスフィルタによる処理を施して上記周波数に対応した計数値出力を出力する短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置と、指令信号に応じて上記サンプリング信号のサンプリング周波数を設定する信号発生部と、予め被測定信号の測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係を複数のサンプリング周波数について保持する保持部と、上記計測値出力が現在のサンプリング周波数において上記雑音発生周波数に接近したときに上記現在のサンプリング周波数から当該接近した雑音発生周波数において雑音を発生しない他のサンプリング周波数への切換えを上記信号発生部に指令する制御部と、を備える。
【００１５】
かかる構成とすることによっても、短ゲートタイムカウント方式の一つの周波数測定装置による周波数測定において、測定周波数がパターン雑音の発生する測定周波数に近づいたときにサンプリング周波数（あるいは動作点パラメータ）をパターン雑音の発生しないサンプリング周波数（あいるは動作点パラメータ）に変更することによってパターン雑音を回避することが出来る。計測途中でサンプリング周波数の切換を行っても計測値を得るタイミングが離散的でよい場合にはこのような測定装置（方法）を使用することが出来る。
【００１６】
上記ローパスフィルタの過渡応答特性が周波数測定間隔以下に設定されることが望ましい。それにより、サンプリング周波数を切り換えても各計測タイミングに出力の応答が間に合う。
【００１７】
更に、指令信号に応じて上記ローパスフィルタの出力又は上記選択部の出力を調整するスケーリング部を備え、上記制御部は、上記スケーリング部に上記周波数測定装置又は上記短ゲートタイムカウンタ部に設定したサンプリング周波数に対応するスケーリング係数を設定する、ことが望ましい。それにより、被測定信号の同一周波数に対して同じ計測値出力が得られ、出力の切換を滑らかにすることが出来る。
【００１８】
また、本発明の実施の形態の電子機器は、上述した周波数測定装置をモジュールとして搭載することを特徴とする。上述した周波数測定装置は、同じ性能を発揮するよう設計された従来型カウンタ（レシプロカルカウンタ）に比べ省電力で小型であるため、ある物理量を水晶振動子の周波数変化に変換するようにした水晶デバイスに使用して好適である。例えば、振動子基板表面の微量の質量変化を周波数変化に変換するようにしたＱＣＭ(Quartz Crystal Microbalance)デバイス（質量センサ、ニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサ等）等に使用して好適である。また、これらを複数組み合わせて使用する機器に使用して好適である。
【００１９】
また、本発明の実施の形態の周波数測定方法は、供給される被測定信号の周波数を所定のサンプリング周波数で計測して計数値列を得てこれにフィルタ処理を施して上記周波数に対応した計数値出力を発生する短ゲートタイムカウント方式の第１及び第２周波数測定装置を少なくとも２つ設け、予め被測定信号の測定周波数とパターン雑音が発生する雑音発生周波数との関係あるいは動作点パラメータと雑音発生との関係を複数のサンプリング周波数について保持し、上記第１周波数測定装置に第１サンプリング周波数を設定して上記計数値出力を選択し、上記第２周波数測定装置に上記第１サンプリング周波数の第１雑音発生周波数ではパターン雑音が発生しない第２サンプリング周波数を設定しておき、上記第１周波数測定装置における測定周波数が上記第１雑音発生周波数に接近したときに上記第２周波数測定装置の計数値出力を選択し、上記第１周波数測定装置に上記第２サンプリング周波数の第２雑音発生周波数では雑音が発生しない第１又は第３サンプリング周波数を設定しておく、ものである。
【００２０】
更に、選択した上記計数値出力にサンプリング周波数に対応する出力調整を行う、ことが望ましい。それにより、切換の際の出力を滑らかにすることが出来る。
【００２１】
かかる周波数測定方法によれば、一方の周波数測定装置で測定中に他方の周波数測定装置を異なるサンプリング周波数で待機させておき、一方の周波数測定装置で測定周波数がパターン雑音の発生する周波数に近づいたときに、他方の周波数測定装置で測定を行うようにすることを相互に繰り返す。異なるサンプリング周波数（動作点パラメータ）で駆動しているため、各周波数測定装置におけるパターン雑音の発生状況を違えることができる。パターン雑音の発生状況が異なれば、各周波数測定装置の出力のパターン雑音ピークが重なることを避けることができる。従って、複数の各周波数測定装置の出力から最適な出力を選択することで雑音レベルを低減することができ、サンプリング周波数を高めることやフィルタの高次数化等の対応策をとらずに済み、時間分解能を犠牲にせずに周波数分解能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置を説明する説明図である。
【図２】短ゲートタイムカウンタ部の構成例を説明図である。
【図３】他の短ゲートタイムカウンタ部の構成例を説明図である。
【図４】ローパスフィルタ部の構成例（アナログフィルタ）を説明する説明図である。
【図５】ローパスフィルタ部の構成例（デジタルフィルタ）を説明する説明図である。
【図６】短ゲートタイムカウンタ部の出力例を説明するグラフである。
【図７】ローパスフィルタ部の出力例を説明するグラフである。
【図８】短ゲートタイムカウント方式におけるパターン雑音を説明する説明図である。
【図９】第１実施例の短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置の構成例を説明する説明図である。
【図１０】サンプリング周波数を２３８０９５．２Ｈｚに設定した場合の被測定信号周波数の１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの範囲におけるパターン雑音強度分布の例を示すグラフである。
【図１１】サンプリング周波数を２３６２２０．５Ｈｚに設定した場合の被測定信号周波数の１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの範囲におけるパターン雑音強度分布の例を示すグラフである。
【図１２】サンプリング周波数を２３４３７５．０Ｈｚに設定した場合の被測定信号周波数の１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの範囲におけるパターン雑音強度分布の例を示すグラフである。
