JP2016082301A - Delay amount measurement circuit and delay amount measurement method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a delay amount measurement circuit capable of implementing measurements over a wide range by selecting the magnitude of a measurable delay amount and achieving power saving and circuit scale reduction with a little circuit resources, and a delay amount measurement method.SOLUTION: A delay amount measurement circuit 10 comprises: a plurality of delay elements 12 for buffer which are connected in an annular shape; a unit delay element 11 for trigger; and a counter 13 which is connected to each of the delay elements 12 for buffer, defines output of the delay element 12 for buffer as clock input and performs counting each time the clock input is inputted. A start signal that is inputted to the delay element 11 for trigger is delayed each time it is circulated through the delay elements 12 for buffer, and inputted to the counter 13. On the basis of a stop signal inputted to each of the delay elements 12 for buffer, the output of the delay element 12 for buffer is stopped and counting by the counter 13 is stopped.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、入力された信号の時間差をデジタル値に変換する遅延量測定回路および遅延量測定方法に関するものである。   The present invention relates to a delay amount measuring circuit and a delay amount measuring method for converting a time difference between input signals into a digital value.

従来、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)といったLSI(Large Scale Integrated Circuit)を使った製品では、遅延量を取得しておく必要がある回路などが存在する。例えば、位相同期回路(Phase Locked Loop:PLL)の遅延量測定回路、センサやアナログデジタルコンバータの入力部などである。これらにおいて、遅延量を測定し、取得する手法および回路として、時間デジタイザ(Time to Digital Converter:TDC)による測定方法、およびその回路が提案され、広く利用されている。   Conventionally, a product using an LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) or a Field Programmable Gate Array (FPGA) needs to acquire a delay amount. For example, a delay amount measuring circuit of a phase locked loop (PLL), an input unit of a sensor or an analog-digital converter, or the like. In these, as a method and a circuit for measuring and acquiring the delay amount, a measuring method using a time digitizer (TDC) and its circuit have been proposed and widely used.

ここで、図1に基づいて、TDCの構成と動作を説明する。図1は、従来のTDC100が示されている。図1に示されているとおり、TDC100は、入力された基準クロック信号(CLK)を所定の遅延量τ1だけ遅延させる複数の遅延素子101が直列に接続されて構成された遅延ライン102と、この遅延ライン102で遅延した遅延信号をデータ入力Dとし、被測定信号をクロック入力とする複数のディレイフリップフロップ(DFF)103と、この各DFF103の出力Qから、基準クロック信号と被測定信号との時間差を測定するエンコーダ回路104とが備えられている。   Here, the configuration and operation of the TDC will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a conventional TDC 100. As shown in FIG. 1, the TDC 100 includes a delay line 102 configured by connecting a plurality of delay elements 101 that delay an input reference clock signal (CLK) by a predetermined delay amount τ1, and this delay line 102, A plurality of delay flip-flops (DFF) 103 having a delay signal delayed by the delay line 102 as a data input D and a measured signal as a clock input, and an output Q of each DFF 103, a reference clock signal and a measured signal are obtained. And an encoder circuit 104 for measuring the time difference.

このようなTDC100は、各遅延素子101から出力される遅延信号が遅延量τ1ずつ遅延して次の遅延素子101に入力される。そのため、被測定信号が「高(H)」の状態になることで、例えば、ある遅延素子101より前の遅延信号が「高(H)」の状態であり、それ以降の遅延素子101の遅延信号が「低(L)」の状態となる。そして、それぞれの状態の遅延信号がデータ入力Dとして入力された各DFF103の出力Qは、あるDFF103よりも前では「高(H)」の状態であり、それ以後のDFFでは「低(L)」状態となる。DFF103の出力が「高(H)」から「低(L)」、または「低(L)」から「高(H)」に変化する位置が、エンコーダ回路104で検出されることにより、基準クロック信号(CLK)と被測定信号との時間差が測定される。   In such a TDC 100, the delay signal output from each delay element 101 is delayed by the delay amount τ1 and input to the next delay element 101. Therefore, when the signal under measurement is in the “high (H)” state, for example, the delay signal before a certain delay element 101 is in the “high (H)” state, and the delay of the delay element 101 thereafter The signal is in a “low (L)” state. The output Q of each DFF 103 to which the delayed signal in each state is input as the data input D is in a “high (H)” state before a certain DFF 103, and “low (L)” in the DFFs thereafter. State. The position at which the output of the DFF 103 changes from “high (H)” to “low (L)” or “low (L)” to “high (H)” is detected by the encoder circuit 104, so that the reference clock The time difference between the signal (CLK) and the signal under measurement is measured.

上記したTDC100は、その分解能が遅延素子101固有の遅延量τ1に起因するため、測定することができる遅延量に限界がある。ここで、さらに分解能を上げるために、遅延量が異なる二つの遅延素子の遅延量の差を利用したものとして、例えば下記特許文献1、非特許文献1および非特許文献2に記載されたバーニア型TDCがある。   The TDC 100 described above has a limit in the amount of delay that can be measured because the resolution is caused by the delay amount τ1 inherent in the delay element 101. Here, in order to further increase the resolution, the vernier type described in, for example, the following Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2, which uses the difference between the delay amounts of two delay elements having different delay amounts, is used. There is TDC.

ここで、図2に基づいて、バーニア型TDCの構成と動作を説明する。図2は、従来のバーニア型TDC200が示されている。図2に示されているとおり、バーニア型TDC200は、入力された基準クロック信号(CLK)を所定の遅延量τ1だけ遅延させる複数の遅延素子201が直列に接続されて構成された遅延ライン203と、入力された被測定信号を所定の遅延量τ2だけ遅延させる複数の遅延素子202が直列に接続されて構成された第二遅延ライン204が備えられている。バーニア型TDC200のDFF205は、第一遅延ライン203で遅延された遅延信号がデータ入力Dであり、第二遅延ライン204で遅延された遅延被測定信号がクロック入力である。   Here, the configuration and operation of the vernier TDC will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a conventional vernier TDC 200. As shown in FIG. 2, the vernier TDC 200 includes a delay line 203 configured by connecting a plurality of delay elements 201 that delay an input reference clock signal (CLK) by a predetermined delay amount τ1 in series. , A second delay line 204 configured by connecting a plurality of delay elements 202 for delaying the input signal under measurement by a predetermined delay amount τ2 is connected in series. In the DFF 205 of the vernier TDC 200, the delayed signal delayed by the first delay line 203 is the data input D, and the delayed signal under measurement delayed by the second delay line 204 is the clock input.

このようなバーニア型TDC200は、第一遅延ライン203において各遅延素子201から出力される遅延信号が遅延量τ1ずつ遅延して次の遅延素子201に入力され、一方、第二遅延ライン204において各遅延素子202から出力される遅延被測定信号が遅延量τ2ずつ遅延して次の遅延素子202に入力される。例えば、τ1>τ2であれば、データ入力Dに入力された遅延信号が、クロック入力に入力された遅延被測定信号よりも先に「高(H)」となる状態から、クロック入力に入力された遅延被測定信号が、データ入力Dに入力された遅延信号よりも先に「高(H)」となる状態へと、徐々に変化する。DFFの出力が変化する位置が、エンコーダ回路206で検出されることにより、遅延量が異なる二つの遅延素子201,202の遅延量の差により、高分解能での測定が可能となる。   In such a vernier type TDC 200, the delay signal output from each delay element 201 in the first delay line 203 is delayed by the delay amount τ 1 and input to the next delay element 201. The delayed signal under measurement output from the delay element 202 is delayed by the delay amount τ 2 and input to the next delay element 202. For example, if τ 1> τ 2, the delayed signal input to the data input D is input to the clock input from a state where it becomes “high (H)” before the delayed measured signal input to the clock input. The delayed signal under measurement gradually changes to a state of being “high (H)” before the delayed signal input to the data input D. Since the position where the output of the DFF changes is detected by the encoder circuit 206, measurement with high resolution becomes possible due to the difference in delay amount between the two delay elements 201 and 202 having different delay amounts.

