JP2002196087A - 時間測定回路 - Google Patents

時間測定回路

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JP2002196087A
JP2002196087A JP2000396322A JP2000396322A JP2002196087A JP 2002196087 A JP2002196087 A JP 2002196087A JP 2000396322 A JP2000396322 A JP 2000396322A JP 2000396322 A JP2000396322 A JP 2000396322A JP 2002196087 A JP2002196087 A JP 2002196087A
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学鋒 呉
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Abstract

(57)【要約】 【課題】微小な時間間隔を測定でき、基準クロック信号
の周波数を低くしながら分解能を向上でき、高い測定精
度を実現できる時間測定回路を提供する。 【解決手段】発振器10と20によって周期差ΔTのク
ロック信号CLK1とCLK2を生成し、パルス送信回
路50はクロック信号CLK1に応じて送信パルスSP
を出力し、それに応じた反射波をパルス受信回路60に
よって受信し、受信パルスRPを出力する。位相比較器
30はクロック信号CLK1とCLK2の位相を比較
し、同相信号P1を出力し、位相比較器40は受信パル
スRPとクロック信号CLK2の位相を比較し、同相信
号P2を出力し、カウンタ回路50は同相信号P1が出
力されてから、同相信号P2が出力される間クロック信
号CLK1をカウントし、そのカウント値Nとクロック
信号CLK1とCLK2の周期差ΔTに基づき送信パル
スSPと受信パルスRPとの時間差τを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小な時間差を有
する二つのパルス信号の時間間隔を測定する時間測定回
路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】送信信号とその反射信号を受信した受信
信号との時間差を測定することで、反射物までの距離を
測定できることが一般に知られている。この測定原理
は、現在マイクロ波レーダーによる距離測定、また、超
音波を用いたソーナーによる水深測定など様々な測定機
器によって利用されている。これらの測定機器におい
て、伝搬媒体における信号の伝搬速度が既知の場合、距
離測定の精度は送信信号と受信信号との時間間隔の測定
精度によって決まる。距離測定に高い精度が要求される
場合、送信信号と受信信号との時間間隔を高精度に測定
することが必要である。
【0003】従来の測定装置では、送信信号と受信信号
との位相差を測定する、または、送信信号と受信信号と
の時間差に応じて電圧を積分し、積分信号のレベルを測
定するアナログ方式と、送信信号と受信信号によって測
定ゲートを開き、測定ゲートの間に所定の周波数を持つ
基準クロック信号を計数するディジタル方式などの測定
方法が利用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のアナログ方式の測定方法では、使用する回路素子の
精度によって、測定精度が影響される。例えば、時間間
隔に応じて電圧を積分し、積分信号のレベルを測定する
方法では、積分回路の線形性によって測定誤差が生じ
る。また、積分した電圧の信号レベルをアナログ/ディ
ジタル変換器を用いてディジタル量に変換するために、
回路構成が複雑になり、また、アナログ/ディジタル変
換器の変換誤差が測定誤差の原因となる。一方、基準ク
ロックを計数するディジタル方式では、測定可能な最小
時間間隔(以下、分解能という)が基準クロックの周期
によって決まる。微小な時間間隔を測定するため、即
ち、分解能を上げるために、基準クロックの周波数を高
くする必要があり、高周波で動作するカウンタなどが必
要となる。例えば、電波または光の反射によって反射物
との距離を測定する場合、センチメートルの分解能を得
るには、基準クロックの周波数がGHz(ギガヘルツ)
にもなり、現在汎用のディジタルICを用いてこのよう
な高周波クロックを計数することが困難である。
【0005】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、ディジタル回路を用いて微小な
時間間隔を測定でき、測定用の基準クロック信号の周波
数を低くしながら測定分解能を向上でき、測定精度を高
く維持できる時間測定回路を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の時間測定回路は、微小な時間差を有する第
1のパルスと第2のパルスとの時間間隔を測定する時間
測定回路であって、第1の周波数の第1のクロック信号
を生成する第1の発振回路と、上記第1の周波数と異な