【図１３】図１０のグラフにおいてパターン雑音強度が０．１Ｈｚ以上のものにチェック（丸印）を入れたグラフである。
【図１４】図１１のグラフにおいてパターン雑音強度が０．１Ｈｚ以上のものにチェック（丸印）を入れたグラフである。
【図１５】図１２のグラフにおいてパターン雑音強度が０．１Ｈｚ以上のものにチェック（丸印）を入れたグラフである。
【図１６】図１３乃至図１５でチェックしたパターン雑音強度が０．１Ｈｚを越える被測定周波数とサンプリング周波数（分周数）との対応関係を示すテーブルである。
【図１７】被測定信号の周波数を１８０２８３Ｈｚから１８０２９１Ｈｚに上昇させたときの周波数をレシプロカルカウンタを用いて精密測定した際の周波数をプロットしたグラフである。
【図１８】図１７の被測定信号をサンプリング周波数２３４３７５．０Ｈｚの短ゲートカウントカウンタで測定した場合の周波数をプロットしたグラフである。
【図１９】図１７の被測定信号をサンプリング周波数２３６２２０．５Ｈｚの短ゲートタイムカウンタで測定した場合の周波数をプロットしたグラフである。
【図２０】実施例の周波数測定装置の出力を切り換えて動作させて測定した周波数をプロットしたグラフである。
【図２１】実施例の制御部の選択動作を説明する説明図である。
【図２２】第２実施例（ローパスフィルタ部とスケーリング部を共有化）を説明する説明図である。
【図２３】第３実施例（短ゲートタイムカウンタ部のサンプリング周波数を切り換えて使用する例）を説明する説明図である。
【図２４】第３実施例の制御部の切換動作を説明する説明図である。
【図２５】被測定信号の周波数を１８０２８３Ｈｚから１８０２９１Ｈｚに上昇させたときの周波数をサンプリング周波数２３４３７５．０Ｈｚの短ゲートタイムカウンタ部で測定した場合の周波数をプロットしたグラフである。
【図２６】図２５の被測定信号をサンプリング周波数２３６２２０．５Ｈｚの短ゲートタイムカウンタ部で測定した場合の周波数をプロットしたグラフである。
【図２７】図２５に相当する連続出力値を０．０５秒間隔で離散的にプロットしたグラフである。
【図２８】図２６に相当する連続出力値を０．０５秒間隔で離散的にプロットしたグラフである。
【図２９】第３実施例の周波数測定装置を動作させ被測定信号を離散的に測定した周波数をプロットしたグラフである。
【図３０】第３実施例の制御部のサンプリング周波数の切換動作を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本願の実施の形態においては、複数の短ゲートタイム方式の周波数測定装置を異なる動作点パラメータで同時に作動させ、各周波数測定装置の出力のうち低雑音のものを選択する。雑音レベルの判別には動作点パラメータを利用する。
【００２４】
また、他の実施の形態においては、一つの周波数測定装置が複数の短ゲートタイムカウンタ部を含む構成とし、各短ゲートタイムカウンタ部を異なる動作点パラメータで動作させる。各短ゲートタイムカウンタ部の動作の相違による出力差をスケーリング部によって調整し、同じ被測定信号を計測している短ゲートタイムカウンタ部の出力の選択を変えても装置出力にレベル（数値）変化が生じないようにする。
【００２５】
また、他の実施の形態においては、ローパスフィルタ部やスケーリング部が共用される。
【００２６】
（用語の説明）
まず、実施例におけるいくつかの用語について説明する。
「短ゲートタイムカウント方式」は、パルス列状の被測定信号を短いゲート時間で連続的に計数し、得られた計数値の列を高周波を除去するローパスフィルタで処理して、周波数に対応する信号を得る周波数測定方式である。
【００２７】
「動作点パラメータ」は、被測定周波数とサンプリング周波数の比として表され、実施例では、以下の式で表されるように使用の便宜上周波数比のうち０〜１の範囲（０〜０．５の範囲）を利用している。
動作点パラメータ＝（被測定周波数／サンプリング周波数）−Ｉｎｔ（被測定周波数／サンプリング周波数）  ただし、Ｉｎｔ（ｃ）はｃの整数部を返す関数である。
上記式より、動作点は０〜１の間の値を取る。パターン雑音の強度は動作点の複雑な関数であり、動作点０．５で対称性を持つ。すなわち、動作点０．５−ｄにおけるパターン雑音強度は、動作点０．５＋ｄにおけるパターン雑音強度に等しいという性質がある（０＜ｄ≦０．５）。図の雑音強度と動作点の関係は、動作点０〜０．５の範囲で示している（図８参照）。
【００２８】
「パターン雑音」は、短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置において動作点パラメータ（被測定周波数とサンプリング周波数の比）が単純な有理数値に近い場合に、動作点に対応して発生する雑音のことである。ΔΣ変調においては、出力が周期的系列を生成するよう
な入力値があり、これに近い入力が加えられた場合に発生するパターン雑音が知られているが、これと同じアナロジーである。
しかしながら、ΔΣ変調時におけるパターン雑音の回避方法と、短ゲートタイムカウン
ト方式におけるパターン雑音の回避方法では、その思想が異なる。ΔΣ変調の場合、パタ
ーン雑音自体を抑制するために高次の構成や多段の構成とする工夫がなされる。これは、ダイナミックレンジと同程度の入力信号変化を扱うことに起因する。
短ゲートタイムカウント方式の場合、入力信号変化の幅をダイナミックレンジに対してある範囲に収まるように設計することが可能であるため、構成を変更することなく、動作点パラメータを適宜選ぶことによりパターン雑音を回避することができる。
なお、出願人はパターン雑音のより詳細な例について特願２００８−２５５６６７号によって説明している。
【００２９】
（短ゲートタイムカウント法）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。まず、特願２００８−０９９７２１号によって提案された「短ゲートタイムカウント法」を使用する周波測定装置の概略を図１乃至図７を参照して説明する。各図において、対応する部分には、同一符号を付している。
【００３０】
図１において、信号源１０はパルス列信号を発生する。信号源（パルス発生器）１０は、例えば、発振周波数ｆ0が３０ＭＨｚ付近の水晶発振器であり、例えば、ニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサなどの検出部に相当する。ニオイ物質などが水晶振動子電極表面に付着すると付着量に応じて発振周波数が低下する。このパルス列信号は短ゲートタイムカウンタ部（以下、単に「短ゲートカウンタ部」とも称する。）２０に供給される。短ゲートタイムカウンタ部２０は、供給されるパルス列信号のパルス計数を短いゲート時間で途切れることなく行う。カウント値はパルス列信号の周波数（時間間隔）と対応関係にあり、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３０に逐次供給される。
