JP2009145288A - 時間測定回路 - Google Patents

Abstract

【課題】三角波の頂点付近での影響が無く、正確に時間の測定を行うことが可能な時間測定回路を提供する。
【解決手段】一定の周期でクロック信号を発生させるクロック発生手段と、前記クロック発生手段により発生したクロック信号に基づいて、それぞれ互いに所定の位相差を有する第１及び第２のクロック信号を出力する位相クロック出力手段と、前記位相クロック出力手段により出力された第１のクロック信号に従って三角波を発生させる第１の三角波発生手段と、前記位相クロック出力手段により出力された第２のクロック信号に従って三角波を発生させる第２の三角波発生手段と、時間を測定するために用いる被測定パルスを出力するパルス出力手段と、前記パルス出力手段により出力された被測定パルスに応じて、前記第１および第２の三角波発生手段により発生した三角波の振幅をサンプルする振幅サンプル手段と、前記振幅サンプル手段によりサンプルされた三角波の振幅のうちのいずれか１つに基づいて時間を測定する時間測定手段とを備えたことを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、一定の周期で発生させたクロック信号に従って三角波を発生させて時間を測定する時間測定回路に係り、特に、三角波の振幅に基づいて時間を測定する回路構成に関するものである。

従来、この種の時間測定回路では、例えば図５に示すように、三角波発生回路７からあるクロック周期で正に傾斜し、次のクロック周期で負に傾斜するような三角波Ｓａ（最大振幅をＶとする）と、その正及び負のスロープに対応して極性を反転させるストローブ信号Ｓｂとを発生させている。Ａ／Ｄコンバータ３にサンプリングとして被測定パルスＳ１，Ｓ２が与えられると、図６に示すように、その時点ｔ１またはｔ２の三角波の振幅Ｖ１またはＶ２をサンプルして、そのＡ／Ｄ変換値を出力する。データ変換回路９では、ストローブ信号Ｓｂの極性が負または正（逆でも可）に応じて、Ｖ１／Ｖまたは１−Ｖ２／Ｖを演算する。加算器１０では、クロックを計数したカウンタ６の計測値とデータ変換回路９の出力とを加算して、時刻データＤ１（≡ｔ１／Ｔ）＝Ｎ＋Ｖ１／ＶまたはＤ２（≡ｔ２／Ｔ）＝（Ｎ＋３）＋（１−Ｖ２／Ｖ）を外部に出力する。このようにして、時間間隔がクロック周期よりも小さい場合でも時間の測定を可能としている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−９４８５３号公報

しかしながら、このような従来技術における時間測定回路２００では、三角波発生回路７で発生させた三角波の頂点付近でサンプルした振幅では測定の誤差が大きいという問題がある。すなわち、三角波の頂点付近は上下共に各回路や伝送路の周波数帯域の制限の影響で、正確にデータ上の数値とはならず、実際には丸みを帯びた形状となる。このため、この頂点付近での振幅や時間は、電圧に対して比例ではなくなり、それだけ誤差が生じている。

この点、例えばキャリブレーション機能を実行することにより誤差を補正することも可能であるが、この場合には三角波の頂点付近と中央付近での分解能にばらつきが発生し、このばらつきによって別の誤差が生じてしまう。仮に、完全な三角波（頂点が全く丸みを帯びていない波形）を発生させることができれば誤差は生じないが、そのためにはデータの帯域が無限であることが必要であり、現実的には不可能なことである。

そこで本発明は、三角波の頂点付近での影響を受けること無く、正確に時間の測定を行うことが可能な時間測定回路を提供することを課題とする。

以上のような課題を達成するために、本発明に係る時間測定回路は、一定の周期でクロック信号を発生させるクロック発生手段と、前記クロック発生手段により発生したクロック信号に基づいて、それぞれ互いに所定の位相差を有する第１及び第２のクロック信号を出力する位相クロック出力手段と、前記位相クロック出力手段により出力された第１のクロック信号に従って三角波を発生させる第１の三角波発生手段と、前記位相クロック出力手段により出力された第２のクロック信号に従って三角波を発生させる第２の三角波発生手段と、時間を測定するために用いる被測定パルスを出力するパルス出力手段と、前記パルス出力手段により出力された被測定パルスに応じて、前記第１および第２の三角波発生手段により発生した三角波の振幅をサンプルする振幅サンプル手段と、前記振幅サンプル手段によりサンプルされた三角波の振幅のうちのいずれか１つに基づいて時間を測定する時間測定手段とを備えたことを特徴とする。

このような構成により、第１および第２の三角波発生手段によって互いに所定の位相差を有する複数の三角波を発生させておき、実際に時間を測定する際には、複数の三角波のうち、例えばスロープの途中（頂点付近ではないもの）方の振幅を選択する。そして、この振幅に基づいて時間を測定することにより、三角波の頂点付近での影響を受けること無く、正確に時間の測定を行うことが可能となる。