る第2の周波数の第2のクロック信号を生成する第2の
発振回路と、上記第1と第2のクロック信号の位相を比
較し、上記第1と第2のクロック信号の位相が等しくな
ることを示す第1の同相信号を出力する第1の位相比較
回路と、上記第1の同相信号に応じて上記第1のパルス
を出力するパルス生成回路と上記第1のパルスに応じて
得られた上記第2のパルスと上記第2のクロック信号と
の位相を比較し、上記第2のパルスと上記第2のクロッ
ク信号の位相が等しくなることを示す第2の同相信号を
出力する第2の位相比較回路と、上記第1のクロック信
号をカウントし、上記第1の同相信号に応じてカウント
値をリセットし、上記第2の同相信号に応じて上記カウ
ント値を保持するカウンタと、上記保持されたカウント
値と上記第1と第2のクロック信号の周期の差に応じて
上記第1のパルスと第2のパルスとの時間間隔を演算す
る演算回路とを有する。
【0007】また、本発明では、好適には、上記演算回
路は、上記第1と第2のクロック信号の周期の差と上記
保持されたカウント値との積を演算する。
【0008】また、本発明の時間測定回路は、第1の周
波数の第1のクロック信号を生成する第1の発振回路
と、上記第1の周波数と異なる第2の周波数の第2のク
ロック信号を生成する第2の発振回路と、上記第1と第
2のクロック信号の位相を比較し、上記第1と第2のク
ロック信号の位相が等しくなることを示す第1の同相信
号を出力する第1の位相比較回路と、上記第1の同相信
号に応じて上記第1のパルスを出力するパルス生成回路
と、上記第1のパルスに応じて得られた上記第2のパル
スと上記第2のクロック信号との位相を比較し、上記第
2のパルスと上記第2のクロック信号の位相が等しくな
ることを示す第2の同相信号を出力する第2の位相比較
回路と、上記第1のクロック信号をカウントし、上記第
1の同相信号に応じてカウント値をリセットし、上記第
2の同相信号に応じて上記カウント値を保持する第1の
カウンタと、上記第1のクロック信号をカウントし、上
記第1の同相信号に応じてカウント値をリセットし、上
記第2のパルスが最初に入力したときの上記カウント値
を保持する第2のカウンタと、上記第1と第2のカウン
タのカウント値と上記第1と第2のクロック信号の周期
に応じて上記第1のパルスと第2のパルスとの時間間隔
を演算する演算回路とを有する。
【0009】また、本発明では、好適には、上記演算回
路は、上記第1と第2のクロック信号の周期の差と上記
第1のカウンタのカウント値との積に、上記第1のクロ
ック信号の周期と上記第2のカウンタのカウント値との
積を加算する。
【0010】また、本発明の時間測定回路は、第1の周
波数の第1のクロック信号を生成する第1の発振回路
と、上記第1の周波数と異なる第2の周波数の第2のク
ロック信号を生成する第2の発振回路と、上記第1と第
2のクロック信号の位相を比較し、上記第1と第2のク
ロック信号の位相が等しくなることを示す第1の同相信
号を出力する第1の位相比較回路と、上記第1の同相信
号に応じて上記第1のパルスを出力するパルス生成回路
と、上記第1のパルスに応じて得られた上記第2のパル
スと上記第2のクロック信号との位相を比較し、上記第
2のパルスと上記第2のクロック信号の位相が等しくな
ることを示す第2の同相信号を出力する第2の位相比較
回路と、上記第1のクロック信号をカウントし、上記第
1の同相信号に応じてカウント値をリセットし、上記第
2の同相信号に応じて上記カウント値を保持する第1の
カウンタと、上記第1のクロック信号をカウントし、上
記第1の同相信号に応じてカウント値をリセットし、次
回に出力される上記第1の同相信号に応じて上記カウン
ト値を保持する第2のカウンタと、上記第1と第2のカ
ウンタのカウント値及び上記第1のクロック信号の周期
に応じて、上記第1のパルスと第2のパルスとの時間間
隔を演算する演算回路とを有する。
【0011】さらに、本発明では、好適には、上記演算
回路は、上記第1のクロック信号の周期と上記第1のカ
ウンタのカウント値との積を、上記第2のカウンタのカ
ウント値に応じた値で割る。
【0012】
【発明の実施の形態】第1実施形態 図1は本発明に係る時間測定回路の第1の実施形態を示
す回路図である。図示のように、本実施形態の時間測定
回路は、発振器10,20,位相比較器30,40、パ
ルス送信回路50、パルス受信回路60、カウンタ回路
70、及び時間間隔演算回路80によって構成されてい
る。
【0013】発振器10は、周波数f1で発振し、クロ
ック信号CLK1を出力する。発振器20は、周波数f
2で発振し、クロック信号CLK2を出力する。ここ
で、クロック信号CLK1の周期をT1(T1=1/f
1)とし、クロック信号CLK2の周期をT2(T2=
1/f2)とし、且つ、T2>T1とする。好ましく
は、クロック信号CLK1とCLK2の周期の差ΔT
(T2−T1)が、クロック信号CLK1の周期T1の
1%〜10%の間に設定される。
【0014】位相比較器30は、クロック信号CLK1
とCLK2の位相を比較し、クロック信号CLK1とC