【００３１】
図２は、短ゲートタイムカウンタ部２０の第１の構成例を示している。短ゲートタイムカウンタ部２０は、信号源から供給されるパルス列信号を途切れることなく計数する（入力信号に対して不感期間を設けない）ことが望ましい。
【００３２】
そこで、第１の実施例では、第１カウンタ２１と第２カウンタ２２の２つのカウンタを備える構成とする。パルス列信号は第１カウンタ２１と第２カウンタ２２の両方に供給される。制御部２３は両カウンタにサンプリング周波数ｆｓ（サンプリング期間ｔｓ）のゲート信号、リセット信号を夫々送り、両カウンタの出力をスイッチを介してローパスフィルタ部３０に供給する。両カウンタから計数値を交互に出力し、一方が計数しているときに他方がリセットやデータ転送などをすることによって、カウンタのリセットやデータ転送時に生ずる不感期間を回避する。なお、制御部２３はハードウエアとして構成しても良いし、パソコンなどによってソフトウェアで構成しても良い。
【００３３】
図３は、短ゲートカウンタ部２０の第２の構成例を示している。この実施例では１つのカウンタ２４を用いている。カウンタ２４は直接カウント方式のカウンタであり、サンプリングしたパルス信号を常時計数し累積値を出力する（リセットしない）。カウンタ２４の出力は減算器２５と前回累積値を保持するレジスタ２６に送られる。減算器２５はカウンタ２４から出力される今回累積値から前回累積値を減じて今回計数値を得て、ローパスフィルタ部３０に供給する。装置全体の動作は図１の測定装置の場合と同様である。
【００３４】
図４は、ローパスフィルタ部３０をアナログ回路で構成した例を示す。この例では、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、キャパシタＣ１，Ｃ２、オペアンプＯＰ１からなるローパスフィルタを二段接続としている。これ等の回路定数を適宜に選定することによって、（図示しないＤ／Ａ変換器によって）アナログ信号に変換されたカウンタ２４の出力信号から第１の周波数成分（あるいは第１の周波数以上の高域成分）を除去（抑制）する。ローパスフィルタのカットオフ周波数や信号レスポンス特性は、出力信号のＳ／Ｎ（信号／雑音）比、出力信号の波形応答特性等によって適宜に設定される。短ゲートタイムカウンタ２０から１ビットシリアルで出力される場合には、そのままローパスフィルタ部３０に入力することが出来る。短ゲートカウンタ２０からｎビットで出力される場合には、ｎビット出力に対応したＤ−Ａ変換器を介して入力することが出来る。
図５は、ローパスフィルタ部３０を移動平均フィルタ（デジタルフィルタ）によって構成した例を示す。同図において、３１は加算器、３２はシフトレジスタ、３３は減算器、３４はインバータ、３５は各部に動作タイミングクロックなどを供給する制御部、３６は割算器である。
【００３５】
カウンタから出力された計数値は、加算器３１とタップ数相当の記憶領域を備えるシフトレジスタ３２の両方に与えられる。シフトレジスタ３２内を平均値計算の対象となるＮ個のデータが他と同期して順次移動する。加算器３１の他方には前回計算のトータル値が供給されており、加算器は新計数値と前回のトータル値とを加算する。この累積加算値からシフトレジスタ３２で先頭の（旧い）データの計数値を減算器３３で除き、これを新トータル値とする。新トータル値を前回トータル値として加算器に戻し、新トータル値を除算器３６で対象データ数Ｎで割り算する。ここで、割算器は出力値を周波数（Ｈｚ）にスケーリングする機能を持つが、スケーリングを気にしなくても良い場合は省略することができる。
【００３６】
移動平均フィルタを多段の構成とする場合、最終段にのみ割算器を配しても良い。
図６は、短ゲートタイムカウンタ２０におけるカウント値の出力の例を示している。この例では、サンプリング周波数１００Ｈｚ（ゲート時間０．０１秒）でパルス列信号を計数した場合を示している。サンプリング周波数１００Ｈｚの場合には、周波数分解能も１００Ｈｚまで低下するため、１つの計数値のみからは供給パルス列信号の１００Ｈｚ以下の情報を検出できないが、１秒間に１００個の計数値が得られることになる。計数値の１００倍である周波数は、３０，０７２，３００Ｈｚと３０，０７２，４００Ｈｚの間に時間軸上にパルス状に分布している。
【００３７】
ここで、サンプリングにおける量子化誤差（±１カウント誤差）について説明する。例えば、直接カウント方式のカウンタで１２３．３４Ｈｚで安定しているパルス列信号を測定する場合について検討する。
【００３８】
ゲート時間１０秒の場合：  １０秒ごとに１２３３カウント又は１２３４カウント
これを１／１０倍した、１２３．３Ｈｚもしくは１２３．４Ｈｚの表示（１０秒ごと）となる。（測定誤差は０．１Ｈｚ）
【００３９】
ゲート時間１秒の場合：  １秒ごとに１２３カウント又は１２４カウント
１２３Ｈｚもしくは１２４Ｈｚの表示（１秒ごと）となる。（測定誤差は１Ｈｚ）
ゲート時間０．１秒の場合：  ０．１秒ごとに１２カウント又は１３カウント
これを１０倍した、１２０Ｈｚもしくは１３０Ｈｚの表示（０．１秒ごと）となる。（測定誤差は１０Ｈｚ）
ゲート時間０．０１秒の場合：  ０．０１秒ごとに１カウント又は０カウント
これを１００倍した、１００Ｈｚもしくは２００Ｈｚの表示（０．０１秒ごと）となる。（測定誤差は１００Ｈｚ）
【００４０】
このように、ある一点の周波数で安定しているパルス列信号をカウントした場合、計数値はゲート時間によって定まる２つの値間を振幅とするパルス列状に分布する。一方、カウントするパルス列信号の周波数が変動する場合でも、変動が上記測定誤差に収まる範囲であれば、計数値は２つの値間を振幅とするパルス列状に分布するのに変わりない。例えばゲート時間０．０１秒の場合、カウントするパルス列信号の周波数の変動が１００〜２００Ｈｚの間で収まっている限り、１００Ｈｚもしくは２００Ｈｚの表示が得られる。
【００４１】
図６に示すように、１秒未満の短いゲート時間でサンプリングを行う短ゲートタイムカウント方式では、カウント値がパルス列として振る舞い、被測定周波数の変化に応じパルス列の頻度（粗密）が変化する。振動周波数の大小が当該パルス列の密度の大小に対応する。カウントするパルス列信号の周波数に関する情報は、パルス列として振る舞うカウント値の周波数スペクトルの低域成分に存在する。そこで、ローパスフィルタによってカウント値から低域成分を抽出する（量子化誤差に起因する高調波成分を除去する）ことによってカウントするパルス列信号の周波数の情報を復調することが出来る。