また、上述の時間測定回路において、前記第１および第２の三角波発生手段は、前記振幅サンプル手段がサンプルを行うことが可能な有効データ領域に対して三角波の振幅を２倍として三角波を発生させ、前記時間測定手段は、前記振幅サンプル手段によりサンプルされた三角波の振幅のうち、前記有効データ領域内の振幅に基づいて時間を測定しても良い。

本発明に係る時間測定回路によれば、三角波の頂点付近での誤差の影響が無く、正確に時間の測定を行うことが可能となるという効果が得られる。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は本実施の形態における時間測定回路１００の構成を示す説明図である。先ず、時間測定回路１００の構成について説明する。

時間測定回路１００はパルス発生回路１０１を備えており、このパルス発生回路１０１は、実際の時間の測定時のタイミングで被測定パルスを発生させる。また、時間測定回路１００はクロック発生回路１０２を備え、このクロック発生回路１０２は、一定の周期でクロック信号を発生させるものである。

クロック発生回路１０２が発生させたクロック信号は差動バッファ１０３に入力され、この差動バッファ１０３は入力されたクロック信号を２つのクロック信号（第１および第２のクロック信号）に分けて出力する。このうち第１のクロック信号は、クロック信号に同期して三角波発生回路１０４に出力されるが、第２のクロック信号は、位相差１８０°で別の三角波発生回路１０５に出力される。このように差動バッファ１０３は、差動クロック出力手段としての機能を有する。

また時間測定回路１００は、差動バッファ１０３から出力された第１のクロック信号に従って三角波Ａを発生させる三角波発生回路１０４と、差動バッファ１０３から出力された第２のクロック信号に従って三角波Ｂを発生させる三角波発生回路１０５を備えている。

このうち三角波発生回路１０４は、差動バッファ１０３から第１のクロック信号が出力される毎に、傾斜が正方向と負方向に交互に入れ替わって電圧が変動する三角波Ａを発生させる。また、三角波発生回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６のフルスケール（最大感度範囲）に対して三角波Ａの最大振幅を例えば２倍に調整し、この調整した三角波ＡをＡ／Ｄコンバータ１０６に出力する。Ａ／Ｄコンバータ１０６は、三角波Ａの波形のうち、その頂点付近を除いた中央付近（スロープの部分）の振幅を有効レンジ内でサンプルする。

三角波発生回路１０５もまた同様に、第２のクロック信号を用いて三角波Ｂを発生させる。このとき、三角波発生回路１０５は、三角波Ａに対して例えば９０°の位相差を有する三角波Ｂを発生させる。また、Ａ／Ｄコンバータ１０７のフルスケールに対して最大振幅が２倍となるように調整した三角波Ｂを発生させる。

次に時間測定回路１００は、三角波Ａの振幅をサンプルするＡ／Ｄコンバータ１０６と、三角波Ｂの振幅をサンプルするＡ／Ｄコンバータ１０７を備えている。

このうちＡ／Ｄコンバータ１０６は、三角波Ａの波形から振幅をサンプルしてデータ変換回路１０８に出力する。ここで、振幅をサンプルした際に、波形上の振幅の点が有効データ領域の範囲外である場合には、「＋ＯＲ（Ｏｖｅｒ Ｒａｎｇｅ）」または「−ＯＲ」のデータをデータ変換回路１０８に出力する。

Ａ／Ｄコンバータ１０７もまた同様に、三角波Ｂの波形から振幅をサンプルし、データ変換回路１０８に出力する。このようにＡ／Ｄコンバータ１０６，１０７は、いずれも振幅サンプル手段としての機能を有する。

また時間測定回路１００はデータ変換回路１０８を備えている。このデータ変換回路１０８は、Ａ／Ｄコンバータ１０６，１０７でサンプルされた振幅のデータのうち、「＋ＯＲ」または「−ＯＲ」となっていない方の振幅のデータを用いて演算を行い、三角波Ａ，Ｂいずれかの最大振幅を用いてクロック信号の周期内での時間を算出する。

そして時間測定回路１００は、カウンタ１０９および加算器１１０を備えており、このうちカウンタ１０９は、クロック発生回路１０２が発生させたクロック信号を初期状態時から２周期ごとに計数して計数値を出力する。カウンタ１０９の計数値は、上記のデータ変換回路１０８による算出結果とともに加算器１１０に入力される。加算器１１０は、両者を加算して時刻データ（時間の測定結果）を出力する。このように、データ変換回路１０８、カウンタ１０９および加算器１１０は、全体で時間測定手段としての機能を有する。

