本文 Thesis 総合研究大学院大学学術情報リポジトリ A1663本文

成 _{25 12} 博士 理学 申請

総合研究大学院大学 物理 学研究

宇 学 攻

井口 恭

惑 磁気圏 外 物理現象 電磁流体 十万_km

1000 km ^電子 10 km ^{様々 時空間}

持 ₁₉₈₀ 代 衛 単機 電磁場 観測手法

均的 像 磁気圏構造 解明 ₁₉₉₀ 代以降 欧 _Cluster衛 同時多点観測手法 毎 物理現象 時間発展 空間構造

解明 い 例え _Cluster 衛 磁気圏前面 衝撃波遤移 ッ

呼 空間構造 同 将来計画 _SCOPE計画：cross-Scale

COupling in the Plasma universE ^{複数衛 様々 距 配置}

異 現象 相互作用 解明 目指 本研究 目的 _SCOPE計画 学目

標 遉成 衛 載 能 磁力計 開発 あ

ッ 構造 持 垂直衝撃波 ュ 研究 局所的 電子 空間

準 行衝撃波 予測 ッ 構造 電

子 安 現象 生 考え い _SCOPE 計画

電子 時空間 磁場方向 決 関数 電磁場 電子

現象 検出 要求 観測的研究 ッ 中 磁場方向

30^{ま程 異 示 準 行衝撃波 形成 考え}

差異₃₀ま 十 検出 磁場方向 ₃₀ま 十 高い精 ₁₀

1^{程 精} 14 ^{ッ 相当 決 必要 あ}

将来計画 磁力計 課題 観測要求 目標特性：精 ₁₄ ッ 解能₁₇

ッ 周波数 域_{DC-128 Hz} 遉成 あ い ッ

積載制限 あ 複数衛 同時 打 場合 載機器 や寸法 特 厳 制限 将来計画 磁力計 型 軽 化 強 求 い

将来 外惑 査計画 見据え 場合 衛 電力 限 載機器

現 放射線耐性 保証 高精 高 解能 宇 用_DAC い 先行研究 将来計画 観測要求 遉成 型 軽 省電力 磁 力計 実現 い い 磁力計 高精 高 解能化 放射線耐性

高精 高 解能 宇 用_DAC 必要 あ 先行研究

磁力計 や BPF : Band-Pass Filter ^回路

化 回路 い 磁力計 型

化 回路 型化 あ

本研究 磁力計 高精 高 解能化 型 軽 省

電力化 高精 _DAC開発 磁力計 用 型_ASIC Application Specific

Integrated Circuit ^{開発 新 磁力計 案}

磁力計 高精 化 高精 _DAC 型_DAC 用 開

発 _DAC 高性能 特性 持 い汎用_FPGA Field Programmable

Gate Array ^{汎用 構成 販汎用部品 同等 特性 持 耐放射}

線性_FPGA 入手 や い 本研究 開発 _DAC 長所 汎用_FPGA 耐放射線性部品 置 換え 高精

DAC ^{特性 維持 放射線耐性 課題 克服 点 あ}

DAC ^解能や精 DAC ^{構成 変調器}

回路 特性 比 呼 設計

等 決 私 磁力計 要求特性 満足 磁力計回路 組 込

最適化 高精 _DAC 設計 設計結果 基 い 製作

DAC ^{特性 実験 評価 結果 解能 精 設計}

17 ^ッ 14 ^{ッ あ 示}

開発 _DAC 磁力計 応用

DAC ^{組 込 磁力計 以} DFG: Digital-type FluxGate magnetometer

呼ぶ 安 動作 目標特性 満足 検証 い 私 _DFG

周波数特性 ュ _DFG 安 動作 う 設計 設計

通 周波数特性 実験 得 示 開発 磁力計

解能 _DAC 設計値₁₇ ッ 矛盾 い結果 得

DFG ^{設計手法 妥当性 示}

本研究 _DFG 学観測 ッ _S-310-40号機 載 機会 得

宇 実証試験 行 観測 ッ 実験 _DFG 役割

ッ 周波数 求 及 地磁気姿勢角 ッ 軸 磁場

角 求 あ _DFG ッ 打 ッ

全期間 わ 得 ッ 周波数 正確 出

成 一方 地 較正試験 得 感 用い 較正

感 地磁気姿勢角 ₅ま以 精 求 ッ 実験 要

求 ₂ま 精 回 結果 要求精 回 原因 _DFG 構 成 電子部品 温 特性 _DFG 感 変化 地 較正試験 異 感

変化 考え

磁力計 型化 部品 構

成 回路 _BPF回路 ₁ ッ _ASIC

技術 用 私 設計 回路 従来 _BPF 回路 _1/6

程 縮 回路 あ 磁力計 型化 能 実験

評価 _ASIC 特性 設計 矛盾 い特性 あ 磁力計 _ASIC

要 目

1 ^序論 ... 1

1.1 ^{磁場観測 歴} ... 1

1.1.1 ^{飛翔体 磁場観測 歴} ... 1

1.1.2 ^{将来 磁気圏 査 ッ} ... 3

1.2 ^{ッ 磁力計} ... 11

1.2.1 ^{測 原理} ... 11

1.2.2 ^{先行研究 ッ 磁力計 様 性能 課題} ... 15

1.2.3 ^{ッ 磁力計 将来像} ... 24

1.3 ^{本研究 目標} ... 25

2 DAC ^{用い 方式 ッ 磁力計 開発} ... 29

2.1 ^概要 ... 29

2.2 DAC ... 30

2.2.1 ^動作原理 ... 30

2.2.2 ^決 ... 43

2.2.3 ^回路構成 ... 55

2.2.4 DAC ^{特性評価実験} ... 57

2.3 DAC ^{組 込 ッ 磁力計 試作} ... 68

2.3.1 ^{磁力計 周波数特性設計} ... 68

2.3.2 ^{ュ 磁力計 周波数特性評価} ... 69

2.3.3 ^{周波数特性評価実験} ... 72

2.4 ^{ッ 載実証用 ッ 磁力計}... 75

2.4.1 ^{ッ 載実証用 ッ 磁力計 構成 目標性能} ... 75

2.4.2 ^{ュ 特性評価} ... 77

2.4.3 ^{特性評価実験} ... 78

2.5 ^{特性評価 発見 課題 関 議論} ... 93

3 ^{ッ 姿勢解析} ... 96

3.1 S-310-40^{号機 実験概要} ... 96

4.3 ^{ッ 製造 試験基 製作} ... 127

4.4 ^{特性評価実験} ... 130

4.5 ^{特性評価 発見 課題 関 議論} ... 135

5 ^結論 ... 136

謝辞... 141

Appendix A ^{姿勢解析 使用 計算式 出} ... 143

A.1 ^標変換 ... 143

A.2 ^{標変換角 出} ... 147

A.3 ^{軸方向 磁場 ッ} Cz ^出方法 ... 154

A.4 ^{地磁気姿勢角 出} ... 156

参考文献 ... 158

陽風 凍結 惑 間空間磁場IMF(Interplanetary

magnetic field) ^{陽系 中 放射状 広 い 地球周辺 地球起源 磁場}

陽風 え 地球近傍 侵入 防い い 地球起源 磁場 及ぶ範 地球磁気圏 呼 い 地磁気 惑 間空間 や電磁場 相互作用 磁気圏 部 様々 物理現象 観測 い _1.1 地球磁気圏 磁 場構造 電流構造 像 示 い [Kivelson and Russell, 1995] ^{磁気圏前面 約}10 RE

程 広 境界面 磁気圏境界面電流 流 い 地球 境界面

距 陽風 動 依 大 地球近傍

1 eV ^{程 冷 い 電場 東向 運動 一方 熱い}

磁場勾配 西向 電子 東向 運動

呼 電流 流 い 磁気圏尾部 陽風 磁場 夜側 長

引 伸 い 尾部赤遈域 呼 領域 密

0.1 1^個/cm³ 10 keV 100 keV ^{溜 い 尾部}

磁場構造 維持 中 _dusk 向 磁気圏中性面電流 流 尾部境界面 尾部電流 流 い 構造 電磁場 荷電粒子 相互作用

形成

1.1 ^{磁気圏 磁場構造 電流構造}[Kivelson and Russell, 1995]

1.1 ^{示 地球磁気圏} , ^{衛 載用磁力計 初期 査 発見}

あ ッ 磁力計 世界 初 載 人 衛 ₁₉₅₈

連 打 ₃号機 あ ₁₉₅₀ 代 ₆₀ 代

地球周回衛 磁気圏観測 連 米国 行わ 時代 打

衛 _Electron計画や_COSMOS計画 衛 米国 _Explorer計画や_OGO

計画 衛 等 あ [Ness, 1970] ^後 IMF ^構造, ^{陽風 磁}

気圏 相互作用 形成 ッ _, 地球磁気圏近傍

環境 い 多 発見 [Snare, 1998; Acuna, 2002].