【００４２】
図７は、上述したカウント値の列（図６参照）をタップ数５１２の（デジタル）ローパスフィルタ部３０に与えて高周波成分を除去した例を示している。同図に示されるように供給されたパルス列信号の周波数の変化が連続的な（アナログ的）な曲線として出力される。１００Ｈｚのサンプリング周期の計数では測定不能な領域まで、特に、１Ｈｚ以下の周波数変化まで検出することが可能となっている。
【００４３】
このように、短ゲートタイムカウント方式では、ゲート時間を短くする（サンプリング周波数を高くする）と、各々の測定誤差は大きくなるがたくさんの測定値の列が得られ、ローパスフィルタによって高域成分（あるいはある周波数成分）を取り除くことが出来、周波数測定分解能は向上する。前述したように、ローパスフィルタの特性は、出力信号の所要のＳ／Ｎ、信号応答性などに応じて適宜に設計される。短ゲートタイムカウント方式では、回路規模を小さく抑えることができるため、マルチチャンネル化が容易である。アナログローパスフィルタを用いることによってアナログ出力にも対応することが可能である等の利点を有する。
【００４４】
（パターン雑音）
短ゲートタイムカウント方式は上述した利点を有するものであるが、種々の実験の結果、信号源１０が出力する被測定信号（パルス列信号）の周波数と短ゲートタイムカウンタ２０のサンプリング周波数との組み合わせによっては、パターン雑音（ノイズ）が発生（レベル増加）する場合があることが判った。
【００４５】
図８は、被測定周波数とサンプリング周波数との比（動作点パラメータ０〜０．５）に対するパターン雑音レベルを示すグラフである。パターン雑音レベルは最大値を１とする相対値（任意単位）で示されている。
【００４６】
上述したように、動作点パラメータは特性把握の便宜上用いられており、以下のように定義される。動作点パラメータ＝被測定周波数÷サンプリング周波数−Ｉｎｔ（被測定周波数÷サンプリング周波数）  ただし、Ｉｎｔ（ｃ）はｃの整数部を返す関数である。定義式より、動作点パラメータは０〜１の間の値を取ることがわかる。パターン雑音のレベル（強度）は動作点パラメータの複雑な関数であり、動作点０．５で対称性を持つ。すなわち、動作点０．５−ｄにおけるパターン雑音レベル強度は、動作点０．５＋ｄにおけるパターン雑音強度に等しいという性質がある（０＜ｄ≦０．５）。そこで、図８では、雑音強度と動作点の関係は、動作点０〜０．５の範囲で示している。
【００４７】
（パターン雑音の低減方法）
次に、短ゲートタイムカウント法の周波数測定装置におけるパターン雑音の低減について説明する。パターン雑音を低減するためには、雑音レベルの低い動作点パラメータとなるように周波数測定装置の動作を設定すればよい。動作点パラメータを調整する方法としては、(1) 被測定信号の周波数を調整する。(2) 被測定信号の周波数を見かけ上変化させる。(3) サンプリング周波数を調整する等が考えられる。
【００４８】
ところで、動作点パラメータはその定義から明らかであるように、被測定信号の周波数が変化すると動作点パラメータの値も変化する。被測定信号の周波数の変化範囲が広いと周波数測定中にパターン雑音が発生する特定の周波数を被測定信号の周波数が通過することになり、パターン雑音の回避が難しくなる。
【００４９】
本願発明はこの被測定信号の測定中における動作点パラメータの変化にも対応するものである。本願発明では、周波数測定動作中に測定された周波数（あるいはその時点の動作点パラメータ）に対応して周波数測定装置の、例えば、サンプリング周波数を変えて動作点パラメータを変更するようにする。このため、第１実施例では２つ（適宜な数でもよい）の周波数測定装置を使用する。また、第２実施例では２つ（適宜な数でもよい）の短ゲートタイムカウンタ部を使用する。一方の周波数測定装置（あるいは短ゲートタイムカウンタ部）を使用して測定しているときに、他方の周波数測定装置をパターン雑音強度の低い動作点パラメータになるように調整し、併行して計数動作させる。そして、被測定信号の周波数変化等によって現在選択している周波数測定装置（あるいは短ゲートタイムカウンタ部）のパターン雑音強度が増大したときに、より雑音の少ない動作点パラメータで動作している他の周波数測定装置（あるいは短ゲートタイムカウンタ部）に選択を切換える。必要により周波数測定装置相互間の出力差を補償して切換ノイズ（レベル差）の発生を防止する。このようにして、適宜に動作点を切り換えた周波数測定装置によって計測値出力を得ることにより、広い測定周波数範囲においてＳＮの良い出力を得る。
【００５０】
（実施例１）
まず、実施例の構成を説明し、その後に雑音を除去する動作について説明する。
図９は、第１実施例の短ゲートタイムカウント方式の周波数測定装置の構成を説明する説明図である。同図において図１と対応する部分には同一符号を付している。
【００５１】
この実施例では、２つの周波数測定装置の各々を３つのサンプリング周波数ｆｓ１〜ｆｓ３（これに限定されるものではない）で動作可能に構成し、被測定信号を同時に２つの周波数測定装置で計数し、いずれかの計数出力を選択する構成としている。そして、一方の周波数測定装置の出力が選択されているとき、他方の周波数測定装置は現在の計測値においてパターン雑音強度が低い動作点パラメータとなるようにサンプリング周波数が選定されて選択待ち（待機）状態となっている。この状態において、一方の周波数測定装置の出力がパターン雑音強度の増大する周波数に近づいた際に他方の周波数測定装置の出力に切換える。
【００５２】
また、この実施例では、例えば、サンプリング周波数は、３０ＭＨｚの原信号を１２６分周、１２７分周、１２８分周したものをそれぞれのサンプリングの基準信号（サンプリング周波数ｆｓ１:２３８０９５．２Ｈｚ、ｆｓ２：２３６２２０．５Ｈｚ、ｆｓ３：２３４３７５．０Ｈｚ）としている。また、被測定信号として１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの間で変動する信号ｆｏを計測する場合を一例として説明する。
【００５３】
同図に示すように、被測定信号源１０からパルス列状の被測定信号ｆｏが短ゲートタイムカウント方式の第１の周波数測定装置Ｃ１及び第２の周波数測定装置Ｃ２に供給される。周波数測定装置Ｃ１及び周波数測定装置Ｃ２の各測定出力はセレクタ５０に供給される。セレクタ５０は後述の制御部１００から供給される信号に応じていずれか一つの測定値出力を選択し、図示しない装置出力端に導出する。
【００５４】