特開2012−138848号公報JP 2012-138848 A

P.Dudek et aL., “A high−resolution CMOS time−to−digitalconverter utilizing a Vernier delay line,” IEEE Journal of Solid−State Circuits, pp. 240−247, Feb. 2000P. Dudek et aL. "A high-resolution CMOS time-to-digital converter utility a Vernier delay line," IEEE Journal of Solid-State Circuits, pp. 240-247, Feb. 2000 J. Yu et aL., “A 12−Bit Vernier Ring Time−to−Digital Converter in 0.13 μm CMOS Technology,” IEEE Journal of Solid−State Circuits, Vol.45, No.4, APRIL. 2010J. et al. Yu et aL. "A 12-Bit Vernier Ring Time-to-Digital Converter in 0.13 μm CMOS Technology," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 45, no. 4, APRIL. 2010

しかし、上記したTDC100およびバーニア型TDC200は、1回の測定が、原則として初段の遅延素子から最後段の遅延素子までの間で完結するため、測定することができる遅延量が限られている。   However, in the TDC 100 and the vernier TDC 200 described above, since one measurement is completed in principle from the first delay element to the last delay element, the amount of delay that can be measured is limited.

特に、TDC100は、検出精度が良いとはいえず、また、分解能が遅延素子101固有の遅延量に起因するため、測定することができる遅延量に限界がある。一方、バーニア型TDC200は、遅延量が異なる二つの遅延素子201,202の遅延量の差により分解能を上げる構成であるため、逆に、分解能を下げた大きな遅延量を測定し辛い。遅延素子201,202を増設することで、測定することができる遅延量を大きくすることができたとしても、回路リソースが増えることで、消費電力が増大し、また回路規模が増大すると共にコンパクトな実装が困難になる。   In particular, the TDC 100 cannot be said to have good detection accuracy, and since the resolution is caused by the delay amount unique to the delay element 101, there is a limit to the delay amount that can be measured. On the other hand, the vernier TDC 200 has a configuration in which the resolution is increased by the difference in delay amount between the two delay elements 201 and 202 having different delay amounts, and conversely, it is difficult to measure a large delay amount with a lowered resolution. Even if the delay elements 201 and 202 can be added to increase the amount of delay that can be measured, the circuit resources increase, the power consumption increases, the circuit scale increases, and the circuit is compact. Implementation becomes difficult.

もとより、TDC100およびバーニア型TDC200は、信号がそれぞれの遅延ライン101,203,204のループ内を周回する毎に、デコーダで値を集計する必要があり、また、バーニア型TDC200は、TDC100と比較して、遅延素子の数が倍である。これらの事情からも、両者とも、消費電力、回路規模と実装の困難性などの課題がある。   Of course, the TDC 100 and the vernier TDC 200 need to add up values by the decoder every time the signal circulates in the loop of each delay line 101, 203, 204, and the vernier TDC 200 is compared with the TDC 100. Thus, the number of delay elements is doubled. From these circumstances, both have problems such as power consumption, circuit scale, and mounting difficulty.

本発明は、上記の実情に鑑みて提案されたものである。すなわち、測定することができる遅延量の大小を選択して広範な測定を実現することができ、少ない回路リソースにより、省電力と小回路規模を実現することができる遅延量測定回路および遅延量測定方法の提供を目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above circumstances. In other words, it is possible to realize a wide range of measurements by selecting the amount of delay that can be measured, and a delay amount measurement circuit and delay amount measurement that can realize power saving and a small circuit scale with less circuit resources. The purpose is to provide a method.

上記目的を達成するために、本発明に係る遅延量測定回路は、第一信号と第二信号との時間差を測定する遅延量測定回路において、環状に接続された複数の遅延素子と、各前記遅延素子に接続されて前記遅延素子の出力をクロック入力とし、このクロック入力が入力される度に計数するカウンタと、が備えられ、複数の前記遅延素子のうちの一つに入力された前記第一信号が、各前記遅延素子を巡回する度に遅延すると共に前記カウンタに入力され、前記遅延素子に入力された前記第二信号に基づいて、前記遅延素子の出力が停止すると共に前記カウンタの計数が停止する、ことを特徴としている。   In order to achieve the above object, a delay amount measuring circuit according to the present invention is a delay amount measuring circuit for measuring a time difference between a first signal and a second signal, a plurality of delay elements connected in a ring, A counter connected to a delay element and having the output of the delay element as a clock input and counting each time the clock input is input, and the counter is input to one of the plurality of delay elements. One signal is delayed each time it goes around each delay element and is input to the counter. Based on the second signal input to the delay element, the output of the delay element is stopped and the counter counts. It is characterized by stopping.

本発明に係る遅延量測定回路は、第一信号と第二信号との時間差を測定する遅延量測定回路において、環状に接続された複数の遅延素子と、各前記遅延素子に接続されて前記遅延素子の出力をクロック入力とし、このクロック入力が入力される度に計数するカウンタと、が備えられ、複数の前記遅延素子のうちの一つに入力された前記第一信号が、各前記遅延素子を巡回する度に遅延すると共に前記カウンタに入力され、前記遅延素子に入力された前記第二信号に基づいて、前記遅延素子の出力が停止すると共に前記カウンタの計数が停止する、ことを特徴としている。   The delay amount measurement circuit according to the present invention is a delay amount measurement circuit for measuring a time difference between a first signal and a second signal, and includes a plurality of delay elements connected in a ring shape and the delay elements connected to the delay elements. A counter that counts each time the clock input is input, and the first signal input to one of the plurality of delay elements is connected to each of the delay elements. The delay element is delayed each time it is circulated and is input to the counter, and based on the second signal input to the delay element, the output of the delay element is stopped and the counting of the counter is stopped. Yes.

本発明に係る遅延量測定回路は、前記カウンタが接続された前記遅延素子同士の間に、付加遅延素子が接続された、ことを特徴としている。   The delay amount measuring circuit according to the present invention is characterized in that an additional delay element is connected between the delay elements to which the counter is connected.

本発明に係る遅延量測定回路は、レベル入力である前記第一信号および/または前記第二信号をパルス入力に変換するパルス変換回路が備えられた、ことを特徴としている。   The delay amount measurement circuit according to the present invention is characterized in that a pulse conversion circuit for converting the first signal and / or the second signal, which are level inputs, into a pulse input is provided.

本発明に係る遅延量測定回路は、遅延量測定回路が複数備えられた遅延量測定回路群と、それぞれの前記遅延量測定回路の測定結果に基づいて値を校正する統計処理回路と、が備えられた、ことを特徴としている。   The delay amount measurement circuit according to the present invention includes a delay amount measurement circuit group including a plurality of delay amount measurement circuits, and a statistical processing circuit that calibrates a value based on the measurement result of each of the delay amount measurement circuits. It is characterized by that.

本発明に係る遅延量測定方法は、第一信号と第二信号との時間差を測定する遅延量測定方法において、環状に接続された複数の前記遅延素子のうちの一つに前記第一信号を入力する手順と、各前記遅延素子を巡回する度に前記第一信号が遅延すると共に、各前記遅延素子に接続されたカウンタに前記遅延素子の出力がクロック入力として入力される度に、この入力を計数する手順と、前記遅延素子に前記第二信号を入力し、前記第二信号に基づいて前記遅延素子の出力を停止させると共に前記カウンタの計数を停止させる手順と、を含む、ことを特徴としている。   The delay amount measuring method according to the present invention is the delay amount measuring method for measuring the time difference between the first signal and the second signal, wherein the first signal is supplied to one of the plurality of delay elements connected in a ring shape. The first signal is delayed each time the delay element is cycled, and the input of the delay element is input to the counter connected to each delay element as a clock input. And a step of inputting the second signal to the delay element, stopping the output of the delay element based on the second signal, and stopping the counting of the counter. It is said.