1970 ^代 Mariner 10 Voyager 1 Voyager 2 ^{地球以外 陽系惑}

査機 ッ 磁力計 載 [Ness et al., 1974; Behannon et al., 1977]

Mariner 10 ^{水 水 極子化 固 磁場 発見} Ness et al., [1974]

Voyager ^{木 極子磁場観測 行わ} 1980 ^{代以降 惑 査 い}

Mars Global Surveyor ^{火 磁気赤遈 極子磁場 大} 5 nT^程

決 _{, 400 nT}程 局所磁場 持 発見 (Acuna et al., [1998]).

Galileo^{衛 固 磁場発見} Kivelson et al., [1992] ,

Cassini ^{土 磁気圏 査 行わ い} [Dougherty et al., 2004]. ^表1.1 ^惑

同時多点観測 電磁場 時間変化 空間構造

う 計画 例 欧 宇 機関 _Cluster衛 [Escoubet et al., 1997]^や米

国航空宇 局 _THEMIS衛 [Burch and Angelopoulos, 2008] MMS^衛 2014 ^打

予 あ

表_1.1 陽系 場所 磁場強

1.1.2 ^{将来 磁気圏 査 ッ}

日本 ₁₉₆₂ 以降 学観測 ッ ッ 磁力計

載 電 磁場観測 _[遠山 _{1988] 1985} 日本初 人

衛 ッ 磁力計 載 _[湯元 _1986] 後

学観測衛 あ や _GEOTAIL や 等 ッ

磁力計 載 [Fukunishi et al., 1990; Kokubun et al., 1994; PLANET-B Prelaunch Report, 1998; Takahashi et al., 2009] ^{現 逭行中} BepiColombo ^や ERG

場所 磁場強度

水星赤道域 _{300 nT}

金星 固有磁場無

地球 極域 60000 nT

火星 ～ の局所磁場

木星 極域 1400000 nT 水星近傍で のM A ～

地球近傍で のM A ～ 木星近傍で のM A _{1 nT}

ッ 磁力計 載 い [Baumjohann et al., 2010; ^{型衛 計画}ERG ^案 書_{, 2008]}

日本主 将来計画 地球磁気圏 同時多点観測 行う_SCOPE計画 立案

い _SCOPE 計画 ₅ 機 衛 地球磁気圏 同時多点 観測

計画 あ [Fujimoto et al., 2009] ^{同時多点観測 磁気圏 現象 同時 異 場所 観}

測 現象 時間変化 空間変化 手法 あ 前 述 う

米国 _THEMIS衛 や欧 _Cluster衛 同時多点観測 電磁流体

十万_km 及 _{1000 km} 同時多点観測

行わ 一方 米国航空宇 局 _MMS衛 電子 _{10 km} 同時多点観測 実行 _SCOPE 計画 電磁流体 電子

同時多点 観測 行い 宇 物理解

明 迫 _SCOPE 衛 特 間結合 要 衝撃波 乱流

領域 査

1.2 SCOPE^{計画 観測 様子}[SCOPE^{計画 案書}, 2008]

SCOPE^{計画 衝撃波領域 学目標} 1 ^{い 述}

学目標 遉成 磁力計 要求 磁場測 精 示 ₁₉₈₀ 代

衛 観測 安 誘発 衝撃波遤移 非 常 現象 検出

う 非 常 現象 電子

安 観測 実現 い い

衝撃波 非 常性 例 衝撃波遤移 ッ 呼 空間構造 い ュ 観測例 示 ッ 衝撃波面 沿う方向 空間構造 変 化 あ Lowe and Burgess, 2003; Moullard et al., 2006; Burgess, 2006 ^慣性長

数倍 半 程 空間構造 持 数値 ュ 研究

予想 い _1.3 Ofman et al.(2013) ^{示 ッ 構造}

あ _1.3(a) ッ 現 い い場合 計算結果 あ 段 衝

撃波遤移 付近 磁場強 表 縦軸 横軸 慣性長 規格化 い

側 衝撃波 流 あ _ramp 置 _x=103付近 あ

ッ 数_{MA 3.4} 磁気 対 電子 比

i e 0.4 ^{あ 中段 様々} z ^{磁場強 段}

磁場 _x成 _Bx 示 い _z軸方向 磁場変化 い _z軸方向

空間構造 い わ _1.3(b) ッ 現 い 例 あ _{(b) (a)} 比

MA 4.7 ^{高い 磁場 各段 見方} (a) ^{同様 あ 衝}

撃波 _ramp 置 _x=98付近 あ 段 _{ramp x=98} 磁 場強 _z方向 依 い わ 中段 段 磁場 _ramp 付近 最大磁場強 _z 値 異 的 確 _{1.3(c) (b)}

段 一部 拡大 あ 衝撃波面 _z軸方向 ₅ 慣性長 周期的 空間

構造 持 い 空間 流 ion convective gyroradius ^同程

あ 矢印 場 shock normal ^{衝撃波面 対 垂直}

向 表 い

1.3 ^{衝撃波 表 非 常性 ッ ュ} [Ofman et al., 2013]

(a)MA^＝3.4 i= e^＝0.4 ^{磁場 段 磁場強 表}

縦軸 横軸 慣性長 規格化 い 中段 _z=2.6 黒 _z=4.42

青 _z=6.24 赤 _z=8.06 緑 _{z=9.88 z=11.7} 黄 磁場強

表 い 段 中段 同 _z 対 磁場 _x成 _(Bx) 表 い _(b)

MA=4.7 ^{磁場 あ 中 段 形式} (a) ^{同様 あ} (c) (b)

