JPH10132927A - 時間計測回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発振器のクロック周波数によって時間分解能
が制限を受けることのない高精度な時間計測回路を提供
する。 【解決手段】 カウンター８のカウント動作を受信タイ
ミング検出回路１０の出力する受信タイミングパルスに
よって停止するとともに、該受信タイミングパルスが出
力された時に受信波サンプリング回路１１によってクロ
ックパルスを用いて受信信号をサンプリングし、該サン
プリング信号をＡ／Ｄコンバータ１２でディジタルデー
タに変換した後マイクロコンピュータ９に送り、マイク
ロコンピュータ９において受信波信号のゼロクロス点Ｐ
_C の位置を補間処理によって求め、該補間処理によって
得られた受信波信号のゼロクロス点Ｐ_C から受信タイミ
ングパルス位置までの経過時間（Δｔ＋ｔ_C ）と、カウ
ンターによって得られた経過時間Ｔ_m とを用いて超音波
の送信から受信までの経過時間Ｔ₀ を算出するようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はクロックパルスを用
いた時間計測回路に係り、特に、超音波の伝播時間の計
測に用いて好適な時間計測回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の時間計測回路のブロック
図、図５はそのタイムチャートである。なお、図５中の
各波形（ａ）〜（ｅ）は、図４中の同一符号（ａ）〜
（ｅ）位置の波形をそれぞれ示すものである。

【０００３】図４において、１は時間基準となるクロッ
クパルスを発生する発振器、２は送信タイミングパルス
を発生する送信タイミング発生回路、３は超音波用高周
波信号の送信回路、４は高周波信号を超音波に変換する
送信用の超音波トランスジューサ、５は受信した超音波
を電気信号に変換する受信用の超音波トランスジュー
サ、６は受信回路、７は受信波信号の受信タイミングパ
ルスを発生するゼロクロス検出回路、８は時間計測用の
カウンター、９は計測時間算出用のマイクロコンピュー
タである。

【０００４】上記従来回路の動作を、図５のタイムチャ
ートを参照して説明する。発振器１は、図５（ｄ）に示
すように、時間基準となる例えば１ＭＨｚのクロックパ
ルスを常時発振している。このクロックパルスは、送信
タイミング回路２とカウンター８のクロック端子ＣＬＫ
に送られる。送信タイミング発生回路２は、このクロッ
クバルスを基に、図５（ｂ）に示すように、クロックパ
ルスに同期した所定の時間位置で送信タイミングパルス
を発生し、送信回路３とカウンター７のスタート端子に
送る。送信回路３は、この送信タイミングパルスに同期
して、超音波発生用の高周波信号を送信用のトランスジ
ューサ４に送る。これによって、トランスジュウーサ４
から超音波が送出される。一方、カウンター８は、送信
タイミング発生回路２から送信タイミングパルスを受け
ると、図５（ｅ）に示すように、発振器１のクロックパ
ルスのカウントを開始する。

【０００５】送信用のトランスジューサ４から送出され
た超音波が、受信用の超音波トランスジューサ５で受信
されると、この受信波信号は受信回路６を介してゼロク
ロス回路７に送られる。ゼロクロス回路７は、図５
（ａ）に示す受信波信号のゼロクロス点Ｐ_C を検出し、
このゼロクロス点Ｐ_C 位置で、図５（ｃ）に示すような
受信タイミングパルスを発生する。

【０００６】本来、超音波の受信点は、受信波信号の最
初の立ち上がり位置たるＰ₀ 点であるが、このＰ₀ 点は
信号レベルが小さく不安定で、しかも、ノイズなどに埋
もれているために、確実に検出することが困難である。
そこで、通常、この種の時間計測回路においては、受信
波信号がレベル的にも安定した次のゼロクロス点Ｐ_C位
置を時間計測点として検出するようにしている。このＰ
_C 点を時間計測点とした場合、そのままでは、超音波の
発信周波数の１周期時間ΔＴ分だけ計測時間が長くなる
が、超音波の発信周波数は回路設計上予め分かっている
ので、後述するように、このＰ_C 点までの計測時間から
超音波の発信周波数の１周期時間ΔＴを差し引いてやる
ことにより、最終的な計測時間Ｔ₀ として出力するよう
にしている。