本発明に係る遅延量測定方法は、第一信号と第二信号との時間差を測定する遅延量測定方法において、環状に接続された複数の遅延素子に入力される前記第一信号のうちの一つを選択する手順と、選択した前記第一信号を複数の前記遅延素子のうちの一つに入力する手順と、各前記遅延素子を巡回する度に、選択した前記第一信号が遅延すると共に、各前記遅延素子に接続されたカウンタに前記遅延素子の出力がクロック入力として入力される度に、この入力を計数する手順と、前記遅延素子に前記第二信号を入力し、前記第二信号に基づいて前記遅延素子の出力を停止させると共に前記カウンタの計数を停止させる手順と、選択した前記第一信号に基づく前記時間差を測定する手順と、前記第一信号の選択を繰り返す度に測定した複数の前記時間差から測定結果を算出する手順と、を含む、ことを特徴としている。   A delay amount measuring method according to the present invention is a delay amount measuring method for measuring a time difference between a first signal and a second signal, wherein one of the first signals input to a plurality of delay elements connected in a ring shape. Selecting the first signal, inputting the selected first signal to one of the plurality of delay elements, and delaying the selected first signal every time the delay elements are circulated Each time the output of the delay element is input as a clock input to the counter connected to each of the delay elements, the second signal is input to the delay element, and the second signal is input to the delay element. Measured each time the procedure of stopping the output of the delay element and the counting of the counter based on the procedure, the procedure of measuring the time difference based on the selected first signal, and the selection of the first signal are repeated. Multiple before Including the steps of calculating the measurement results from the time difference, it is characterized in that.

本発明に係る遅延量測定方法は、前記カウンタが接続された前記遅延素子同士の間に接続された付加遅延素子に応じて前記遅延素子の入力を遅延させる手順を含む、ことを特徴としている。   The delay amount measuring method according to the present invention includes a procedure of delaying an input of the delay element according to an additional delay element connected between the delay elements to which the counter is connected.

本発明に係る遅延量測定方法は、レベル入力である前記第一信号および/または前記第二信号をパルス入力に変換する手順を含む、ことを特徴としている。   The delay amount measuring method according to the present invention includes a procedure for converting the first signal and / or the second signal, which are level inputs, into pulse inputs.

本発明に係る遅延量測定方法は、遅延量測定方法によって得られた複数の測定結果に基づいて値を校正する、ことを特徴としている。   The delay amount measuring method according to the present invention is characterized in that a value is calibrated based on a plurality of measurement results obtained by the delay amount measuring method.

本発明に係る遅延量測定回路は上記した構成であり、いわゆる非同期式である。すなわち、複数の遅延素子のうちの1つに入力された第一信号が、各遅延素子を巡回する度に遅延すると共に、各遅延素子に接続されたカウンタに、遅延素子の出力がクロック入力として入力され、このクロック入力が入力される度に計数され、この計数がカウンタの上限値に至ってオーバーフローするまで繰り返される。したがって、小さな遅延量から大きな遅延量まで、測定することができる遅延量の大小を選択して広範な測定を実現することができる。   The delay amount measuring circuit according to the present invention has the above-described configuration and is a so-called asynchronous type. That is, the first signal input to one of the plurality of delay elements is delayed each time it circulates through each delay element, and the output of the delay element is used as a clock input to the counter connected to each delay element. It is counted every time this clock input is input, and this count is repeated until it reaches the upper limit of the counter and overflows. Therefore, it is possible to realize a wide range of measurements by selecting the amount of delay that can be measured from a small delay amount to a large delay amount.

また、従来と比較して、基準クロック信号のための電源回路が不要である点、データ入力Dの遅延ラインが不要である点、特にバーニア型TDCと比較して遅延素子の数が少ない点などを理由に、少ない回路リソースにより小回路規模を実現することができる。   In addition, the power supply circuit for the reference clock signal is not required compared to the conventional case, the delay line for the data input D is not required, and particularly the number of delay elements is smaller than that of the vernier type TDC. For this reason, a small circuit scale can be realized with a small number of circuit resources.

さらに、複数の遅延素子のうちの1つに入力された第一信号が各遅延素子を巡回するため、基準クロック信号と、そのための電源が不要である。したがって、検出精度を良好にすることができ、また、省電力を実現することができる。   Furthermore, since the first signal input to one of the plurality of delay elements circulates through each delay element, a reference clock signal and a power source for that purpose are unnecessary. Therefore, the detection accuracy can be improved and power saving can be realized.

本発明に係る遅延量測定回路は、複数の遅延素子に入力される第一信号のうちの一つを選択する入力信号選択回路と、選択された第一信号に基づく時間差が測定され、入力信号選択回路による選択が繰り返される度に測定された複数の時間差から測定結果を算出する演算回路とが備えられている。この構成により、遅延素子に入力される第一信号が選択されることで、同一の第一信号に関し、異なる遅延素子を基点とした複数の時間差が測定され、これらを標本とした統計処理によって測定結果が算出される。したがって、遅延素子の遅延量が、例えば製造ばらつきによって遅延素子毎に僅かに異なる場合であっても、検出精度を良好にすることができる。   A delay amount measurement circuit according to the present invention includes an input signal selection circuit that selects one of first signals input to a plurality of delay elements, and a time difference based on the selected first signal, and an input signal And an arithmetic circuit for calculating a measurement result from a plurality of time differences measured each time selection by the selection circuit is repeated. With this configuration, by selecting the first signal to be input to the delay element, a plurality of time differences with respect to the same first signal are measured based on different delay elements, and measured by statistical processing using these as samples. The result is calculated. Therefore, even when the delay amount of the delay element is slightly different for each delay element due to manufacturing variations, for example, the detection accuracy can be improved.

本発明に係る遅延量測定回路は、カウンタが接続された遅延素子同士の間に、付加遅延素子が接続されている。この構成により、付加遅延素子の分だけ遅延量が増加する。したがって、測定することができる遅延量を大きくすることができる。   In the delay amount measuring circuit according to the present invention, an additional delay element is connected between delay elements to which a counter is connected. With this configuration, the amount of delay increases by the amount of the additional delay element. Therefore, the delay amount that can be measured can be increased.

本発明に係る遅延量測定回路は、レベル入力である第一信号および/または第二信号をパルス入力に変換するパルス変換回路が備えられている。この構成により、レベル入力の際のノイズによる誤作動を防ぐことができる。したがって、少ない回路リソースにより、省電力と小回路規模を実現することができる。   The delay amount measurement circuit according to the present invention includes a pulse conversion circuit that converts a first signal and / or a second signal, which are level inputs, into a pulse input. With this configuration, malfunction due to noise during level input can be prevented. Therefore, power saving and a small circuit scale can be realized with a small number of circuit resources.

本発明に係る遅延量測定回路は、遅延量測定回路が複数備えられた遅延量測定回路群と、それぞれの遅延量測定回路の測定結果に基づいて値を校正する統計処理回路とが備えられている。この構成により、遅延量測定回路を遅延量測定回路群として冗長化させ、各遅延量測定回路の測定結果を標本とした統計処理によって測定結果が算出される。したがって、検出精度をさらに良好にすることができる。   The delay amount measurement circuit according to the present invention includes a delay amount measurement circuit group including a plurality of delay amount measurement circuits, and a statistical processing circuit that calibrates a value based on the measurement result of each delay amount measurement circuit. Yes. With this configuration, the delay amount measurement circuit is made redundant as a delay amount measurement circuit group, and the measurement result is calculated by statistical processing using the measurement result of each delay amount measurement circuit as a sample. Therefore, the detection accuracy can be further improved.

本発明に係る遅延量測定方法は、上記した遅延量測定回路と同様に、測定することができる遅延量の大小を選択して広範な測定を実現することができ、少ない回路リソースにより、省電力と小回路規模を実現することができる。   The delay amount measuring method according to the present invention can realize a wide range of measurements by selecting the amount of delay that can be measured, similarly to the delay amount measuring circuit described above, and can save power by using less circuit resources. A small circuit scale can be realized.

