JPH06347550A - 時間測定装置 - Google Patents

時間測定装置

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JPH06347550A
JPH06347550A JP5163804A JP16380493A JPH06347550A JP H06347550 A JPH06347550 A JP H06347550A JP 5163804 A JP5163804 A JP 5163804A JP 16380493 A JP16380493 A JP 16380493A JP H06347550 A JPH06347550 A JP H06347550A
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JP
Japan
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delay
time
reference clock
output
clock
Prior art date
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JP5163804A
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Inventor
Toshihiro Tanaka
智弘 田中
Yasuhiro Ito
保博 伊東
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型・低価格で、且つ時間測定精度が広い温
度範囲で高精度に確保された時間測定装置を提供する。 【構成】 概算測定カウンタ10と精密測定カウンタ7
とが基準クロック113の計数のために設けられ、精密
測定カウンタ7にはゲート回路で構成された遅延素子1
2と基準クロック113を保持する保持手段13とが設
けられている。基準クロック113に所定遅延時間を逐
次累加した複数の遅延基準クロック202が出力し、受
信タイミング信号106で基準クロック113及び複数
の遅延基準クロック202が保持されて複数の精密測定
データ102が出力し、複数の精密測定データ102を
利用して走行時間が測定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、時間測定装置に関する
ものである。更に詳しくは、パルス信号の送信から受信
までの走行時間を測定する時間測定装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来より、パルス信号の送信からパルス
受信までの時間を測定する方法として、水晶発振器等の
周波数(f)の安定しているクロックを計数装置で計数
し、得られた計数値nから、走行時間Tを、T=n/
f、の関係式により計算し、求める方法がある。この方
法での時間分解能は、1/fで表されるから、発振器の
周波数fを大きくすることにより時間分解能を向上させ
ることができる。しかし、計数装置を構成する電気回路
素子の動作可能な周波数には限度があり、これに制限さ
れて時間測定分解能を所望の大きさに高めることは困難
である。そこで、計数装置はおおまかな時間を測定する
ための概算測定カウンタと時間分解能を上げるための精
密測定カウンタを設ける構成になっていた。
【0003】このような構成の時間測定装置として、特
開昭59─24286号公報に開示された技術がある。
これは概算測定カウンタの測定クロックと電気パルス信
号の残存時間を電圧に変換して、その電圧値から時間を
換算する方法である。又、ヒューレット・パッカード
ジャーナル、1989年2月号35〜41(FEBRU
ARY 1989 HEWLETT−PACKARD
JOURNAL)には、タイムインターバルアナライザ
を概算カウンタの測定クロックより短い時間の遅延素子
を使用して残存時間を測定ように構成した技術が開示さ
れている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】概算測定カウンタと精
密測定カウンタとの両者を設けると、装置の小型化と低
価格化を実現することは困難となる。しかし概算測定カ
ウンタだけで装置を構成すると、時間測定精度を向上す
ることは困難であるし、又、精密測定カウンタだけで装
置を構成すると、測定ダイナミックレンジを狭くするこ
とになる。
【0005】特開昭59─24286号公報に開示され