LK2の位相が一致したとき、同相信号P1を出力す
る。位相比較器40は、クロック信号CLK2とパルス
受信回路60から出力された受信パルスRPとの位相を
比較し、クロック信号CLK2と受信パルスRPの位相
が一致したとき、同相信号P2を出力する。
【0015】パルス送信回路50は、クロック信号CL
K1に同期して所定の幅を持つ送信パルスSPを生成
し、出力する。パルス受信回路60は、パルスSPに応
じて、例えば反射物からの反射信号を受信し、受信パル
スRPを出力する。
【0016】カウンタ回路70は、位相比較器30から
出力される同相信号P1によってリセットし、クロック
信号CLK1で計数を始める。そして、位相比較器40
から出力される同相信号P2に応じてカウント値Nを保
持して、時間間隔演算回路80に出力する。なお、カウ
ンタ回路70は、クロック信号CLK1の代わりに、ク
ロック信号CLK2を計数してもよい。
【0017】時間間隔演算回路80は、カウンタ回路7
0から出力されたカウント値N及びクロック信号CLK
1とCLK2の周期T1とT2に応じて、送信パルスS
Pと受信パルスRPとの時間間隔τを演算する。
【0018】本実施形態の時間測定回路は、パルス送信
回路50によって出力された送信パルスSPとパルス受
信回路60によって出力された受信パルスRPとの時間
間隔を測定することによって、送信パルスSPの送信点
と反射物までの伝搬路の長さを測定し、即ち送信パルス
SPの送信点と反射物との距離を測定する。例えば、送
信パルスSPと受信パルスRPとの時間間隔τが測定で
き、かつパルス送信点と反射物との間の伝搬路において
パルス信号の伝搬速度がvと分かっている場合、パルス
送信点と反射物との距離dは、次式によって求められ
る。
【0019】
【数1】
【0020】例えば、パルス送信回路50によってパル
ス変調された電波を送信し、当該パルス変調された電波
が障害物によって反射され、パルス受信回路60によっ
て反射波に応じて受信パルスRPが生成される場合、送
信パルスSPと受信パルスRPとの時間間隔及び空中に
おける電波の伝搬速度cに応じて、障害物までの距離を
測定することができる。また、水中においてパルス送信
回路50でパルス変調された超音波信号を送信し、水中
の障害物によって超音波が反射され、パルス受信回路6
0によって受信された反射波に応じて受信パルスRPが
生成されると、送信パルスSPと受信パルスRPとの時
間間隔及び水中における超音波信号の伝搬速度に応じ
て、障害物までの距離を測定できる。また、電波の代わ
りに、パルス変調された光を用いて距離を測定すること
もできる。
【0021】上述した測定原理は、レーダーまたはソー
ナーによってすでに実用化されている。しかし、簡素な
回路によって短い時間間隔を精度よく測定することが容
易ではなく、特に時間間隔がns(ナノ秒)またはそれ
以下の場合、従来のディジタル回路による測定はほとん
ど不可能となる。例えば、電波または光によって数セン
チメートルの分解能で距離を測定する場合、送信パルス
と受信パルスとの時間間隔をナノ秒以下の分解能で測定
することが要求される。
【0022】本実施形態の時間測定回路は、簡単な回路
構成によって微小な時間間隔を精度よく測定するために
考案されたものである。図2は、本実施形態の時間測定
回路のタイミングチャートである。以下、図1と図2を
参照しつつ、本実施形態の時間測定回路の動作について
説明する。
【0023】図2(a)と(b)には、クロック信号C
LK1とCLK2の波形を示している。上述したよう
に、クロック信号CLK1の周期がT1、クロック信号
CLK2の周期がT2であり、その差ΔTがT2−T1
である。ここで、ΔTは、例えば、クロック信号CLK
1の周期T1の1%〜10%に設定される。
【0024】図2(c)に示すように、クロック信号C
LK1に同期して、例えば、クロック信号CLK1の立
ち上がりエッジに応じて、パルス送信回路50によって
送信パルスSPが出力される。この送信パルスSPが目
標物によって反射されると、パルス受信回路60によっ
て反射波に基づき受信パルスRPが生成される。図2
(d)には、受信パルスRPのタイミングを示してい
る。
【0025】目標物が静止状態、また、少なくとも測定
する間静止状態にあると認められる場合、例えば、低速
で移動する場合、測定時間中送信パルスSPと受信パル
スRPの時間間隔τが一定に保つ。
【0026】図2(e)に示すように、クロック信号C
LK1とCLK2の位相が一致したとき、位相比較器3
0から同相信号P1が出力される。同相信号P1が出力
された時間t0から、クロック信号CLK1の周期毎
に、クロック信号CLK1とクロック信号CLK2の位
相差がΔTだけ増していく。
【0027】図2(f)に示すように、例えば、クロッ
ク信号CLK2のN周期目の時間t1において、受信パ
ルスRPとクロック信号CLK2の位相が一致した場
合、位相比較器40によって、同相信号P2が出力され
る。このため、送信パルスSPと受信パルスRPとの時
間差τが次式によって求められる。
【0028】
【数2】
【0029】式(2)のNは、同相信号P1が出力され