従来のTDCの基本構成が示されたブロック図である。It is the block diagram in which the basic composition of the conventional TDC was shown. 従来のバーニア型TDCの基本構成が示されたブロック図である。It is the block diagram in which the basic composition of the conventional vernier type TDC was shown. 本発明の実施形態に係る遅延量測定回路および遅延量測定方法に入力される第一信号および第二信号のタイミング図である。It is a timing diagram of the first signal and the second signal that are input to the delay amount measurement circuit and the delay amount measurement method according to the embodiment of the present invention. 本発明の第一実施形態に係る遅延量測定回路が示されたブロック図である。1 is a block diagram illustrating a delay amount measurement circuit according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二実施形態に係る遅延量測定回路が示されたブロック図である。It is the block diagram in which the delay amount measurement circuit which concerns on 2nd embodiment of this invention was shown. 本発明の第三実施形態に係る遅延量測定回路が示されたブロック図である。It is the block diagram in which the delay amount measurement circuit which concerns on 3rd embodiment of this invention was shown. 本発明の第四実施形態に係る遅延量測定回路が示されたブロック図である。FIG. 10 is a block diagram illustrating a delay amount measurement circuit according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の第一実施形態に係る遅延量測定回路によるシミュレーション波形図である。It is a simulation waveform diagram by the delay amount measuring circuit according to the first embodiment of the present invention.

以下に、本発明の実施形態に係る遅延量測定回路および遅延量測定方法を、図面に基づいて説明する。図3は、本発明の実施形態に係る遅延量測定回路に入力される第一信号としてのスタート信号、および同じく遅延量測定回路に入力される第二信号としてのストップ信号のタイミング図である。図4は、本発明の第一実施形態に係る遅延量測定回路10のブロック図である。   Hereinafter, a delay amount measurement circuit and a delay amount measurement method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a timing diagram of a start signal as a first signal input to the delay amount measurement circuit and a stop signal as a second signal input to the delay amount measurement circuit according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a block diagram of the delay measurement circuit 10 according to the first embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る遅延量測定回路10では、異なる二つの入力信号(スタート信号とストップ信号)の時間差を遅延量Δとし、この遅延量Δが測定される。すなわち、図3に示されているとおり、遅延量Δは、「低(L)」から「高(H)」に変わるスタート信号の立ち上りエッジと、「低(L)」から「高(H)」に変わるストップ信号の立ち上りエッジとの時間差である。なお、スタート信号およびストップ信号は、図3に示されたものに限られず、「高(H)」から「低(L)」に変わる立下りエッジであってもよい。また、スタート信号およびストップ信号は、パルス信号およびレベル信号のいずれであってもよい。仮に、スタート信号がレベル信号であれば、レベル信号を波形整形してパルス信号とし、波形整形のために要した遅延量と同等の遅延量をストップ信号に加えることで整合をとる。この場合、入力の前段にパルス変換回路(図示省略)が接続される。   In the delay amount measuring circuit 10 according to the embodiment of the present invention, a time difference between two different input signals (start signal and stop signal) is set as a delay amount Δ, and the delay amount Δ is measured. That is, as shown in FIG. 3, the delay amount Δ is increased from “low (L)” to “high (H)”, and the rising edge of the start signal changes from “low (L)” to “high (H)”. Is the time difference from the rising edge of the stop signal. The start signal and the stop signal are not limited to those shown in FIG. 3, and may be falling edges that change from “high (H)” to “low (L)”. The start signal and stop signal may be either a pulse signal or a level signal. If the start signal is a level signal, the level signal is waveform-shaped to form a pulse signal, and matching is achieved by adding a delay amount equivalent to the delay amount required for waveform shaping to the stop signal. In this case, a pulse conversion circuit (not shown) is connected before the input.

図4に示されているとおり、本発明の第一実施形態に係る遅延量測定回路10は環状のトポロジーであり、環を構成する各素子は、遅延素子である。これらの遅延素子を決まった個数に分割するように、バス幅3ビットのカウンタ13が配置されている。すなわち、遅延量測定回路10は、環状に接続された複数の遅延素子と、それぞれの遅延素子に接続されて遅延素子の出力をクロック入力とし、このクロック入力が入力される度に計数するカウンタ13とが備えられ、それぞれの遅延素子同士の間にカウンタ13が接続されることでクロックライン14が形成されている。   As shown in FIG. 4, the delay amount measuring circuit 10 according to the first embodiment of the present invention has a ring topology, and each element constituting the ring is a delay element. A counter 13 having a bus width of 3 bits is arranged so as to divide these delay elements into a fixed number. That is, the delay amount measurement circuit 10 includes a plurality of delay elements connected in a ring shape, and a counter 13 that is connected to each delay element and uses the output of the delay element as a clock input, and counts each time this clock input is input. And a clock line 14 is formed by connecting a counter 13 between the respective delay elements.

遅延素子は、入力された信号を遅延させて出力する固有の遅延量を有する。また、遅延素子は、トリガ用遅延素子11と、バッファ用遅延素子12とがある。ここで、トリガ用遅延素子11は、入力側のうち、一方が、クロックライン14を介してバッファ用遅延素子12の出力側が接続され、他方に、パルス信号であるスタート信号が入力される。一方で、バッファ用遅延素子12は、入力側のうち、一方がクロックライン14を介してトリガ用遅延素子11(またはバッファ用遅延素子12)の出力側が接続され、他方に、パルス信号であるストップ信号が入力される。   The delay element has an inherent delay amount that delays an input signal and outputs the delayed signal. The delay elements include a trigger delay element 11 and a buffer delay element 12. Here, one side of the trigger delay element 11 is connected to the output side of the buffer delay element 12 via the clock line 14, and the other side receives a start signal which is a pulse signal. On the other hand, one of the buffer delay elements 12 is connected to the output side of the trigger delay element 11 (or the buffer delay element 12) via the clock line 14 on the input side, and the other is a stop which is a pulse signal. A signal is input.

トリガ用遅延素子11は、例えば、ORゲートである。すなわち、入力側のうち、片方が「高(H)」であれば出力が「高(H)」になる。一方、バッファ用遅延素子12は、例えば、ANDゲートであり、入力側の一方が正論理であり、他方が負論理である。すなわち、一方の入力が「高(H)」であり、かつ、他方が「低(L)」であれば、出力が「高(H)」になるが、他方が「高(H)」になれば出力は「低(L)」になる。   The trigger delay element 11 is, for example, an OR gate. That is, if one of the input sides is “high (H)”, the output is “high (H)”. On the other hand, the buffer delay element 12 is, for example, an AND gate, and one of the input side is positive logic and the other is negative logic. That is, if one input is “high (H)” and the other is “low (L)”, the output is “high (H)”, but the other is “high (H)”. The output becomes “low (L)”.

カウンタ13は、例えばDFFカウンタである。すわなち、参照クロック入力にそれぞれのバッファ用遅延素子12(またはトリガ用遅延素子11)の出力がクロックライン14上で接続され、入力Dに出力Qが接続される。カウンタ13のカウント値は、整数であれば正負のいずれでもよく、増分は1またはそれ以上であってもよい。バス幅は3ビットであるが、バス幅の増減に関して実装面の煩雑さが無いため、遅延量測定回路の用途に応じて、例えば8ビットなど、任意のバス幅を選択すればよい。   The counter 13 is a DFF counter, for example. In other words, the output of each buffer delay element 12 (or trigger delay element 11) is connected to the reference clock input on the clock line 14, and the output Q is connected to the input D. The count value of the counter 13 may be positive or negative as long as it is an integer, and the increment may be 1 or more. Although the bus width is 3 bits, since there is no mounting complexity regarding the increase and decrease of the bus width, an arbitrary bus width such as 8 bits may be selected according to the use of the delay amount measurement circuit.