た、概算測定カウンタと精密測定カウンタを設け、残存
時間を電圧に変換してその電圧値から時間を換算する方
法では、デジタルとアナログの混在回路になってしま
う。これはIC化に不向きであり、デジアナ混在のIC
の製作が可能であっても、デジタルのみのICと比較し
た場合高価であるから使用することは困難である。この
ために装置の小型化が困難であるという問題があった。
【0006】又、ヒューレット・パッカード ジャーナ
ル、1989年2月号35〜41に開示されている、遅
延素子を使用して残存時間を測定する方法は、遅延素子
をデジタル素子で構成することができ、IC化が可能で
あり小型化と低価格化を実現できる。しかしながら、デ
ジタル素子の遅延時間は、温度で変化するため、広い温
度範囲で精度良く時間測定することができないという問
題があった。
【0007】本発明は上記の課題に鑑み、小型・低価格
で、且つ時間測定精度が広い温度範囲で高精度に確保さ
れた時間測定装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、パルス信号を
送信する送信手段と、前記パルス信号を受信し、受信タ
イミング信号を出力する受信手段と、基準クロックを発
振する基準発振器と、前記基準クロックの整数部分を計
数する概算測定カウンタと、前記基準クロックの整数未
満部分を計数する精密測定カウンタと、前記概算測定カ
ウンタにより計数された整数部分の計数値と前記精密測
定カウンタにより計数された整数未満部分の計数値との
加算値を用いて、前記パルス信号の送信から受信までの
走行時間を測定する演算手段とを具備する時間測定装置
において、前記精密測定カウンタは、ゲート回路で構成
されると共に前記基準クロックを所定遅延時間遅延させ
る複数の遅延素子と、前記基準クロックを保持する保持
手段とを具備し、前記複数の遅延素子は、直列に結合さ
れ、前記基準クロックに前記所定遅延時間を逐次累加し
て複数の遅延した基準クロックを出力し、前記保持手段
は、前記受信タイミング信号を受けて前記基準クロック
及び前記複数の遅延した基準クロックを保持して、複数
の精密測定データを出力し、前記演算手段は、前記複数
の精密測定データより前記整数未満部分の計数値を計数
して前記加算値を算出することにより前記走行時間を測
定することを特徴とするものである。
【0009】前記ゲート回路は複数のゲートからなり、
前記演算手段は、前記基準クロックが通過する前記ゲー
トの数を可変に制御することが望ましい。
【0010】前記遅延素子の数と前記所定遅延時間との
積は、前記基準クロックの周期の1・5倍以上であるこ
とが望ましい。
【0011】前記所定遅延時間の変動に対応して、前記
パルス信号の出力を変動させる出力レベル確保手段を具
備することが好ましい。
【0012】前記演算手段は、前記所定遅延時間より温
度に関する情報を出力するための所定遅延時間−温度換
算表を具備することが好ましい。
【0013】
【作用】基準クロックの計数のために概算測定カウンタ
と精密測定カウンタとが設けられ、又精密測定カウンタ
には遅延素子と基準クロックを保持する保持手段とが設
けられていて、直列に結合された複数の遅延素子のそれ
ぞれから基準クロックに所定時間を逐次累加した複数の
遅延基準クロックが出力し、受信タイミング信号が入力
すると基準クロック及び複数の遅延基準クロックが保持
されて複数の精密測定データが出力し、複数の精密測定
データを利用して走行時間が測定される。
【0014】遅延素子を構成するゲート回路の複数のゲ
ートの数は演算手段により可変に制御され、遅延時間が
広い範囲で変更可能であり、又遅延素子の数と所定遅延
時間との積は、前記基準クロックの周期の1・5倍以上
であり、遅延時間補間用データを同時に抽出できる。
【0015】
【実施例】本発明の一実施例を図1乃至図4により説明
する。送信部1は光パルス信号を出力する半導体レーザ
であり、受信部2は反射体からの反射信号を受信する受
光素子である。光電変換して受信部2から出力した受信
信号はアンプ3で増幅され、レベルコンパレータ4から
受信タイミングパルス112が発信する。
【0016】マイクロコンピュータ5は本装置の各種制
御と演算とを行うコンピュータであり、論理回路6に制
御信号107を、精密測定カウンタ7に遅延素子ゲート
制御信号101をそれぞれ発信する。基準発振器8は基
準クロック113を発振する水晶発振器である。
【0017】論理回路6はマイクロコンピュータ5から
制御信号107を受けて、送信駆動部9に測定開始信号