てから、同相信号P2が出力されるまでの間にクロック
信号CLK1(またはクロック信号CLK2)の周期で
あり、図1に示す時間測定回路においてカウンタ回路7
0によって測定され、カウント値として出力される。即
ち、図2(g)に示すように、カウンタ回路70は、同
相信号P1に応じてリセットされ、そのカウント値がク
リアされる。クロック信号CLK1(またはクロック信
号CLK2)に応じて計数をはじめ、同相信号P2が出
力した時点のカウント値は、同相信号P1からP2まで
の間のクロック信号CLK1またはクロック信号CLK
2の周期Nとなる。
【0030】このように、同相信号P2が出力したとき
カウンタ回路70のカウント値Nを読み取れば、当該カ
ウント値Nに応じて、式(2)に基づいて送信パルスS
Pと受信パルスRPとの時間間隔τを計算できる。この
場合、時間間隔τの測定精度は、クロック信号CLK1
の周期T1及びクロック信号CLK2の周期T2の精度
によって決まる。また、測定可能な最小時間間隔、即ち
分解能はクロック信号CLK1とCLK2の周期差ΔT
によって決まる。このため、従来の基準クロックを計数
して時間間隔を測定する方法に較べて、本実施形態の時
間測定回路では、測定分解能が大幅に向上し、微小な時
間差を測定することが可能である。また、安定した発振
周波数を持つ発振器10と20を用いることによって、
高精度な測定結果が得られる。
【0031】図1に示す時間測定回路において、位相比
較器30,40は、それぞれ入力される二つの信号の位
相が一致したタイミングを検出すればよい。このため、
PLL回路などに用いられる複雑な位相検出回路を用い
ることなく、Dフリップフロップによって位相比較器3
0と40を簡単に構成することできる。例えば、図3
(a)に示すように、位相比較器30をDフリップフロ
ップDFF1によって構成する場合、当該Dフリップフ
ロップDFF1のデータ入力端子Dにクロック信号CL
K1が入力され、クロック入力端子CKにクロック信号
CLK2が入力される。即ち、DフリップフロップDF
F1のデータ入力端子Dは図1に示す位相比較器30の
入力端子Aを形成し、クロック入力端子CKは位相比較
器30の入力端子Bを形成している。また、Dフリップ
フロップDFF1の出力端子Qは、位相比較器30の位
相比較結果を出力する出力端子Cを形成している。
【0032】図3(b)に示すように、クロック信号C
LK1とCLK2の位相が一致したとき、Dフリップフ
ロップDFF1の出力端子Qがローレベル“L”からハ
イレベル“H”に切り替わる。即ち、Dフリップフロッ
プ32の出力端子Qからの出力信号の立ち上がりエッジ
は、クロック信号CLK1とCLK2の位相が一致する
タイミングを表す。このため、DフリップフロップDF
F1の出力端子Qからの出力信号が同相信号P1として
カウンタ回路70に出力される。
【0033】同じく、図4(a)に示すように、Dフリ
ップフロップDFF2によって位相比較器40を構成す
る場合、Dフリップフロップ42のデータ入力端子Dに
受信パルスRPが入力され、クロック入力端子CKにク
ロック信号CLK2が入力される。図4(b)に示すよ
うに、受信パルスPRとクロック信号CLK2の位相が
一致したとき、DフリップフロップDFF2の出力端子
Qがローレベル“L”からハイレベル“H”に切り替わ
る。即ち、DフリップフロップDFF2の出力端子Qか
らの出力信号の立ち上がりエッジは、受信パルスRPと
クロック信号CLK2との位相が一致するタイミングを
表す。このため、DフリップフロップDFF2の出力端
子Qからの出力信号が同相信号P2としてカウンタ回路
70に出力される。
【0034】図1に示すカウンタ回路70は、出力ラッ
チ付きのカウンタによって構成される。図5にカウンタ
回路70の一構成例を示している。図示のように、カウ
ンタ回路70はカウンタ71とラッチ回路72によって
構成されている。カウンタ71は、同相信号P1によっ
てリセットされ、カウント値がクリアされると、クロッ
ク信号CLK1に応じて計数を始める。そして、同相信
号P2が入力されるときのカウント値がラッチ回路72
によって保持される。
【0035】カウンタ71は、例えば、nビットの2進
カウンタであり、そのリセット信号端子CRに同相信号
P1が入力され、クロック信号端子CKにクロック信号
CLK1またはクロック信号CLK2が入力される。ラ
ッチ回路72は、例えば、nビットのラッチ回路で構成
され、同相信号P2の立ち上がりエッジでカウンタ71
のカウント値Nをラッチする。カウント値Nは時間間隔
演算回路80に出力され、時間間隔演算回路80におい
て、式(2)に従って時間間隔τが計算される。
【0036】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、フリップフロップ、カウンタなど簡単な論理回路を
組み合わせることによって微小な時間間隔を測定するこ
とができ、測定分解能は、二つの発振器によって生成さ
れるクロック信号の周期の差によって決定されるので、
従来の基準クロックを計数する測定方法に較べて、分解
