2012 Fiscal Year Research-status Report
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24656062
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
桂 誠 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (70304003)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | ゼロドリフト / 位相計測 / 電圧比 / 物理計測 |
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| Research Abstract |
基準電圧比源については、市販の安価な金属箔抵抗器を用いれば、特別な恒温環境を構築しなくても、100ppb程度の安定性が得られることが分かった。この事は抵抗器の公開された仕様からは明らかではなかった。また、研究費で購入したデジタルボルトメータを用いれば、100ppb以上の安定性を持つ電圧比計測ができることもわかった。したがって、本年度の段階ではデジタルボルトメータを基準にした誤差評価でよい。
開始当初に試作済みであった電圧比ー位相差変換器は設計の仕様変更が容易では無かったので、再度回路設計をし、試作しなおした。その際、今度の設計変更を容易にするために、回路設計から試作までのプロセスをPC上で管理できるように、PCB設計のフリーソフトと安価な工作機械を導入し、切削基板が迅速に作成できる開発環境を得た。得られた回路に対してデジタルボルトメータで誤差を評価し、回路と解析方法の変更を繰り返した結果、誤差を数ppm以内に抑制し、その温度係数を1度あたり0.05ppm程度にすることに成功した。
そのうちの一つの要点を挙げると、位相計算の際に搬送波の３次高調波成分の位相を用いることで誤差とそのドリフトを数１０％程度に低減することに成功した。具体的には、１次高調波の位相差の２５％を３次高調波の位相差で置換する事である。その数学的な根拠は理解できたが、この方法の更なる拡張については、装置全体の誤差評価の高精度化を待つ必要がある。
誤差の非線形性についても評価した。誤差は５次関数でほぼ近似できた。しかし、その原因が電圧比ー位相差変換器にあるのか、後段のAD変換器側にあるのかはまだ評価していない。AD変換側にある非線形性は常時校正によって除去できることは申請書に記したとおりであるが、温度ドリフトは既に数時間の計測でも観測しにくい程度に低減しており、常時校正の必要性はまだ無いからである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ブリッジによる自己校正された基準電圧比源は構築していない。これは次年度以降の更なる高精度実現においては必要になってくる可能性があるが、今年度においてはこれがなくても十分な安定性を持つ電圧比源を得られた。
誤差のドリフトは詳細には得られていないが、既に温度係数は検出に数時間を要する程度に小さい。
常時校正はまだ実現していない。その必要が無いほどにドリフトが低減されていたからでもある。今後、更なる性能向上の為に常時校正が必要になるかどうかは、まだ明らかではない。
以上の様に計画していたシステムはまだ構築できていないが、計画していた100ppb以上の安定した計測は実現している。その為、おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
(i) 現時点では、数時間の連続計測を行った場合には、ドリフトよりもノイズ(誤差の短周期の時間変動)が計測精度を決めている。したがって、ノイズを低減する方向で開発を進めていく必要がある。ノイズの原因としては、ジッターノイズ（スイッチを駆動している複数のクロックやAD変換器を駆動している逓倍器（PLL）などの時間のズレに起因するノイズ）と実装上の制御されていないパラメータ（浮遊容量、グランドループ）の時間変化が主な要因と考えられる。以下、それぞれに対する方策を述べる。
ジッターノイズをより詳細に分類すれば、電圧比を位相差に変換する回路中のスイッチを駆動するクロックの揺らぎ、AD変換器内の逓倍器内のPLLの揺らぎが考えられる。前者の対策として、クロック発生に用いているFPGAから伝送されるクロック信号にノイズが混入しないな遮蔽を行う事。FPGAに入力している基準クロックを高精度のものに交換する、などが考えられる。後者の対策として、ジッター軽減をうたった市販のオーディオ用録音器を購入してAD変換器として用いたい。
実装上の問題への対処としてはリジッドケーブルの採用、スターグランドの採用、遮蔽性能の高いシャーシの利用、アナロググランドとデジタルグランドの分離など一般的に知られた様々な対策を行っていく必要がある。
(ii) ノイズが低減できれば、再びドリフト低減に取り掛かる。その為の一つの方策は基準電圧比源による高頻度の校正である。基準電圧比源として、抵抗分圧器と電池アレーを候補としている。どちらがより好ましいか、検討を要する。常時校正が必要か否かも検討する。
最終的に、10ppbの確度で電圧比計測を実現したい。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究を進めていく上で必要に応じて研究費を執行したため当初の見込み額と執行額は異なったが、研究計画に変更はなく、前年度の研究費も含め、当初予定通りの計画を進めていく。具体的には以下の通りである。
25年度の研究費の主な用途はオーディオ用録音器の購入である。ジッターノイズに起因する誤差変動の低減を目指す。
次の用途は実装上の問題への対応の為の回路部品の購入である。
最後に時間的な余裕があれば、(ii)基準電圧比源を高精度化を目指すため、恒温容器を作成する部品を調達したい。
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