108を発信し、レベルコンパレータ4から受信タイミ
ングパルス112を受けて、受信タイミング信号106
を発信し、基準発振器8から基準クロック113を受
け、基準クロック113に同期して、精密測定クロック
104及び概算測定クロック105を発信する。
【0018】精密測定カウンタ7は論理回路6から精密
測定クロック104、及び受信タイミング信号106を
受け、又マイクロコンピュータ5から遅延素子ゲート制
御信号101を、及び精密測定データ102をマイクロ
コンピュータ5にそれぞれ発信する。概算測定カウンタ
10は論理回路6から測定開始信号108及び概算測定
クロック105を受け、概算測定データ102をマイク
ロコンピュータ5に発信する。D/A変換器11はマイ
クロコンピュータ5からD/A変換データ109を受け
る。送信駆動部9はD/A変換器11から送信出力レベ
ル信号110を受け、又論理回路6から測定開始信号1
08を受け、送信部1に電気パルス信号111を発信す
る。
【0019】次に精密測定カウンタ7の構成について説
明する。図3は精密測定カウンタ7を構成する遅延素子
12の構成図であり、複数のゲートからなるゲート回路
で構成された遅延素子12を示している。11個のNA
NDゲートが図3のように結合され、6個の入力端子及
び1個の出力端子が設けられている。遅延素子ゲート制
御信号101がA、B、C、D、Eへ入力する論理の組
合せを4通り切り換ることでそれぞれ2個、4個、6
個、8個の遅延ゲート数を通過するように制御する。
【0020】これを表2の遅延回路ブロック論理表に示
し、以下CLK入力の2回、4回、6回、8回インバー
ト(反転)の動作を説明する。NANDゲートにおいて
は、A入力が1(High)に固定されれば、出力Xは
入力Bの反転となり、A入力が0(Low)に固定され
れば、出力Xは入力Bの如何によらず常に1(Hig
h)となるから次のようになる。CLK2回インバート
の場合は、Aが1なのでゲート10の出力は反転であ
る。又C、Eは0なのでゲート5、6の出力は共に1に
なり、ゲート7の出力は0になり、ゲート9の出力は1
になる。従ってゲート11は反転となり、結局CLK入
力はゲート10及びゲート11で2回反転する。CLK
4回インバートの場合は、Aが0なのでゲート10の出
力は1である。Dが0なのでゲート4出力は1になる。
又ゲート3は一方の入力が1なので、出力は反転とな
り、Bが1なのでゲート8も反転し、ゲート7の出力が
1なので、ゲート9の出力も反転し、ゲート10の出力
が1なのでゲート11の出力も反転となる。結局CLK
入力はゲート3、ゲート8、ゲート9及びゲート11で
4回反転する。同様にして、CLK6回インバートの場
合は、CLK入力はゲート3、ゲート2、ゲート6、ゲ
ート7、ゲート9及びゲート11で6回反転し、CLK
8回インバートの場合は、CLK入力はゲート3、ゲー
ト2、ゲート1、ゲート4、ゲート5、ゲート7、ゲー
ト9及びゲート11で8回反転する。
【0021】精密測定クロック104は通過した1個の
遅延ゲートでの遅延時間に遅延ゲート数を乗じた時間遅
延する。従って遅延素子ゲート制御信号101の制御に
より4通りの遅延した精密測定クロックが得られる。又
遅延ゲートは温度が上昇すると遅延時間が増大するか
ら、温度が上昇した時は遅延ゲート数を減少し、温度が
低下した時は遅延ゲート数が増加するように、後述のよ
うにマイクロコンピュータ5の出力する遅延素子ゲート
制御信号101により制御される。
【0022】図2は精密測定カウンタ7の構成図であ
る。上記した遅延素子12がN−1個直列に結合されて
いる。各遅延素子12には遅延素子ゲート制御信号10
1がA、B、C、D、Eに入力する。どのような組合せ
で入力するかは前述した通りである。マイクロコンピュ
ータ5は遅延素子12の所定遅延時間を検知してその大
きさが現在温度において最適になるように通過ゲート数
を選択し、遅延時間が或る範囲に入るように制御する。
【0023】精密測定クロック104及び遅延素子12
により遅延した遅延クロックは順次分岐してそれぞれD
−FF13に入力し、各D−FF13は受信タイミング
信号106でD入力の信号を保持するようになってい
る。したがってD−FF13の出力は、受信タイミング
信号106が入力された時刻の精密測定クロック104
及び遅延素子12により遅延した遅延クロックの情報を
保持することになる。
【0024】即ちこのような構成で、精密測定カウンタ
7に入力した精密測定クロック104は分岐して、一部
