[go: up one dir, main page]

JP2013168786A - Time-lag digital converter - Google Patents

Time-lag digital converter Download PDF

Info

Publication number
JP2013168786A
JP2013168786A JP2012030609A JP2012030609A JP2013168786A JP 2013168786 A JP2013168786 A JP 2013168786A JP 2012030609 A JP2012030609 A JP 2012030609A JP 2012030609 A JP2012030609 A JP 2012030609A JP 2013168786 A JP2013168786 A JP 2013168786A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
constant current
signal
current source
input
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012030609A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takanori Takahashi
貴紀 高橋
Akihito Hirai
暁人 平井
Eiji Taniguchi
英司 谷口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2012030609A priority Critical patent/JP2013168786A/en
Publication of JP2013168786A publication Critical patent/JP2013168786A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Analogue/Digital Conversion (AREA)
  • Manipulation Of Pulses (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire a digital value with high conversion accuracy without performing calibration or the like on the digital value.SOLUTION: A time-lag digital converter comprises an FET switch 8 which is turned on during a period in which a conversion starting signal is inputted, a constant current source 9 which generates a constant current I/Nand extracts electric charges charging a capacitor 6 when the FET switch 8 is turned on, a comparator 10 which outputs a conversion ending signal when a ramp voltage Vof the capacitor 6 becomes equal to a ground potential, and a counter 12 which counts clock of a term Tduring a period from input of the conversion starting signal to the output of the conversion ending signal from the comparator 10.

Description

この発明は、2つの入力信号の時間差、または、パルス信号のパルス幅をデジタル値に変換する時間差デジタル変換装置に関するものである。   The present invention relates to a time difference digital conversion device for converting a time difference between two input signals or a pulse width of a pulse signal into a digital value.

以下の非特許文献1に開示されている時間差デジタル変換装置では、時間波高変換器(TAC:Time to Amplitude Converter)の出力電圧である時間差をアナログ/デジタル変換器(ADC:Analog to Digital Converter)が読み込み、その時間差をデジタル値に変換するようにしている。
通常、ADCは半導体基板上に構成され、電流源と容量によってランプ電圧を発生するが、一般的に半導体基板上で構成される素子の絶対値は、ばらつき温度特性を有するため、ランプ電圧が環境とサンプルによってばらつくことが想定される。
そのため、ADCがTACの出力電圧をデジタル変換して、正確なデジタル値を得るには校正データを取得し、ルックアップテーブル等を用いて、デジタル値の校正を行う必要がある。
In the time difference digital conversion device disclosed in the following Non-Patent Document 1, an analog / digital converter (ADC) converts a time difference, which is an output voltage of a time to amplitude converter (TAC), into an analog / digital converter (ADC). The time difference is read and converted to a digital value.
Normally, an ADC is configured on a semiconductor substrate and generates a ramp voltage by a current source and a capacitor. Generally, however, the absolute value of an element configured on the semiconductor substrate has a variation temperature characteristic. It is assumed that it varies depending on the sample.
Therefore, in order for the ADC to digitally convert the output voltage of the TAC to obtain an accurate digital value, it is necessary to acquire calibration data and calibrate the digital value using a lookup table or the like.

以下の非特許文献2に開示されている時間差デジタル変換装置では、時間差信号をアナログ電圧値に変換せずに、バッファ等の遅延時間を利用して、その時間差をデジタル化するようにしている。
ただし、測定する時間差の最小値は、バッファ等の遅延時間で決定されるため、測定分解能を高くするには、動作速度の高速な微細半導体プロセスを使用する必要がある。
また、半導体素子のばらつきの影響を除去するために、複雑な校正手段を必要とする。
In the time difference digital conversion device disclosed in Non-Patent Document 2 below, the time difference is digitized using a delay time of a buffer or the like without converting the time difference signal into an analog voltage value.
However, since the minimum value of the time difference to be measured is determined by the delay time of a buffer or the like, it is necessary to use a fine semiconductor process with a high operating speed in order to increase the measurement resolution.
Further, in order to remove the influence of variations in semiconductor elements, complicated calibration means are required.

Tanaka, M.,“Development of monolithic time-to-amplitude converter for high precision TOF measurement”, Nuclear Science, IEEE Transactions on Nuclear Science, IEEE Transactions on Volume: 38 , Issue: 2 , Part: 1-2 1991 , Page(s): 301 - 305Tanaka, M., “Development of monolithic time-to-amplitude converter for high precision TOF measurement”, Nuclear Science, IEEE Transactions on Nuclear Science, IEEE Transactions on Volume: 38, Issue: 2, Part: 1-2 1991, Page (s): 301-305 Staszewski, R.B. ,“TDC-based frequency synthesizer for wireless applications” Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, 2004. Digest of Papers 2004 , Page(s): 215 - 218Staszewski, R.B., “TDC-based frequency synthesizer for wireless applications” Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, 2004. Digest of Papers 2004, Page (s): 215-218

従来の時間差デジタル変換装置は以上のように構成されているので、ADCが時間差をデジタル値に変換する方法を用いる場合(非特許文献1)、正確なデジタル値を得るには校正データを取得し、ルックアップテーブル等を用いて、デジタル値の校正を行う必要がある課題があった。
また、バッファ等の遅延時間を利用して、その時間差をデジタル化する方法を用いる場合(非特許文献2)、測定分解能を高くするには、動作速度の高速な微細半導体プロセスを使用する必要がある課題があった。また、微細半導体素子のばらつきの影響を除去するために、複雑な校正手段を必要とする課題があった。
Since the conventional time difference digital conversion device is configured as described above, when the ADC uses a method of converting the time difference into a digital value (Non-patent Document 1), calibration data is acquired to obtain an accurate digital value. There has been a problem that digital values need to be calibrated using a lookup table or the like.
In addition, when using a method of digitizing the time difference using a delay time of a buffer or the like (Non-patent Document 2), it is necessary to use a fine semiconductor process with a high operating speed in order to increase the measurement resolution. There was a problem. Moreover, in order to remove the influence of the dispersion | variation in a fine semiconductor element, the subject which requires a complicated calibration means occurred.