段 一部 拡大 あ

1.4 ^衝撃波角 g ^{対 衝撃波角} 1.3(c)^黒矢印

差 _gl 計算 結果 あ _{ramp x=98}付近 _gl 最大₄₀ま あ

測 一点一点 測 磁場 精 要求 良

い ッ 中 衝撃波角 算出 _1.4 示

40^{ま 検出 当然 あ} 10 1 ^{程 精 磁場方向 決}

求 統計的 解析 散逸機構 解明 確実 行う 相当

必要 あ 精 高い 磁場強 変化 検出

磁力計 能 限 高い測 精 望

1.4 ^衝撃波角 g ^{衝撃波遤移 局所的 衝撃波角} l ^差

θgl [Ofman et al., 2013] θgl ^{表 い}

Moullard et al. 2006 Cluster ^{観測 衝撃波 ュ 振}

動 _1.3(a)中段 う ₁ 元的 写 明 い 示 振動

ッ あ 同 _Cluster衛 観測 磁場 _1.5 示

1.5 ^{段 生} 2^{段目 段} 40

短周期 磁場変動 遮断 _{LP 3}段目

12 40 ^{間 域制限} BP 4^段目

12 ^{長周期 磁場変動 遮断} HP ^あ

Moullard et al. 2006 ^{周期程 運動 い 解析}

LP BP ^{い 議論 い} 1.5 ^{示 観測期間中 い}

Cluster^{衛 陽風中 衝撃波遤移 入 再 陽風中 戻 い} 0

約₂₅ 約₂₁₀ 以降 衛 陽風中 _IMF 観測 以外 時間 衝撃波遤移 磁場 観測 い 背景磁場強 _LP

強 い 明 あ 衝撃波遤移 い _BP 約₁₆

周期 磁場 変動 い 流 周期 ₂₀ 同程

あ 背景磁場強 _LP 約_{4 nT} ッ 伴う空間構造 磁場

0.5 nT^{異 磁場方向 約}30^ま異

ッ 理論的 射 や衝撃波面 沿う方向 何 安

性 励起 結果 あ 考え い 観測的 解明 衝撃

波角 把握 場 関数 測 行わ い 過去 観測結果

衝撃波遤移 磁場角 約 ₃₀ま異 十 起 う 示

ュ _{1.3 1.4} 示 う 遤移 衝撃波角

時間変化 空間構造 十 精 解析 磁場方向 変化 ₃₀ま

10 1 ^{程 精 観測 必要 あ ュ 観測結果 背景}

磁場_{4 nT} い 解 能 角 最 ₁₀ま 能 ₃ま _1/10程 設

1.5 Cluster^{衛 観測 ッ 構造}[Moullard et al., 2006] ^{段 測 磁場}

生 あ ₂段目 磁場 段 ₄₀

LP ^あ 3^{段目 磁場 段} 12

40 BP ^あ 4^{段目 磁場}

段 _{12 HP} あ

ッ 磁力計 直交 ₃成 _{X Y Z} 磁場強 測

1.6 ^{示 う 測} 3^{成 磁力計 固 標系 磁場方向}

決 磁場 赤矢印 対 各成 測 誤差 持 測

磁場 方向 磁場 異 角 誤差Δ Δ

式_(1.1) 式_(1.2) う 表

F Z F Y

F ^X^{   }









^

^

^

^

^

F Y

F ^X^{ }











^

^

Δ_X Δ_Y Δ_Z 各成 測 誤差 _F 磁場強 あ Δ_X Δ_Y Δ

Z F ^{え 磁場 対 角 誤差Δ 式}(1.3) ^求

2

2

( )

)

cos

( _{  }

    



背景磁場 _{4 nT} Δ ₁₀ま以 測 誤差 最 値 _{0.35 nT 2}

-11.52

あ 磁場 絶対精 ₁₂ ッ 以 あ 磁場 方向 ₁₀ま以 精 決 絶対精 ₁₂ ッ 磁場方向 差異₃₀ま 約₄ 割 評価 い 述 ₃₀ま _1/10程 精 好 い 目標絶対 精 ₁₄ ッ _1/16 約_1.8ま相当

1.6 ^{磁場測 誤差 磁場方向決 精 関係 磁場}3^成 X Y Z ^磁場方

向 _α 決 _{α X}成 _Y成 求

XY^{面 成} Z^{成 求 各成 誤差}

角 誤差成 _{Δα Δ} 表 _{Δα Δ} 角 誤差_Δθ 求

SCOPE^{衛 親機} 2 ^子機 1 ^{ッ 磁力計 載}

ッ 磁力計 _{DC 128 Hz} 周波磁場変動 測 表 _1.2

SCOPE^{衛 載 ッ 磁力計 目標特性 示} SCOPE^{衛 観測領域}

5 RE^～25 RE ^{磁力計 磁場 測 十 広い ッ み}512 nT

必要 振幅_{0.1 nT} 電磁波動 検出 解能 _{8 pT 17}

ッ 弱磁場中 磁場 方向 精 決 磁力計 高い精

要求 磁場 角 変化 ₃₀ま 十 精 評価 目標精 ₁₄

ッ _{0.0625 nT} 背景磁場 _{4 nT 1.8}ま相当

1.2.1 ^{測 原理}

ッ 磁力計 磁場検出原理 磁場検出器

利用 ッ 磁場測 原理 解

ッ 磁力計 高透磁率 持 金属 _B-H 磁気

歴特性 持 利用 磁気 あ [Primdahl, 1979] 1.7 ^示

ッ 型 呼 _, 柱 磁性体 ッ ₁ 本

状 巻 検出

状 巻 検出 出力 増幅器 電気回路部 接

検出信号 発生原理 _1.8 示 外部磁界_ΔH 印 い場合

印 場合 い 検出信号 特徴 述 _1.8

実線 示 う 直線的 _B-H 特性 持 外部磁界 印 い場合 1.8 ^{点線 う 交流磁界}H ^{励磁周波数}f0 H=0 ^{境 正負 対称 波形} あ 十 飽和 振幅 持 検出 検出 誘 磁場 _B

1.8 ^{点線 う} ±Bs ^{飽和 波形 検出 誘起 電} 1.8

う 磁束 時間変化_dB/dt 出力 時間間隔 正負 対称 波形

一方 外部磁界_ΔH 印 場合 交流磁界_H 中点 _H=0

1.8 ^実線 1.8 ^{実線 う 誘 磁場} B ^{飽和 時間 正負}

異 検出 出力電 _1.8 実線 う 出力 時間間隔 正負 非対称 出力波形 偶数 高調波 含 一般 _ΔH 高調波振幅

比例 ₂ 高調波 _2f0 増幅 相検波 外部磁界_ΔH 出 _[遠山 2001]

1.8 ^{示 電} 2f0 ^比 f0^{成 振幅 大} S/N^{比 い} 1.1^節

述 宇 機 載 ッ 磁力計 _f0成 大幅 除

能 型 Primdahl, 1979 ^{用 本研究}

型 用い

う 磁場検出原理 ッ 磁力計 検出 巻い

あ 軸成 磁場測 能 あ ₃方向 検出 置 磁場 計測 能 あ

1.7 ^{ッ 型 呼 高透磁率磁性体 励磁}

検出 状 巻 い

1.8 ^{ッ 型 励磁 磁場検出原理}[^遠山 2001]

B-H^{磁気 歴特性 あ 印 交流磁界}H ^{あ 磁}

界_H 励磁 流 電流 交流磁界 外部磁界_ΔH 和 表 点線 外部磁界_ΔH=0 実線 _{ΔH 0} い 印 磁界_H 表

部 磁束_B 時間変化 点線 _{: ΔH=0} 実線 _{: ΔH≠0} 表 い 磁

束_B 時間変化 検出 検出 電 時間変化 点線 _{: ΔH=0} 実線 _:

ΔH≠0 ^あ

ッ 磁力計 前述 部 電気回路部 励磁回路及 信号処 理回路 構成 い _1.9 磁力計 信号 流 示 ッ あ

周波数 _2f0 外部磁場 比例 振幅 信号 出力 検出信号

増幅 _BPF：Band-Pass Filter ^{信号周波数以外 成}

ッ 検出 信号 相検波回路 外部磁場 比例 直流電 変換 後 積 電 _-電流変換回路 電 比例 電流 変換

変換 電流 ッ 流 部 外部磁場 逆向

磁場 発生 磁場 負 ッ 外部磁場

う 制御 ッ 磁場 外部磁場 正確 ッ 磁場 外部磁場 同 強 向 対

部 検出磁場 磁場 作 ッ 電 計測 外部磁場 測

1.10 ^{青破線 示 う 時刻}t1 ^{外部磁場 急激 変動 場合 考え 外}

部磁場 変動 時刻_t1以前 ッ 磁場 _1.10 緑線 常 外部 磁場 _1.10 青線 正確 い 検出磁場 _1.10 赤線

磁場 あ 外部磁場 変動 時刻 _t1 ッ 磁場 外

部磁場 正確 外部磁場 変動 検出 ッ

検出磁場 磁場 う ッ 磁場 制御

ッ 磁場 外部磁場 追従 う 時間的 変化 検出磁場 時 間経過 磁場 戻 ッ 磁場 外部磁場 追い付 再 検出 磁場 磁場 特性時間 磁力計 応答周波数 相当 磁力計 性能 示 要 ₁ あ 特性時間 外部磁場 時間変動 方 い場合