続いて、本実施の形態における時間測定回路１００の動作について図２に示すフローチャートを用いて説明する。まず、時間測定回路１００においてクロック発生回路１０２が一定の周期でクロック信号を発生させる。このとき、カウンタ１０９は、初期状態時からクロック信号の計数を開始し、順次クロック信号が発生する毎に計数を行う。

ステップＳ２０１：差動バッファ１０３は、クロック発生回路１０２が発生させたクロック信号を入力し、このクロック信号を２つの第１および第２のクロック信号に分ける。差動バッファ１０３は、これらの第１および第２のクロック信号のうち、第１のクロック信号をそのまま三角波発生回路１０４に出力し、第２のクロック信号を第１のクロック信号に対して１８０°の位相差を有するタイミングで三角波発生回路１０５に出力する。

ステップＳ２０２：三角波発生回路１０４は、差動バッファ１０３から出力された第１のクロック信号を受け取り、この第１のクロック信号に従って三角波Ａを発生させる。また、時間測定回路１００は、三角波発生回路１０５により差動バッファ１０３から出力された第２のクロック信号を受け取り、この第２のクロック信号に従って三角波Ａに対して９０°位相差を有する三角波Ｂを発生させる。

ここで、三角波発生回路１０４，１０５がそれぞれ発生させた三角波Ａ，Ｂは、共にＡ／Ｄコンバータ１０６，１０７の有効データ領域の範囲に対して最大振幅が２倍となるように波形が調整されている。

ステップＳ２０３：Ａ／Ｄコンバータ１０６，１０７は、実際の時間の測定の際に、パルス発生回路１０１から出力された被測定パルスに応じて、この被測定パルスが出力されたタイミングで三角波Ａ，Ｂの波形上の振幅をそれぞれサンプルする。

そして、Ａ／Ｄコンバータ１０６，１０７は、三角波Ａ，Ｂの波形上からサンプルした振幅（電位）をデータ変換回路１０８に出力する。波形上の振幅の点が有効レンジの外である場合には、範囲外の上側を示す「＋ＯＲ」または範囲外の下側を示す「−ＯＲ」のデータを生成してデータ変換回路１０８に出力する。

例えば、Ａ／Ｄコンバータ１０６，１０７は、図３に示すように、被測定パルスが出力されたタイミング「ｔ１」での三角波Ａの振幅として「Ｖ１ａ」をサンプルし、三角波Ｂの振幅が範囲外であることに応じて「＋ＯＲ」のデータを生成してデータ変換回路１０８に出力する。

また、Ａ／Ｄコンバータ１０６，１０７は、図３に示すように、被測定パルスが出力されたタイミング「ｔ２」での三角波Ａの振幅が範囲外であることに応じて「−ＯＲ」のデータを生成し、三角波Ｂの振幅として「Ｖ２ｂ」をサンプルしてデータ変換回路１０８に出力する。

ステップＳ２０４：データ変換回路１０８は、ステップＳ２０３においてＡ／Ｄコンバータ１０６，１０７が三角波Ａ、Ｂの波形上からサンプルしたそれぞれの振幅のデータのうち、「＋ＯＲ」または「−ＯＲ」となっていない方の振幅のデータを選択する。そしてデータ変換回路１０８は、選択した振幅のデータを用いて演算を行い、クロック信号の周期内での時間を算出する。「＋ＯＲ」か「−ＯＲ」かの判定により、振幅データが立上りなのか立下りなのかを判定する。

ここで、三角波Ａ、Ｂは共に有効データ領域の範囲に対して最大振幅が２倍となって頂点付近が有効データ領域の範囲から除かれており、「＋ＯＲ」または「−ＯＲ」となっていない振幅のデータを選択することによって頂点付近ではない振幅のデータが選択される。

また、加算器１１０は、データ変換回路１０８が算出したクロック信号の周期内での時間と、カウンタ１０９が初期状態時から計数したクロック信号の計数値とを加算して初期状態時からの経過時間を算出する。

例えば、データ変換回路１０８は、図３に示すように、Ａ／Ｄコンバータ１０６，１０７がサンプルしたそれぞれのデータ「Ｖ１ａ」、「＋ＯＲ」から、以下のようにクロック２周期内における時間「ｔ１ａ」を算出する。
ａ）Ａ／Ｄコンバータ１０６が「Ｖ１ａ」のとき
ｔ１ａ＝（1/2)(1/fclk)+{V1a-(Vfs/2)}(1/4fclk)
・・Ａ／Ｄコンバータ１０７が「＋ＯＲ」のとき
ｔ１ａ＝（3/2)(1/fclk)+{V1a-(Vfs/2)}(1/4fclk)
・・Ａ／Ｄコンバータ１０７が「−ＯＲ」のとき
ｂ）Ａ／Ｄコンバータ１０７が「Ｖ１ａ」のとき
ｔ１ａ＝(1/fclk)+{V1a-(Vfs/2)}(1/4fclk)
・・Ａ／Ｄコンバータ１０６が「＋ＯＲ」のとき
ｔ１ａ＝{V1a-(Vfs/2)}(1/4fclk)
・・Ａ／Ｄコンバータ１０６が「−ＯＲ」のとき
ただし、fclk＝クロック周波数
Vfs＝Ａ／Ｄコンバータフルスケール電圧