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、デジタル値の校正などを行うことなく、変換精度が高いデジタル値を取得することができる時間差デジタル変換装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a time difference digital conversion device capable of acquiring a digital value with high conversion accuracy without performing digital value calibration or the like. To do.

この発明に係る時間差デジタル変換装置は、定電流を発生する定電流源と、パルス信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、そのスイッチがオン状態になると、その定電流源から発生された定電流によって電荷を充電する容量とから構成されているランプ電圧発生回路と、変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、そのスイッチがオン状態になると、ランプ電圧発生回路の定電流源から発生される定電流の所定比率倍の定電流を発生して、上記容量に充電されている電荷を引く抜く定電流源と、上記容量の電圧値が接地電位と同電位になると、変換終了信号を出力するコンパレータと、その変換開始信号が入力されてからコンパレータより変換終了信号が出力されるまでの期間中、周期が既知のクロックをカウントするカウンタとから構成されている電圧デジタル変換回路とを備えるようにしたものである。   The time difference digital conversion device according to the present invention includes a constant current source that generates a constant current, a switch that is turned on during a period in which a pulse signal is input, and a switch that is turned on when the switch is turned on. A lamp voltage generation circuit composed of a capacitor that charges electric charge by the generated constant current, a switch that is turned on during the period when the conversion start signal is input, and a lamp that is turned on when the switch is turned on. A constant current source that generates a constant current that is a predetermined ratio times the constant current generated from the constant current source of the voltage generation circuit and draws out the charge charged in the capacitor; and the voltage value of the capacitor is the ground potential When the potential is the same, a comparator that outputs a conversion end signal and a clock with a known period during the period from when the conversion start signal is input until the conversion end signal is output from the comparator. Tsu is obtained so as to include a voltage-to-digital converter is composed of a counter for counting the click.

この発明によれば、定電流を発生する定電流源と、パルス信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、そのスイッチがオン状態になると、その定電流源から発生された定電流によって電荷を充電する容量とから構成されているランプ電圧発生回路と、変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、そのスイッチがオン状態になると、ランプ電圧発生回路の定電流源から発生される定電流の所定比率倍の定電流を発生して、上記容量に充電されている電荷を引く抜く定電流源と、上記容量の電圧値が接地電位と同電位になると、変換終了信号を出力するコンパレータと、その変換開始信号が入力されてからコンパレータより変換終了信号が出力されるまでの期間中、周期が既知のクロックをカウントするカウンタとから構成されている電圧デジタル変換回路とを備えるように構成したので、デジタル値の校正などを行うことなく、変換精度が高いデジタル値を取得することができる効果がある。   According to the present invention, a constant current source that generates a constant current, a switch that is turned on during a period in which a pulse signal is input, and a constant current generated from the constant current source when the switch is turned on. A ramp voltage generating circuit configured to charge a charge by current, a switch that is turned on during the period when the conversion start signal is input, and when the switch is turned on, the lamp voltage generating circuit A constant current source that generates a constant current that is a predetermined ratio times the constant current generated from the constant current source and pulls out the charge charged in the capacitor, and the voltage value of the capacitor is equal to the ground potential A comparator that outputs a conversion end signal and a counter that counts a clock with a known period during the period from when the conversion start signal is input until the conversion end signal is output from the comparator. Since it is configured to include a voltage-to-digital converter is composed of a printer, without performing such calibration of the digital value, conversion precision is effective that it is possible to acquire high digital value.

この発明の実施の形態1による時間差デジタル変換装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the time difference digital conversion apparatus by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による時間差デジタル変換装置の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the time difference digital converter by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2による時間差デジタル変換装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the time difference digital conversion apparatus by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2による時間差デジタル変換装置の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the time difference digital conversion apparatus by Embodiment 2 of this invention.

実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による時間差デジタル変換装置を示す構成図である。
図1において、XOR回路1は信号A(第1の信号)と信号B(第2の信号)が入力されると、信号Aと信号Bの入力時間の差に相当するパルス幅を有するパルス信号を生成するパルス信号生成回路である。
Dフリップフロップ回路2は信号Aと信号Bのうち、先に入力された信号を示す符号ビットを出力する順序情報出力回路である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a time difference digital conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, when a signal A (first signal) and a signal B (second signal) are input, the XOR circuit 1 has a pulse signal having a pulse width corresponding to the difference in input time between the signal A and the signal B. Is a pulse signal generation circuit for generating
The D flip-flop circuit 2 is an order information output circuit that outputs a sign bit indicating a signal input first among the signals A and B.

ランプ電圧発生回路3は定電流源4、FETスイッチ5及び容量6から構成されている回路である。
定電流源4は定電流Icを発生する電流源である。
FETスイッチ5はXOR回路1からパルス信号を受けている期間中、オン状態になって、定電流源4から発生された定電流Icがドレイン−ソース間を流れ、XOR回路1からパルス信号を受けていなければ、オフ状態になって定電流源4から発生された定電流Icがドレイン−ソース間を流れなくなる。
容量6はC1の容量値を有している充電回路であり、FETスイッチ5がオン状態になると、定電流源4から発生された定電流Icによって電荷を充電する。
The ramp voltage generating circuit 3 is a circuit composed of a constant current source 4, an FET switch 5 and a capacitor 6.
The constant current source 4 is a current source that generates a constant current I c .
The FET switch 5 is turned on while receiving the pulse signal from the XOR circuit 1, the constant current I c generated from the constant current source 4 flows between the drain and the source, and the pulse signal is sent from the XOR circuit 1. if not received, the constant current I c, which is generated from the constant current source 4 turned off state drain - not flow between the source.
The capacitor 6 is a charging circuit having a capacitance value of C 1. When the FET switch 5 is turned on, the capacitor 6 is charged with a constant current I c generated from the constant current source 4.