第１の周波数測定装置Ｃ１は、短ゲートタイムカウンタ部２０、ローパスフィルタ部３０及びスケーリング部４０によって構成される。短ゲートタイムカウンタ部２０は後述する基準信号発生部１４０から供給される動作信号によってサンプリングの周波数ｆｓ（＝ｆｓ１、ｆｓ２、ｆｓ３、…）が適宜に設定される。例えば、サンプリング周波数ｆｓ３（ゲート期間ｔｓ３）のゲートクロックに同期して被測定信号ｆｏのパルス数を計数する。このときの短ゲートタイムカウンタ部２０の動作点パラメータは（ｆｏ／ｆｓ３）−Ｉｎｔ（ｆｏ／ｆｓ３）である。
【００５５】
ローパスフィルタ部３０は、短ゲートタイムカウンタ部２０から供給される計数値列から高周波成分を除去して被測定信号の周波数の大小に対応したレベル（あるいは数値）の信号をスケーリング部４０に出力する。例えば、ローパスフィルタ部３０は、三段移動平均フィルタ（タップ数７８１３×３）で構成される。このタップ数はカットオフ周波数が約５Ｈｚとなるように（フィルタのタップ数の合計を駆動周波数の１０分の１の値になるように）決めているが、３つのサンプリング周波数ｆｓ１〜ｆｓ３のうち最も小さいもの（ｆｓ３）を採用することで、カットオフ周波数約５Ｈｚ以上が保証できる。サンプリング周波数が異なってもローパスフィルタを共用する場合には、サンプリング周波数の小さい方に合わせると都合が良い。
【００５６】
スケーリング部４０は同一周波数の被測定信号ｆｏに対して他の周波数測定装置と同じ出力が得られるようにローパスフィルタの３０の出力値をスケーリング係数ｋ（より具体的には、後述の係数ａ，係数ｂ）で調整し、レベル調整した計数値出力をセレクタ５０に供給する。サンプリング周波数ｆｓ及びスケーリング係数ｋの各値は制御部１００によって設定される。なお、周波数絶対値を必要としないような用途にはスケーリング部４０を省略することが可能である。
【００５７】
スケーリング部４０は、例えば、入力ｘに対しａ・ｘ＋ｂのレベル変換を行う。制御部１００は、サンプリング周波数ｆｓを変更する度に係数ａ，ｂを対応する値に変更する。ａ，ｂの係数は、サンプリングの周波数ｆｓとローパスフィルタ部３０の構成により一意に決まる。ローパスフィルタ部３０の構成が固定である場合は係数ａ，ｂはサンプリングの周波数により決まる。例えば、サンプリング周波数ｆｓがｆｓ３のとき、スケーリング部４０にはスケーリング係数ｋ３（ａ３、ｂ３）が設定される。
【００５８】
上述したローパスフィルタ部３０及びスケーリング部４０はデジタル回路あるいはアナログ回路のいずれで構成しても良い。
【００５９】
第２の周波数測定装置Ｃ２も周波数測定装置Ｃ１と同様に構成される。短ゲートタイムカウンタ部２０は基準信号発生部１４０から供給される動作信号によってサンプリングの周波数ｆｓが適宜に設定される。例えば、サンプリング周波数ｆｓ２（ゲート期間ｔｓ２）のゲートクロックに同期して被測定信号ｆｏのパルス数を計数する。このときの短ゲートタイムカウンタ部２０の動作点パラメータは（ｆｏ／ｆｓ２）−Ｉｎｔ（ｆｏ／ｆｓ２）である。また、スケーリング部４０には制御部１００によってスケーリング係数ｋ２（ａ２、ｂ２）が設定され、同じ被測定信号に対して周波数測定装置Ｃ１とＣ２の出力が同じ計測値出力となるように調整される。他の構成は周波数測定装置Ｃ１と同じである。
【００６０】
周波数測定装置Ｃ１及び周波数測定装置Ｃ２の各出力はセレクタ５０に供給され、セレクタ５０は制御部１００からの指令信号に従っていずれかの出力を選択して図示しない装置出力端に計数値出力を中継する。また、計数値出力は制御部１００にも供給される。
【００６１】
制御部１００は動作点算出部１１０、選択制御部１２０、記憶部１３０、基準信号発生部１４０等を含んでいる。制御部１００は、例えば、マイクロプロセッサユニットによって構成される。計測値出力は制御部１００の動作点算出部１１０及び選択制御部１２０に供給される。後述のように動作点算出部１１０は必要により設けられる。周波数測定値の選択制御動作が予め作成されたテーブルに従って行わせる場合等には、動作点算出部１１０は省略可能である。
【００６２】
既述した基準信号発生部１４０は、選択制御部１２０の指令に応じて、例えば、水晶振動子による発振器の３０ＭＨｚの信号を可変分周器などによって適宜に分周し、複数の短ゲートタイムカウンタ部２０の各々に異なる周波数の動作信号を供給する。例えば、既述したように３０ＭＨｚの信号を１２６分周して周波数２３８０９５．２Ｈｚの信号ｆｓ１を出力し、１２７分周して周波数２３６２２０．５Ｈｚの信号ｆｓ２を出力し、１２７分周して周波数２３４３７５．０Ｈｚの信号ｆｓ３を出力する。
【００６３】
動作点算出部１１０は、例えば、周波数測定装置Ｃ１から出力されるカウント値を収集し、一定時間におけるカウント値の分布に基づき動作点パラメータを推定する。カウント値の合計をΣ、収集したカウント値の個数をｎとおくと、定義より、Σ/ｎ−Ｉｎｔ（Σ/ｎ）で推定することができる。この際、必要な推定精度となるようｎを調整する。各々の周波数測定装置における動作点パラメータｍ１、ｍ２は、被測定信号の測定周波数ｆｏと、サンプリング周波数ｆｓ１、ｆｓ２が与えられれば、ｍ１＝ｆｏ/ｆｓ１−Ｉｎｔ（ｆｏ/ｆｓ１）、ｍ２＝ｆｏ/ｆｓ２−Ｉｎｔ（ｆｏ/ｆｓ２）の関係より知ることができる。これ等の各周波数測定装置の短ゲートタイムカウンタ部２０の動作点パラメータの計算結果を選択制御部１２０に出力する。
【００６４】
なお、被測定信号ｆｏの周波数が変化すると、動作点パラメータｍ１、ｍ２は一定の関係を保って移動する。したがって、いずれか一つの周波数測定装置の動作点パラメータを計算すれば、他の周波数測定装置の動作点パラメータは機械的に決まり、全ての周波数測定装置の動作点パラメータを知ることが出来る。
【００６５】
記憶部１３０は、上述した動作点パラメータ対パターン雑音強度のテーブル（図８参照）、後述する測定周波数対パターン雑音強度のテーブル（図１０、図２４参照）、サンプリング周波数ｆｓに対応するスケーリング係数ｋ（ａ，ｂ）等を予め記憶している。なお、記憶部１３０は周波数測定装置に内蔵されるコンピュータシステムのメモリ装置に限られず、ＬＡＮやＷＡＮなどのネットワーク上のデータベースなども該当する。
【００６６】
