JPH052274B2

JPH052274B2 -

Info

Publication number: JPH052274B2
Application number: JP61131455A
Authority: JP
Inventors: Hideto Iwaoka; Takao Asaka; Juji Yamaguchi
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-06-06
Filing date: 1986-06-06
Publication date: 1993-01-12
Also published as: JPS62288597A

Description

【発明の詳細な説明】イ「発明の目的」〔産業上の利用分野〕本発明は、スタート端数時間とストツプ端数時
間に応じて電圧を変化させ、プロセツサにてこの
電圧に基づくデジタル信号に演算を加えることで
被測定時間を計測する装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、時間を高精度で測定するには、次のよ
うな原理が採用されている。被測定時間幅Txで
開放となるようなゲートに、周期T₀のクロツク
信号を通し、そのクロツクの通過個数Ｎをカウン
トする。そして、NT₀を時間幅とするものであ
る。

この方法は、厳密に言うと、Tx＝NT₀とはな
らず、TxNT₀である。これは通常、TxがT₀
で割切れず、小さい端数の時間が存在するからで
ある。これを第６図に示す。第６図において、△
T₁はTxの立上がりエツジから、その直後に発生
するクロツクC₀までの端数の時間であり、△T₂
はTxの立下りエツジから、その直後に発生する
クロツクCnまでの端数の時間である。そして、
クロツク信号C₀とCnの間の期間ゲートを開放
〔第６図のｄ参照〕して、通過するクロツクの数
をカウントする。その期間におけるクロツクの数
をＮとすると〔第６図のｅ〕時間幅Txは(1)式で
表わされる。

Tx＝NT₀＋△T₁−△T₂ (1) 従つて、端数の時間△T₁と△T₂を測定すれば、
クロツクの周期T₀以上の分解能で時間幅Txの測
定が可能となることが(1)式から分る。

第４図は端数時間（△T₁又は△T₂）を測定す
る公知の手段のブロツク図であり、第５図は第４
図装置のタイムチヤートである。この第４図と第
５図は、『HPジヤーナル』1980.sep.p21に記載さ
れたものである。但し、動作を分り易くするため
第４図の抵抗R₄とダイオードD₁（実際の回路では
設けられている）と、第５図の，について
は、本明細書で挿入したものである。第４図の装
置は所謂タイム・エキスパンジヨン（time
expansion）方式とよばれるものであり、その動
作は次の通りである。

端子ｐ１には第５図に示す端数時間に相当す
るパルス幅の信号（以下、端数時間パルス信号と
記す）ｓ３が加えられ、端子ｐ２には基準電圧
Vrが加えられている。

第５図のに示す被測定時間幅信号〔第６図
ａと同じ〕が立上がる前（時刻t₁以前）は、信
号ｓ３が“high”レベルにあるため（第５図
参照）トランジスタQ₃はオンである。一方、
このときトランジスタQ₄はオフとなるように
基準電圧Vrは予め設定されている。以上の場
合は、第４図に示す電流経路l₁と、電流経路l₂
の２つのルートを電流が流れる。トランジスタ
Q₅のエミツタ・ベース間は0.7Vだから、コン
デンサC₃の端子間電圧は0.7Vである。なお、
本明細書では、シリコン半導体で構成したトラ
ンジスタ及びダイオードを使用したものとして
説明する。

そして、トランジスタQ₅はオンとなつてい
るので電流源３１の電流（Ｉ）は抵抗R₄を流
れる（正確には、α・Ｉである。α：電流増幅
率）。この時のコンパレータ３５の入力信号ｓ
５の電圧をV₂とすると、 V₂＝Ｉ・R₄−Ｖとなる（第５図参照）。

ここでは、V₂＞Ｏとなるように設定してあ
るので、ダイオードD₁はオフである。

時刻t₁において第５図の被測定時間幅信号
が立上がると、これと同期して第５図の信号
ｓ３は“high→low”となる。従つて、トラン
ジスタQ₃のベース電位が“low”となるので、
トランジスタQ₃はオフとなる。これに同期し
て、トランジスタQ₄はオンとなる。この時、
点Ａの電位はトランジスタQ₃，Q₄のオン・オ
フにかかわらず一定である。その理由は、抵抗
R₃を流れる電流値が常に約200Iで一定である
からである。一方、トランジスタQ₄がオンに
なると、以下に説明するように電流値200Iで急
速にコンデンサC₃を充電するので点Ｂの電位
は低下する。この結果、トランジスタQ₅はベ
ース・エミツタ間の電圧として0.7Vを維持で
きなくなるのでオフとなる（第５図参照）。