電圧デジタル変換回路7はFETスイッチ8、定電流源9、コンパレータ10、XOR回路11及びカウンタ12から構成されている回路である。
FETスイッチ8は変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチング素子である。
定電流源9はFETスイッチ8がオン状態になると、定電流Ic/N1(定電流源6から発生される定電流Icの1/N1倍の定電流)を発生して、容量6に充電されている電荷を引く抜く電流源である。
The voltage digital conversion circuit 7 is a circuit including an FET switch 8, a constant current source 9, a comparator 10, an XOR circuit 11 and a counter 12.
The FET switch 8 is a switching element that is turned on during the period when the conversion start signal is input.
When the FET switch 8 is turned on, the constant current source 9 generates a constant current I c / N 1 (a constant current that is 1 / N 1 times the constant current I c generated from the constant current source 6) and has a capacitance. 6 is a current source that pulls out the electric charge charged to 6.

コンパレータ10は容量6に発生しているランプ電圧VPが接地電位と同電位になると、変換終了信号を出力する素子である。
XOR回路11は変換開始信号が入力されると、カウンタイネーブル信号をカウンタ12に出力し、コンパレータ10から変換終了信号を受けると、カウンタ12に対するカウンタイネーブル信号の出力を停止する回路である。
カウンタ12はXOR回路11からカウンタイネーブル信号を受けている期間中、周期が既知のクロックをカウントする回路である。
設定回路13は定電流源4と定電流源9の電流比であるN1を定電流源9に設定する回路である。
Comparator 10 when the lamp voltage V P which is generated in the capacitor 6 becomes the ground potential and the same potential is a device that outputs an end of conversion signal.
The XOR circuit 11 is a circuit that outputs a counter enable signal to the counter 12 when a conversion start signal is input, and stops outputting the counter enable signal to the counter 12 when a conversion end signal is received from the comparator 10.
The counter 12 is a circuit that counts a clock having a known cycle during a period when the counter enable signal is received from the XOR circuit 11.
The setting circuit 13 is a circuit for setting the constant current source 9 to N 1 which is a current ratio between the constant current source 4 and the constant current source 9.

次に動作について説明する。
図2はこの発明の実施の形態1による時間差デジタル変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
XOR回路1は、信号Aと信号Bを入力すると、信号Aの立ち上がりエッジから信号Bの立ち上がりエッジまでの時間差Tに相当するパルス幅を有するパルス信号を生成し、そのパルス信号をランプ電圧発生回路3のFETスイッチ5のゲートに出力する。
Next, the operation will be described.
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the time difference digital conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
When the signals A and B are input, the XOR circuit 1 generates a pulse signal having a pulse width corresponding to the time difference T from the rising edge of the signal A to the rising edge of the signal B, and the pulse signal is generated as a ramp voltage generation circuit. 3 is output to the gate of the FET switch 5.

また、Dフリップフロップ回路2は、信号Aと信号Bを入力すると、信号Aと信号Bのうち、先に入力された信号を示す符号ビットを出力する。
即ち、Dフリップフロップ回路2は、信号Bの立ち上がりエッジで信号Aの状態を保持するため、既に信号Aが入力されている場合はHレベルの符号ビットを出力し、未だ信号Aが入力されていない場合はLレベルの符号ビットを出力する。
図2の例では、信号Bより先に信号Aを入力しているので、Hレベルの符号ビットを出力している。
In addition, when the signal A and the signal B are input, the D flip-flop circuit 2 outputs a sign bit indicating the previously input signal of the signals A and B.
That is, the D flip-flop circuit 2 holds the state of the signal A at the rising edge of the signal B. Therefore, when the signal A is already input, the D flip-flop circuit 2 outputs an H level sign bit and the signal A is not input yet. If not, L level code bits are output.
In the example of FIG. 2, since the signal A is input before the signal B, the H-level code bit is output.

ランプ電圧発生回路3の定電流源4は、定電流Icを発生している。
FETスイッチ5は、XOR回路1からパルス信号を受けると(XOR回路1の出力信号がHレベルになると)、オン状態になり、定電流源4から発生された定電流Icがドレイン−ソース間を流れる。
これにより、定電流源4から発生された定電流Icが容量6に流れ込み、その定電流Icによって、容量6に電荷が充電される。
FETスイッチ5は、その後、XOR回路1の出力信号がLレベルになると、オフ状態になり、定電流源4から発生された定電流Icがドレイン−ソース間を流れなくなる。
これにより、定電流源4から発生された定電流Icが容量6に流れ込まなくなり、容量6に発生しているランプ電圧VPは保持される。このランプ電圧VPは下記の式(1)で表される。

Figure 2013168786
The constant current source 4 of the lamp voltage generation circuit 3 generates a constant current I c .
When the FET switch 5 receives a pulse signal from the XOR circuit 1 (when the output signal of the XOR circuit 1 becomes H level), the FET switch 5 is turned on, and the constant current I c generated from the constant current source 4 is between the drain and the source. Flowing.
As a result, the constant current I c generated from the constant current source 4 flows into the capacitor 6, and the capacitor 6 is charged with the constant current I c .
Thereafter, when the output signal of the XOR circuit 1 becomes L level, the FET switch 5 is turned off, and the constant current I c generated from the constant current source 4 does not flow between the drain and the source.
As a result, the constant current I c generated from the constant current source 4 does not flow into the capacitor 6, and the ramp voltage V P generated in the capacitor 6 is maintained. This lamp voltage V P is expressed by the following equation (1).
Figure 2013168786

電圧デジタル変換回路7のFETスイッチ8は、変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になる。
即ち、FETスイッチ8は、Hレベルの信号がベースに入力されると、オン状態になる。
定電流源9は、FETスイッチ8がオン状態になると、定電流Ic/N1(定電流源6から発生される定電流Icの1/N1倍の定電流)を発生する。
これにより、容量6に充電されている電荷の引き抜きが開始される。
The FET switch 8 of the voltage digital conversion circuit 7 is turned on during the period when the conversion start signal is input.
That is, the FET switch 8 is turned on when an H level signal is input to the base.
When the FET switch 8 is turned on, the constant current source 9 generates a constant current I c / N 1 (a constant current that is 1 / N 1 times the constant current I c generated from the constant current source 6).
Thereby, extraction of the electric charge charged in the capacitor 6 is started.