選択制御部１２０は、予め記憶部１３０に保持された図８に示すような動作点パラメータ対パターン雑音強度のテーブルあるいは後述する図１０等に示すような測定周波数対パターン雑音強度のテーブルを参照し、各周波数測定装置の動作点パラメータの雑音レベルあるいは測定周波数（計数値出力）における雑音レベルを判別（推定）する。そして、選択制御部１２０は、一つの周波数測定装置の出力を選択しているときに、被測定信号の周波数の増加又は減少の傾向から予測される測定周波数における動作点パラメータがパターン雑音の増大点に至ると判断すると、予め他の周波数測定装置の動作点パラメータ（サンプリング周波数ｆｓ）を予測される測定周波数におけるパターン雑音の低い状態に設定しておく。また、選択制御部１２０は設定したサンプリング周波数ｆｓに対応するスケーリング係数ｋ（ａ，ｂ）をスケーリング部４０に設定する。選択制御部１２０は、選択している周波数測定装置の計数値出力（周波数）がパターン雑音の増大点に近づくと、他の周波数測定装置の出力の選択に切換える。
【００６７】
選択制御部１２０は、被測定信号の周波数測定期間中、パターン雑音を回避するための、出力が選択された周波数測定装置において予測されるパターン雑音発生前の非選択（待機）周波数測定装置への該予測されるパターン雑音の発生周波数において低雑音となる動作点パラメータの設定を行う。また、選択制御部１２０は、選択された周波数測定装置の計数値出力が予測されるパターン雑音発生の周波数に至る前に非選択周波数測定装置の計数値出力に切換える。このような操作が繰り返される。それにより、短ゲートタイムカウント法による周波数測定装置の一連の計測値出力からパターン雑音が除かれたＳＮ比のよい計数値出力が提供される。
【００６８】
次に、図１０乃至図２１を参照して制御部１００の選択動作について更に説明する。
図１０は、３０ＭＨｚの原信号を１２６分周した２３８０９５．２Ｈｚのサンプリング周波数ｆｓ１によって１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの範囲で変化する被測定信号ｆｏを測定した場合の周波数測定装置におけるパターン雑音強度分布の例を示すグラフである。同図のグラフにおいてパターン雑音強度が所定強度、例えば、０．１Ｈｚ以上のものにチェック（丸印）を入れたグラフを図１３に示す。
【００６９】
図１１は、３０ＭＨｚの原信号を１２７分周した２３６２２０．５Ｈｚのサンプリング周波数ｆｓ２によって１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの範囲で変化する被測定信号ｆｏを測定した場合の周波数測定装置におけるパターン雑音強度分布の例を示すグラフである。同図のグラフにおいてパターン雑音強度が所定強度、例えば、０．１Ｈｚ以上のものにチェック（丸印）を入れたグラフを図１４に示す。
【００７０】
図１２は、３０ＭＨｚの原信号を１２８分周した２３４３７５．０Ｈｚのサンプリング周波数ｆｓ３によって１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの範囲で変化する被測定信号ｆｏを測定した場合の周波数測定装置におけるパターン雑音強度分布の例を示すグラフである。同図のグラフにおいてパターン雑音強度が所定強度、例えば、０．１Ｈｚ以上のものにチェック（丸印）を入れたグラフを図１５に示す。
【００７１】
図１６は、図１３乃至図１５でチェックした、被測定周波数対所定値を越えるパターン雑音強度の関係をサンプリング周波数ｆｓ１（分周数１２６で示す）、ｆｓ２（分周端数１２７で示す）及びｆｓ３（分周数１２８で示す）についてそれぞれ示すテーブルである。
【００７２】
図１７は、実施例との比較基準用として、被測定信号ｆｏの周波数を１８０２８３Ｈｚから１８０２９１Ｈｚに徐々に上昇させ、このときの周波数をレシプロカルカウンタを用いて精密測定した際の計数値出力をプロットしたグラフである。
【００７３】
図１８は、図１７に示される、１８０ｋＨｚ〜１８１ｋＨｚの範囲で変化する被測定信号ｆｏをサンプリング周波数ｆｓ３（２３４３７５．０Ｈｚ、１２８分周）の短ゲートタイムカウント法の単体の周波数数測定装置（Ｃ１に相当）で測定した場合の計数値出力をプロットしたグラフである。後半に雑音が発生している。
【００７４】
図１９は、図１７に示される被測定信号ｆｏをサンプリング周波数ｆｓ２（２３６２２０．５Ｈｚ、１２７分周）の短ゲートタイムカウント法の単体の周波数測定装置（Ｃ２に相当）で測定した場合の計数値出力をプロットしたグラフである。
【００７５】
図２０は、第１実施例のように２つの周波数測定装置の出力を途中で切り換えて動作させて周波数測定した計数値出力をプロットしたグラフである。１８０２８４．４Ｈｚで図１８の出力特性のパターンから図１９の出力特性のパターンに切り換えられて、図１８に存在したパターン雑音の発生が回避されている。
【００７６】
図２１は、上述した図１６のテーブルに説明を加えて制御部１００の選択動作を説明する説明図である。まず、サンプリング周波数ｆｓ３（２３４３７５．０Ｈｚ、図中の１２８分周の欄に相当）で動作させた周波数測定装置Ｃ１（あるいは短ゲートタイムカウンタ回路）が１８０２８３．０Ｈｚの被測定信号ｆｏを測定しているものとする。このとき、表中の１２８と書かれた縦の欄に現在の周波数測定装置Ｃ１の状態があり、１８０２８３．０Ｈｚを含む領域には領域の上部に「１２７」と記載さている。そこで、制御部１００は、待機中の周波数測定装置Ｃ２（短ゲートタイムカウンタ部）をサンプリング周波数ｆｓ２（２３６２２０．５Ｈｚ、図中の１２７分周の欄に相当）で動作させておき、それに対応するスケーリング係数をスケーリング部４０に書き込んでおく。
【００７７】
被測定信号ｆｏの周波数が上昇し１８０２８８．４Ｈｚ（第１雑音発生周波数）に近づいてくると、制御部１００は測定値が１８０２８８．４Ｈｚの±４Ｈｚの範囲に入った時点で待機中の周波数測定装置Ｃ２（短ゲートタイムカウンタ回路）の出力に切り替える。なお、近傍値±４Ｈｚの範囲は構成に応じて適宜に設定される。
【００７８】
この選択出力の切換によって現在使用されている周波数測定装置Ｃ２の状態は１２７の欄の１８０２８８．４Ｈｚを含む領域にある。この領域の上部には、「１２８」と記載されており、待機状態となった周波数測定装置Ｃ１のサンプリング周波数をｆｓ３に設定する。尤も、周波数測定装置Ｃ１はサンプリング周波数ｆｓ３で動作しているのでそのままの状態で動作させておく。
【００７９】
もし被測定信号ｆｏの周波数がさらに上昇し１８０３００．０Ｈｚを超えるようなことがあれば、表中の次の領域に周波数測定装置Ｃ２の状態が移動し、同領域の上部に記載された「１２６」に対応して、待機中の周波数測定装置Ｃ１（短ゲートタイムカンター回路）の駆動周波数をサンプリング周波数ｆｓ１（２３８０９５．２Ｈｚ、１２６分周相当）に切り替え、スケーリング係数も対応するものに書き換える。被測定信号ｆｏの周波数がさらに上昇し１８０３４０．４Ｈｚ（第２雑音発生周波数）に近づいてくると、制御部１００は測定値が１８０３４０．４Ｈｚの±４Ｈｚの範囲に入った時点で待機中の周波数測定装置Ｃ１（短ゲートタイムカウンタ回路）の出力に切り替える。このような出力の選択操作を被測定信号ｆｏの周波数の増加又は減少に対応して繰り返す。