従つて、時刻t₁にてダイオードD₁がオンとな
り、ダイオードD₁→抵抗R₄→電源（−Ｖ）へ
電流が流れるので、信号ｓ５の電位は0.7Vと
なる（第５図参照）。

即ち、時刻t₁を開始時点として第４図の電流
経路l₃を通つて約200Iの電流が流れ、コンデン
サC₃を充電する。この電流値200Iによる充電期
間は、端数時間（第５図では△T₁）である。

時刻t₂にて、第５図のように信号ｓ３が
“low→high”に変化すると、トランジスタQ₃
はそのベースが“high”となるのでオンとな
り、トランジスタQ₄はオフとなる。従つて、
第４図の電流経路l₄を通つて電流値Ｉが流れ、
コンデンサC₃に充電していた電荷を放電し、
徐々にコンデンサC₃の電圧は上昇する。

以上の結果コンデンサC₃は、時刻t₁〜t₂の期
間に電流200Iで充電され、時刻t₂以降は電流Ｉ
で放電されるので、コンデンサC₃の電圧の推
移は、第５図のようになる。

一方、トランジスタQ₅は、コンデンサC₃が
充電され始めた時刻t₁から、充電された電荷が
電流値Ｉで放電され、その電位が0.7Vとなる
時刻t₃までオフとなる。その結果、トランジス
タQ₅の出力信号ｓ５は第５図のようになる。

この信号ｓ５のパルス幅T_Dは、端数時間
（第５図では△T₁）に比例しているので、この
信号ｓ５のパルス幅T_Dを第４図では構成素子
３５，３６，３７等で演算し、端数時間に相当
する信号を十進カウンタ３７から得るようにし
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、以上のような第４図の装置は端数時
間を表わす微小パルス幅を正確に測定する手段
として、微小のパルス幅を第５図のに示すよ
うにパルス幅T_Dに拡大し、この拡大されたパ
ルス幅T_Dを正確に測定することで端数時間の
測定に代えるものである。従つて、拡大された
パルス幅期間T_Dを必要とするため、時間計測
装置の応答性が悪くなる。それゆえ、第６図ａ
に示す被測定時間幅Txが小さい場合は、端数
時間パルス信号ｓ３が近接した時間内に続いて
生じるので、第５図に示す放電する時間的余裕
がなくなる問題がある。即ち、高速の繰返し測
定がリアルタイムの測定に問題がある。

本発明の目的は、このような問題点を解決し、
高速の繰返し測定、リアルタイムの測定、高い分
解能の測定ができる時間計測装置を提供すること
である。

ロ「発明の構成」〔問題点を解決するための手段〕本発明は、上記問題点を解決するためにスタート端数時間とストツプ端数時間に応じて
電圧を変化させ、この電圧に基づくデジタル信号
をプロセツサ６０にて演算を加えることで被測定
時間Txを計測する装置において、端数時間パルス信号Ｓ３を導入し、この信号Ｓ
３と同一のパルス幅を持ち、極性が互いに異なる
差動信号sq１，sq２を出力するバツフアアンプ
と、この差動信号により一方がオン、他方がオフ
に駆動されるトランジスタQ₁，Q₂と、からなる
電流スイツチ７と、この電流スイツチ７を介して放電されるコンデ
ンサ３と、コンデンサ３が放電している以外の期間に定電
圧V₀を加えてコンデンサ３を充電るスイツチsw
と、前記電流スイツチ７により放電されたコンデン
サ３の電圧を増幅器を介して導入し、前記スイツ
チ手段swによる充電動作をともなうことなく、
この導入した電圧を直接デジタル信号へ変換する
AD変換器５と、を講じたものである。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明を詳しく説明する。

第１図は、本発明の要部である端数時間測定回
路の構成例を示した図である。また、第２図は本
発明に係る時間計測装置のブロツク図、第３図は
タイムチヤートである。

まず、第２図を用いて本発明に係る時間計測装
置の全体を説明する。同図において、１０は入力
アンプであり、入力端子ｐ１から導入した被測定
の時間幅を持つ信号を波形整形して、第６図ａに
示すような矩形波に整形する。２０は制御回路で
あり、被測定の時間幅Tx持つ入力アンプ１０か
らの信号ｓ１とクロツク信号ｓ２とを導入し、端
数時間に相当するパルス幅の端数時間パルス信号
ｓ３と、ゲーテイングクロツク信号ｓ４とを出力
することができる。３０はカウンタであり、制御
回路２０から導入したゲーテイングクロツク信号
ｓ４が或るレベルをよぎる回数を計測する。４０
はクロツク発生器であり、周期T₀の時間基準と
なるクロツク信号ｓ２を発生する。５０は端数時
間測定回路であり、端数時間パルス信号ｓ３を導
入し、端数時間に応じたデジタル信号を出力する
機能を有したものである。この端数時間測定回路
５０は上述したように本発明の要部であり、第１
図にその具体的構成例を示してある。６０はプロ
セツサ（例えばマイクロプロセツサ）であり、カ
ウンタ３０と端数時間測定回路５０から信号を導
入し、(1)式の演算をして、被測定の時間幅Txを
算出するものである。

