JPS633272B2 - - Google Patents

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JPS633272B2
JPS633272B2 JP13485483A JP13485483A JPS633272B2 JP S633272 B2 JPS633272 B2 JP S633272B2 JP 13485483 A JP13485483 A JP 13485483A JP 13485483 A JP13485483 A JP 13485483A JP S633272 B2 JPS633272 B2 JP S633272B2
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JP
Japan
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time
integrator
output
terminal
flip
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JP13485483A
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JPS6025483A (ja
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Yoshio Hayashi
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Advantest Corp
Original Assignee
Advantest Corp
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Publication date
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Priority to JP13485483A priority Critical patent/JPS6025483A/ja
Publication of JPS6025483A publication Critical patent/JPS6025483A/ja
Publication of JPS633272B2 publication Critical patent/JPS633272B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04FTIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F10/00Apparatus for measuring unknown time intervals by electric means
    • G04F10/10Apparatus for measuring unknown time intervals by electric means by measuring electric or magnetic quantities changing in proportion to time
    • G04F10/105Apparatus for measuring unknown time intervals by electric means by measuring electric or magnetic quantities changing in proportion to time with conversion of the time-intervals

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Unknown Time Intervals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えばクロツクを計数して時間を測
定する際に、そのクロツク周期に対する端数を拡
大して測定する場合に適用される時間測定装置に
関する。
例えば第1図Aに示すように被測定時間TX
間、第1図Bに示す周期T0のクロツクパルスを
ゲートして第1図Cに示すゲート出力を得て、そ
のゲートされたクロツクパルスの数Nを計数する
と共に第1図Dに示すように被測定時間TXの始
めからその直後のクロツクパルスまでの間隔△
T1、また第1図Eに示すように被測定時間TX
終りからその直後のクロツクパルスまでの間隔△