能の大幅な向上を実現でき、さらに安定した発振周波数
を持つ発振器を用いてクロック信号を生成することによ
って、高精度な測定結果が得られる。
【0037】第2実施形態 図6は本発明に係る時間測定回路の第2の実施形態を示
す回路図である。図示のように、本実施形態の時間測定
回路は、発振器10,20,位相比較器30,40、パ
ルス送信回路50、パルス受信回路60、カウンタ回路
70、時間間隔演算回路80、RSフリップフロップ9
0、及びカウンタ回路100によって構成されている。
図1に示す時間測定回路の第1の実施形態に比較する
と、本実施形態ではRSフリップフロップ90及びカウ
ンタ回路100が追加されている。
【0038】上述した第1の実施形態における時間間隔
の測定において、送信パルスSPと受信パルスRPとの
時間差τがクロック信号CLK1の周期T1より大きい
場合がある。この場合に、例えば同相信号P1に応じ
て、パルス送信回路50によって送信パルスSPの出力
を始めるとすると、最初の受信パルスRPを受信される
のは、同相信号P1からクロック信号CLK1の2周期
目以降になる。図1に示す第1の実施形態の時間測定回
路は、その原理によって送信パルスSPと受信パルスR
Pとの時間差τのうち、クロック信号CLK1の1周期
以下の部分のみを測定でき、1周期を越えた部分を測定
することができない。即ち、例えば、時間差τがkT1
+Δτとすると(kは整数、且つΔτ<T1)、図1に
示す時間測定回路は、Δτの部分のみを測定可能で、τ
全体を測定することができない。このため、図1に示す
第1の実施形態の時間測定回路を用いては、時間間隔τ
を正しく測定することができなくなる。
【0039】本実施形態において、第1の実施形態の時
間測定回路にRSフリップフロップ90及びカウンタ回
路100を追加することによって、クロック信号CLK
1またはCLK2の周期より長い時間差τを正確に測定
できる。以下、本実施形態において追加された部分につ
いて説明する。
【0040】RSフリップフロップ90のリセット信号
入力端子Rに同相信号P1が入力され、セット信号入力
端子Sに受信パルスRPが入力される。即ち、RSフリ
ップフロップ90は、同相信号P1によってリセットさ
れ、出力端子Qがローレベルに保持され、受信パルスR
Pによってセットされ、出力端子Qがハイレベルに切り
替わる。それ以降、受信パルスRPが入力されても出力
端子Qがハイレベルに保持されるまま、RSフリップフ
ロップ90の出力状態が次の同相信号P1が入力される
まで変化しない。RSフリップフロップ90の出力端子
Qから出力される信号SLは、カウンタ回路100のラ
ッチ入力端子LTに入力される。
【0041】カウンタ回路100は、同相信号P1によ
ってカウント値がクリアされ、クロック信号CLK1で
計数を始める。そして、RSフリップフロップ90の出
力信号SLに応じて、例えば、信号SLの立ち上がりエ
ッジでカウンタ回路100のカウント値kを保持して時
間間隔演算回路80に出力する。
【0042】上述したように、RSフリップフロップ9
0とカウンタ回路100によって構成された回路におい
て、同相信号P1に応じてクロック信号CLK1を計数
しはじめる。そして、最初の受信パルスRPが受信した
タイミングで計数値kが保持される。このため、当該計
数値kに応じて、送信パルスSPと受信パルスRPとの
時間間隔τの内、クロック信号CLK1の周期を越えた
部分kT1を測定することができる。
【0043】図7は、本実施形態の時間測定回路のタイ
ミングチャートである。以下、図6及び図7を参照しつ
つ、本実施形態の時間測定回路の動作について説明す
る。図7(a)と(b)にはそれぞれクロック信号CL
K1とCLK2を示している。クロック信号CLK1に
同期して、例えば、クロック信号CLK1の立ち上がり
エッジに応じてパルス送信回路50によって出力される
送信パルスSPを同図(c)に示している。
【0044】時間t0において、クロック信号CLK1
とCLK2の位相が一致し、同相信号P1が立ち上が
る。ここで、例えば、図7(d)に示すように、同相信
号P1が立ち上がってからクロック信号CLK1の2周
期目において最初の受信パルスRPが出力される。以
降、クロック信号CLK1の各周期において受信パルス
RPが出力される。
【0045】同相信号P1の立ち上がりエッジに応じ
て、カウンタ回路70と100がそれぞれリセットさ
れ、クロック信号CLK1(またはクロック信号CLK
2)を計数しはじめる。
【0046】図7(f)に示すように、時間t1におい
てクロック信号CLK2と受信パルスRPの位相が一致
し、位相比較器40から出力される同相信号P2が立ち
上がる。これに応じて、図7(g)に示すように、カウ
ンタ回路70のカウント値Nが保持される。また、図7
(h)に示すように、最初の受信パルスRPを受信した
ときカウンタ回路100のカウント値kが保持される。
即ち、カウント値kは同相信号P1が出力されてから最
初の受信パルスRPが出力される間のクロック信号CL
K1の周期の数を示す。
【0047】カウンタ回路70のカウント値N及びカウ
