| 研究課題/領域番号 |
18K04181
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
今池 健 日本大学, 理工学部, 准教授 (10548093)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | QCM / 瞬時周波数計測 / 瞬時位相 / 水晶発振器 |
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| 研究実績の概要 |
数ナノグラム以下の付着物質の質量変化を周波数の変化として検出可能なQCM（Quartz Crystal Microbalance：水晶振動子微量秤）について，測定時間短縮と測定精度向上を実現するため，従来手法である周波数カウンタによる計測とは異なる計測原理であるフルディジタル位相検出型QCM（Fully Digital Phase Detection QCM：FDPD-QCM）に関して研究を遂行した．
レシプロカル方式の周波数カウンタでは，基準クロックとゲート時間によって時間分解能と周波数分解能が制限されるため，FDPD-QCMでは発振器出力をAD変換器で直接サンプリングし，ダイレクトダウンコンバージョンによって瞬時位相値を算出した後，瞬時位相値の時間微分から瞬時周波数を算出することで時間分解能と周波数分解能の向上を実現している．
昨年度の実績ではレシプロカル方式の周波数カウンタとの比較で時間分解能で16倍，周波数分解能で7桁以上の性能向上を実現した．一方，近年の周波数カウンタの性能も向上しており，より高分解能な機種も存在することからFDPD-QCMとの性能比較を行った．数ナノグラム以下の質量変化を発振周波数の変化として模擬し，キャパシタの充放電によるアナログ補完器を有したレシプロカル周波数カウンタとFDPD-QCMを比較した結果，連続して得られる周波数値について周波数カウンタを使用した結果では周波数値の分散が大きく，改善のためにはゲート時間を長時間に設定する必要があった．一方，FDPD-QCMについては時間分解能がより高いにもかかわらず周波数値の分散が小さく，さらにデシメーションの回数を増やすことでより，周波数値が平滑化されることが確認できた．以上の成果を電気学会論文誌A（基礎・材料・共通部門誌）に投稿し採録が決定した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
最新の周波数カウンタを用いた手法に対しても，提案手法の測定性能が原理的に十分優れていることは明らかとなった．より実用的な観点からリアルタイム計測に応用することを考えると，この測定原理をFPGAに実装する必要がある．FDPD-QCMの発振周波数である30 MHzの出力周波数を直接サンプリングするため200 MHzのAD変換器でサンプリングし，位相に変換するディジタルダウンコンバージョン部についてFPGA上で処理することで，リアルタイム計測が可能となる．FPGA上で算出された瞬時位相値には，周期的な揺らぎが生じており，FPGA内部で使用している数値制御発振器の周波数によってもその揺らぎが異なるため，その原因究明および修正が必要となっておりFPGA実装に関しての進捗が当初の予定よりも遅れている．
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| 今後の研究の推進方策 |
リアルタイム計測実現のため高負荷なディジタル数値演算ブロックをFPGA上に実装するうえで一部の構成を見直す必要がある．被測定信号と数値制御発振器の乗算および，FIRフィルタ部を改善し，位相値に重畳される揺らぎの解明を重点的に行う．場合によってはFDPD-QCMの発振周波数を低下させ，FPGAの動作クロックに対して余裕を持ったデータ処理量に調整する必要がある．また，位相演算と周波数への変換で演算精度を劣化させないために三角関数の計算にはより反復回数を増やした高精度なCORDICアルゴリズムの検討も行う必要がある．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
FDPD-QCMをFPGA上に実装しリアルタイム計測の実現に目処が立てば実際に微小質量変化の実測や種々ガス計測等への応用を検討しており，実試験に必要となる機材および消耗品の購入を見送ったため未使用額が生じた．また，FPGA内部ブロックの開発および実装にはXILINX社製開発環境ソフトウェアであるVIVADOが必要となり1年間のライセンス契約となっているため再度契約する必要がある．このため次年度で実試験環境の構築および開発環境ソフトウェアの購入に本研究費を使用する予定である．
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