T2をそれぞれ作り、これ等△T1、△T2を第1図
Bのクロツクパルスよりも十分高い周波数のクロ
ツクパルスで測定し、或は△T1及び△T2をそれ
ぞれ時間伸張してそれぞれ測定し、これ等の測定
値からN+△T1−△T2を求めて被測定時間TX
して高い精度の測定値が得られる。
この場合△T1及び△T2はそれぞれ非常に短か
いため、時間幅を伸張して測定することによつて
安価な構成で高い精度の測定を行なうことができ
る。しかし△T1及び△T2は0からT0の間の値を
取り、0に近い非常に小さな時間の場合には、時
間幅の伸張に用いられる時間電圧変換器の変換特
性における非直線部分に入るおそれがあつた。ま
た時間電圧変換器の変換特性が周囲温度の影響を
受ける。これらの点より第1図Fに示すように例
えば端数時間△T1の測定に当つて一定時間T0
付加した時間△T1+nT0(図はn=1の場合)の
パルスと、その一定時間nT0よりも大きい一定時
間(n+1)T0のパルスと、更に前記付加した
一定時間nT0のパルスとの三つのパルスを作り、
これら三つのパルスを時間幅伸張してそれぞれの
時間を測定し、その測定結果より次式を演算して △T1+nT0−nT0/(n+1)T0−nT0×10K……(1
) (Kは時間幅伸率で決る倍率指数)△T1を測定
することが既に提案されている。この従来装置に
おいては第2図のようにして時間幅伸張を行なつ
ていた。即ち△T1+nT0、(n+1)T0、nT0
それぞれについて、その時間の間第1積分器11
で一定電圧を積分し、その積分電圧をホールド回
路15,16,17にそれぞれホールドさせ、そ
の後その第1積分器11よりも積分速度が遅い第
2積分器21で一定電圧を積分し、各ホールド回
路15,16,17のホールド電圧及び第2積分
器21の出力を電圧比較器19で比較し、両者が
一致した時点で第2積分器21の積分を停止させ
る。このとき第2積分器21の積分期間が入力に
対する伸張された時間となる。このようにして△
T1+nT0、(n+1)T0、nT0のそれぞれについ
て時間伸張される。時間伸張された測定結果を基
に上記した第(1)式を演算する。第(1)式によれば測
定時間の比が求められる。このように時間の比を
求めることにより積分器等のアナログ回路の温度
変動に伴うドリフト等の影響を除去することがで
きる。
<従来の欠点> このように従来の時間測定装置は一つの時間を
測定するのに三つの時間△T1+nT0、(n+1)
T0、nT0及び△T2+nT0、(n+1)T0、nT0
それぞれ拡大測定しなければならないことと、上
記した第(1)式を演算しなければならないため測定
に時間が掛る欠点がある。
つまり第(1)式の演算は時間の比を求めてアナロ
グ回路の温度変化に伴うドリフト等による影響を
除去するための割算である。割算動作は周知のよ
うに多くの減算動作によつて実行されるため演算
結果が出るまでに時間が掛る欠点がある。
端数時間の測定に時間が掛ることから従来の時
間測定装置では測定できる時間間隔の分解能は良
くても100ピコ秒程度が限界となる。
<発明の目的> この発明は測定できる時間間隔の分解能を10ピ
コ秒程度の高分解能とすることができる時間測定
装置を提供しようとするものである。
<発明の実施例> 第3図はこの発明による時間測定装置の要部で
ある時間幅伸張部の一例を示す。時間幅伸張部に
は第1積分器25と第2積分器31が設けられ
る。第1積分器25は演算増幅器26、その入力
積分抵抗器27、入出力端間に接続された積分コ
ンデンサ28及び積分コンデンサ28と並列に接
続されたリセツトスイツチ29とから構成され
る。
第2積分器31は第1積分器25の積分速度よ
りも遅い積分速度に設定される。つまり第2積分
器31は同様に演算増幅器32、入力積分抵抗器
33、積分コンデンサ34、リセツトスイツチ3
5によつて構成される。積分器25,31の出力
は比較器36で比較し両出力電圧の一致を検出す
る。
また第1積分器25の入力側はスイツチ37を
通じて一定電圧E1が与えられた端子38に接続
し、第2積分器31の入力側は端子38に直接接
続する。この例では積分される電圧、つまり入力
電圧が両積分器25,31に対し、同一値とされ
ているため、第1積分器25の積分時定数よりも
第2積分器31のそれを大として第2積分器31
の積分速度を遅くしている。しかし第1積分器2
5の入力電圧より第2積分器31のそれを絶対値
で小さな値に選定し、これによつて積分速度を遅
くしてもよい。或は積分時定数と、入力電圧との
両者を異ならして第2積分器31の積分速度を遅
くしてもよい。