また、XOR回路11は、変換開始信号(Hレベルの信号)が入力されると、カウンタイネーブル信号(Hレベルの信号)をカウンタ12に出力する。
カウンタ12は、XOR回路11からカウンタイネーブル信号(Hレベルの信号)を受けると、周期が既知のクロックをカウントする動作を開始する。
なお、カウンタ12によるカウント動作の開始タイミングと、容量6における電荷の引き抜き開始タイミングは同時である。
The XOR circuit 11 outputs a counter enable signal (H level signal) to the counter 12 when a conversion start signal (H level signal) is input.
When the counter 12 receives a counter enable signal (H level signal) from the XOR circuit 11, the counter 12 starts an operation of counting a clock having a known cycle.
Note that the start timing of the count operation by the counter 12 and the start timing of extracting charges in the capacitor 6 are the same.

ここで、容量6に発生しているランプ電圧VPは、電荷の引き抜きによって、時間に対し、Ic/N11の傾きで線形に低下する。
コンパレータ10は、容量6に発生しているランプ電圧VPが低下して、そのランプ電圧VPが接地電位と同電位になると、変換終了信号(Hレベルの信号)をXOR回路11に出力する。
Here, the ramp voltage V P generated in the capacitor 6 decreases linearly with a slope of I c / N 1 C 1 with respect to time due to the extraction of charges.
The comparator 10 outputs a conversion end signal (H level signal) to the XOR circuit 11 when the ramp voltage V P generated in the capacitor 6 decreases and the ramp voltage V P becomes the same potential as the ground potential. .

XOR回路11は、コンパレータ10から変換終了信号(Hレベルの信号)を受けると、カウンタ12に対するカウンタイネーブル信号の出力を停止する。
即ち、XOR回路11は、コンパレータ10から変換終了信号(Hレベルの信号)を受けると、Lレベルの信号をカウンタ12に出力する。
カウンタ12は、XOR回路11からLレベルの信号を受けると、クロックのカウント動作を停止する。
When receiving the conversion end signal (H level signal) from the comparator 10, the XOR circuit 11 stops outputting the counter enable signal to the counter 12.
That is, the XOR circuit 11 outputs an L level signal to the counter 12 when receiving a conversion end signal (H level signal) from the comparator 10.
When the counter 12 receives the L level signal from the XOR circuit 11, the counter 12 stops the clock counting operation.

ここで、XOR回路11から出力されるカウンタイネーブル信号のパルス幅TEは、下記の式(2)で表される。

Figure 2013168786
カウンタ12がカウントするクロックの周期がTclkであるとすると、カウンタ12のカウント値Mは、下記の式(3)で表される。
Figure 2013168786
Here, the pulse width T E of the counter enable signal output from the XOR circuit 11 is expressed by the following equation (2).
Figure 2013168786
Assuming that the clock cycle counted by the counter 12 is T clk , the count value M of the counter 12 is expressed by the following equation (3).
Figure 2013168786

このため、信号Aと信号Bの時間差Tの測定値T*は、下記の式(4)で表される。

Figure 2013168786
式(4)において、クロックの周期Tclkは既知であるため、定電流源4から発生された定電流Icと、定電流源9から発生された定電流Ic/N1との電流比N1が既知であれば、時間差Tの測定値T*は、カウンタ12のカウント値Mでデジタル化されていることになる。
なお、電流比N1は、設定回路13により事前に設定される値であるため既知である。 For this reason, the measured value T * of the time difference T between the signal A and the signal B is expressed by the following equation (4).
Figure 2013168786
In the equation (4), since the clock cycle T clk is known, the current ratio between the constant current I c generated from the constant current source 4 and the constant current I c / N 1 generated from the constant current source 9. If N 1 is known, the measured value T * of the time difference T is digitized with the count value M of the counter 12.
The current ratio N 1 is known because it is a value set in advance by the setting circuit 13.

以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、定電流Icを発生する定電流源4と、パルス信号が入力されている期間中、オン状態になるFETスイッチ5と、FETスイッチ5がオン状態になると、定電流源4から発生された定電流Icによって電荷を充電する容量6とから構成されているランプ電圧発生回路3と、変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になるFETスイッチ8と、FETスイッチ8がオン状態になると、定電流Ic/N1を発生して、容量6に充電されている電荷を引く抜く定電流源9と、容量6のランプ電圧VPが接地電位と同電位になると、変換終了信号を出力するコンパレータ10と、その変換開始信号が入力されてからコンパレータ10より変換終了信号が出力されるまでの期間中、周期Tclkのクロックをカウントするカウンタ12とから構成されている電圧デジタル変換回路7とを備えるように構成したので、デジタル値の校正などを行うことなく、変換精度が高いデジタル値を取得することができる効果を奏する。 As is apparent from the above, according to the first embodiment, the constant current source 4 that generates the constant current I c , the FET switch 5 that is turned on during the input of the pulse signal, and the FET switch When 5 is turned on, the ramp voltage generating circuit 3 composed of the capacitor 6 that charges the electric charge by the constant current I c generated from the constant current source 4 and the period during which the conversion start signal is input, When the FET switch 8 is turned on, when the FET switch 8 is turned on, a constant current I c / N 1 is generated, and the constant current source 9 that draws out the charge charged in the capacitor 6, and the capacitor 6 When the ramp voltage V P becomes equal to the ground potential, the comparator 10 outputs a conversion end signal, and the period T clk during the period from when the conversion start signal is input until the conversion end signal is output from the comparator 10. of Since the voltage digital conversion circuit 7 constituted by the counter 12 that counts the lock is provided, it is possible to acquire a digital value with high conversion accuracy without calibrating the digital value. Play.