精 良 外部磁場 測 い

ッ 回路 電気的 ッ

電気的 外部磁場 変動 検出 信号処理回路 通 測

磁場 現 ッ 磁力計 開発

ッ 回路 減 要 あ

1.9 ^{方式 ッ 磁力計 信号 流 部}

検出磁場 外部磁場 ッ 磁場 関係 外部磁場 ッ

磁場 差 検出 信号処理回路 通 ッ

ッ 磁場 検出磁場 磁場 う 制御

ッ 磁場 測 外部磁場 測 等 い

1.10 ^{外部磁場 時間変化 検出磁場 ッ 磁場 時間変化}

時刻_t1 外部磁場 変化 検出磁場 磁場 う ッ 磁場 制御 時間 外部磁場 近

1.2.2 ^{先行研究 ッ 磁力計 様 性能 課題}

ッ 磁力計 半 体技術 逭 型化や高精 化

[Acuna, 2002] 1980 ^{代 開発 ッ 磁力計 電気回路部}

構成 電子部品 あ ₁₉₈₀ 代後半 ₁₉₉₀

代前半 ッ あ FPGA Field Programmable Gate Array

一般 実用化 回路 構成 ッ 磁力計 信号処理回路 ッ 置 換え 方式 ッ 磁力計 案 [Primdahl et al., 1994; Auster et al., 1995; Piil-Henriksen et al., 1996] ^欧 1998 ^打 Astrid-2 Pedersen et al., 1999 ^や2003 ^打

ROSETTA Glassmeier et al., 2007; Auster et al., 2007 ^{等 人 衛 載 現}

多 衛 載 始 い

1980 ^{代 主流 あ 方式} 1990 ^{代以降 開発}

方式 基本的 構成 _1.11 示 方式 信号処理回路 検出

信 号 信 号 変 換 変 換 器 _{ADC :} Analog-to-Digital Converter BPF ^{後段 配置} AD^変換

ッ _FPGA 込 込

FPGA ^{演算処理 検出磁場 求 積 行う 積 値 変}

換器 DAC : Digital-to-Analog Converter ^{送信 値 変換 信号 電}

抵抗 通 ッ

1.11 ^{方式 方式 ッ 磁力計}

ッ 方式 全 回路 回路 構成 い 対

方式 ッ 用い 回路 化

型軽 省電力化

衛 や 厳 制限 陽 外惑

磁気圏 査 電力 確保 地球周回衛 比 困 あ 衛 削

減 ッ 機器 あ 学観測機器 適用 ッ 磁力計

い 型軽 省電力化 実施 い 方式 多 抵

抗や 信号処理回路 構成 い 方

式 従来 回路 _FPGA ッ ₁ 置 換え

型 軽 化 従来 方式 信号処理回路 多数

や ッ 等 起因 消費電力 大 い 方式 回路 消費電力 ッ 消費電力 置 換わ ッ 演算手法や演算周波数 考慮 設計 消費電力 設計

方式以 抑え 期 _1.12 衛 載 磁力

計 縦軸 電力 横軸 示 あ ● 従来 方式

方式 表 方式 方式 比 電力 半 以

い う 化 型軽 省電力化 能 本研究

SCOPE^{計画 目標} 0.5 kg ^消費電力1 W ^{設 設 値}

方式 遜色 い数値 あ ₂章 述 観測 ッ 載用

方式 ッ 磁力計 電気回路部 _{0.8 kg} 消費電力 ₂

W ^あ

方式 回路 多 抵抗や 使用 い 一方

方式 大幅 削減 抵抗値や 容 経 変化及 温 変化 伴う磁力計 特性変化 抑え

や ッ _ADC等 部品 常 新 い 変わ

い 過去 使用 部品 入手 衛 計画毎 部品 遥 合わ 回路設計 変更 必要 あ 衛 開発 長期 わ 場合 衛 開発中 遥 部品 入手困 考え 特 耐放射線性部品 供給状況や納期 観点 入手困 や い 部品 多 扱う

費用や製造 面 利 あ 方式 ッ 合わ

書 換え 同等 性能 実現 部品 供給状況や納期 い いう利点 持

1.12 ^{衛 載磁力計 消費電力 横軸 磁力計 消費電力 縦軸 磁力計}

表 _● 従来 方式 表 _▲ 方式 表 ッ

磁力計 衛 計画 合わ 開発 い 方式

方式 い 厳密 比較 い

方式 _▲ 方 比較的 抑え い わ [Fukunishi et al., 1990;

Kokubun et al., 1994; PLANET-B Prelaunch Report, 1998; Baumjohann et al., 2010; Auster et al., 2008; Balogh et al., 1997; Auster et al., 2007]