【０００７】前記ゼロクロス検出回路７から出力される
受信タイミングパルスはカウンター７に送られ、図５
（ｅ）に示すように、この受信タイミングパルスによっ
てクロックパルスのカウントが停止される。このように
してカウンター８において得られるクロックパルスのカ
ウント数ｎは、超音波の送信位置から前記ゼロクロス点
Ｐ_C 位置までの時間間隔を示している。そこで、マイク
ロコンピュータ９は、このカウンター８で得られたカウ
ント数ｎを用い、該カウント数にクロックパルスの１ク
ロック幅（周波数の逆数）をかけることによりその経過
時間Ｔ_n ＝（Δｔ×ｎ）を算出し、さらに、この経過時
間Ｔ_n から超音波の発信周波数の１周期時間ΔＴを差し
引いた後、最終的な計測時間Ｔ₀ として出力する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の時間計測回路の場合、図５（ｅ）に示すよう
に、最後にカウントしたｎ個目のクロックパルス位置と
ゼロクロス点Ｐ_C との間に或る誤差δｔが発生してしま
う。この誤差δｔは測定原理上避けられないものであ
り、その最大値はクロックパルスの１クロック幅Δｔと
なる。したがって、従来の時間計測回路における時間分
解能は、発振器１のクロックパルスの周波数によって決
まってしまい、最大でも１クロック幅Δｔの分解能しか
得ることができなかった。このため、従来の時間計測回
路において時間分解能を上げるには、発信周波数の極め
て高い発振器やカウント回路を用いる必要があり、コス
トの増大を招くとともに、消費電力が増大してしまうと
いう問題があった。また、クロックノイズなどの問題か
ら回路配線にも制約を受け、自由は回路設計ができない
という問題もあった。

【０００９】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたもので、発振器のクロック周波数によって
時間分解能が制限を受けることのない高精度な時間計測
回路を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、発振器から出力されるクロックパルスを
カウントすることにより超音波の送信から受信までの経
過時間を計測する時間計測回路において、超音波の受信
波信号の信号レベルが所定レベルに達した時に受信タイ
ミングパルスを発生する受信タイミング検出回路と、超
音波の送信開始位置からクロックパルスのカウントを開
始するとともに、前記受信タイミング検出回路から受信
タイミングパルスが出力された時にカウントを停止する
カウンターと、前記受信タイミング検出回路から受信タ
イミングパルスが出力された時点からクロックパルスを
用いて受信波信号のサンプリングを開始する受信波サン
プリング回路と、該受信波サンプリング回路から出力さ
れるサンプリング信号をディジタルデータに変換するＡ
／Ｄコンバータと、該Ａ／Ｄコンバータから送られてく
るサンプリングデータを基に、受信波信号のゼロクロス
点を補間処理によって求め、該ゼロクロス点と前記受信
タイミングパルスまでの経過時間と前記カウンタによっ
て得られる受信タイミングパルス位置までの経過時間と
を用いて超音波の送信から受信までの経過時間を算出す
る演算手段とを備えたことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明の時間計測回路の場合、カウンタは、超
音波の送信開始位置からクロックパルスのカウントを開
始するとともに、受信タイミング検出回路から受信タイ
ミングパルスが出力された時点でカウントを停止する。
一方、受信波サンプリング回路は、前記受信タイミング
検出回路から受信タイミングパルスが出力された時点か
らクロックパルスを用いて受信波信号のサンプリングを
開始し、得られたサンプリングデータを演算手段へ送
る。

【００１２】演算手段は、受信波サンプリング回路によ
って得られたサンプリングデータを基に、受信波信号の
ゼロクロス点を補間処理によって求め、該ゼロクロス点
と前記受信タイミングパルスまでの時間間隔を比例演算
により算出する。そして、該得られた時間間隔と前記カ
ウンタによって得られた受信タイミングパルス位置まで
の経過時間とから超音波の送信から受信までの経過時間
を算出する。

【００１３】上記したように、本発明の場合、受信波信
号のゼロクロス点を補間処理によって求めるようにして
いるので、補間処理の精度を上げれば上げるほど、ゼロ
クロス点の算出位置精度も向上する。このため、時間分
解能が発振器のクロックパルスの周波数に依存すること
がなくなり、時間分解能をクロックパルスのパルス幅以
下に上げることができ、より正確な計測時間を得ること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明に係る時間計
測回路の１実施形態のブロック図、図２はそのタイムチ
ャート、図３は補間処理の説明図である。なお、図２中
の各波形（ａ）〜（ｃ）は、図１中の同一符号（ａ）〜
（ｃ）位置の波形をそれぞれ示すものである。

【００１５】図１において、１は発振器、２は送信タイ
ミング発生回路、３は送信回路、４は送信用の超音波ト
ランスジューサ、５は受信用の超音波トランスジュー
サ、６は受信回路、８はカウンター、９はマイクロコン
ピュータであって、これらの回路は前述した従来の時間
計測回路と同じものである。本発明は、従来回路のゼロ
クロス検出回路７に代えて、受信タイミング検出回路１
０を用いるとともに、受信波サンプリング回路１１とＡ
／Ｄコンバータ１２を付設したものである。受信タイミ
ング検出回路１０は、超音波の受信波信号の信号レベル
が所定レベルに達した時に受信タイミングパルスを発生
する回路、受信波サンプリング回路１１は、受信タイミ
ング検出回路から受信タイミングパルスが出力された時
点からクロックパルスを用いて受信波信号のサンプリン
グ行なう回路、また、Ａ／Ｄコンバータ１２は、サンプ
リングデータをディジタルデータに変換し、マイクロコ
ンピュータ９へ送る変換回路である。