ンタ回路100のカウント値kに基づき、送信パルスS
Pと受信パルスRPとの時間差τを次式で求められる。
【0048】
【数3】
【0049】以上説明したように、本実施形態の時間測
定回路によれば、第1の実施形態にRSフリップフロッ
プ90及びカウンタ回路100を追加し、同相信号P1
に応じてカウンタ回路100をリセットし、クロック信
号CLK1またはCLK2を用いて計数をはじめ、最初
の受信パルスRPを受信したときのカウント値kを保持
することによって、送信パルスSPと受信パルスRPと
の時間差τがクロック信号CLK1またはCLK2の1
周期より長い場合でも、時間差τを正確に測定すること
ができる。これによって、測定分解能の向上を実現で
き、さらに、安定した発振周波数を持つ発振器を用いて
クロック信号CLK1とCLK2を生成することによっ
て、高精度な測定結果が得られる。
【0050】第3実施形態 図8は本発明に係る時間測定回路の第3の実施形態を示
す回路図である。図示のように、本実施形態の時間測定
回路は、発振器10,20,位相比較器30,40、パ
ルス送信回路50、パルス受信回路60、カウンタ回路
70、時間間隔演算回路80、カウンタ回路110及び
遅延回路120によって構成されている。図1に示す時
間測定回路の第1の実施形態に比較すると、本実施形態
ではカウンタ回路110及び遅延回路120が追加され
ている。
【0051】以下、本実施形態のカウンタ回路110の
構成及び動作について説明する。図示のように、カウン
タ回路110のクロック入力端子CKにクロック信号C
LK1が入力され、ラッチ入力端子LTに同相信号P1
が入力され、リセット信号端子CRには、同相信号P1
よりわずか遅れた遅延信号が入力される。なお、この遅
延信号は、例えば、図示のように2段直列接続されてい
るインバータによって構成された遅延回路120によっ
て得ることができる。
【0052】このように構成されたカウンタ回路110
において、同相信号P1に応じてカウント値がリセット
され、クロック信号CLK1を計数しはじめる。次回の
同相信号P1が入力されたとき、まず同相信号P1に応
じてカウント値Mが保持され、そして、同相信号P1の
遅延信号に応じてカウント値がクリアされ、クロック信
号CLK1に対して次回の計数を始める。このため、カ
ウンタ回路110から出力されるカウント値Mは、2回
の同相信号P1の間にカウントされるクロック信号CL
K1の周期である。
【0053】なお、図8に示す回路では、カウンタ回路
110はクロック信号CLK1を計数する構成になって
いるが、本実施形態は、これに限定されるものではな
く、例えば、カウンタ回路110によってクロック信号
CLK2を計数することもできる。
【0054】以下、本実施形態の時間測定回路の測定原
理について説明する。上述したように、本実施形態にお
いて、カウンタ回路110によって、同相信号P1が2
回出力される間のクロック信号CLK1の周期Mが測定
される。即ち、同相信号P1の間クロック信号CLK1
がM周期となり、クロック信号CLK2がM−1周期と
なるので、次式が得られる。
【0055】
【数4】
【0056】式(4)によって、周期T2が次のように
求められる。
【0057】
【数5】
【0058】そして、式(5)に従って、クロック信号
CLK1とCLK2の周期差ΔTは、次式によって求め
られる。
【0059】
【数6】
【0060】式(6)を式(2)に代入すると、カウン
ト値N、M及びクロック信号CLK1の周期T1に基づ
いて送信パルスSPと受信パルスRPとの時間差τを求
めるための式が得られる。
【0061】
【数7】
【0062】上述したように、本実施形態の時間測定回
路において、カウンタ回路70によって同相信号P2が
出力されるときのカウント値Nが計測され、そして、カ
ウンタ回路110によって同相信号P1が出力されると
きのカウント値Mが計数される。式(7)に従って、カ
ウンタ回路70のカウント値N及びカウンタ回路110
のカウント値M、またクロック信号CLK1の周期T1
に応じて、送信パルスSPと受信パルスRPとの時間差
τを求めることができる。
【0063】以下、本実施形態の時間測定回路の動作に
ついて説明する。発振器10と20によってそれぞれ周
波数の異なるクロック信号CLK1とCLK2が出力さ
れる。位相比較器30によってクロック信号CLK1と
CLK2の位相が一致したタイミングで同相信号P1が
出力される。
【0064】パルス送信回路50によって、クロック信
号CLK1に同期して送信パルスSPが生成され出力さ
れる。そして、送信パルスSPが反射物によって反射さ
れ、反射波を受信したパルス受信回路60によって受信
パルスRPが出力される。位相比較器40によって、ク
ロック信号CLK2と受信パルスRPの位相が一致した
タイミングで同相信号P2が出力される。
【0065】カウンタ回路70によって、同相信号P1
が出力されてから、同相信号P2が出力されるまでの
間、クロック信号CLK1の周期数が計測され、カウン
ト値Nとして出力される。また、カウンタ回路110に