解能₁₇ ッ _{8 pT} 基 ₁₇ ッ _DAC 必要 最大 課題 耐 放射線性 あ 磁力計 適 販 宇 用_DAC ッ 解能₁₂ ッ

現 製造 い い いう点あ [Auster et al., 2008] ^課題 SCOPE

計画 限 課題 磁気圏 査計画 い 課題 以

方式 高 解能化対策 中心 先行研究 開発成果 述 本研究 目標特性 先行研究 特性 比較 先行研究 目標特性 遉成 い 示

先行研究

米国 _THEMIS衛 載 磁力計[Auster et al., 2008] ^{信号処理回}

路 _1.13 示 _THEMIS衛 載 磁力計 ッ ₁₂ ッ

6 ^ッ DAC ^{配置 い 磁場測 範 み}25000 nT 6 ^ッ DAC

子化値 _{780 nT} 相当 ₁₂ ッ _{DAC 6} ッ _DAC 子化値 あ ₇₈₀

nT 12 ^{ッ 子化 子化値} 0.19 nT ^{相当 解}

能 ₁₈ ッ ₁₂ ッ ₆ ッ _{390 nT}～ _{390 nT} 範 ₆

ッ _DAC 出力値 変化 ₁₂ ッ _DAC 出力値 変化 わ

ッ 精 ₁₂ ッ _DAC 性能 決 _{390 nT}～

390 nT ^{磁場 解能} 0.19 nT ^{線形性誤差} 0.0056% ^約14 ^{ッ あ} [Auster

et al., 2008] DAC ^精 11 ^{ッ 誤差：み}1 LSB

あ _DAC 精 評価試験 多 同一製品 特性 良い 遥 結

果 精 約₁₄ ッ 実現 方法 問題点 以 ₂ あ

DAC 11 ^{ッ 以 精 保証 い い 試験}

精 ₁₄ ッ 遉成 _DAC 遥 い 必 精 ₁₄ ッ 満

DAC ^{あ 限 い}

放射線耐性 あ _DAC 供給状況 応 使用 _DAC 制限

本研究 開発 磁力計 目標 解能 ₁₇ ッ 目標精 ₁₄ ッ あ 先行研究 使用 _DAC 解能 ₁₂ ッ 精 ₁₄ ッ あ

既 宇 用₁₂ ッ _DAC 本研究 目標特性 遉成 い

1.13 THEMIS^{衛 載 磁力計 構成}[Auster et al., 2008]

ッ 放射線耐性 保証 ₁₂ ッ _DAC 配置 い

1.14 Astrid-2^{衛 載 磁力計 あ} [Pedersen et al., 1999]

磁力計 ッ _DAC 放射線耐性 い 販 ₁₈ ッ DAC ^{使用 い 耐放射線性試験 販}DAC ^{放射線耐性 保証 衛}

載 能 い 開発 _DAC 特性評価

遥 耐放射線性試験 繰 返 実施 い _DAC 供

給状況 長期的 衛 開発計画 使用 適 い

1.14 Astrid-2^{衛 載 磁力計 構成}[Pedersen et al., 1999] ッ 販 ₁₈ ッ _DAC 配置 い

O’Brien et al.(2007) ^{開発 磁力計 ッ} 1.15 ^示

先行研究 高 解能化 対策 本研究 用 方法 最 近い

ッ _DAC ッ ALPF: Analog Low-Pass

Filter ^構成 1 ^ッ DAC ^{配置 い} DAC

動作原理 い ₂章 述 ッ 密 変調 信号 出

力 _ALPF 通 所望 電 得 いう 組 あ _DAC 放 射線耐性部品 入手 や い_FPGA 構成 手法 既

DAC ^{ッ い 部品入手 問題 い いう長所 あ 開発}

DAC 1 ^ッ 1 ^型 DAC ^解能 16

ッ 報告 い 出力値 精 い 明記 い い 本研究

解能₁₇ ッ 精 ₁₄ ッ 要求 O’Brien et al.(2007) ^開発

DAC ^{用 い}

1.15 ^{惑 磁気圏 査 開発 磁力計 構成}[O’Brien et al.,

2007] ^ッ 1 DAC ^{配置 い}

Forslund et al.(2007) ^ッ DAC ^{密 変調} 1 ^ッ 1 ^型

変調 組 合わ _DAC 用 _1.16(a) 磁力計 構成

(b) DAC^{回路 あ} DAC 1 ^{ッ 出力 生成 ッ} ALPF

回路 構成 い 手法 前述 O’Brien et al.(2007) ^{同様 入手 や い}

FPGA ^{用い 部品 入手性 課題 解決 い} (c)

FPGA 1 ^{ッ 出力 生成 手法 表 い} P ^ッ

密 ュ 比 決 _D ッ ₁ ッ ₁

変調 実行 ₁ ッ 変調出力 生成 ₂ 波形 足 合わ 信号

ALPF ^{通 ッ} DAC ^解能 13 ^{ッ 出力値}

精 _16-17 ッ 報告 い _DAC 課題 ッ 要求

ッ 周波数 高い あ ₁₃ ッ 解能 得 _{65 MHz} ッ

周波数 要求 本研究 解能 ₁₇ ッ 目指 先行研究 手

法 応用 場合 ₁₆倍 ッ 周波数約_{1 GHz} 要求 周波数

非現実的 あ 本研究 目指 特性 遉成 い ッ

高周波 動作 消費電力 増 本研究 目指 省電力化 相

1.16 Forslund et al.( 2007) ^{開発 磁力計 構成} (a)^{磁力計 全体構}

成 _(b)DAC 回路 _(c)変調信号 生成方法 ッ 密 変調 ₁

ッ ₁ 変調 構成 _DAC 配置 い

1.13 1.16 ^{示 先行研究 磁力計 あ} Magnes

et al.(2008) ^{化 異 方法 ッ 磁力計 型 軽}

省電力化 実現 方法 方式磁力計 信号処理回路

混載 半 体 ASIC (Application Specific Integrated Circuit ^開発 いう方法 あ 従来 信号処理回路 _1.17(a) 示 _{Magnes et}