上記したそれぞれの遅延素子11,12およびカウンタ13は、本発明の実施形態に限られず、様々な論理回路(順序回路)によって実現される。また、それぞれの遅延素子11,12およびカウンタ13の個数は任意であり、遅延量測定回路10の用途に応じて必要な個数を用いるのが望ましい。個数が多い場合、それに応じて実装が煩雑になるため、実際の用途では遅延素子数のトレードオフが必要である。それぞれの遅延素子11,12の遅延量と、配線による遅延量との総和が各カウンタ13によって異なることは許容されるが、総和の隔たりが大きい場合は、遅延量Δの検出精度が低下するため、遅延量測定回路10の用途に応じて調節することが望ましい。   The delay elements 11 and 12 and the counter 13 described above are not limited to the embodiment of the present invention, and are realized by various logic circuits (sequential circuits). In addition, the number of each of the delay elements 11 and 12 and the counter 13 is arbitrary, and it is desirable to use a necessary number according to the use of the delay amount measuring circuit 10. When the number is large, the mounting becomes complicated accordingly, and in actual applications, it is necessary to trade off the number of delay elements. The total sum of the delay amounts of the respective delay elements 11 and 12 and the delay amount due to the wiring is allowed to be different depending on each counter 13, but when the difference between the sums is large, the detection accuracy of the delay amount Δ decreases. It is desirable to adjust according to the use of the delay amount measuring circuit 10.

集積回路に遅延量測定回路10を実装する場合、遅延量Δの検出精度を落とさずに実装する必要がある。遅延量測定回路10をASICに実装する場合、遅延素子として同一のバッファセルまたは論理素子を用いてこれらを配置し、各カウンタ13間を等長に配線する。この点で、スタート信号とクロックライン14の帰還ループからの入力との論理和素子の遅延量も加味した形で、各カウンタ13間を等長に配置配線する。さらに、各カウンタ13間のそれぞれのバッファ用遅延素子12に入力されるストップ信号は、各カウンタ13間の遅延量が等価となるように、すべて等長かつ等遅延に配置する。一方、遅延量測定回路10をFPGAに実装する場合、遅延素子としてFPGA内部のLUT(Look−Up−Table)やメモリ素子(ブロックRAM(Random Access Memory)や分散RAM)を使用する。また、FPGAの配線では、スイッチブロックを介して配線を確立するため、等長に配線することが難しい。そこで、それぞれの遅延素子11,12をFPGAチップに対して鉛直方向に直線的に配置するのではなく、FPGA内部の素子配置を考慮して、必ずしも鉛直方向に直線的に配置配線する必要はなく、鉛直方向に複数段とする。   When the delay amount measuring circuit 10 is mounted on an integrated circuit, it is necessary to mount without degrading the detection accuracy of the delay amount Δ. When the delay amount measurement circuit 10 is mounted on an ASIC, the same buffer cell or logic element is used as a delay element, and the counters 13 are wired with the same length. In this regard, the counters 13 are arranged and wired at equal lengths in consideration of the delay amount of the OR element between the start signal and the input from the feedback loop of the clock line 14. Further, the stop signals input to the buffer delay elements 12 between the counters 13 are all arranged at the same length and with the same delay so that the delay amount between the counters 13 is equivalent. On the other hand, when the delay amount measurement circuit 10 is mounted on an FPGA, an LUT (Look-Up-Table) or a memory element (block RAM (Random Access Memory) or distributed RAM) inside the FPGA is used as the delay element. Moreover, in the wiring of FPGA, since wiring is established through the switch block, it is difficult to wire the same length. Therefore, the delay elements 11 and 12 are not necessarily arranged linearly in the vertical direction with respect to the FPGA chip, and it is not always necessary to arrange and wire the elements linearly in the vertical direction in consideration of the element arrangement inside the FPGA. Multiple stages in the vertical direction.

次に、第一実施形態に係る遅延量測定回路10の動作を説明する。   Next, the operation of the delay amount measurement circuit 10 according to the first embodiment will be described.

複数の遅延素子のうちの一つであるトリガ用遅延素子11にパルス信号であるスタート信号(図4「Pulse_In」)が入力されると、パルス信号がクロックライン14を伝搬してそれぞれのバッファ用遅延素子12を巡回する。パルス信号が一周してトリガ用遅延素子11に入力されると、トリガ用遅延素子11において論理和(OR)がとられ、出力されて再びクロックライン14を周回する。   When a start signal (“Pulse_In” in FIG. 4) is input to the trigger delay element 11 which is one of the plurality of delay elements, the pulse signal propagates through the clock line 14 and is used for each buffer. The delay element 12 is circulated. When the pulse signal goes around and is inputted to the trigger delay element 11, a logical sum (OR) is taken in the trigger delay element 11, and is outputted and goes around the clock line 14 again.

スタート信号がそれぞれの遅延素子11,12を巡回する度に、それぞれの遅延素子11,12の遅延量だけ遅延し、カウンタ13に入力される。遅延した信号である遅延信号(図4「Internal_Pulse」)が、立ち上りエッジとしてカウンタ13の参照クロック入力に入力されると、カウンタ13のカウンタ値が「+1」増加して計数される。   Each time the start signal circulates through the delay elements 11 and 12, the start signal is delayed by the delay amount of the delay elements 11 and 12 and input to the counter 13. When a delayed signal ("Internal_Pulse" in FIG. 4) that is a delayed signal is input to the reference clock input of the counter 13 as a rising edge, the counter value of the counter 13 is incremented by "+1" and counted.

ストップ信号(図4「Stop_Flag」)がバッファ用遅延素子12に入力されると、バッファ用遅延素子12において論理積(AND)がとられ、バッファ用遅延素子12の出力が停止し、クロックライン14を周回していたパルス信号は、次段のバッファ用遅延素子12に伝搬されなくなる。ストップ信号は、すべてのバッファ用遅延素子12に同時に入力される。したがって、パルス信号がどのバッファ用遅延素子12に入力されていても、すべてのバッファ用遅延素子12の出力が停止する。   When a stop signal ("Stop_Flag" in FIG. 4) is input to the buffer delay element 12, a logical product (AND) is taken in the buffer delay element 12, the output of the buffer delay element 12 is stopped, and the clock line 14 Is not propagated to the buffer delay element 12 at the next stage. The stop signal is simultaneously input to all the buffer delay elements 12. Therefore, regardless of which buffer delay element 12 the pulse signal is input to, the output of all buffer delay elements 12 is stopped.

バッファ用遅延素子12の出力が停止すると、カウンタ13への入力が途絶えるため、カウンタ13の計数が停止する。すなわち、各カウンタ13のカウント値を計数することで、スタート信号とストップ信号との遷移時間差を遅延量Δとして測定することができる。遅延量Δが測定された後、カウンタ13はリセット信号により適宜初期化される。リセット信号は、極性が正負のいずれであってもよく、また、同期リセットまたは非同期リセットのいずれであってもよい。ただし、同期リセットであればクロックが必要となる。   When the output of the buffer delay element 12 is stopped, the input to the counter 13 is interrupted, so that the counter 13 stops counting. That is, by counting the count value of each counter 13, the transition time difference between the start signal and the stop signal can be measured as the delay amount Δ. After the delay amount Δ is measured, the counter 13 is appropriately initialized by a reset signal. The reset signal may be positive or negative in polarity, and may be either a synchronous reset or an asynchronous reset. However, a clock is required for synchronous reset.

次に、第一実施形態に係る遅延量測定回路10の効果を説明する。   Next, the effect of the delay amount measurement circuit 10 according to the first embodiment will be described.