は遅延素子12を通過しないで直接D−FF13に入力
し、受信タイミング信号106で保持され出力端子D1
に精密測定データ102を出力する。他の一部は第1番
目の遅延素子12に入り、通過して、1単位の遅延時間
遅延した遅延クロック202を出力する。この遅延クロ
ック202は分岐して、一部はD−FF13に入力し、
受信タイミング信号106で保持され出力端子D2 に精
密測定データ102を出力する。他の一部は第2番目の
遅延素子12に入り、通過して、更に1単位を加えて、
計2単位の遅延時間遅延した遅延クロック203を出力
する。順次このようにして通過した遅延素子12ごとに
1単位の遅延時間が累加された遅延クロック203乃至
20Nが出力し、それぞれ出力端子D3 乃至DN に精密
測定データ102が出力される。
【0025】次に動作について、補正モードの場合から
説明する。マイクロコンピュータ5が論理回路6に制御
信号107を出力すると、制御信号107には測定モー
ド及び補正モードの信号があって、論理回路6は制御信
号107の内容から測定モードであるか、補正モードで
あるかを判断する。補正モードと判断されれば、精密測
定カウンタ7に精密測定クロック104を送信する。
【0026】マイクロコンピュータ5は、精密測定カウ
ンタ7に遅延素子ゲート制御信号101を送信し、制御
信号107の送信後所定時間通過した後に精密測定カウ
ンタ7から出力する精密測定データ102を受けて読み
に行く。マイクロコンピュータ5は、遅延素子ゲート制
御信号101と精密測定データ102との内容から遅延
素子12の1個当たりの遅延時間を算出する。この算出
した遅延時間が時間測定に適したものとなるように、マ
イクロコンピュータ5は、遅延素子ゲート制御信号10
1を表1に示す4通りの組合せの中の一つの組合せにし
て、遅延ゲート数を設定する。また、この設定した遅延
ゲート数と遅延時間とを温度に換算して、現在の温度に
対して最適な送信部1の出力レベルが確保されるように
D/A変換器11のD/Aデータ109を設定する。上
記の動作終了後、マイクロコンピュータ5は、概算測定
カウンタ10及び精密測定カウンタ7をリセットする。
【0027】マイクロコンピュータ5からの制御信号1
07が、論理回路6で測定モードと判断された場合に
は、論理回路6は基準発振器8からの基準クロック11
3に同期した測定開始信号108を送信駆動部9に送
る。同時に測定開始信号に同期した精密測定クロック1
04と概算測定クロック105を送信する。送信駆動部
9は、D/A変換器11からの送信出力レベル信号11
0により出力レベルを制御した電気パルス信号111
を、測定開始信号108をトリガにして送信部1に送信
する。
【0028】パルス信号が送信部1から反射体に向けて
送信され、反射体からの反射パルス信号を受信部2が受
信して、アンプ3へ受信信号を送る。アンプ3からの信
号は、レベルコンパレータ4にてデジタル信号に変換さ
れ、受信タイミングパルス112として論理回路6へ送
信される。論理回路6は、測定開始信号108、及び受
信タイミングパルス112を受けて発信する受信タイミ
ング信号106を精密測定カウンタ7に送る。
【0029】図4に、測定開始信号108、及び精密測
定カウンタ7に入出力する、精密測定クロック104、
遅延素子出力信号202〜216、受信タイミング信号
106の各信号のタイムチャートを示す。遅延素子出力
信号202〜216は遅延素子ゲート制御信号101が
入力し、精密測定クロック104がそれぞれ遅延素子1
2の数分だけ遅延した信号であり、出力端子D1 乃至D
16に出力される精密測定データ102であり、出力端子
16乃至DN に出力される精密測定データ102は省略
されている。尚図4には、同時に概算測定カウンタ10
に入出力する、概算測定クロック105、受信タイミン
グ信号106の各信号のタイムチャートを重複して示
す。
【0030】A点は測定開始信号108の立ち上がりで
ある。測定開始信号108は基準クロック113に同期
して送信されるから、測定開始信号108の立ち上がり
は精密測定クロック104及び概算測定クロック105
の立ち上がりと同期している。B点は受信タイミング信
号106を受信した時点であり、光パルスの走行時間
は、A点からB点までの時間である。又、C点は、B点
の直前の概算測定クロック105の立ち上がりであり、
概算時間及び精密時間は、それぞれA点からC点まで及
びC点からB点までの時間である。
【0031】論理回路6は、概算時間測定のために概算