第１図は、本発明の一実施例を示した図であ
る。同図において、１はバツフアアンプであり、
端数時間パルス信号ｓ３が印加されると２つの差
動信号sq１，sq２を出力するものである。このバ
ツフアアンプ１は例えばECLゲート、差動増幅
器等により構成することができる。このバツフア
アンプ１の一方の出力sq１はトランジスタQ₁の
ベースに導入され、他方の出力sq２はトランジス
タQ₂のベースに導入される。この２つのトラン
ジスタQ₁とQ₂のエミツタは互いに接続され定電
流源２へ導かれる。この定電流源２は例えばトラ
ンジスタや抵抗等で構成することができる。定電
流源２には一定の電流I₁が流れており、電圧−Ｖ
に接続される。トランジスタQ₁のコレクタは回
路アースに接続され、トランジスタQ₂コレクタ
は増幅器４に導入される。

以上に説明したバツフアアンプ１とトランジス
タQ₁，Q₂と定電流源２は、電流スイツチ７を構
成している。もつとも、この電流スイツチ７は第
１図の構成に限定するものでなく、導入した端数
時間パルス信号ｓ３のパルス幅に応じて高速なス
イツチング動作で次段のコンデンサ３へ定電流を
印加することができる機能を有するものであれ
ば、どのように構成してもよい。一般に、第１図
に示すように差動増幅器を用いた電流スイツチ７
は高速な動作を行なうことができると知られてい
る。

増幅器４の入力部と回路アース間にはコンデン
サ３が接続される。このコンデンサ３はスイツチ
swを介して電圧（V₀）に接続される。このスイ
ツチswは第１図回路の外部からのリセツト信号
srにより制御される。増幅器４の出力はAD変換
器５に導入されてデジタル信号に変換され、この
デジタル信号ｓ６は、次段のプロセツサ６０に加
えられる。

以上のように構成された第１図の回路の動作を
第３図を参照しながら説明する。

端数時間パルス信号ｓ３が加えられる前（時刻
t₁以前）は、第３図の信号sq１が“high”であ
るためトランジスタQ₁はオンである。また、信
号sq１の差動信号である信号sq２は“low”であ
るためトランジスタQ₂はオフである。

一方、スイツチswは第３図に示すように、
時刻t₁以前はオンとなつているので、コンデンサ
３の電圧は、第３図に示すようにV₀である。

時刻t₁にて第３図のパルス信号ｓ３（スター
ト端数時間△T₁）が制御回路２０から加えられ
ると、このパルス信号ｓ３の立上がりエツジに同
期してバツフアアンプ１は、２つの極性の異なる
パルス信号sq１，sq２を出力する。同時にリセツ
ト信号srによりスイツチswをオフにする。

従つて、トランジスタQ₁はオフとなり、トラ
ンジスタQ₂はオンとなる。その結果、コンデン
サ３に充電していた電荷はトランジスタQ₂を介
して電流I₁で放電を開始するので、第３図の如
くコンデンサ３の電圧は減少し時刻t₂においては
電圧V₁となる。

そして、時刻t₂において端数時間パルス信号ｓ
３が立下がるこれに同期してバツフアアンプ１の
出力信号sq１，sq２は第３図のように極性を反転
する。従つて、トランジスタQ₂はオフとなるの
で、コンデンサ３の放電はストツプする。一方、
スイツチswは第３図のように依然としてオフ
のままなので、コンデンサ３は電圧V₁を維持し
つづける。ここで、コンデンサ３の電圧V₀とV₁
には、(2)式の関係がある。

△Ｖ＝V₀−V₁＝１／Ｃ・I₁・△T₁ (2) Ｃ：コンデンサ３の容量このようにコンデンサ３の電圧の変化量△Ｖ
は、スタート端数時間△T₁に比例する。

従つて、コンデンサ３の電圧を増幅器４を介し
てAD変換器５に導入し、デジタル信号としてプ
ロセツサ６０へ送ることにより、スタート端数時
間△T₁を算出することができる。なお、時刻t₂以
後、コンデンサ３はその電圧値をホールドしてい
るので、電圧V₁の計測は容易である。

そして、時刻t₃にてリセツト信号srが印加さ
れ、スイツチswがオンとなる（第３図参照）。
従つて、コンデンサ３は第３図のように初期値
である電圧V₀へ再び充電され、次の端数時間パ
ルス信号ｓ３の入力に備える。