上記したとおり、第一実施形態に係る遅延量測定回路10は非同期式であり、環状に接続された複数のバッファ用遅延素子12および単一のトリガ用遅延素子11と、それぞれのバッファ用遅延素子12に接続されてバッファ用遅延素子12の出力をクロック入力とするカウンタ13とが備えら、それぞれのバッファ用遅延素子11同士の間にカウンタ13が接続されてクロックライン14が形成されている。この構成により、単一のトリガ用遅延素子11に入力されたスタート信号が、それぞれのバッファ用遅延素子12(またはトリガ用遅延素子11)を巡回する度に遅延すると共に、それぞれのバッファ用遅延素子12(またはトリガ用遅延素子11)に接続されたカウンタ13に、バッファ用遅延素子12(またはトリガ用遅延素子11)の出力がクロック入力として入力される。カウンタ13では、クロック入力が入力される度に計数され、この計数がカウンタ13の上限値に至ってオーバーフローするまで繰り返される。したがって、小さな遅延量から大きな遅延量まで、測定することができる遅延量Δの大小を選択して広範な測定を実現することができる。   As described above, the delay amount measurement circuit 10 according to the first embodiment is asynchronous, and includes a plurality of buffer delay elements 12 and a single trigger delay element 11 connected in a ring, and each buffer delay element. 12 and a counter 13 that receives the output of the buffer delay element 12 as a clock input. The counter 13 is connected between the buffer delay elements 11 to form a clock line 14. With this configuration, the start signal input to the single trigger delay element 11 is delayed each time it circulates through each buffer delay element 12 (or the trigger delay element 11), and each buffer delay element is delayed. The output of the buffer delay element 12 (or trigger delay element 11) is input to the counter 13 connected to 12 (or the trigger delay element 11) as a clock input. The counter 13 counts each time a clock input is input, and this count is repeated until the counter 13 reaches the upper limit value and overflows. Therefore, a wide range of measurement can be realized by selecting the magnitude of the delay amount Δ that can be measured from a small delay amount to a large delay amount.

また、従来と比較して、基準クロック信号のための電源回路が不要である点、データ入力Dの遅延ラインが不要である点、特にバーニア型TDCと比較して遅延素子の数が少ない点などを理由に、少ない回路リソースにより小回路規模を実現することができる。   In addition, the power supply circuit for the reference clock signal is not required compared to the conventional case, the delay line for the data input D is not required, and particularly the number of delay elements is smaller than that of the vernier type TDC. For this reason, a small circuit scale can be realized with a small number of circuit resources.

さらに、複数のトリガ用遅延素子11のうちの1つに入力されたスタート信号が、それぞれのバッファ用遅延素子12を巡回するため、基準クロック信号と、そのための電源が不要である。したがって、検出精度を良好にすることができ、また、省電力を実現することができる。   Furthermore, since the start signal input to one of the plurality of trigger delay elements 11 circulates through each buffer delay element 12, a reference clock signal and a power source for that purpose are not required. Therefore, the detection accuracy can be improved and power saving can be realized.

さらに、ストップ信号が、同時にそれぞれのバッファ用遅延素子12に入力されるため、遅延量Δの検出精度を保持することができる。   Furthermore, since the stop signal is simultaneously input to each buffer delay element 12, the detection accuracy of the delay amount Δ can be maintained.

さらに、入力の前段にパルス変換回路を接続することで、仮にスタート信号がレベル信号である場合であっても、レベル信号を波形整形してパルス信号とし、波形整形のために要した遅延量と同等の遅延量をストップ信号に加えることで整合をとることができる。したがって、レベル入力の際のノイズによる誤作動を防ぐことができ、また、少ない回路リソースにより、省電力と小回路規模を実現することができる。   Furthermore, by connecting a pulse conversion circuit to the previous stage of input, even if the start signal is a level signal, the level signal is waveform-shaped to form a pulse signal, and the delay amount required for waveform shaping Matching can be achieved by adding an equivalent delay amount to the stop signal. Therefore, malfunction due to noise at the time of level input can be prevented, and power saving and a small circuit scale can be realized with less circuit resources.

次に、本発明の第二実施形態に係る遅延量測定回路20および遅延量測定方法を図面に基づいて説明する。図5は、本発明の第二実施形態に係る遅延量測定回路20のブロック図である。なお、以下の説明では、第一実施形態と異なる構成のみの説明がなされ、同じ構成は説明が省略されている。   Next, the delay amount measuring circuit 20 and the delay amount measuring method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a block diagram of the delay amount measuring circuit 20 according to the second embodiment of the present invention. In the following description, only the configuration different from the first embodiment is described, and the description of the same configuration is omitted.

図5に示されているとおり、第二実施形態に係る遅延量測定回路20は、カウンタ23が接続されたそれぞれのバッファ用遅延素子22同士の間(またはバッファ用遅延素子22とトリガ用遅延素子21との間)に、複数の付加遅延素子25が接続されている。それぞれのカウンタ23間の遅延量が同じとなるように配線配置されるのであれば、付加遅延素子25は、バッファ用遅延素子22と同じ仕様、または異なる仕様であってもよく、また、個数や遅延量は任意である。この構成により、付加遅延素子25の分だけクロックライン24上の遅延量が増加し、付加遅延素子25に応じてそれぞれの遅延素子21,22への入力が遅延する。したがって、測定することができる遅延量Δを大きくすることができる。   As shown in FIG. 5, the delay amount measuring circuit 20 according to the second embodiment is provided between the buffer delay elements 22 to which the counter 23 is connected (or between the buffer delay element 22 and the trigger delay element). 21), a plurality of additional delay elements 25 are connected. If the wiring is arranged so that the delay amount between the counters 23 is the same, the additional delay element 25 may have the same specification as the buffer delay element 22 or a different specification. The amount of delay is arbitrary. With this configuration, the amount of delay on the clock line 24 is increased by the amount of the additional delay element 25, and the input to each delay element 21, 22 is delayed according to the additional delay element 25. Therefore, the delay amount Δ that can be measured can be increased.

ところで、上記した第一実施形態および第二実施形態に係る遅延量測定回路10,20および遅延量測定方法によれば、充分に高い検出精度で遅延量Δを検出することができるが、LSI製造時の製造ばらつきにより、個々の半導体素子や配線は、特性がLSIチップ毎に異なる。特に、製造ばらつきにより、個々の半導体素子や配線の遅延量が僅かに異なることで、測定した遅延量Δにばらつきが生じる。そこで、測定結果のばらつきを補償し、さらに高い検出精度を実現することができるのが、第三実施形態に係る遅延量測定回路30、第四実施形態に係る遅延量測定回路40およびこれらに基づく遅延量測定方法である。   By the way, according to the delay amount measuring circuits 10 and 20 and the delay amount measuring method according to the first embodiment and the second embodiment described above, the delay amount Δ can be detected with sufficiently high detection accuracy. Due to manufacturing variations at times, individual semiconductor elements and wirings have different characteristics for each LSI chip. In particular, due to manufacturing variations, the delay amounts Δ of individual semiconductor elements and wirings are slightly different, resulting in variations in the measured delay amount Δ. Therefore, it is possible to compensate for variations in measurement results and achieve higher detection accuracy based on the delay amount measurement circuit 30 according to the third embodiment, the delay amount measurement circuit 40 according to the fourth embodiment, and the like. This is a delay measurement method.

ここで、本発明の第三実施形態に係る遅延量測定回路30および遅延量測定方法を図面に基づいて説明する。図6は、本発明の第三実施形態に係る遅延量測定回路30のブロック図である。なお、以下の説明では、他の実施形態と異なる構成のみの説明がなされ、同じ構成は説明が省略されている。   Here, the delay amount measuring circuit 30 and the delay amount measuring method according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a block diagram of the delay amount measuring circuit 30 according to the third embodiment of the present invention. In the following description, only the configuration different from the other embodiments is described, and the description of the same configuration is omitted.