al.(2008) ^{磁力計 ッ 変調器 置 換え 手法}

Kawahito et al.,1999 ^{応用 宇 機 載用磁力計 開発}

ッ 信号 ₁ ッ 変調信号 あ 高精 _ADCや_DAC開発 必要

い 方法 信号処理回路 ₁ 半 体 ッ 型化

いう点 最適 方法 あ 放射線耐性 十 保証 半 体製造

用い 放射線耐性 関 課題 解決 開発 磁力計 解

能 ₁₆ ッ 精 _14-15 ッ あ 本研究 目標 解能 ₁₇ ッ あ

先行研究 開発 磁力計 目標 遉成 い

1.17 Magnes et al. (2008) ^{開発 磁力計 構成} (a)^{従来 磁力計 構}

成 _(b)ASIC 実現 磁力計 構成 磁力計 ッ

4 ^{型 変調器 構成} ADC DAC ^必

要 い

1.2.3 ^{ッ 磁力計 将来像}

1.18 ^{将来 惑 磁気圏 査計画 要求 要求 実現}

ッ 磁力計 目指 将来像 示 あ 将来 惑 磁気圏 査計 画 観測機器 型 軽 省電力化 求 先行研究 多

電子部品 構成 い 信号処理回路 ッ 置 換え

化 型 軽 省電力化 実現 前述

磁力計 性能 ッ 配置 _DAC 性能 決 本研

究 _DAC 解能₁₇ ッ 精 ₁₄ ッ 要求 先行研究 特

性 満足 磁力計 い 理 解能₁₇ ッ 精 ₁₄

ッ 満 放射線耐性 _DAC い あ 本研究

高精 _DAC 開発 磁力計 精 向 実現

磁力計 信号処理回路 従来 信号処理回路 大部 ッ ₁ 置 換え 信号処理回路 原理

い い 磁力計 放射線耐性 課題 本研 究 回路 _ASIC 開発 放射線耐性 保証 製造

開発 磁力計 放射線耐性 保証

将来 惑 磁気圏 査衛 載 ッ 磁力計 目指 姿 化 型 軽 省電力化 実行 高精 _DAC開発 精

向 _ASIC開発 磁力計 型化 放射線耐性向

実現 あ

1.18 ^{将来計画 要求 先行研究 対策 本研究 目指 磁力計 将来像}

1.3 ^{本研究 目標}

将来像 磁力計 開発要素 化 高精 _DAC開発 _ASIC開

発 あ 述 う 化 い 先行研究 実現 い

1.18 ^{示 将来像 実現 本研究 目標 高精} DAC^開発 ASIC

開発 _1.19 将来像 考え 将来計画 磁力計

構成 あ 先行研究 磁力計 同様 _FPGA 磁力計 信号処理

化 回路 ₁ ッ _ASIC 開

発 _1.15 示 O’Brien et al. 2007 FPGA ^構成

DAC ^{開発 部品 容易 入手 や放射線耐性}

対 課題 克服 示 本研究 特徴 活 高精 _DAC

変調方式_DAC 用 _DAC 変調

器 _ALPF 構成 変調器 _FPGA 実装 _{ALPF ASIC} 開 発 や_{BPF ADC}回路 同一 _ASIC 実装

1.19 ^{灰色 示} DAC BPF^{回路 実 本研究 開}

発 要素 あ _{DAC ALPF ASIC}

用い 将来的 _{ALPF ASIC} 開発 部品 入手性や放射線耐性 課題 対 解決 型化 目指

O’Brien et al. 2007 ^報告 DAC ^{解能 精 将来計画 要}

求 特性 満足 本研究 将来計画 要求 特性 満足 う _DAC 設計 開発 _ASIC開発 原理 化 い _BPF回路 半 体 _ASIC 開発

1.19 ^{将来計画 磁力計 構成 型 軽 省電力化 検出回路}

ASIC FPGA ^{構成 ッ} DAC ^配置

遉成 要求 検出磁場 解能 _{160 nT 10} ッ 相当 要求

ッ 約_{1 Hz} 磁力計 測 周波数 域 _{DC-10 Hz}

周波数_{200 Hz} いう制限 振幅 _{-3 dB} ッ 周

波数 限 周波数_{100 Hz} 十 い_{65 Hz} 将来計画

要求特性 満足 ッ 用_DFG 精 解能 必 遉成

本研究 目標 将来 惑 磁気圏 査計画 学目標 遉成 磁力計開

発 い 課題 磁力計 型 軽 省電力化 高精 化

放射線耐性 関 課題解決 実現 あ 本論文 ₃ 課

題 解決 鍵 _DAC開発 第₂章 _DAC

組 込 磁力計 実証 第₃章 _ASIC開発 第₄章 構成

第₂章 _DAC 組 込 磁力計 開発成果

い 設計 製作 _DAC 解能 精 周波数特性 実験

評価 設計通 特性 得 示 _2.2節 _DAC

含 回路構成 い 周波数特性計算 構築 実験

DAC ^{組 込 磁力計 周波数特性設計 妥当性 示} 2.3^節 開発 ッ 用_DFG ッ 要求特性 遉成 示 _2.4節

DAC ^{組 込 磁力計 設計手法 妥当性 示}

第₃章 ッ 実験 得 _DFG 磁場 用い ッ 姿勢

解析 _DFG 宇 実証 検証 磁場 用い ッ 軸 磁場 角 地磁気姿勢角 算出 原理 解 解析手法

計算 結果 示 結果 独立 求 ₂ 地磁気姿勢角 差 _DFG

特性評価結果 予測 値 大 原因 追究 結果 述

第₄章 _ASIC 開発成果 _BPF回路 _ASIC 設計 実 験 特性 評価 特性評価 結果 _BPF回路 設計 開発

示

DAC ^{独自 設計 開発 磁力計 組 込 精 向}

開発 _DAC 入手 や い宇 用 ッ

FPGA ^{宇 用 汎用 実現 長所 長期 大型衛 計画 あ}

時 使用 汎用_FPGA 容易 置換 入手性 いう課題 い いう点 あ

2.2^{節 開発} DAC ^{い 述 数値 ュ}

目標特性 解能₁₇ ッ 精 ₁₄ ッ 周波数 域_{DC-128 Hz} 満足

DAC ^{設計 求 同時 学観測 ッ 載用}

磁力計_DFG Digital-type FluxGate Magnetometer ^{周波数 域}DC-65 Hz ^満

DAC ^{設計 い 求 ッ 用}

設計 実現 _DAC 製作 実験 製作 _DAC

解能 精 周波数特性 評価 設計通 特性 得

2.3^節 DAC ^{組 込 磁力計 周波数特性 い}

述 _DAC 含 回路構成 い 周波数特性計算

構築 周波数特性 目標 域 調整 ッ

ッ 組 込 適 周波数特性 設計 実 験 磁力計 周波数特性 測 周波数特性設計 妥当性 示

2.4^{節 観測 ッ 用}DFG ^{周波数特性 解能 精 実験 評価}

ッ 要求特性 遉成 示 _DAC 設計 始

組 込 磁力計 特性評価 全 設計 開発 通 _DAC 組 込 磁力計 設計手法 妥当性 証明

2.2 DAC

2.2.1 ^動作原理

磁力計 目標性能 解能や精 周波数特性 遉成

目標性能 適 _DAC 開発 い 例え

磁力計 磁場 解能 _DAC 解能 制限

DAC ^{解能 目標磁場 解能以 い 解能 同様 磁場測}

精 や周波数特性 _DAC 各特性 強 依 本

DAC ^{動作原理 解} DAC ^{解能 精 周波数特性 決}

要因 い 述 最後 _DAC 動作安 性 決 要因 い 述

2.1 1 ^ッ 1 ^{型 変調器}[Inose and Yasuda, 1963] z^変換

示 [Norsworthy et al., 1997] ^{変調 遅延器 通 得 前}

子化器出力_yz

-1

入力_u 差 積 子化 新 い 子化器出 力_y 子化器出力_y 積 器出力 差 以 子化誤差 呼ぶ _e

入力_u 子化器出力_y 以 変調出力_y 呼ぶ 関係 式 _2.1 表

e

z

u

y _{ } ( 1 _

)

変調出力 入力 差 _y-u 変調器 変換誤差 式_(2.1) 第₂

(1-z^-1)e ^{変調器 変換誤差 あ} z^{変換 い} 1-z^{-1 時間微}

d/dt ^{相当 変換誤差 子化誤差}e ^{時間微 値 あ 子化誤差}e ^周

波数 依 い ワ あ 仮 変換誤差 周波数

高い 強 強 周波数 い 強 弱

2.1 1 ^ッ 1 ^型 DAC ^部構成 DAC

変調器 変調器 減算器

積 器 ₁ ッ 子化器 遅延器

) ^解能

DAC ^解能 DAC^{出力電 含}

制限 目標 解能以 抑え い _DAC設計 観点

3^{種 類 各 発生原理 特徴 示} 1 ^目

DAC ^{動作原理 示 う 子化誤差}e ^{起因 電 以 変調}

呼ぶ ₂ 目 入力値 変調器 構成 数 依 ₃ 目

電子部品 電気的特性 起因 以 依 呼ぶ あ

変調 単純化 理想的 変調 的 評価

実機 ッ 実行 変調器 演算処理 計算

機 再現 的 評価 依 回路 使用

電子部品 電気的特性 変調信号 理想的波形 差異 引 起 現 電子部品 特性値 応 変調出力 理想的波形 差異 え

的 再現 _DAC 解能設計 変調

依 計算 _DAC

設計 徐々 絞 込 い

1) ^変調

変調 比や変調器 数 依

比 OSR : Over Sampling Ratio ^式(2.2) ^{う 義}

fc

OSR f

 2

fm ^変調出力y ^{演算 周波数 以 変調周波数 呼ぶ} fc ALPF

ッ 周波数 あ 変調周波数_fm 高 子化誤差_e 域 高周波

域 移動 周波域 ワ _DAC 解能 高

ALPF ^{ッ 周波数}fc ^い ALPF ^{通過 域 含 変}

調 解能 高 変調周波数_fm 高 _ALPF

ッ 周波数_{fc OSR} 大 意味 _OSR

大 い 解能 高 わ

1 ^{変調器 子化誤差}e 1^階微 1

変調器 子化誤差 ₂階微 子化誤差_{e 1}

階微 子化器 あ ₂ 変調器 構成

子化誤差_{e 1}階微 子化器 ₁ 変調器

あ ₁ 変調器 子化器 ₁ 変調器 置 換え

2 ^{変調器 あ} 2 ^{変調器 ッ} 2.2 ^示 [Candy, (1985)] 2.2 ^変

調出力_y 子化誤差_e 関係 式_(2.3) 表

e

z

u

y _{ } ( 1 _

)

-1)² 2^{階微 表 子化誤差}e 2^{階微 い}

確 ₂階微 子化誤差 強 ₁階微 比 高周波

域 強 周波域 弱い _ALPF 高周波域 子化誤差 十 除

1 2 ^{変調器 方 変調 抑え}

高 解能 実現 _OSRや変調器 数 解能 関係 表 い 変調器 数 高い _OSR 対 変調 減衰率 大 い あ 大 い_OSR い場合 高 変調器 利用 効果的 あ _2.3 用 い _DAC 要求 _OSR 変調器 数 あ 程 絞

能 あ

2.2 1 ^ッ 2 ^{型 変調器 構成} 2 ^{型 変調器 構成}

1 ^{型 変調器 子化器} 1 ^{型 変調器 置 換え}

あ

2.3 0 3 ^{変 調 器 変 換 器 特 性}

[Northworthy et al., 1997] ^{縦軸 変換器出力 信号 域 子化}

RMS^{値 横軸} OSR ^あ L ^{変調器 数 表 い}

2)

2.3 ^{示 変調 子化誤差 あ 仮}

変調器 入力_u 直流 直流 周波 あ 場合

仮 破 呼 特 周波数 持 変調 現

[Gray, 1989]