即ち、式(4)を見れば明らかなように、時間差デジタル変換装置を構成する素子のばらつきの影響を受けるのは、定電流源4から発生された定電流Icと、定電流源9から発生された定電流Ic/N1との電流比N1のみである。一般的に同一の半導体基板上の電流値は絶対値の精度が良くないが、カレントミラー回路などを使うことで容易に高い相対精度を得ることができるため、電流比N1は、半導体基板上に構成した場合には、ほぼばらつかなくなる。このため、本時間差デジタル変換装置では、複雑な校正手段が不要であり、環境やサンプルばらつきの影響を受けない。 That is, as apparent from the equation (4), the constant current I c generated from the constant current source 4 and the constant current source 9 are affected by variations in the elements constituting the time difference digital conversion device. Only the current ratio N 1 with the generated constant current I c / N 1 is obtained. Generally current value on the same semiconductor substrate is not good accuracy of the absolute value, it is possible to easily obtain a high relative precision in the use of such a current mirror circuit, the current ratio N 1 is a semiconductor substrate In the case of the configuration, it becomes almost non-scattering. For this reason, this time difference digital conversion apparatus does not require complicated calibration means and is not affected by the environment or sample variations.

また、この実施の形態1によれば、定電流源4と定電流源9の電流比N1を定電流源9に設定する設定回路13を設けているので、電流比N1を容易に可変することができる効果がある。電流比N1を大きな値に設定すると、放電ランプ時間が長くなるため、同じ時間差Tを計測した時の計測時間が長くなるが、1ビットの分解能が向上する。 Further, according to the first embodiment, since the setting circuit 13 for setting the current ratio N 1 between the constant current source 4 and the constant current source 9 to the constant current source 9 is provided, the current ratio N 1 can be easily changed. There is an effect that can be done. When the current ratio N 1 is set to a large value, the discharge lamp time becomes long, so that the measurement time when the same time difference T is measured becomes long, but the resolution of 1 bit is improved.

なお、この実施の形態1では、時間計測動作と直接関係がないので、説明を割愛しているが、時間測定終了後、次の測定を開始する前に、容量6は、リセットスイッチ等により充電された電荷をリセットする必要がある。   In the first embodiment, the description is omitted because it is not directly related to the time measurement operation. However, after the time measurement is completed, the capacitor 6 is charged by a reset switch or the like before starting the next measurement. It is necessary to reset the generated charge.

実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2による時間差デジタル変換装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
電圧デジタル変換回路21は定電流源22、FETスイッチ23、容量24、コンパレータ25、XOR回路26及びカウンタ27から構成されている回路である。
定電流源22は定電流Ic/N1(定電流源6から発生される定電流Icの1/N1倍の定電流)を発生する電流源である。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing a time difference digital conversion apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG.
The voltage digital conversion circuit 21 is a circuit including a constant current source 22, an FET switch 23, a capacitor 24, a comparator 25, an XOR circuit 26 and a counter 27.
The constant current source 22 is a current source that generates a constant current I c / N 1 (a constant current that is 1 / N 1 times the constant current I c generated from the constant current source 6).

FETスイッチ23は変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチング素子である。
容量24は容量6の所定比率倍の容量値C2を有している充電回路であり、FETスイッチ23がオン状態になると、定電流源22から発生された定電流Ic/N1によって電荷を充電する。
The FET switch 23 is a switching element that is turned on during the period when the conversion start signal is input.
The capacitor 24 is a charging circuit having a capacitance value C 2 that is a predetermined ratio times the capacitance 6. When the FET switch 23 is turned on, the capacitor 24 is charged by the constant current I c / N 1 generated from the constant current source 22. To charge.

コンパレータ25は容量6に発生しているランプ電圧Vr’が、容量6に発生しているランプ電圧Vrと同電位になると、変換終了信号を出力する素子である。
XOR回路26は変換開始信号が入力されると、カウンタイネーブル信号をカウンタ27に出力し、コンパレータ25から変換終了信号を受けると、カウンタ27に対するカウンタイネーブル信号の出力を停止する回路である。
カウンタ27はXOR回路26からカウンタイネーブル信号を受けている期間中、周期が既知のクロックをカウントする回路である。
The comparator 25 is an element that outputs a conversion end signal when the ramp voltage V r ′ generated in the capacitor 6 becomes the same potential as the ramp voltage V r generated in the capacitor 6.
The XOR circuit 26 is a circuit that outputs a counter enable signal to the counter 27 when a conversion start signal is input, and stops outputting the counter enable signal to the counter 27 when receiving a conversion end signal from the comparator 25.
The counter 27 is a circuit that counts a clock having a known cycle during a period when the counter enable signal is received from the XOR circuit 26.

次に動作について説明する。
図4はこの発明の実施の形態2による時間差デジタル変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
XOR回路1は、信号Aと信号Bを入力すると、信号Aの立ち上がりエッジから信号Bの立ち上がりエッジまでの時間差Tに相当するパルス幅を有するパルス信号を生成し、そのパルス信号をランプ電圧発生回路3のFETスイッチ5のゲートに出力する。
Next, the operation will be described.
FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the time difference digital conversion apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
When the signals A and B are input, the XOR circuit 1 generates a pulse signal having a pulse width corresponding to the time difference T from the rising edge of the signal A to the rising edge of the signal B, and the pulse signal is generated as a ramp voltage generation circuit. 3 is output to the gate of the FET switch 5.