測定クロック105を受信タイミング信号106が入力
した次の立ち上がりで保持する。そして概算測定データ
103を出力する。即ち、概算測定クロック105は、
A点からC点までの時間に基準クロック113の1周期
分の時間を加算した時間を計数している。(精密測定ク
ロック104及び概算測定クロック105の周期は基準
クロック113の周期と同一であり、以降基準クロック
113の周期と記す)従って、A点からC点までの概算
時間は概算測定データ103から1を減じた値に基準ク
ロック113の周期を掛けて算出することができる。図
4の例では3から1を減じて計数値は2である。
【0032】精密測定クロック104及び遅延素子出力
信号202〜216は、受信タイミング信号106によ
り保持されて、精密測定データ102の出力表は表1の
ようになる。精密時間は、表1においてハイレベルから
ローレベルに最初になったデータの位置から計算して求
めることができる。表1の場合には、11番目のデータ
で最初にハイレベルからローレベルに変化しているか
ら、オフセット分の1.5を減じた値に遅延素子12の
1個の遅延時間を乗じて算出できる。しかし、遅延時間
は温度により変化するから、計数値は直ちに時間に換算
することはできない。遅延時間は次のようにして求め
る。精密測定データ102にはハイレベルからローレベ
ルまたはローレベルからハイレベルに変化する位置があ
るが、この相隣接した2箇所の位置の間隔が、基準クロ
ック113の1周期に対応している。従ってこの間隔内
にある遅延素子の数で基準クロック113の周期を割れ
ば、遅延素子1個当たりの遅延時間を求めることができ
る。この際遅延時間の合計が基準クロックの周期の1.
5倍以上あれば、D1 からの精密測定データ102の中
にレベルの変化する位置が基準クロックの1周期の間に
必ず2個所出現する。
【0033】このように、遅延時間の合計を基準クロッ
クの周期の1.5倍以上になるように、遅延素子ゲート
制御信号101で遅延ゲート数を設定し、相隣接したレ
ベルの変化する位置の2個所の間隔内にある遅延素子の
数で基準クロック113の周期を割り、遅延素子1個当
たりの遅延時間を求め、計数値を乗じて時間を求めるこ
とができる。表1の例では、6番目のデータと16番目
のデータでローレベルからハイレベルに変化している。
この2データの番号差(16─6)が基準クロック11
3の周期に対応する遅延素子の数であるから、遅延素子
1個当たりの遅延時間は基準クロック113の周期を1
0で割れば求められる。図4の例では、データ番号11
から1.5を減じて9.5が得られ、又本例では遅延時
間1単位は基準クロック113の0.1周期となってい
るから、0.1×9.5、 即ち計数値は0.95であ
り、これよりC点からB点までの精密時間が測定でき
る。
【0034】上述のようにして、概算時間及び精密時間
を得て両者を加算すれば、概算時間と精密時間の和とし
てパルス信号の走行時間を測定することができる。
【0035】本実施例においては、精密測定カウンタに
より時間測定精度が向上するのみでなく、併せて概算測
定カウンタが設けられているから、測定ダイナミックレ
ンジが広く、回路にC−MOSを使用しても充分な時間
測定分解能を得ることが可能であり、C−MOSの使用
により少消費電流で放熱板等が不要で装置が小型化とな
る効果が得られる。又、遅延素子をゲート回路で構成し
たから、時間測定回路がデジタル回路で構成可能であ
り、IC化等で部品点数が減少し小型化・低価格化が可
能になる効果がある。そして遅延ゲート数が変更できる
から、遅延時間を大きく変更可能であり、容易に広い温
度範囲で高精度の測定が可能である。又遅延時間補間の
ためのデータは、遅延素子の数と所定遅延時間との積が
基準クロックの周期の1・5倍以上としてあるから、精
密測定データと同時に抽出することができるという効果
がある。
【0036】尚、本発明では、付加機能として温度対遅
延時間テーブルまたは換算式(温度と遅延時間の関係
は、概略1次式で近似できる。)を具備し、遅延素子の
遅延時間から温度センサ無しで温度情報を得ることも可
能である。
【0037】尚、本発明は送信部から発信するパルス信
号が光以外の、超音波、電波等の他の信号であり、対応
する受信部により検出し走行時間を測定する装置に関す
るものであっても良いことは言うまでもない。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように本発明で、遅延素子