例 示 子化器出力 _{1 1} 積 器 初期値 _0.5 入

力_{u u=0.5} 場合 ₁ 変調器 積 器出力 変調出力_y 子化誤差_e 計算

結果 _2.4 示 [Norsworthy et al., 1997] n ^{変調器 演算 番号}

表 い _n=5 変調器 部 状態 _n=1 同 あ ₄ 周期 固 変調器出力 _1,1,-1,1 繰 返 ₁ 変調周波数

fm ^{逆数 あ} u=0.5 ^{変調器出力 周波数}fm/4 ^{非常 大}

現

2.4 ^入力値u=0.5 ^対 1 ^{変調器 動作}

入力_{u u=0.01} 周波数 計算 結果 _2.5 示

場合 ₂₀₀回 変調出力_y う _{Hi (1) 101}回 _{Low (-1) 99}回 現 変調出力 均値 _0.01 あ 入力 対応 出力 得

い _{Hi (1) Low (-1)} 交互 表 _{Hi (1) Low (-1)} 同数 い _{Hi (1) 2}回連 固 ₂₀₀回 変調出力 間

1 ^{現 周波数}fm/200 ^{発生 い 意味}

入力値 _u=0 近い 固 現 周期 長い 周波

発生 問題 周波数

ALPF ^{ッ 周波数 い あ 例え} OSR 50 ^場合 ALPF

ッ 周波数_{fc fm/100} あ _2.4 示 周波数_fm/4

ALPF ^{十 減衰} u=0.01 ^周波数(fm/200) ALPF

ッ 周波数_(fm/100) い _DAC 解能 劣化

2.5 ^入力値u=0.01 ^対 1 ^{変調器 動作}

2.6 OSR 16 1 ^ッ 1 ^{型 変換器 計}

算 結果 あ [Norsworthy et al., 1997] ^{計算 入力値 依}

い わ 特 入力値 ₀ み_0.33付近 強い 生 変調

-41 dB ^{超え い 入力値 大 い み}0.8^{以 場}

合 大 生 い 類 入力値₀

付近 場合 比 発生原理 簡単 理解 入力値 大 い場合 変調 出力_y 時間_{Hi Low} 状態 あ 長周期 逆

短 現 _ALPF 減衰 い 周波 生

あ 入力値 大 い み_0.95以 逆 発生 回数 少 い _RMS い 入力値 み_0.9 発生 高

ALPF ^{減衰率 い} RMS ^{最 大 発}

生周波数 高 場合 み_{0.8 ALPF} 減衰率 大 い _RMS

変調器 数や入力値 依 目

標 解能以 実 開発 変調器 用い

計算 必要 あ

2.6 -1 +1 ^範 DC^{入力 対} [Northworthy et al., 1997] OSR

16 ^場合 RMS ^{計算 結果 あ 矢印 示} -41 dB ^子

化 発生 い 仮 場合

あ

3) ^依

実機 _DAC 変調出力波形 電子部品 電気的特性 原因 理想的 変調

波形 差異 生 理想的 波形 差異 出力 現

本研究 う 依 呼ぶ 電気的特性 要因 多岐

わ 依 原因 設計 _DAC回路 異

本研究 設計 _DAC回路 例 依 発

生機構 ₁例 示 _2.7 本研究 開発 _DAC 回路構成 あ

回路 詳細 解 _2.2.3 示 _FPGA 実装 変調器

値 入力 _{FPGA 1} ッ _{0 V 3.3 V} 変調波形 出力

変調波形 _NAND 通 _ALPF 入力 回路 通

出力 得 電源 _Hi 電 大 い 考え

Hi ^{電 安} NAND 5 V ^{高精 電}

IC ^用い NAND ^{変調波形 立 立 伝 遅延 生}

本研究 開発 _DAC 伝 遅延 _NAND 出力 変調 波形 理想変調波形 異 依 発生 予測

2.8(a) ^入力u u=0.01 ^{理想的 変調波形 周波数} fm/200

現 い _2.8(d) う 変調波形 立 電子部品 特性 遅延

場合 考え 理想波形_{( 2.8(a))} 遅延波形_{( 2.8(b))} 差 _2.8(c)

う 列 生 変調出力 現 列 起

因 幅 相当 高調波成 同 周 波数

(fm/200) ^{発生 わ 依 厳密 立}

立 伝 遅延 差 以 伝 遅延差 呼ぶ 生

あ 注意 い

2.7 ^{本研究 開発} 1 ^ッ 2 ^型 DAC ^回路構成 FPGA ^部

実装 ₁ ッ ₂ 型 変調器 構成 _ALPF回路

FPGA ^変調出力 NAND ^{通 変換} FPGA

変調出力 _Hi 安 _NAND 電源 高精

IC ^使用 FPGA (OP27) ^{過 高性能 特性 必要}

い部品 あ

2.8 ^{変調信号 伝 遅延 生 依} (a)^入力値 u=0.01 理想的 変調出力波形 _(b) 立 遅延 持 変調出力波形 _(c) 理想波形_(a) 遅延波形_(b) 差 _(d) 波形 拡大 _{(a) (b)} 周期_200/fm

発生 理想波形 差_(c) 電気的特性 依 源

) ^精

本研究 開発 磁力計 測 精 _DAC 出力値 誤

差 制限 目標測 精 遉成 誤差 目標測 精 以

抑え い _DAC 精 評価 用い 指標 積 非

線形誤差や出力値 温 特性 出力値 再現性 義 _DAC 生 誤差要因 誤差 推 方法 い 述

1) ^{積 非線形誤差} INL: Integral Non-Linearity error

DAC ^{理想的 入出力特性 入力値 対 出力値 直線} 1 ^{関数 決}

場合 あ 実 _DAC 入出力特性 直線 _DAC 動作原理や 回路特性 依 非線形 特性 _INL 直線近似 差異 最大値 出力値

範 割 値 義

DAC INL ^誤差要因 2.8 ^{示 伝 遅延 あ}

2.9(a) (c) ^{青波形 理想的 変調波形 示 赤波形 遅延 あ}

場合 波形 あ _{2.9(a) (b) (c)} 入力_u 単 時間_tあ 数 関

係 調 _2.9(a) 入力_{u u=0} 波形 単 時間_t 数

最 多い 一方 _u≒₁付近 _2.9(c) う 数 少 い 入力_{u 2.9(a)}

(c) ^{間 あ 数} (a) ^少 (c) ^多い 2.9(d) ^{青線 理}

想波形 変調出力 周期_(1/fm) 求 入出力特性 あ 入力 対 出力

特性 直線 一方 _2.9(d) 赤線 変調波形 伝 遅延時間 持 入

出力特性 あ 理想的 入出力特性 い 伝 遅延総面積 入力_{u u=0} 近い 大 _u=み₁ 近い い 誤差要因 伝 遅延 発生

入力値 依 あ 誤差 _DAC回路 伝 遅延時間

推 設計 伝 遅延特性 電子部品 用い 誤差 抑え 能 あ

2.9 ^{伝 遅延差 入出力特性 え 影響 模式的 表} (a)^入力値 u=0 変調波形 _(b)u≒_0.5 変調波形 _(c)u≒₁ 変調波形 _{(a) (c)} 青 線 伝 遅延 無い理想波形 赤線 立 伝 遅延時間 _δ 波形 あ (d)^{青線 理想的 変調波形 場合 入出力特性 赤線 伝 遅延 あ 場合 入出} 力特性 あ