これら算出した時間「ｔ１ａ」と初期状態時から計数したカウンタ値「Ｎ」（Ｎ≧０）とを加算して初期状態時からの経過時間Ｄ１を算出する。
Ｄ１＝Ｎ(２/ｆｃｌｋ)＋ｔ１ａ

以上のように、本実施の形態における時間測定回路１００では、演算に用いられる三角波Ａ，Ｂの振幅がいずれも頂点付近ではなく、スロープの途中であるため、三角波の頂点付近での影響を受けることなく、正確に時間の測定を行うことが可能となる。

また、Ａ／Ｄコンバータ１０６，１０７の有効レンジ（フルスケール）に対して三角波Ａ，Ｂの振幅を２倍として発生させているので、この有効レンジ内では、三角波の頂点付近を除いたスロープの中央付近を対象とした振幅を確実にサンプルすることができる。このため、キャリブレーションによる誤差補正をしなくても測定を行うことが可能となる。

また従来技術と比較しても、２つのＡ／Ｄコンバータ１０６，１０７を用いることで時間の分解能を単純に２倍にすることができる。また、従来と同じ時間分解能を適用した場合には、２つのＡ／Ｄコンバータ１０６，１０７を用いることでクロック信号の周波数を半分にすることができる。

また、従来技術における時間測定回路では、ストローブ信号と三角波との間の正確な同期を取る必要があったが、本実施の形態における時間測定回路１００では、三角波Ａ，Ｂの振幅で有効データ領域をクロスオーバーさせることで三角波Ａ，Ｂ同士の正確な同期を取る必要をなくすことができる。

〔他の実施の形態〕
上述の実施の形態において、２つのＡ／Ｄコンバータ１０７，１０６を用いて三角波Ａ，Ｂの振幅をサンプルしたが、３個以上の任意の個数Ｎ個に増やしても良い。このように増やすことで時間分解能をＮ倍とし、または時間分解能を変更せずにクロック信号の周波数を１／Ｎとすることができる。

また、上述の実施の形態において、パルス発生回路１０１の代わりに被測定信号と予め設定された基準電圧と比較するコンパレータ１１１を設けておき、このコンパレータ１１１から被測定パルスを出力してもよい。この場合、例えば図４に示すように、被測定信号が出力される時間を測定して被測定信号の周期を測定することができる。

以上説明したように、本発明は、電圧変動によって時間の測定を行う測定器などに広く適用することができる。

本実施形態の時間測定回路の構成を示す説明図である。 本実施形態の時間測定回路の動作を示すフローチャートである。 本実施形態の時間測定回路の三角波やクロック信号のタイミングを示すタイミングチャートである。 他の実施形態の時間測定回路の構成を示す説明図である。 従来技術における時間測定回路の構成を示す説明図である。 従来技術における時間測定回路の三角波やクロック信号のタイミングを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１００，２００ 時間測定回路
１０１ パルス発生回路
１０２ クロック発生回路
１０３ 差動バッファ
７，１０４，１０５ 三角波発生回路
３，１０６，１０７ Ａ／Ｄコンバータ

Claims (2)

1. 一定の周期でクロック信号を発生させるクロック発生手段と、
   前記クロック発生手段により発生したクロック信号に基づいて、それぞれ互いに所定の位相差を有する第１及び第２のクロック信号を出力する位相クロック出力手段と、
   前記位相クロック出力手段により出力された第１のクロック信号に従って三角波を発生させる第１の三角波発生手段と、
   前記位相クロック出力手段により出力された第２のクロック信号に従って三角波を発生させる第２の三角波発生手段と、
   時間を測定するために用いる被測定パルスを出力するパルス出力手段と、
   前記パルス出力手段により出力された被測定パルスに応じて、前記第１および第２の三角波発生手段により発生した三角波の振幅をサンプルする振幅サンプル手段と、
   前記振幅サンプル手段によりサンプルされた三角波の振幅のうちのいずれか１つに基づいて時間を測定する時間測定手段とを備えたことを特徴とする時間測定回路。
2. 請求項１に記載の時間測定回路において、
   前記第１および第２の三角波発生手段は、前記振幅サンプル手段がサンプルを行うことが可能な有効データ領域に対して三角波の最大振幅を２倍として三角波を発生させ、
   前記時間測定手段は、前記振幅サンプル手段によりサンプルされた三角波の振幅のうち、前記有効データ領域内の振幅に基づいて時間を測定することを特徴とする時間測定回路。

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