また、Dフリップフロップ回路2は、信号Aと信号Bを入力すると、信号Aと信号Bのうち、先に入力された信号を示す符号ビットを出力する。
即ち、Dフリップフロップ回路2は、信号Bの立ち上がりエッジで信号Aの状態を保持するため、既に信号Aが入力されている場合はHレベルの符号ビットを出力し、未だ信号Aが入力されていない場合はLレベルの符号ビットを出力する。
図4の例では、信号Bより先に信号Aを入力しているので、Hレベルの符号ビットを出力している。
In addition, when the signal A and the signal B are input, the D flip-flop circuit 2 outputs a sign bit indicating the previously input signal of the signals A and B.
That is, the D flip-flop circuit 2 holds the state of the signal A at the rising edge of the signal B. Therefore, when the signal A is already input, the D flip-flop circuit 2 outputs an H level sign bit and the signal A is not input yet. If not, L level code bits are output.
In the example of FIG. 4, since the signal A is input before the signal B, the H-level code bit is output.

ランプ電圧発生回路3の定電流源4は、定電流Icを発生している。
FETスイッチ5は、XOR回路1からパルス信号を受けると(XOR回路1の出力信号がHレベルになると)、オン状態になり、定電流源4から発生された定電流Icがドレイン−ソース間を流れる。
これにより、定電流源4から発生された定電流Icが容量6に流れ込み、その定電流Icによって電荷が容量6に充電される。
FETスイッチ5は、その後、XOR回路1の出力信号がLレベルになると、オフ状態になり、定電流源4から発生された定電流Icがドレイン−ソース間を流れなくなる。
これにより、定電流源4から発生された定電流Icが容量6に流れ込まなくなり、容量6に発生しているランプ電圧Vrは保持される。このランプ電圧Vrは下記の式(5)で表される。

Figure 2013168786
The constant current source 4 of the lamp voltage generation circuit 3 generates a constant current I c .
When the FET switch 5 receives a pulse signal from the XOR circuit 1 (when the output signal of the XOR circuit 1 becomes H level), the FET switch 5 is turned on, and the constant current I c generated from the constant current source 4 is between the drain and the source. Flowing.
As a result, the constant current I c generated from the constant current source 4 flows into the capacitor 6, and the capacitor 6 is charged with the constant current I c .
Thereafter, when the output signal of the XOR circuit 1 becomes L level, the FET switch 5 is turned off, and the constant current I c generated from the constant current source 4 does not flow between the drain and the source.
As a result, the constant current I c generated from the constant current source 4 does not flow into the capacitor 6, and the lamp voltage V r generated in the capacitor 6 is maintained. This lamp voltage V r is expressed by the following equation (5).
Figure 2013168786

電圧デジタル変換回路21の定電流源22は、定電流Ic/N1(定電流源6から発生される定電流Icの1/N1倍の定電流)を発生している。
FETスイッチ23は、変換開始信号(Hレベルの信号)が入力されると、オン状態になり、定電流源22から発生された定電流Ic/N1がドレイン−ソース間を流れる。
これにより、定電流源22から発生された定電流Ic/N1が容量24に流れ込み、その定電流Ic/N1によって電荷が容量24に充電される。
The constant current source 22 of the voltage digital conversion circuit 21 generates a constant current I c / N 1 (a constant current that is 1 / N 1 times the constant current I c generated from the constant current source 6).
The FET switch 23 is turned on when a conversion start signal (H level signal) is input, and the constant current I c / N 1 generated from the constant current source 22 flows between the drain and the source.
As a result, the constant current I c / N 1 generated from the constant current source 22 flows into the capacitor 24, and the capacitor 24 is charged with the constant current I c / N 1 .

また、XOR回路26は、変換開始信号(Hレベルの信号)が入力されると、カウンタイネーブル信号(Hレベルの信号)をカウンタ27に出力する。
カウンタ27は、XOR回路26からカウンタイネーブル信号(Hレベルの信号)を受けると、周期が既知のクロックをカウントする動作を開始する。
なお、カウンタ27によるカウント動作の開始タイミングと、容量24による電荷の充電開始タイミングは同時である。
Further, when the conversion start signal (H level signal) is input, the XOR circuit 26 outputs a counter enable signal (H level signal) to the counter 27.
When the counter 27 receives a counter enable signal (H level signal) from the XOR circuit 26, the counter 27 starts an operation of counting a clock having a known cycle.
Note that the count operation start timing by the counter 27 and the charge charge start timing by the capacitor 24 are the same.

ここで、容量24に発生しているランプ電圧Vr’は、電荷の充電によって、時間に対し、Ic/N12の傾きで線形に上昇する。
コンパレータ25は、容量24に発生しているランプ電圧Vr’が上昇して、そのランプ電圧Vr’が、容量6に発生しているランプ電圧Vrと同電位になると、変換終了信号(Hレベルの信号)をXOR回路26に出力する。
Here, the lamp voltage V r ′ generated in the capacitor 24 rises linearly with a slope of I c / N 1 C 2 with respect to time due to charge charging.
When the ramp voltage V r ′ generated in the capacitor 24 rises and the ramp voltage V r ′ becomes the same potential as the ramp voltage V r generated in the capacitor 6, the comparator 25 converts the conversion end signal ( H level signal) is output to the XOR circuit 26.

XOR回路26は、コンパレータ25から変換終了信号(Hレベルの信号)を受けると、カウンタ27に対するカウンタイネーブル信号の出力を停止する。
即ち、XOR回路26は、コンパレータ25から変換終了信号(Hレベルの信号)を受けると、Lレベルの信号をカウンタ27に出力する。
カウンタ27は、XOR回路26からLレベルの信号を受けると、クロックのカウント動作を停止する。
When receiving the conversion end signal (H level signal) from the comparator 25, the XOR circuit 26 stops outputting the counter enable signal to the counter 27.
That is, when receiving the conversion end signal (H level signal) from the comparator 25, the XOR circuit 26 outputs an L level signal to the counter 27.
When the counter 27 receives the L level signal from the XOR circuit 26, the counter 27 stops the clock counting operation.