電 温 特性 伝 遅延 温 特性 わ _DAC 温 特性 推

3) ^再現性

同 入力 繰 返 測 生 出力値 誤差 あ 再現性誤

差 義 生 要因 長期間 例え ₁ わ 出力値

安 や出力値 温 特性 あ ₂₎ 温 特性 同様

DAC^回路 Hi/Low ^{電 や伝 遅延時間 長期的 変化 温}

特性 持 生 再現性

1) 3) ^{述 う} DAC ^{精 回路 伝 遅延特性} Hi/Low

電 精 依 特性 _DAC回路 構成 電子

部品 特性 決 個々 特性 把握 誤差 推 目標

測 精 遉成 回路設計 能 あ

) ^{周波数特性}

DAC ^{周波数特性 変調出力}y ^{成 除い 信号成}

周波数特性 _ALPF 周波数特性 決 変調出力_y 信号成 _u 表 式 _2.1 信号成 _u 周波数 依 係数 係 い い

信号成 周波数特性 い _DAC 周波数特性 _ALPF

周波数特性 等 い _ALPF ッ 周波数_fc 高 信号 域 広 解能 劣化 _DAC 広 域化 高 解能化

最適 ッ 周波数_fc 決 要 あ 変調器

高周波域 大 変調 遮断 _ALPF 数 変調器 数 ₁ 以 い 一方 _ALPF 過 高 化 _ALPF 安 化や回路規模

増大 適 い

変調器 安 性

変調器 入力_u 打 消 う 変調出力_y ッ

ッ 周波数特性 安 状態 場合 正 い変調出 力_y 得 _DAC 入力_u 対応 適 値 出力 い _DAC

出力 外部磁場 対応 磁力計 適 ッ 磁場 印

い 意味 最 場合 変調器単体 安 磁力計

ッ 発振 起 安 状態 動作

変調器 設計 い 安 場合 変調器 ッ

中 安 抑え 利得調整要素 配置 積 器 制限値 設

安 性 補償 変調器 安 変調器 数や入力値 異 _N 変調器

N^{個 積 器 相} 90^搬N ^{回 相角 大 い 変調器 安}

や い ₁ 変調器 _{2.1 u 1} あ 必 安 あ [Northworthy et al.,

1997] 2 ^変調器 2.2 ^直流入力 u<1 ^{あ 必 安 あ 交流入力}

い 安 高い 非常 特 波形 入力 限 変調器

発振 例 発見 い [Northworthy et al., 1997] 3 ^{以 高 変調器 安 性}

解析 い 解析方法 制限 多い 予想 様々 入力波形 い 出力値

個 計算 安 性 評価 い え 変調器 入力波形

直流 う 限 場合 ₃ 以 高 変調器 適用 や い 一方 入力波 形 限 い場合 入力波形 い 安 性評価 補償設計

性値 決 要因 以 _D-S 呼ぶ 列挙 磁力計 利用 能 _D-S 値 遥択範 ₃ 条件 制限 ₁ 目 条 件 遥択 _D-S 値 設計 _DAC 磁力計 目標特性 遉成

う あ 磁力計 特性 _DAC 特性 制限

磁力計 目標特性 同等 特性値 _DAC 目標特性値

必要 あ 目標特性 学観測 ッ 載用磁力計

要求特性 遉成 い 本 目標特性 中心 _D-S

検討 _DFG 要求特性 満 _D-S い 検討 目標

特性 実現 解能₁₇ ッ 精 ₁₄ ッ 周波数 域_{DC-128 Hz} 遉

成 _D-S 値 必要 一方 学観測 ッ 載用 磁

力計_DFG 要求 解能 ₁₀ ッ 精 ７ ッ ッ 周波数 _{10 Hz}

以 _{65 Hz}以 あ ッ 実験 _DFG 周波数 _{200 Hz}

設 い ッ 周波数 周波数 十 い_{65 Hz} 設

ッ 周波数 前者 目標特性 周波数 域_{DC-128 Hz} 両立 い

本研究 目標 高精 _DAC 開発 磁力計 応用 あ

優先 検証 _DAC 組 込 磁

力計 特性評価 行い 設計 妥当性 検証 宇 実証試験 行う

あ 実行 開発 _DAC 周波数特性 観測

ッ 要求特性 優先 _DFG 要求 解能₁₀ ッ 精 ₇ ッ い

目標特性 遉成 自然 遉成 値 あ

D-S ^{値 制限} 2 ^{目 条件 設計 変調器 十 安}

動作 あ _DAC 設計 複雑 あ 理 ₁ 目標

特性 や 要求特性 保証 _D-S 安 動作 保証

限 い あ

3 ^{目 条件} D-S ^{値 磁力計 技術的 実現 能 値}

あ 特性 良い _DAC 技術的 困 _D-S 値

必要 本 解能 精 周波数 域 い _D-S

変数 特性計算手法 述 計算結果 記 ₃ 条件 満足 _D-S 値 決

) ^{解能 周波数特性}

本研究 _2.10 示 ₃ 計算手法 使用 変調

依 計算手法 計算手法 呼ぶ

特徴 比較 後 計算方法 詳細 計算結果 述 ₃ 計算手法

評価 能 種類 異 計算手法 変調 評価

い 実機 実現 ₃種 和 比 推 解

能 過大評価 う 計算手法 変調器 直流信号 入力 実機

ッ 同 動作 変調出力 計算 再現 計算手

法 電気的特性 伝 遅延差等 応 ₁ ッ 変調波形 理想波

形 差異 え 計算手法 依 含 ₃種

推 計算手法 比 計算 時間 長い

計算手法 解能評価 動作安 性 検証 実機 実現性 検証 広範 _{D-S OSR} 変調器 数 あ 程 範 絞 込

後計算手法 依 計算 用 _D-S

2.10 ^{本研究 計算手法 評価 能 種類}

計算手法 変調 再現

計算手法 用い 変調器 線形 呼 線形

変調器 _z変換 表 子化誤差 ワ

扱わ _ALPF 域 利得 ₁ 域外 利得 ₀ いう理想的

遮断特性 仮 い 変調器 用い 変調 結果 い

2.3 ^{示 あ}

計算手法 解能評価 必要 _OSR 見積 変調 算 出 解能特性 _OSR 変調器 数_L 推 前 _2.3 目 標 解能₁₇ ッ 信号対雑音比 約_{-102 dB} あ ₁ 変調器 _L=1 目標 解 能 遉成 _{OSR 2590 2} 変調器 _{L=2 160 3} 変調器 _L=3

50^{必要 あ 変調 考慮 解能 あ 計算}

手法 _D-S 絞 込 い

変調器 安 動作 観点 変調器 数_L い 検討

DAC ^{磁力計 組 込 変調器 入力波形 検出磁場波形 相}

当 検出磁場波形 無数 入力波形 完全 網羅

い 変調器 入力波形 限 い場合 変調器 安 性 保証

1 2 ^{変調器 好 い} 3 ^{以 変調器}

変調器 安 十 保証 磁力計 出力値 安 保証 い 以

磁力計 _DAC 組 込 場合 _{1 2} 変

調器 適 あ

最後 磁力計 い 実現 能 _OSR い 検討 _OSR 変調周 波数_{fm ALPF} ッ 周波数_fc 決 式_2.2 ッ 周波数_fc 磁力 計 目標周波数 域_{128 Hz} 制限 変調周波数_fm 磁 力計 検出磁場算出周波数_{f0 11 kHz} 基準 同 繰 返 入力

変調周波数_fm 高 能 あ 変調周波数_fm 最大値

ッ ッ 周波数 _{10 MHz} 制限 変調周波数_fm

過 高 消費電力 増 ッ ッ 周波数 決

水晶発振器 ュ 比 再現性 い誤差 持 変調波形 再現性 変化 再現性 い変調波形 誤差 生 精 劣化 ッ 処理 単純化 変調周波数_{fm f0} 偶数倍 _{11 22 44} …_kHz 中 遥 択 記 求 _OSR 満 変調周波数_{fm 1} 変調器 _{704 kHz 2} 変調

器 _{44 kHz} あ ッ 実現 能 周波数 あ 磁力

計 い変調周波数 好 い _{OSR 160}以 ₂ 変調器 適 あ

計算手法 再現

計算手法 変調器 演算 実機 ッ 同 信号処理 計算

機 実現 計算 ッ 演算 再現 変調出力

現 _2.11 変調 計算 手

示 _{2.11(a) (c)} 変調器 _{(d) ALPF} ュ

流 あ ッ 計算 外部磁場_{(a) f0 11 kHz}

OSR ^{繰 返} (b) ^{変調器 入}

波数 発生 周波数 入力値 ₀ 近い _{u=1 u=-1}

周波数 最 い _u 範 ₁₇ ッ _{-65535 65535 u=1}

対 変調出力 _Hi/Low 交互 表 列 ₂

17

個 間 一

Hi 2^{回連 直流入力 予測}

最 周波数 変調周波数_fm/ 総数₂

17

あ 計算手法 必要 変調出力 点数 ₂

17

以 あ 点数 多い 計算 要 時間 長い

評価 _/ 計算時間 ュ

点数 ₂

19

点

手法 理想的 遮断特性 _ALPF 仮 特性 高周波域 完全 遮断 過 評価 う 計算手法 _ALPF 回 路 数 伝遉関数 実機 周波数特性 再現