をゲート回路で構成した精密測定カウンタを設けたか
ら、小型・低価格で、且つ時間測定精度が広い温度範囲
で高い精度を確保された時間測定装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例のブロック図。
【図2】一実施例の精密測定カウンタの回路図。
【図3】一実施例の遅延回路ブロック図。
【図4】一実施例のタイミングチャート。
【符号の説明】
1・・・・送信部 2・・・・受信部 5・・・・マイクロコンピュータ 6・・・・論理回路 7・・・・精密測定カウンタ 8・・・・基準発振器 9・・・・送信駆動部 10・・・・概算測定カウンタ 12・・・・遅延素子 13・・・・D−FF 101・・・・遅延素子ゲート制御信号 102・・・・精密測定データ 104・・・・精密測定クロック 105・・・・概算測定クロック 106・・・・受信タイミング信号 108・・・・測定開始信号 113・・・・基準クロック
【表1】
【表2】

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】パルス信号を送信する送信手段と、前記パ
    ルス信号を受信し、受信タイミング信号を出力する受信
    手段と、基準クロックを発振する基準発振器と、前記基
    準クロックの整数部分を計数する概算測定カウンタと、
    前記基準クロックの整数未満部分を計数する精密測定カ
    ウンタと、前記概算測定カウンタにより計数された整数
    部分の計数値と前記精密測定カウンタにより計数された
    整数未満部分の計数値との加算値を用いて、前記パルス
    信号の送信から受信までの走行時間を測定する演算手段
    とを具備する時間測定装置において、前記精密測定カウ
    ンタは、ゲート回路で構成されると共に前記基準クロッ
    クを所定遅延時間遅延させる複数の遅延素子と、前記基
    準クロックを保持する保持手段とを具備し、前記複数の
    遅延素子は、直列に結合され、前記基準クロックに前記
    所定遅延時間を逐次累加して複数の遅延した基準クロッ
    クを出力し、前記保持手段は、前記受信タイミング信号
    を受けて前記基準クロック及び前記複数の遅延した基準
    クロックを保持して、複数の精密測定データを出力し、
    前記演算手段は、前記複数の精密測定データより前記整
    数未満部分の計数値を計数して前記加算値を算出するこ
    とにより前記走行時間を測定することを特徴とする時間
    測定装置。
  2. 【請求項2】前記ゲート回路は複数のゲートからなり、
    前記演算手段は、前記基準クロックが通過する前記ゲー
    トの数を可変に制御することを特徴とする請求項1に記
    載の時間測定装置。
  3. 【請求項3】前記遅延素子の数と前記所定遅延時間との
    積は、前記基準クロックの周期の1・5倍以上であるこ
    とを特徴とする請求項1又は2に記載の時間測定装置。
  4. 【請求項4】前記所定遅延時間の変動に対応して、前記
    パルス信号の出力を変動させる出力レベル確保手段を具
    備することを特徴とする請求項1に記載の時間測定装
    置。
  5. 【請求項5】前記演算手段は、前記所定遅延時間より温
    度に関する情報を出力するための所定遅延時間−温度換
    算表を具備することを特徴とする請求項1に記載の時間
    測定装置。
JP5163804A 1993-06-10 1993-06-10 時間測定装置 Pending JPH06347550A (ja)

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JP5163804A JPH06347550A (ja) 1993-06-10 1993-06-10 時間測定装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002214369A (ja) * 2001-01-18 2002-07-31 Denso Corp 時間測定装置及び距離測定装置

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JP2002214369A (ja) * 2001-01-18 2002-07-31 Denso Corp 時間測定装置及び距離測定装置

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