【００８０】
このようにして、２つの動作点パラメータの異なる周波数測定装置を用いて一方の出力がパターン雑音の発生する周波数に近接すると予めパターン雑音の発生する周波数が異なるように選定された他方の周波数測定装置の出力を選択することにより雑音を回避するようにして広い周波数変化範囲おいて雑音の少ない連続な計数値出力を得ることが可能となる。
【００８１】
なお、図２１においては、説明の便宜のため被測定周波数ｆｏと所定強度以上の雑音の発生点によって示しているが、これは動作点パラメータと雑音発生点との関係としても対応づけられるものである。したがって、既述した動作点算出部１１０によって算出された動作点パラメータによって上記同様に周波数測定装置の出力の切換えと、待機周波数測定装置の動作点パラメータ（サンプリング周波数ｆｓ選定）及びこれに対応するスケーリング係数の設定とを行うことが出来る。
【００８２】
（実施例２）
図２２は、本発明の第２の実施例を説明する説明図である。同図において、図９と対応する部分には同一符号を付しかかる部分の説明は省略する。
この実施例では、実施例１の構成におけるローパスフィルタ部３０とスケーリング部４０とを２つの短ゲートタイムカウンタ部で共用している。このため、２つの短ゲートタイムカウンタ部２０の各々の出力をセレクタ５０によって選択する。セレクタ５０の出力はスケーリング部４０に供給される。スケーリング部４０はサンプリング周波数ｆｓの相違による計数値の差を補償して被測定信号の周波数に対して同じ計数値（レベル）出力となるようにする。ローパスフィルタ部３０によって計数値列の出力から高周波成分を除いて被測定信号の周波数に対応して計測値出力が得られる。制御部１００は実施例１と同様に構成されて、計測値出力に基づいて２つの短ゲートタイムカンター部２０の各々のサンプリング周波数ｆｓ（動作点パラメータ）の選定、セレクタ５０による短ゲートタイムカウンタ部２０の一方の出力選択、スケーリング部４０の選択した短ゲートタイムカウンタ部２０のサンプリング周波数ｆｓに対応したスケーリング係数の書き換えを行う。セレクタ部５０による出力選択とスケーリング係数の書き換えとはタイミングが同期されている。また、ローパスフィルタ部３０のタップ数は、例えば、サンプリング周波数ｆｓ（ｆｓ１、ｆｓ２、ｆｓ３、…）のうち最小のものに合わせてカットオフ周波数などの仕様を満たすように設計される。他の構成は実施例１と同様であり、制御部１００の制御態様も同様であるので説明を省略する。
この実施例２の構成によっても図２０と同じＳＮ比が改善された出力結果が得られている。実施例２の構成によれば、ローパスフィルタ部、スケーリング部４０とが共用されるので同構成部分が半分の回路で済む。
【００８３】
（実施例３）
図２３は、本発明の第３の実施例を示す説明図である。同図において、図９と対応する部分には同一符号を付しかかる部分の説明は省略する。
この実施例では、周波数測定装置は１つのターンゲートタイムカウント方式の周波数測定送致Ｃ１で構成される。周波数測定装置Ｃ１の１つの短ゲートタイムカンター部２０のサンプリング周波数ｆｓを複数のサンプリング周波数ｆｓ１、ｆｓ２、…に切り換えて使用する。サンプリング周波数ｆｓの切換に対応してスケーリング部４０のスケーリング係数ｋも選定される。他の構成は図９と同様であるのでその説明を省略する。
【００８４】
このような実施例は、例えば、被測定信号の計測値を得るタイミングが離散的で良く、サンプリング周波数ｆｓ（動作点パラメータ）の切換の際にローパスフィルタ部４０の過渡応答時間が計測間隔以下である場合に適用することができる。例えば、以下の例のローパスフィルタ部３０は、過渡応答が０．０５秒以内に収まるように三段移動平均フィルタ（タップ数３９０６×３）のタップ数が選定されている。なお、実施例２と同様に、スケーリング部４０をローパスフィルタ部３０の前に設けて計測値出力を補償する構成（図２３参照）とすることも出来る。
【００８５】
このような構成の実施例３の制御部１００の動作について説明する。
まず、図２４は、実施例３の場合の制御部１００のサンプリング周波数選択動作を説明するテーブルであり、スケーリング係数と共に記憶部１３０に記憶されている。
図２４は、被測定周波数対所定値を越えるパターン雑音強度の関係をサンプリング周波数ｆｓ１（分周数１２６で示す）、ｆｓ２（分周数１２７で示す）及びｆｓ３（分周数１２８で示す）についてそれぞれ示すテーブルである。同図では、図１６中に丸印で示したパターン雑音発生点に、この発生点に接近したときに選択すべきサンプリング周波数ｆｓ１、ｆｓ２、ｆｓ３がそれぞれ分周数１２６、１２７、１２８で記載されている。
【００８６】
図２５は、周波数を１８０２８３Ｈｚから１８０２９１Ｈｚにステップ状に緩やかに上昇させた被測定信号をサンプリング周波数ｆｓ３（２３４３７５．０Ｈｚ、３０ＭＨｚの１２８分周相当）で計測した周波数測定装置の計測値出力を連続的にプロットしたグラフを示している。計測値列の後半で雑音が発生している。
【００８７】
図２６は、周波数を１８０２８３Ｈｚから１８０２９１Ｈｚに上昇させた被測定信号をサンプリング周波数ｆｓ２（２３６２２０．５Ｈｚ、３０ＭＨｚの１２７分周相当）で計測した周波数測定装置の計測値出力を連続的にプロットしたグラフを示している。後半で雑音は発生していない。
【００８８】
図２７は、図２５に相当する連続出力値を０．０５秒間隔で離散的にプロットしたグラフである。また、図２８は図２６に相当する連続出力を０．０５秒間隔で離散的にプロットしたものである。
【００８９】
図２９は、実施例３の周波数測定装置の制御部１００を動作させて、サンプリング周波数ｆｓ（動作点パラメータ）を計測途中の被測定信号の周波数１８０２８４．４Ｈｚでサンプリング周波数ｆｓ３からサンプリング周波数ｆｓ２に変更して被測定信号の周波数測定を離散的に行った計測値をプロットしたグラフである。同図に示すように、図２７中に発生していた大きなパターン雑音が回避されている。
図３０は、上述した図２４のテーブルに説明を加えて実施例３の周波数測定装置の制御部１００の選択動作を説明する説明図である。
【００９０】