第4図Aに示す時間Tを伸張するには、先ずス
イツチ29,35,37をオンとしておき、時間
Tの間リセツトスイツチ29のみをオフとして積
分器25で端子38の電圧を積分し、第4図Bに
示す出力を得る。次にスイツチ37をオフとし、
スイツチ35をオフにして第2積分器31で積分
を行ない、第4図Cに示すような積分出力を得
る。この積分出力が第1積分器25の出力−V1
と一致すると、第4図Dに示すように比較器36
の出力が反転する。積分器31の積分開始から比
較器36の出力が反転するまでの期間αTが時間
Tを伸張した時間となる。尚第1積分器25の積
分が終つた後に或る時間をおいてから第2積分器
31を動作させてもよい。
この発明においては第3図に示した時間幅伸張
部によつて△T+nT0とnT0を伸張した時間TC
TDを測定し、この二つの時間TC、TDから第(2)式
を演算し、被測定時間TXの前縁と後縁で発生す
る端数時間△Ta、△Tbをそれぞれ求めるもので
ある。
△Ta及び△Tb=A{TC−TD}{1−TD−B/B} ……(2) ここでAは時間伸張の際の拡大率の逆数、Bは
固定時間nT0の理想拡大値である。
第(2)式の導出は次の如くである。
第1、第2積分器25,31の時定数をR1
C1及びR2・C2とし、積分器25,31に与える
入力電圧をE1、E2とした場合R1・C1/E1<R2・C2/E2 となるように選定する。ここでE1・R2・C2
E2・R1・C1=Kをアナログ部の時間拡大率と定
義する。
この発明においては測定すべき時間は被測定時
間TXの前縁と後縁のそれぞれにおいて△T1
nT0とnT0及び△T2+nT0とnT0の二種類である。
この二種類の時間を時間伸張して測定を行なう。
時間伸張後の二種類の時間ta1、ta2及びtb1、tb2
既知の周期t0を持つクロツクを計数することによ
つて測定される。以下説明を簡素化するために時
間伸張後の時間を前縁側及び後縁側の別なくt1
t2として表示する。計数されたクロツクの数を
S1、S2とすると、伸張後の時間t1、t2は t1=S1・t0=K(△T+nT0) ……(3) t2=S2・t0=K・nT0 ……(4) となる。これらの関係から △T=t0/K(S1−S2) ……(5) が得られる。ここでt0/Kは一定値として扱われ
る。
ここでアナログ部に何らかの変動要因が加わ
り、時間伸張率KがKからK±△K(△K>0)
に変化した場合を考える。KがK±△Kに変化し
た場合に時間伸張した時間t1′及びt2′のそれぞれ
のクロツク計数値をS1′、S2′とすれば第(5)式から △T=t0/K±△K(S1′−S2′) ……(6) が真値となるが、補正を実施しなかつた場合、即
ちKの変動を考慮しない場合には △T=t0/K(S1′−S2′) ……(7) として扱われ、第(6)式との差分が誤差となり精密
測定には使えないことがわかる。
このため第(6)式より △T=t0/K±△K(S1′−S2′) =t0(S1′−S2′)/K・1/1±△K/K≒ t0(S1′−S2′)/K・(1±△K/K) (△K/K≪1による近似) ここで第(4)式より S2′t0=(K±△K)nT0 ……(8) 第(8)式と第(4)式より ±△K/K=−S2′−S2/S2 ……(9) が得られるから △T≒t0(S1′−S2′)/K・(1−S2′−S2/S2) ≒t0/K(S1′−S2′)−t0/K・1/S2(S1′−
S2′) (S2′−S2) ……(10) となる。第(10)式において第2項がアナログ部の時
定数等がドリフトすることによつて発生した誤差
分である。
第(10)式は △T≒t0/K{S1′−S2′}{1−S2′−S2/S2}……
(11) と書替ることができる。t0/K=A、S2=B、第
1測定時間S1′をS1′=TC、第2測定時間S2′を
S2′=TDとおけば、被測定時間TXの前縁側の端数
時間Taと後縁側端数時間Tbは △Ta又は△Tb=A{TC−TD}{1−TD−B/B} ……(12) となる。
前縁側の測定値をTC1、TD1、後縁側の測定値
をTC2、TD2、クロツクPCの計数値をMとすれば
被測定時間TXは TX=MT0+A{TC1−TD1}{1−TD1−B/B}−A
{TC2−TD2}{1−TD2−B/B}……(13) により求めることができる。この式において第2
項が被測定パルスの前縁側の端数時間、第3項が
後縁側の端数時間を示す。
次に第5図を参照してこの発明による時間測定
装置の具体例を説明しよう。端子41に第6図A
に示すようにリセツトパルスがオアゲート42を