よって、同相信号P1が出力されてから、次回の同相信
号P1が出力されるまでの間、クロック信号CLK1の
周期が計測され、カウント値Mとして出力される。時間
間隔演算回路80は、カウント値N、M及びクロック信
号CLK1の周期T1に基づき、式(7)に従って送信
パルスSPと受信パルスRPとの時間間隔τを求めるこ
とができる。
【0066】このため、本実施形態の時間測定回路にお
いて、例えば、クロック信号CLK2の周期に揺らぎが
ある場合、クロック信号CLK1とCLK2の周期差Δ
Tが変動する。この変動分に応じてカウンタ回路110
のカウント値Mも変わる。式(6)に従って計算される
周期差ΔTは、クロック信号CLK1の周期T1とカウ
ント値Mによって決まる。このことは、クロック信号C
LK2の周期に誤差が生じた場合、カウンタ回路110
によって得られたカウント値Mでその誤差を補正でき、
クロック信号CLK1とCLK2の周期の差ΔTを正し
く測定できることを意味する。即ち、本実施形態の時間
測定回路において、クロック信号CLK1の周期T1が
安定していれば、クロック信号CLK2の周期が変動し
てもその誤差をカウンタ回路110のカウント値Mによ
って補正できるので、時間差τを高精度に測定できる。
【0067】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、カウンタ回路110を用いて位相比較器30から出
力されるクロック信号CLK1とCLK2との同相信号
P1の間のクロック信号CLK1の周期数Mを計測する
ことによって、クロック信号CLK1の周期T1及びカ
ウント値Mに基づき、クロック信号CLK1とCLK2
との周期差ΔTを計算できる。このため、クロック信号
CLK2の周期に揺らぎがあっても、クロック信号CL
K1の周期T1とカウンタ70及び110のカウント値
NとMに基づき、クロック信号CLK2の周期の誤差を
補正し、時間差τを高精度に測定できる。
【0068】これによって、本実施形態の時間測定回路
において、2つの発振器10と20のうち、発振器10
のみを、例えば、周波数変動が少ない高精度のものを用
いて、発振器20を通常のものを用いることができる。
発振器20の周波数(周期)の変動は、カウント値Mを
用いて補正できるので、時間差τを高精度に測定でき
る。また、時間測定回路を構成する二つの発振器のう
ち、発振器20を安価なものを使用できるので、時間測
定回路のコストの低減を実現できる。
【0069】本発明の時間測定回路は、以上説明した実
施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の測定
原理に基づき、上述した時間測定回路の構成に様々な変
更を加えた変形例が考えられる。例えば、本発明の第2
と第3の実施形態の時間測定回路を組み合わせること
で、時間差τがクロック信号CLK1の周期を越えた場
合においても当該時間差τをクロック信号CLK2の周
期の変動に影響されず、高精度に測定できる時間測定回
路を構成することができる。
【0070】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の時間測定
回路によれば、周波数の異なる発振回路によって生成さ
れた二つのクロック信号の周期の差によって、微小の時
間間隔を細かい分解能と高い精度で測定することができ
る。また、本発明によれば、発振回路の周波数の変動を
カウンタの測定結果に基づき補正することができるの
で、測定分解能を維持しながら、測定精度の向上を実現
できる。さらに、本発明によれば、一般に使用されてい
る汎用のカウンタ、フリップフロップなどの論理回路を
組み合わせて時間測定回路を構成できるので、安価で、
簡素な回路によって微小な時間差を高精度に測定できる
利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る時間測定回路の第1の実施形態を
示す回路図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の動作を示すタイミン
グチャートである。
【図3】位相比較器30の構成及び動作を示す図であ
る。
【図4】位相比較器40の構成及び動作を示す図であ
る。
【図5】カウンタ回路70の構成を示す回路図である。
【図6】本発明に係る時間測定回路の第2の実施形態を
示す回路図である。
【図7】本発明の第2の実施形態の動作を示すタイミン
グチャートである。
【図8】本発明に係る時間測定回路の第3の実施形態を
示す回路図である。
【符号の説明】
10,20…発振器、 30,40…位相比較器、 50…パルス送信回路、 60…パルス受信回路、 70…カウンタ回路、 80…時間間隔演算回路、 90…RSフリップフロップ、 100,110…カウンタ回路、 120…遅延回路。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】微小な時間差を有する第1のパルスと第2
    のパルスとの時間間隔を測定する時間測定回路であっ
    て、 第1の周波数の第1のクロック信号を生成する第1の発
