AD変換器の限界 その２

　高級品のAD変換器とワードクロック発振器を購入しました。

　AD変換器（オーディオインタフェース）は

1. Steinberg社製UR-824  http://japan.steinberg.net/jp/products/hardware/ur_series/lineup/ur824.html（７万円台）　
2. ワードクロック発振器は、長野県のメーカー,城下工業株式会社製のSWD-CL10. 　http://www.shiroshita.com/sw/swd-cl10.html　（６万円）

　AD変換器のマスタークロックは「ワードクロックジェネレータ」と呼ばれる機材で供給することができます。同社の製品にはTCXO級の水晶が搭載されており（オプションでOCXOにアップ可能）スペック上は0.28ppm となっています。

　早速試験してみましたが、AD変換器の内臓クロックでは10ppm程度外れているもの安定度は申し分なし。ワードクロック内臓発振器(TCXO)で動作させて試験した結果は、測定値で0.1ppm未満で今まで使用していた安物オーディオインタフェースとは段違いです。ただしこの水準にくると測定開始してからドリフトが目立ちます。

　最後にルビジウム発振器を接続して試験ですが、機材は通販で届いたばっかり。まだ冷え切っています。作業場のエアコン入れっぱなしにして一週間程度走らせっぱなし。すこしずつ安定してきて、チャンピオンデータで441.0 Hz の信号の測定値は, 441.000,000,000 ±50 (nHz)程度。周波数不確かさ換算で, 1.1 ×10^(-10) となりました。おそらくRb発振器の安定度限界か、FGとクロックジェネレータに使用されているDDS(Direct Digital Synthesizer)の限界と思われます。50Hzでも同様な試験をした結果も、ほぼ同じ水準。

　今度は、AD変換器のCH1,CH2に「同じ信号」を入力し、CH1,CH2間の位相差を測定。理想のAD変換器ならば、位相差=0が測定されるはずです。しかし結果はΔφ=50 μrad の位相差。 CH1,CH2のケーブルを逆にして同様に測定すると Δφ=60 μradの位相差

　これは何を意味するか？

　ケーブル長のわずかな差での遅延が影響しているのです。また定常的なAD変換器内での位相差は、おそらく電子部品のCH間での微妙な差が影響していると思われます。ちなみに信号レベルを大きくするとこの機器内での定常位相差は大きく変化します。この試験での10μradの差異がケーブル長由来でかつ光速の限界の影響だとすれば、441Hzの信号における1mの線路長の差は約10μradになります。（波長を計算してΔφ=L/λ ・2πと求められます) 　厳密に実験するには、インピーダンスによる遅延の影響をうけない「光伝送」で信号を送受信してみると面白いかもしれません。純粋に距離による位相差が観測されるはずです。。。

 世の中には100万分の1という精密なものがたくさんありますが、 このppmを超えると途端に様々な要因による誤差が表面化してきます。今回の測定値はppmを超えppbまで届きましたが、Rb発振器の不確かさ接近した水準であるため、これ以上の精度向上はむずかしいでしょう。

　ノイズの影響の軽減をねらって、バンドパスフィルタ(BPF)を前置していたのですが、実はBPFには測定揺らぎに影響する大きな落とし穴があったのです。次回以降この話題を取り上げたいと思います。