通じてフリツプフロツプ43,44のリセツト端
子に、更にフリツプフロツプ45に与えられ、又
カウンタ46のリセツト端子に与えられる。端子
41よりオアゲート47を通じてフリツプフロツ
プ48がリセツトされ、又端子41よりフリツプ
フロツプ58もリセツトされる。これによりフリ
ツプフロツプ43,44,45,48の出力端子
Qがそれぞれ低レベルとされる。この状態におい
てフリツプフロツプ43,44の各出力はレベル
変換器51を通じて第1、第2積分器25,31
のスイツチ29,35をオンの状態としており、
つまりリセツト状態とし、又フリツプフロツプ4
4の出力によつてスイツチ37はオンになつてい
る。
この状態で端子52より例えば第6図Bに示す
ように時点t1に第1図における測定時間TXの立
上りを示すパルスPbが入力されると、これはオ
アゲート53を通じてフリツプフロツプ43のト
リガ端子に与えられてこの時点t1においてフリツ
プフロツプ43の出力端子Qは第6図Dに示すよ
うに高レベル信号Pdを出力する。これにより第
1積分器25のリセツトスイツチ29がオフとな
つて第1積分器25は端子38の電圧+E1を積
分し始める。その積分出力Pfは第6図Fに示すよ
うに漸次出力が低下する。フリツプフロツプ43
の出力端子Qの高レベル信号Pdはフリツプフロ
ツプ45のデータ端子に与えられているため、端
子54よりの第6図Cに示す第1クロツクパルス
の時点t1の直後のパルスPC0によつてフリツプフ
ロツプ45の出力端子Qが高レベルとなつてその
出力によつてアンドゲート56が開かれ、従つて
端子54のクロツクがアンドゲート56を通過す
ることができるようになる。このアンドゲート5
6の出力はカウンタ46によつて計数される。
この第5図、第6図の例においては先のn=2
の場合でカウンタ46はn=2を計数すると出力
が得られるようにされる。即ちカウンタ46がク
ロツクの数を2個数えるとその時点t2でフリツプ
フロツプ44がセツトされてその出力が第6図E
に示すように高レベルとなり、この高レベルによ
つてスイツチ35,37がオフとされ、第1積分
器25の積分動作が停止され、その第1積分器2
5の出力には例えば第6図Fに示すように電圧
V1が得られる。又この時点t2において第2積分器
31のリセツトスイツチ35がオフとされて第2
積分器31は積分動作を開始し、その出力は第6
図Gに示すように漸次低下する直流信号Pgが得
られる。第2積分器31の出力と第1積分器25
の出力とが比較器36で比較される。
フリツプフロツプ44の出力端子Qはアンドゲ
ート57の一方の入力端子に接続されている。ア
ンドゲート57の他方の入力端子には端子61よ
り第6図Lに示すように端子54の第1クロツク
Pcに比べて充分早い第2クロツクPlが与えられて
いる。従つて時点t2からはフリツプフロツプ44
の出力が高レベルとなるため、ゲート57が開い
て端子61よりの高速度クロツクがゲート57を
第6図MにPn1として示すように通過し、出力端
子67から出力される。比較器36において第2
積分器31の出力がV1に一致したことが検出さ
れるとその出力が高レベルとなつてこれがオアゲ
ート42に与えられ、よつてフリツプフロツプ4
3,44,45がリセツトされるとともにカウン
タ46がリセツトされる。その結果比較器36の
各入力は初期状態となるから比較器36の出力は
低レベルとなり、第6図Hに示すようにパルス状
の信号Phとなる。
フリツプフロツプ44がリセツトされて出力端
子Qが低レベルになつた時点t3においてフリツプ
フロツプ58がセツトされその出力端子は第6
図Iに示すように低レベルに立下り、その立下り
によりタイマ62が駆動され、第6図Jに示すよ
うにタイマ62の出力Pjが一定時間Taの期間だ
け高レベルとなつたのち時点t4において低レベル
となつてその立下りによりフリツプフロツプ48
がセツトされ、その出力Pkが第6図Kに示すよ
うに時点t4において高レベルとなる。尚タイマ6
2から出力される信号Pjは出力端子65から後述
するラツチ指令信号として出力される。
フリツプフロツプ48の出力端子Qが高レベル
に反転することによつてゲート63が開かれ、よ
つて時点t4の次に端子54にクロツクPc0が与え
られるとそのクロツクPc0はゲート63と53を
通じてフリツプフロツプ43に与えられ、時点t5
においてフリツプフロツプ43の出力端子Qは第
6図Dに示すように高レベルとなる。よつて第6
図Fに示すように第1積分器25が時点t5より再
び積分動作を開始する。一方タイマ62の立上り