以下、同様の動作によりストツプ端数時間△
T₂も測定することができる。

なお、上述では、充電が終了する時刻t₂とスイ
ツチswがオンとなる時刻t₃とが異なるものとし
て説明した。従つて端数時間△T₁に応じて変化
した電圧V₁はコンデンサ３にホールドされる。
しかし、スイツチswがオンとなる時刻t₃をt₂とを
一到させても本発明は成立する。この場合は、増
幅器４としてはサンプル・ホールドアンプやトラ
ツク・ホールドアンプを用いれば良い。

また、第３図において示した各信号の極性に動
作を限定するものでもない。例えば、上述では端
数時間の区間にコンデンサ３を放電し、端数時間
パルス信号が発生していない区間にコンデンサ３
を充電するとしたが、この放電動作と充電動作と
を入替え、端数時間の区間にコンデンサ３を充電
し、端数時間パルス信号が発生していない区間に
コンデンサを放電しても本発明は成立する。

また、以上では端数時間パルス信号ｓ３の立上
がりエツジに同期してスイツチswをオフにする
と説明したが、この立上がりエツジ前にスイツチ
swをオフとするようにしてもよい。この理由は、
通常、スイツチswは瞬時にオフとならず、或る
時間遅れてオフとなる。従つて、この時間遅れを
補償するために、予め端数時間パルス信号ｓ３が
立上がる前にスイツチswをオフにしておこうと
するものである。

ハ「本発明の効果」従来では端数時間△T₁，△T₂の間、コンデン
サC₃に電荷にチヤージし、その後、放電時間T_D
を測定して端数時間を得ていた。従つて放電時間
T_Dが必要である。

一方、本発明はこの放電時間を必要とせず、コ
ンデンサ３の電圧を直接デジタル信号ｓ６へ変換
している。コンデンサ３の電圧を読取る時間と、
この読取つた電圧をデジタル信号へ変換する時間
とは、第５図に示した放電時間T_Dと比べて極め
て短い時間である。

またスイツチswからコンデンサ３を充電する
時間は、コンデンサ３が放電した量を補うだけで
あるから、極めて僅かの時間であり、スタート端
数時間パルスとストツプ端数時間パルスが近接し
て生じたとしても正確に測定することができる。

また、コンデンサ３の電圧は、AD変換器５に
より、高い分解能でデジタル信号に変換すること
ができるので、本発明の時間計測装置は高い分解
能で時間を測定することができる。

従つて、本発明の装置によれば従来装置が持つ
ていた問題点を解決することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の要部である端数時間測定回路
の構成例を示した図、第２図は本発明に係る時間
計測装置のブロツク図、第３図は本発明に係る装
置のタイムチヤート、第４図は端数時間を測定す
る公知の手段を示す図、第５図は第４図装置のタ
イムチヤート、第６図は本願の全体の測定原理を
表わしたタイムチヤートである。１…バツフアアンプ、２…定電流源、３…コン
デンサ、４…増幅器、５…AD変換器、７…電流
スイツチ、sw…スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】１スタート端数時間とストツプ端数時間に応じ
て電圧を変化させ、この電圧に基づくデジタル信
号をプロセツサ６０にて演算を加えることで被測
定時間Txを計測する装置において、端数時間パルス信号Ｓ３を導入し、この信号Ｓ
３と同一のパルス幅を持ち、極性が互いに異なる
差動信号sq１，sq２を出力するバツフアアンプ
と、この差動信号により一方がオン、他方がオフ
に駆動されるトランジスタQ₁，Q₂と、からなる
電流スイツチ７と、この電流スイツチ７を介して放電されるコンデ
ンサ３と、コンデンサ３が放電している以外の期間に定電
圧V₀を加えてコンデンサ３を充電するスイツチ
手段swと、前記電流スイツチ７により放電されたコンデン
サ３の電圧を増幅器を介して導入し、前記スイツ
チ手段swによる充電動作をともなうことなく、
この導入した電圧を直接デジタル信号へ変換する
AD変換器５と、を備えたことを特徴とする時間計測装置。２前記コンデンサ３として、電流スイツチ７を介して充電されるコンデンサ
３とし、前記スイツチ手段swとして、コンデンサ３が充電している以外の期間に定電
圧V₀を加えてコンデンサ３を放電するスイツチ
手段swとし、前記電流スイツチ７により充電されたコンデン
サ３の電圧を増幅器を介して導入し、前記スイツ
チ手段swによる放電動作をともなうことなく、
この導入した電圧を直接デジタル信号へ変換する
AD変換器５としたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の時間計測装置。