図6に示されているとおり、本発明の第三実施形態に係る遅延量測定回路30は、複数のバッファ用遅延素子32、付加遅延素子35および複数のトリガ用遅延素子31が環状に接続され、複数のトリガ用遅延素子31に入力される入力信号のうちの一つを選択する入力信号選択回路36と、選択されたトリガ用遅延素子31に入力されたスタート信号に基づく時間差Δが測定され、入力信号選択回路36による選択が繰り返される度に測定された複数の時間差Δから、測定結果を算出する演算回路(図示省略)とが備えられている。   As shown in FIG. 6, the delay amount measuring circuit 30 according to the third embodiment of the present invention includes a plurality of buffer delay elements 32, an additional delay element 35, and a plurality of trigger delay elements 31 connected in a ring shape. The input signal selection circuit 36 for selecting one of the input signals input to the plurality of trigger delay elements 31 and the time difference Δ based on the start signal input to the selected trigger delay element 31 are measured. And an arithmetic circuit (not shown) for calculating a measurement result from a plurality of time differences Δ measured each time selection by the input signal selection circuit 36 is repeated.

第一トリガ用遅延素子31から第nトリガ用遅延素子31は、それぞれのカウンタ33よりも前段にそれぞれ接続され、同一のスタート信号が入力される。すなわち、スタート信号は、トリガ用遅延素子31の個数n個に対応して、第一スタート信号から第nスタート信号まである(図6「Pulse_INT0」「Pulse_INT2」「Pulse_INT3」「Pulse_INTn」)。入力信号選択回路36は、例えばLUTやメモリ素子などによって構成され一個または複数個備えられている。   The first trigger delay element 31 to the nth trigger delay element 31 are connected in front of the respective counters 33 and receive the same start signal. That is, the start signal corresponds to the number n of the trigger delay elements 31 from the first start signal to the n-th start signal ("Pulse_INT0", "Pulse_INT2", "Pulse_INT3", and "Pulse_INTn" in FIG. 6). The input signal selection circuit 36 is configured by, for example, an LUT or a memory element, and one or a plurality of input signal selection circuits 36 are provided.

上記のとおり、第三実施形態に係る遅延量測定回路30は、スタート信号が入力されるセルを一箇所に固定するのではなく、任意の複数のセルに対してスタート信号を入力することができる仕様である。この構成により、トリガ用遅延素子31に入力されるスタート信号が選択されることで、同一のスタート信号に関し、異なるトリガ用遅延素子31を基点とした複数の時間差Δが測定され、そして、同一のスタート信号およびストップ信号で複数回の試行を行い、それらの結果であるカウンタ値に対して統計処理を行う。これらを標本とした統計処理によって測定結果を算出することで、測定結果としての多数の標本から最も妥当で精度の高い遅延量Δが導出できる。したがって、それぞれの遅延素子31,32,35の遅延量が、製造ばらつきによって遅延素子毎に僅かに異なる場合であっても、検出精度を良好にすることができる。   As described above, the delay amount measurement circuit 30 according to the third embodiment can input the start signal to a plurality of arbitrary cells instead of fixing the cell to which the start signal is input at one place. It is a specification. With this configuration, when a start signal input to the trigger delay element 31 is selected, a plurality of time differences Δ based on different trigger delay elements 31 are measured for the same start signal, and the same A plurality of trials are performed with the start signal and the stop signal, and statistical processing is performed on the counter value as a result thereof. By calculating the measurement results by statistical processing using these as samples, the most appropriate and accurate delay amount Δ can be derived from a large number of samples as the measurement results. Therefore, even if the delay amount of each delay element 31, 32, 35 is slightly different for each delay element due to manufacturing variations, the detection accuracy can be improved.

また、複数のトリガ用遅延素子31を用いることで、遅延量測定回路30全体としての対称性を向上させることができる。その他、ストップ信号を、すべてのバッファ用遅延素子32に同時に入力するための配置配線が困難である場合などにも有益である。   Further, by using a plurality of trigger delay elements 31, the symmetry of the delay amount measuring circuit 30 as a whole can be improved. In addition, it is also useful when it is difficult to place and route the stop signal to all the buffer delay elements 32 simultaneously.

さらに、入力信号選択回路36が複数個所に配置されることで冗長化され、さらに検出精度を良好にすることができる。   Furthermore, the input signal selection circuit 36 is arranged at a plurality of locations to make it redundant, and the detection accuracy can be further improved.

次に、本発明の第四実施形態に係る遅延量測定回路40および遅延量測定方法を図面に基づいて説明する。図7は、本発明の第四実施形態に係る遅延量測定回路40のブロック図である。なお、以下の説明では、他の実施形態と異なる構成のみの説明がなされ、同じ構成は説明が省略されている。   Next, a delay amount measuring circuit 40 and a delay amount measuring method according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a block diagram of a delay amount measuring circuit 40 according to the fourth embodiment of the present invention. In the following description, only the configuration different from the other embodiments is described, and the description of the same configuration is omitted.

図7に示されているとおり、本発明の第四実施形態に係る遅延量測定回路40は、複数の遅延量測定回路10,20,30のいずれか、またはこれらのうち任意の組み合わせがアレイ型に配置されて遅延量測定回路群48が備えられ、それぞれの遅延量測定回路10,20,30の測定結果に基づいて値を校正する統計処理回路47が備えられている。統計処理回路47は、例えば、平均や、ヒストグラムによる平滑化などを実現できるものであればよい。   As shown in FIG. 7, the delay amount measurement circuit 40 according to the fourth embodiment of the present invention includes any one of the plurality of delay amount measurement circuits 10, 20, and 30, or any combination thereof is an array type. And a statistical processing circuit 47 that calibrates values based on the measurement results of the respective delay amount measuring circuits 10, 20, and 30. The statistical processing circuit 47 may be any circuit that can realize, for example, averaging or smoothing using a histogram.

この構成によれば、回路を冗長化させ、それぞれの遅延量測定回路10,20,30の測定結果を標本とした遅延量測定回路群48全体の結果を統計処理することで検出精度をさらに向上させることができる。また、遅延量測定回路および遅延量測定方法で精度を補償し、補償した値を回路の校正に使用することで校正手法及び校正回路としても使用できる。   According to this configuration, the detection accuracy is further improved by making the circuit redundant and statistically processing the results of the entire delay measurement circuit group 48 using the measurement results of the respective delay measurement circuits 10, 20, and 30 as samples. Can be made. Further, the accuracy can be compensated by the delay amount measuring circuit and the delay amount measuring method, and the compensated value can be used for the calibration of the circuit to be used as a calibration method and a calibration circuit.

次に、本発明の実施例を説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

<実施例>
図4に示された遅延量測定回路10によれば、廉価版FPGA(Xilinx社製Spartan6)への実装を想定した実配置配線のシミュレーションから遅延量の検出精度として1ナノ秒が容易に実現できる(図8参照)。さらに、高機能なハイエンドFPGAやASICに実装する場合は、数十ピコ秒での遅延量の検出も可能である。また、検出精度に限らず、FPGA(Xilinx社製Spartan6)の場合、使用する回路量は、8ステージ、カウンタ・バス幅3ビットのデザイン例でLUT数:32、レジスタ数:36、占有スライス数:24であり、非常に軽量な実装が可能である。
<Example>
According to the delay amount measurement circuit 10 shown in FIG. 4, 1 ns can be easily realized as a delay amount detection accuracy from a simulation of actual placement and wiring assuming mounting on an inexpensive FPGA (Spartan 6 manufactured by Xilinx). (See FIG. 8). Furthermore, when mounted on a high-function high-end FPGA or ASIC, it is possible to detect a delay amount in tens of picoseconds. In addition to the detection accuracy, in the case of FPGA (Spartan 6 manufactured by Xilinx), the circuit amount to be used is a design example of 8 stages, a counter bus width of 3 bits, LUT number: 32, register number: 36, occupied slice number : 24, and a very lightweight mounting is possible.