によりフリツプフロツプ45がプリセツトされ出
力端子Qに高レベルを出力する。このためゲート
56が開に制御されクロツクPc0の次のクロツク
Pc1がカウンタ46とフリツプフロツプ48のリ
セツト端子に与えられる。これによりフリツプフ
ロツプ48がリセツトされてその出力端子Qは第
6図Kに示すように低レベルとなるとともにクロ
ツクPc1はカウンタ46で計数される。尚フリツ
プフロツプ48の出力Pkは出力端子66から後
述するクリヤ信号として出力される。
カウンタ46は次のクロツクPc2を計数すると
桁上信号を出力し、時点t6においてフリツプフロ
ツプ44をセツトし、その出力を第6図Eに示す
ように高レベルに反転させ、第2積分器31を積
分動作させる。第2積分器31の出力Pgは第6
図Gに示すように低下し、これとともにフリツプ
フロツプ44の出力Peによつてゲート57が再
び開かれ、時点t6より端子61に与えられている
第2クロツクPlはゲート57を通過し、第6図M
にPn2として示すように出力端子67から出力さ
れる。
第2積分器31の出力Pgがその時の第1積分
器25の出力Pf、V2と一致するとその時点t7にお
いて先の場合と同様に比較器36の出力が高レベ
ルとなつてゲート42を通じてフリツプフロツプ
43,44,45がリセツトされ、更にカウンタ
46がリセツトされ初期状態に戻る。
以上のようにして第1図の測定時間TXの立上
りより△T1+nT0とnT0の二つの時間に対応した
数の高速クロツクPn1とPn2がゲート57より出
力端子67に得られる。被測定時間TXの終りの
時点においてもそのトリガが入力端子52に与え
られることによつてこれと対応する△T2+nT0
nT0の二つの時間に対応した数の高速クロツク
Pn1、Pn2が得られ、同様にして自動的に測定さ
れる。
次にこのような微少な時間測定を利用して第1
図Aに示す被測定時間TXを測定する場合につい
て第7図及び第8図を参照して説明しよう。第7
図の端子41より第8図Aに示すようなリセツト
パルスが与えられて初期状態にリセツトされる。
この状態において端子68より第8図Bに示す被
測定時間TXのパルスが微分回路69に与えられ、
第8図C及びDに示すようなその立上り微分出力
及び立下り微分出力が第1及び第2端数時間測定
部71及び72にそれぞれ与えられる。この等端
数時間測定部71,72は第5図に示したものと
同一構成を持つている。従つてこれ等には端子4
1よりセツトパルスが与えられ、又端子54より
第1クロツクPcが、更に端子61から高速度の第
2クロツクPlがそれぞれ供給される。
端数時間測定部71においては先に述べたよう
にして時間幅△T1+nT0、nT0のパルスが作ら
れ、これ等に対応した数の第2クロツクPn1
Pn2が端子67aに出力される。端子67aに出
力される△T1+nT0に対応したクロツクPn1はカ
ウンタ74にてカウントされ、カウント終了時に
端子65aに出力されるラツチ指令信号によりラ
ツチ回路73に取込まれる。ラツチ指令が与えら
れてラツチ回路73にデータを取込むのと同時に
出力端子66aにクリヤ信号が出力されカウンタ
74はクリヤされ、次に出力されるクロツクパル
スPn2の計数に備える。カウンタ74がクリヤさ
れると次に出力端子67aにnT0に対応したクロ
ツクパルスPn2が出力されこれが計数される。
一方この端数時間測定部71の第5図のフリツ
プフロツプ44から出力されるゲート開閉信号
Pe(第6図E)がフリツプフロツプ75のトリガ
端子Tに与えられており、このフリツプフロツプ
75は予めリセツトされ、かつそのデータ端子D
には高レベルが与えられている。従つて端子64
からの最初のパルス立上り(第6図Eの時点t2
でフリツプフロツプ75のQ出力は第8図Fに示
すように高レベルとなり、この出力はゲート76
に与えられる。一方端子41よりのリセツトパル
スにより予めリセツトされたフリツプフロツプ7
7の出力が第8図Iに示すように高レベルとし
てゲート76に与えられている。又このゲート7
6には端子54より第8図Eに示す第1クロツク
パルスが与えられている。従つて時点t2より第1
クロツクパルスが第8図Jに示すようにゲート7
6を通過してカウンタ78に計数される。
第2端数時間測定部72においては被測定時間
TXの終りのパルス(第8図D)が与えられ、こ
れにより時間幅△T2+nT0に対応した数の第2ク
ロツクパルスPn1が出力端子67bに現われる。
このパルスPn1はカウンタ82に計数される。こ
の計数終了時点でラツチ指令信号が出力端子65