ここで、XOR回路26から出力されるカウンタイネーブル信号のパルス幅TEは、下記の式(6)で表される。

Figure 2013168786
カウンタ27がカウントするクロックの周期がTclkであるとすると、カウンタ27のカウント値Mは、下記の式(7)で表される。
Figure 2013168786
Here, the pulse width T E of the counter enabling signal output from the XOR circuit 26 is expressed by the following equation (6).
Figure 2013168786
Assuming that the clock cycle counted by the counter 27 is T clk , the count value M of the counter 27 is expressed by the following equation (7).
Figure 2013168786

このため、信号Aと信号Bの時間差Tの測定値T*は、下記の式(8)で表される。

Figure 2013168786
式(8)において、クロックの周期Tclk、容量値C1,C2は既知であるため、定電流源4から発生された定電流Icと、定電流源22から発生された定電流Ic/N1との電流比N1が既知であれば、時間差Tの測定値T*は、カウンタ27のカウント値Mでデジタル化されていることになり、上記実施の形態1と同様の測定結果が得られる。
なお、電流比N1は、設定回路13により事前に設定される値であるため既知である。 For this reason, the measured value T * of the time difference T between the signal A and the signal B is expressed by the following equation (8).
Figure 2013168786
In the equation (8), since the clock cycle T clk and the capacitance values C 1 and C 2 are known, the constant current I c generated from the constant current source 4 and the constant current I generated from the constant current source 22 are known. If the current ratio N 1 to c / N 1 is known, the measured value T * of the time difference T is digitized by the count value M of the counter 27, and the same measurement as in the first embodiment is performed. Results are obtained.
The current ratio N 1 is known because it is a value set in advance by the setting circuit 13.

この実施の形態2の場合、上記実施の形態1と比較して、容量値C1,C2の項がある分だけ、ばらつきの影響がでる可能性がある。
しかし、上記実施の形態1では、ランプ電圧発生回路3の容量6におけるランプ電圧VPがデジタル変換時に放電されてしまうため、ランプ電圧VPの再利用ができないのに対し、この実施の形態2では、デジタル変換後でも、容量6におけるランプ電圧VPが放電されずに保持されているため、例えば、デジタル変換を複数回行う際に再利用することができる。
In the case of the second embodiment, as compared with the first embodiment, there is a possibility that the influence of the variation is generated by the amount of the capacitance values C 1 and C 2 .
However, in the first embodiment, the lamp voltage V P in the capacitor 6 of the lamp voltage generating circuit 3 is discharged during digital conversion, so that the lamp voltage V P cannot be reused. Then, since the lamp voltage V P in the capacitor 6 is held without being discharged even after digital conversion, it can be reused, for example, when digital conversion is performed a plurality of times.

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。   In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .

1 XOR回路(パルス信号生成回路)、2 Dフリップフロップ回路(順序情報出力回路)、3 ランプ電圧発生回路、4 定電流源、5 FETスイッチ、6 容量、7 電圧デジタル変換回路、8 FETスイッチ、9 定電流源、10 コンパレータ、11 XOR回路、12 カウンタ、13 設定回路、21 電圧デジタル変換回路、22 定電流源、23 FETスイッチ、24 容量、25 コンパレータ、26 XOR回路、27 カウンタ。   1 XOR circuit (pulse signal generation circuit), 2 D flip-flop circuit (order information output circuit), 3 ramp voltage generation circuit, 4 constant current source, 5 FET switch, 6 capacity, 7 voltage digital conversion circuit, 8 FET switch, 9 constant current source, 10 comparator, 11 XOR circuit, 12 counter, 13 setting circuit, 21 voltage digital conversion circuit, 22 constant current source, 23 FET switch, 24 capacitance, 25 comparator, 26 XOR circuit, 27 counter.

Claims (5)