以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。例えば、回路設計技術、詳細な伝搬遅延差を測定する計測技術、半導体の経年劣化を評価する半導体特性評価技術、半導体を使った温度測定技術、個別認証や情報秘匿といったセキュリティ技術などに応用することができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be modified in various ways without departing from the scope of the claims. For example, application to circuit design technology, measurement technology for measuring detailed propagation delay differences, semiconductor characteristic evaluation technology for evaluating aging of semiconductors, temperature measurement technology using semiconductors, security technology such as individual authentication and information concealment Can do.

10,20,30,40 遅延量測定回路
11,21,31,41 トリガ用遅延素子(遅延素子)
12,22,32,42 バッファ用遅延素子(遅延素子)
13,23,33,43 カウンタ
14,24,34,44 クロックライン
25,35 付加遅延素子
36 入力信号選択回路
47 統計処理回路
48 遅延量測定回路群
100 TDC
101 遅延素子
102 遅延ライン
103 DFF
104 エンコーダ回路
200 バーニア型TDC
201,202 遅延素子
203 第一遅延ライン
204 第二遅延ライン
205 DFF
206 エンコーダ回路
10, 20, 30, 40 Delay amount measurement circuit 11, 21, 31, 41 Trigger delay element (delay element)
12, 22, 32, 42 Delay element for buffer (delay element)
13, 23, 33, 43 Counter 14, 24, 34, 44 Clock line 25, 35 Additional delay element 36 Input signal selection circuit 47 Statistical processing circuit 48 Delay amount measurement circuit group 100 TDC
101 delay element 102 delay line 103 DFF
104 Encoder circuit 200 Vernier TDC
201, 202 delay element 203 first delay line 204 second delay line 205 DFF
206 Encoder circuit

Claims (10)

第一信号と第二信号との時間差を測定する遅延量測定回路において、
環状に接続された複数の遅延素子と、
各前記遅延素子に接続されて前記遅延素子の出力をクロック入力とし、このクロック入力が入力される度に計数するカウンタと、が備えられ、
複数の前記遅延素子のうちの一つに入力された前記第一信号が、各前記遅延素子を巡回する度に遅延すると共に前記カウンタに入力され、
前記遅延素子に入力された前記第二信号に基づいて、前記遅延素子の出力が停止すると共に前記カウンタの計数が停止する、
ことを特徴とする遅延量測定回路。
In the delay measurement circuit that measures the time difference between the first signal and the second signal,
A plurality of delay elements connected in a ring; and
A counter connected to each of the delay elements and having the output of the delay element as a clock input, and counting each time the clock input is input,
The first signal inputted to one of the plurality of delay elements is delayed and inputted to the counter each time it circulates through each of the delay elements,
Based on the second signal input to the delay element, the output of the delay element stops and the counting of the counter stops.
A delay amount measuring circuit.
複数の遅延素子に入力される前記第一信号のうちの一つを選択する入力信号選択回路と、
選択された前記第一信号に基づく前記時間差が測定され、前記入力信号選択回路による選択が繰り返される度に測定された複数の前記時間差から測定結果を算出する演算回路と、が備えられた、
ことを特徴とする請求項1に記載された遅延量測定回路。
An input signal selection circuit for selecting one of the first signals input to a plurality of delay elements;
An arithmetic circuit that measures the time difference based on the selected first signal and calculates a measurement result from the plurality of time differences measured each time the selection by the input signal selection circuit is repeated; and
The delay amount measuring circuit according to claim 1, wherein:
前記カウンタが接続された前記遅延素子同士の間に、付加遅延素子が接続された、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された遅延量測定回路。
An additional delay element is connected between the delay elements to which the counter is connected.
3. The delay amount measuring circuit according to claim 1, wherein the delay amount measuring circuit is characterized in that:
レベル入力である前記第一信号および/または前記第二信号をパルス入力に変換するパルス変換回路が備えられた、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載された遅延量測定回路。
A pulse conversion circuit for converting the first signal and / or the second signal, which is a level input, into a pulse input;
The delay amount measuring circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the delay amount measuring circuit is characterized in that:
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載された遅延量測定回路が複数備えられた遅延量測定回路群と、
それぞれの前記遅延量測定回路の測定結果に基づいて値を校正する統計処理回路と、が備えられた、
ことを特徴とする遅延量測定回路。
A delay amount measuring circuit group including a plurality of delay amount measuring circuits according to any one of claims 1 to 4;
A statistical processing circuit that calibrates the value based on the measurement result of each of the delay amount measurement circuits,
A delay amount measuring circuit.
第一信号と第二信号との時間差を測定する遅延量測定方法において、
環状に接続された複数の前記遅延素子のうちの一つに前記第一信号を入力する手順と、
各前記遅延素子を巡回する度に前記第一信号が遅延すると共に、各前記遅延素子に接続されたカウンタに前記遅延素子の出力がクロック入力として入力される度に、この入力を計数する手順と、
前記遅延素子に前記第二信号を入力し、前記第二信号に基づいて前記遅延素子の出力を停止させると共に前記カウンタの計数を停止させる手順と、を含む、
ことを特徴とする遅延量測定方法。
In the delay amount measuring method for measuring the time difference between the first signal and the second signal,
A step of inputting the first signal to one of the plurality of delay elements connected in a ring;
A procedure for counting the input each time the first signal is delayed as it cycles through each delay element and the output of the delay element is input as a clock input to a counter connected to each delay element; ,
Including inputting the second signal to the delay element, stopping the output of the delay element based on the second signal, and stopping the counting of the counter.
A method for measuring a delay amount.
第一信号と第二信号との時間差を測定する遅延量測定方法において、
環状に接続された複数の遅延素子に入力される前記第一信号のうちの一つを選択する手順と、
選択した前記第一信号を複数の前記遅延素子のうちの一つに入力する手順と、
各前記遅延素子を巡回する度に、選択した前記第一信号が遅延すると共に、各前記遅延素子に接続されたカウンタに前記遅延素子の出力がクロック入力として入力される度に、この入力を計数する手順と、
前記遅延素子に前記第二信号を入力し、前記第二信号に基づいて前記遅延素子の出力を停止させると共に前記カウンタの計数を停止させる手順と、
選択した前記第一信号に基づく前記時間差を測定する手順と、
前記第一信号の選択を繰り返す度に測定した複数の前記時間差から測定結果を算出する手順と、を含む、
ことを特徴とする遅延量測定方法。
In the delay amount measuring method for measuring the time difference between the first signal and the second signal,
Selecting one of the first signals input to a plurality of delay elements connected in a ring;
Inputting the selected first signal to one of the plurality of delay elements;
Each time the delay element is cycled, the selected first signal is delayed, and each time the output of the delay element is input to the counter connected to the delay element as a clock input, the input is counted. And the steps to
Inputting the second signal to the delay element, stopping the output of the delay element based on the second signal, and stopping counting of the counter;
Measuring the time difference based on the selected first signal;
Calculating a measurement result from a plurality of the time differences measured each time the selection of the first signal is repeated.
A method for measuring a delay amount.
前記カウンタが接続された前記遅延素子同士の間に接続された付加遅延素子に応じて前記遅延素子の入力を遅延させる手順を含む、
ことを特徴とする請求項6または請求項7に記載された遅延量測定方法。
A step of delaying an input of the delay element according to an additional delay element connected between the delay elements to which the counter is connected,
8. The delay amount measuring method according to claim 6, wherein the delay amount is measured.
レベル入力である前記第一信号および/または前記第二信号をパルス入力に変換する手順を含む、
ことを特徴とする請求項6から請求項8のいずれか1項に記載された遅延量測定方法。
Converting the first signal and / or the second signal, which are level inputs, into pulse inputs;
The delay amount measuring method according to any one of claims 6 to 8, wherein the delay amount is measured.
請求項6から請求項9のいずれか1項に記載された遅延量測定方法によって得られた複数の測定結果に基づいて値を校正する、
ことを特徴とする遅延量測定方法。
A value is calibrated based on a plurality of measurement results obtained by the delay amount measurement method according to any one of claims 6 to 9.
A method for measuring a delay amount.
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