bから出力されカウンタ82の計数値をラツチ回
路81に取込む。これとともに出力端子66bか
らクリヤ信号が出力されカウンタ82はクリヤさ
れる。カウンタ82がクリヤされると続いてnT0
に対応したクロツクパルスPn2が出力端子67b
から出力され、このクロツクパルスPn2がカウン
タ82に計数される。
ラツチ回路73及びカウンタ74に取込まれた
計数値TC1、TD1と、ラツチ回路81及びカウン
タ82に取込まれた計数値TC2、TD2及びカウン
タ78に取込まれた計数値Mはそれぞれ演算器8
3に与えられ、演算指令信号91(第8図K)が
適当な時期に発生される。演算器83ではこれら
計数値TC1、TD1、TC2、TD2及びMを利用して第
(13)式により、 TX=MT0+A{TC1−TD1}{1−TD1−B/B}+ A{TC2−TD2}{1−TD2−B/B}を演算して求め ることができる。
ここでこの演算を更に高速化することができる
方法を説明する。
(1) 第7図における計数器を全て10進形のものと
する。
(2) 第1クロツクPcの周期T0を10のベき乗値
(例えば10-7=100ナノ秒)に選定する。
(3) t0/K の値を10のベき乗値(例えば25ナノ秒/2500=
10-11秒=10ピコ秒)に選定する。
(4) nT0を拡大したときの基準値の値Bを10のべ
き乗値(例えばB=105)に選定する。
(5) 第(13)式は次のように書換えることができ
る。
TX=10-7M+10-11{(TC1−TD1)−10-5(TC1
TD1)(TD1−105)}−10-11 {(TC2−TD2)−10-5(TC2−TD2)(TD2
105)} ……(14) 第(14)式によれば全ての演算が加減算と乗算に
より処理できるため演算時間を従来の割算方式
と比較して1/3〜1/5程度に短縮することができ
る。よつてそれだけ測定時間を短かくできるこ
とから分解能が高い時間間隔測定を行なうこと
ができる。
またnT0に相当する時間TD1及びTD2を測定
し、これを補正値として利用するから測定精度
も高く採ることができる。
尚第9図に示すように積分器25及び31の出
力を差動増幅器87でその差を増幅し、その出力
を比較器36でゼロレベルと比較するように構成
して差動増幅器87の利得を上げることによつて
検出能力を高めることにより測定精度を上げるこ
とができる。またこの発明は時間幅の測定を一般
的に行なうのみならず、周期の測定が更にその逆
数をとつて周波数の測定にも利用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の時間測定装置を説明するための
タイムチヤート、第2図は従来の時間測定装置を
示す接続図、第3図はこの発明による時間測定装
置の要部である時間幅伸張部分の具体例を示す接
続図、第4図は第3図の動作の説明に供するため
の波形図、第5図はこの発明による時間測定装置
の一例を示す論理回路図、第6図は第5図の説明
に供するためのタイムチヤート、第7図はこの発
明を時間測定装置に適用した例を示すブロツク
図、第8図は第7図の動作の説明に供するための
タイムチヤート、第9図は時間伸張部の他の例を
示す接続図である。 25,31:第1、第2積分器、36:電圧比
較器、83:演算器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 A 端数時間の始まりで積分動作を開始し第
    1測定時間の後その時点における積分電圧を保
    持する第1積分器と、 B この第1積分器の積分速度より遅い積分速度
    を持ち上記第1積分器の積分動作が終了した後
    に積分動作を開始する第2積分器と、 C これら第1と第2積分器の積分電圧が互に一
    致するまでの時間を上記第1測定時間の拡大時
    間として検出する電圧比較器と、 D 一致が得られた後速やかに上記第1、第2積
    分器の積分電圧を放電させ引き続いて上記第1
    測定時間に含まれる固定時間分を第2測定時間
    として測定する手段と、 E 上記第1測定時間の拡大率を1/A、第2測定
    時間の理想拡大値をB、第1測定時間をTC
    第2測定値をTDとしたとき A{TC−TD}{1−TD−B/B} を演算する演算手段と、 から成る時間測定装置。
JP13485483A 1983-07-22 1983-07-22 時間測定装置 Granted JPS6025483A (ja)

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