定電流を発生する定電流源と、パルス信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、上記スイッチがオン状態になると、上記定電流源から発生された定電流によって電荷を充電する容量とから構成されているランプ電圧発生回路と、
変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、上記スイッチがオン状態になると、上記ランプ電圧発生回路の定電流源から発生される定電流の所定比率倍の定電流を発生して、上記容量に充電されている電荷を引く抜く定電流源と、上記容量の電圧値が接地電位と同電位になると、変換終了信号を出力するコンパレータと、上記変換開始信号が入力されてから上記コンパレータより変換終了信号が出力されるまでの期間中、周期が既知のクロックをカウントするカウンタとから構成されている電圧デジタル変換回路と
を備えた時間差デジタル変換装置。
A constant current source that generates a constant current, a switch that is turned on while a pulse signal is input, and a charge that is charged by the constant current generated from the constant current source when the switch is turned on. A ramp voltage generating circuit composed of a capacitor;
A switch that is turned on during the period when the conversion start signal is input, and when the switch is turned on, generates a constant current that is a predetermined ratio times the constant current generated from the constant current source of the lamp voltage generation circuit. Then, a constant current source that pulls out the charge charged in the capacitor, a comparator that outputs a conversion end signal when the voltage value of the capacitor becomes equal to the ground potential, and the conversion start signal are input. And a voltage digital conversion circuit comprising a counter that counts a clock having a known cycle during a period from when the comparator outputs a conversion end signal.
定電流を発生する定電流源と、パルス信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、上記スイッチがオン状態になると、上記定電流源から発生された定電流によって電荷を充電する容量とから構成されているランプ電圧発生回路と、
上記ランプ電圧発生回路の定電流源から発生される定電流の所定比率倍の定電流を発生する定電流源と、変換開始信号が入力されている期間中、オン状態になるスイッチと、上記ランプ電圧発生回路の容量の所定比率倍の容量値を有しており、上記スイッチがオン状態になると、上記定電流源から発生された定電流によって電荷を充電する容量と、上記容量の電圧値が上記ランプ電圧発生回路の容量の電圧値と同電位になると、変換終了信号を出力するコンパレータと、上記変換開始信号が入力されてから上記コンパレータより変換終了信号が出力されるまでの期間中、周期が既知のクロックをカウントするカウンタとから構成されている電圧デジタル変換回路と
を備えた時間差デジタル変換装置。
A constant current source that generates a constant current, a switch that is turned on while a pulse signal is input, and a charge that is charged by the constant current generated from the constant current source when the switch is turned on. A ramp voltage generating circuit composed of a capacitor;
A constant current source that generates a constant current that is a predetermined ratio times a constant current generated from the constant current source of the lamp voltage generation circuit; a switch that is turned on during a period when a conversion start signal is input; and the lamp The capacitor has a capacitance value that is a predetermined ratio times the capacitance of the voltage generation circuit, and when the switch is turned on, the capacitance that charges the constant current generated from the constant current source and the voltage value of the capacitance are When it becomes the same potential as the voltage value of the capacitor of the ramp voltage generation circuit, the comparator outputs a conversion end signal, and the period during the period from the input of the conversion start signal to the output of the conversion end signal from the comparator A time difference digital conversion apparatus comprising: a voltage digital conversion circuit configured by a counter that counts a known clock.
第1の信号と第2の信号が入力されると、第1及び第2の信号の入力時間の差に相当するパルス幅を有するパルス信号を生成するパルス信号生成回路を設け、上記パルス信号生成回路により生成されたパルス信号がランプ電圧発生回路に入力されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の時間差デジタル変換装置。   When the first signal and the second signal are input, a pulse signal generation circuit that generates a pulse signal having a pulse width corresponding to the difference between the input times of the first and second signals is provided. 3. The time difference digital conversion apparatus according to claim 1, wherein the pulse signal generated by the circuit is input to the ramp voltage generation circuit. 第1の信号と第2の信号のうち、先に入力された信号を示す情報を出力する順序情報出力回路を設けたことを特徴とする請求項3記載の時間差デジタル変換装置。   4. The time difference digital conversion apparatus according to claim 3, further comprising an order information output circuit for outputting information indicating a signal input first among the first signal and the second signal. ランプ電圧発生回路の定電流源から発生される定電流と、電圧デジタル変換回路の定電流源から発生される定電流との電流比を設定する設定回路を設けたことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の時間差デジタル変換装置。   2. A setting circuit for setting a current ratio between a constant current generated from a constant current source of a lamp voltage generation circuit and a constant current generated from a constant current source of a voltage digital conversion circuit is provided. The time difference digital conversion device according to claim 1.
JP2012030609A 2012-02-15 2012-02-15 Time-lag digital converter Pending JP2013168786A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012030609A JP2013168786A (en) 2012-02-15 2012-02-15 Time-lag digital converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012030609A JP2013168786A (en) 2012-02-15 2012-02-15 Time-lag digital converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013168786A true JP2013168786A (en) 2013-08-29

Family

ID=49178880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012030609A Pending JP2013168786A (en) 2012-02-15 2012-02-15 Time-lag digital converter

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013168786A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016104464A1 (en) * 2014-12-25 2016-06-30 株式会社 東芝 Phase digital converter, phase difference pulse generator, wireless communication device, and wireless communication method
JP2021002809A (en) * 2019-06-24 2021-01-07 株式会社東芝 Drive circuit

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016104464A1 (en) * 2014-12-25 2016-06-30 株式会社 東芝 Phase digital converter, phase difference pulse generator, wireless communication device, and wireless communication method
JPWO2016104464A1 (en) * 2014-12-25 2017-06-15 株式会社東芝 Phase digital converter, phase difference pulse generator, radio communication apparatus, and radio communication method
US10218364B2 (en) 2014-12-25 2019-02-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Time to digital converter, phase difference pulse generator, radio communication device, and radio communication method
JP2021002809A (en) * 2019-06-24 2021-01-07 株式会社東芝 Drive circuit
JP7303672B2 (en) 2019-06-24 2023-07-05 株式会社東芝 drive circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8564471B1 (en) High resolution sampling-based time to digital converter
JP5559142B2 (en) Phase measuring device and frequency measuring device
TWI409468B (en) Apparatus and method for measuring a long time
Keranen et al. Wide-range time-to-digital converter with 1-ps single-shot precision
US9529336B2 (en) Analog to digital converter compatible with image sensor readout
EP0561331A2 (en) Analog-to-digital converting circuit
Mattada et al. Time‐to‐digital converters—A comprehensive review
TW200907364A (en) Device for jitter measurement and method thereof
CN103499743B (en) The system of a kind of high-acruracy survey resistance capacitance and circuit
US20110040509A1 (en) High Resolution Time Interpolator
US20070296396A1 (en) Phase Difference Measurement Circuit
CN107346976B (en) Digital-analog mixed time-to-digital conversion circuit
JP2005156495A (en) Time interval measurement apparatus and correction amount decision method
JP2004117356A (en) Time/voltage transducer
US10972116B2 (en) Time to digital converter and A/D conversion circuit
JP2013168786A (en) Time-lag digital converter
JP2017011358A (en) Time digital converter, analog to digital converter, and image sensor
CN112578180A (en) Delay circuit, time-to-digital converter, and A/D conversion circuit
Tancock et al. Temperature characterisation of the DSP delay line
CN102538991A (en) Temperature sensing device and method thereof
Deng et al. A high-precision coarse-fine time-to-digital converter with the analog-digital hybrid interpolation
JP6938344B2 (en) Time digital conversion circuit
KR20220163778A (en) Capacitance detecting method and apparatus
JP2005244758A (en) A/d conversion apparatus
Voelker et al. A low power oscillator based TDC with in-system non-linearity correction