    振回路と、 上記第1の周波数と異なる第2の周波数の第2のクロッ
    ク信号を生成する第2の発振回路と、 上記第1と第2のクロック信号の位相を比較し、上記第
    1と第2のクロック信号の位相が等しくなることを示す
    第1の同相信号を出力する第1の位相比較回路と、 上記第1の同相信号に応じて上記第1のパルスを出力す
    るパルス生成回路と、 上記第1のパルスに応じて得られた上記第2のパルスと
    上記第2のクロック信号との位相を比較し、上記第2の
    パルスと上記第2のクロック信号の位相が等しくなるこ
    とを示す第2の同相信号を出力する第2の位相比較回路
    と、 上記第1のクロック信号をカウントし、上記第1の同相
    信号に応じてカウント値をリセットし、上記第2の同相
    信号に応じて上記カウント値を保持するカウンタと、 上記保持されたカウント値と上記第1と第2のクロック
    信号の周期の差に応じて上記第1のパルスと第2のパル
    スとの時間間隔を演算する演算回路とを有する時間測定
    回路。
  2. 【請求項2】上記演算回路は、上記第1と第2のクロッ
    ク信号の周期の差と上記保持されたカウント値との積を
    演算する請求項1記載の時間測定回路。
  3. 【請求項3】微小な時間差を有する第1のパルスと第2
    のパルスとの時間間隔を測定する時間測定回路であっ
    て、 第1の周波数の第1のクロック信号を生成する第1の発
    振回路と、 上記第1の周波数と異なる第2の周波数の第2のクロッ
    ク信号を生成する第2の発振回路と、 上記第1と第2のクロック信号の位相を比較し、上記第
    1と第2のクロック信号の位相が等しくなることを示す
    第1の同相信号を出力する第1の位相比較回路と、 上記第1の同相信号に応じて上記第1のパルスを出力す
    るパルス生成回路と、 上記第1のパルスに応じて得られた上記第2のパルスと
    上記第2のクロック信号との位相を比較し、上記第2の
    パルスと上記第2のクロック信号の位相が等しくなるこ
    とを示す第2の同相信号を出力する第2の位相比較回路
    と、 上記第1のクロック信号をカウントし、上記第1の同相
    信号に応じてカウント値をリセットし、上記第2の同相
    信号に応じて上記カウント値を保持する第1のカウンタ
    と、 上記第1のクロック信号をカウントし、上記第1の同相
    信号に応じてカウント値をリセットし、上記第2のパル
    スが最初に入力したときの上記カウント値を保持する第
    2のカウンタと、 上記第1と第2のカウンタのカウント値と上記第1と第
    2のクロック信号の周期に応じて上記第1のパルスと第
    2のパルスとの時間間隔を演算する演算回路とを有する
    時間測定回路。
  4. 【請求項4】上記演算回路は、上記第1と第2のクロッ
    ク信号の周期の差と上記第1のカウンタのカウント値と
    の積に、上記第1のクロック信号の周期と上記第2のカ
    ウンタのカウント値との積を加算する請求項3記載の時
    間測定回路。
  5. 【請求項5】微小な時間差を有する第1のパルスと第2
    のパルスとの時間間隔を測定する時間測定回路であっ
    て、 第1の周波数の第1のクロック信号を生成する第1の発
    振回路と、 上記第1の周波数と異なる第2の周波数の第2のクロッ
    ク信号を生成する第2の発振回路と、 上記第1と第2のクロック信号の位相を比較し、上記第
    1と第2のクロック信号の位相が等しくなることを示す
    第1の同相信号を出力する第1の位相比較回路と、 上記第1の同相信号に応じて上記第1のパルスを出力す
    るパルス生成回路と、 上記第1のパルスに応じて得られた上記第2のパルスと
    上記第2のクロック信号との位相を比較し、上記第2の
    パルスと上記第2のクロック信号の位相が等しくなるこ
    とを示す第2の同相信号を出力する第2の位相比較回路
    と、 上記第1のクロック信号をカウントし、上記第1の同相
    信号に応じてカウント値をリセットし、上記第2の同相
    信号に応じて上記カウント値を保持する第1のカウンタ
    と、 上記第1のクロック信号をカウントし、上記第1の同相
    信号に応じてカウント値をリセットし、次回に出力され
    る上記第1の同相信号に応じて上記カウント値を保持す
    る第2のカウンタと、 上記第1と第2のカウンタのカウント値及び上記第1の
    クロック信号の周期に応じて、上記第1のパルスと第2
    のパルスとの時間間隔を演算する演算回路とを有する時
    間測定回路。
  6. 【請求項6】上記演算回路は、上記第1のクロック信号
    の周期と上記第1のカウンタのカウント値との積を、上
    記第2のカウンタのカウント値に応じた値で割る請求項
    5記載の時間測定回路。
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