まず、図３０に示すように、周波数測定装置Ｃ１がサンプリング周波数ｆｓ３（２３４３７５．０Ｈｚ）で動作しているものとする。これは図３０に１２８で示される右側の縦の欄（３０ＭＨｚの１２８分周に相当）に相当する。サンプリング周波数ｆｓ３で動作する短ゲートタイムカウンタ部２０が１８０２８３．０Ｈｚの被測定信号を０．０５秒間隔で離散的に測定している。制御部１００は、図中に矢印で示すように、被測定信号の周波数が上昇し１８０２８８．４Ｈｚ（第１雑音発生周波数）に接近すると、測定値が１８０２８８．４Ｈｚ±４Ｈｚの範囲に入ったときに、サンプリング周波数をｆｓ２に切換える（既述のように表の１２８の欄の被測定周波数１８０２８８．４Ｈｚに対応する部分には選定すべきサンプリング周波数が１２７と書かれている。）。また、スケーリング係数もサンプリング周波数ｆｓ２に対応するものに書き換える。過渡応答は０．０５秒以内に終わるため、次回の測定では正常な値が出力される。なお、接近範囲の±４Ｈｚは任意的な値であり、構成に応じて適宜変更可能である。
【００９１】
この選択出力の切換によって周波数測定装置の状態は１２７の欄の１８０２８８．４Ｈｚを含む領域にある。この領域の上部には、「１２８」と記載されており、下部には「１２６」と記載されている。被測定信号の周波数が更に増加して１８０３４０．４（第２雑音発生周波数）に接近すると周波数測定装置のサンプリング周波数はｆｓ１に、スケーリング係数もこれに対応したものに設定される。
【００９２】
もし被測定信号ｆｏの周波数がさらに上昇し１８０３３６．４を超えるようなことがあれば、被測定周波数１８０３４０．４に対応する同領域に記載された「１２６」に対応して、表中の次の（左）領域に周波数測定装置の状態が移動し、周波数測定装置のサンプリング周波数をｆｓ１（２３８０９５．２Ｈｚ、１２６分周相当）に切り替え、スケーリング係数もこれに対応するものに書き換える。このような出力の選択操作を被測定信号ｆｏの周波数の増加又は減少に対応して繰り返す。
【００９３】
このように、実施例３によれば、周波数測定装置のローパスフィルタ部３０の過渡応答特性を被測定信号の計測時間間以下とし、周波数測定装置のサンプリング周波数（動作点パラメータ）をパターン雑音の発生に対応して測定中に切り換えて被測定信号の計測を行う。それにより、パターン雑音の少ない特性の良い出力部分を組み合わせて出力信号を形成することができるのでパターン雑音のないＳＮ比の良い周波数測定装置を得ることが出来る。１つの周波数測定装置で実施例１と同様の効果を得ることが出来、周波数測定装置を半分の回路で構成することができる。
【００９４】
以上説明したように、本発明の実施例によれば、高次数のフィルタを用いずにパターン雑音を抑制することができ、時間分解能を損なわずにＳＮ比を向上させることが可能である。設計余裕度が増すためローパスフィルタのタップ数を下げることができ、高速応答性が実現できる（高速応答性はメモリの削減と同義である。）。同じサンプリング周波数では、性能が著しく向上するため、要求される性能が低い場合はサンプリング周波数を下げることができ、消費電力が抑制される。
【００９５】
また、本発明の実施例によれば、選択された出力をスケーリングするスケーリング部を備えるので、切り替えの際の出力値間の繋ぎ目をスムーシングすることができる。また、ローパスフィルタ部やスケーリング部を共有することによって回路の部品点数を削減できる。
【００９６】
（周波数測定装置を用いた装置）
上述した周波数測定装置は電子機器にモジュールとして搭載されて利用される。短ゲートタイムカウント法の周波数測定装置は同じ性能を発揮するよう設計された従来型カウンタ（レシプロカルカウンタ）に比べ回路構成が簡易であり、省電力で小型であり好都合である。例えば、振動子基板表面の微量の質量変化を周波数変化に変換するようにしたＱＣＭ(Quartz Crystal Microbalance)デバイス（質量センサ、ニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサ等）等に使用して好都合である。また、ある物理量を水晶振動子の周波数変化に変換するようにした水晶デバイス、例えば、圧力センサ、加速度センサや、また、これらを複数組み合わせて使用する機器に使用しても好適である。
【００９７】
以上説明したように、本発明の周波数測定装置によれば、短ゲートタイムカウント法の２つの周波数測定装置がそれぞれ複数のサンプリング周波数で動作し、かつ被測定信号に対して両周波数測定装置は異なるサンプリング周波数で計数を行うため、各周波数測定装置におけるパターン雑音の発生状況が違っている。パターン雑音特性は動作点パラメータ（被測定周波数とサンプリング周波数の比）の関数であり、鋭いピーク特性を持つため、パターン雑音の発生状況が異なれば２つの周波数測定装置の出力に発生するパターン雑音のピークが重なることを避けることができる。
【００９８】
そこで、各々のサンプリング周波数について測定周波数対パターン雑音発生のテーブルを用意し、第１の周波数測定装置におけるサンプリング周波数を第１周波数に設定したときに、第２の周波数測定装置におけるサンプリング周波数を第２周波数に設定して待機状態とする。そして、第１の周波数測定装置から第２の周波数測定装置に出力を切り換えたときに、第１の周波数測定装置のサンプリング周波数を第１又は第３周波数に設定して待機状態とする。
選択されている一方の周波数測定装置の計数値出力が増加又は減少してパターン雑音のピークが大きくなる動作点に近づいた際には、パターン雑音が小さくなるサンプリング周波数に調整されて待機している他方の周波数測定装置の出力に選択出力を切り替えることでパターン雑音のピークレベルを低減することができる。そのため、時間分解能を犠牲にせずに周波数分解能を改善することができる。
【００９９】
また、２つのサンプリング周波数を高めることやフィルタの特性を改善する等の対策を取らずとも、パターン雑音を抑制することができ、ＳＮ比が向上する。
【０１００】
また、設計余裕度が増すためローパスフィルタのタップ数を下げることができ、高速応答性が実現できる。同じサンプリング周波数では、性能が著しく向上するため、要求される性能が低い場合はサンプリング周波数を下げることができ、消費電力が抑制される。
【符号の説明】
【０１０１】
Ｃ１  周波数測定装置、Ｃ２  周波数測定装置、１０  信号源、２０  短ゲートタイムカウンタ部、２１  カウンタ、２２  カウンタ、２３  制御部、２４  カウンタ、２５  減算器、２６  レジスタ、３０  ローパスフィルタ部、３０ａ  ローパスフィルタ部、３１  加算器、３２  シフトレジスタ、３３  減算器、３６  除算器、４０  スケーリング部、４０ａ  スケーリング部、５０  セレクタ、１００  制御部、１１０  動作点算出部、１２０  選択制御部、１３０  記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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