【００１６】次に、上記回路の動作を、図２のタイムチ
ャートを参照して説明する。発振器１は、図２（ｄ）に
示すように、時間基準となる例えば１ＭＨｚのクロック
パルスを常時発振している。このクロックパルスは、送
信タイミング発生回路２、カウンター８および受信波サ
ンプリング回路１１クロック端子ＣＬＫに送られる。送
信タイミング発生回路２は、このクロックバルスを基
に、図２（ｂ）に示すように、クロックパルスに同期し
た所定の時間位置で送信タイミングパルスを発生し、送
信回路３とカウンター７のスタート端子に送る。送信回
路３は、この送信タイミングパルスに同期して、超音波
発生用の高周波信号を送信用のトランスジューサ４に送
る。これによって、トランスジューサ４から超音波が送
出される。一方、カウンター８は、送信タイミング発生
回路２から送信タイミングパルスを受けると、図２
（ｅ）に示すように、発振器１のクロックパルスのカウ
ントを開始する。

【００１７】送信用のトランスジューサ４から送出され
た超音波が受信用の超音波トランスジューサ５で受信さ
れると、この受信波信号は受信回路６を介して受信タイ
ミング検出回路１０と受信波サンプリング回路１１に送
られる。受信タイミング検出回路１０は、図２（ａ）に
示すように、受信波信号の信号レベルが負側の所定レベ
ルに達すると、図２（ｃ）に示すように、クロックパル
スに同期した受信タイミングパルスを発生する。この受
信タイミングパルスは、カウンタ８のストップ端子と受
信波サンプリング回路１１に送られる。カウンター８
は、この受信タイミングパルスを受けると、図２（ｅ）
に示すように、クロックパルスのカウントを停止する。

【００１８】一方、受信波サンプリング回路１１は、受
信タイミング検出回路１０から受信タイミングパルスを
受けると、図２（ａ）に示すように、クロックパルスを
用いて受信波信号を順次サンプリングし、各サンプリン
グ点Ｐ₁ 〜Ｐ₄ のサンプリング値をＡ／Ｄコンバータ１
２でディジタルデータに変換した後、マイクロコンピュ
ータ９に送る。マイクロコンピュータ９は、この送られ
てくるサンプリングデータをメモリなどに格納した後、
データの符号が最初に負側から正側に反転するサンプリ
ング点Ｐ₁ ，Ｐ₂ を選び出す。次いで、図３に示すよう
に、この２点Ｐ₁ ，Ｐ₂ を結ぶ直線を一次式を用いた直
線補間により求め、この補間直線と信号レベル０のライ
ンとが交わるゼロクロス点Ｐ_c ′からＰ₁ 位置までの時
間ｔ_c を比例演算により算出する。

【００１９】そして、マイクロコンピュータ９は、カウ
ンター８のカウント値ｍによって得らる経過時間Ｔ_m ＝
（Δｔ×ｍ）と、受信タイミングパルスから点Ｐ₁ 位置
までの経過時間Δｔと、前記補間処理により得られた演
算時間ｔ_C とから、送信タイミングパルス位置からゼロ
クロス点Ｐ_C ′位置までの経過時間（Ｔ_m ＋Δｔ＋
ｔ_C ）を算出した後、この経過時間（Ｔ_m ＋Δｔ＋
ｔ_C ）から超音波の発信周波数の１周期時間ΔＴを差し
引いてやることにより、最終的な正しい計測時間Ｔ₀ ＝
（Ｔ_m ＋Δｔ＋ｔ_C ）−ΔＴとして出力する。

【００２０】上記のようにして補間処理によってゼロク
ロス点Ｐ_C ′の位置を求めた場合、このゼロクロス点Ｐ
_C ′の位置はクロックパルスの１クロック幅よりも細か
な時間として正確に算出することができる。このため、
使用しているクロックパルスは従来と同じ１ＭＨｚであ
りながら、この１ＭＨｚのパルスの間をさらに細かく分
割して計測することが可能となり、時間分解能を上げる
ことができる。この時間分解能は、Ａ／Ｄコンバータ１
２の変換ビット数によって変わり、例えば８ビットのと
きに１クロックパルスのパルス幅Δｔの１／５０程度、
１２ビットのときに１／８００程度の時間分解能が得ら
れる。

【００２１】なお、前記の例では、ゼロクロス点Ｐ_c ′
の位置を２点Ｐ₁ 、Ｐ₂ を用いた直線補間により求めた
が、３点による２次補間、４点による３次補間など、高
次の関数によって補間することもできる。このように、
高次の関数を用いて補間すればするほど、図３に示した
実際のゼロクロス点Ｐ_C と補間により求めたゼロクロス
点Ｐ_C ′との位置誤差が小さくなり、より高精度な計測
を実現できる。

【００２２】また、前記の例では、説明を簡単とするた
めに、送信タイミングパルス位置からＰ₁ 位置までのサ
ンプリング回数が１回の場合について示したが（図
２）、この送信タイミングパルス位置からＰ₁ 位置まで
のサンプリング回数は、サンプリングデータの符号が負
から正に変わる最初のサンプリング点がどの位置にある
かによって変わるものである。したがって、一般的に
は、符号が負から正に変わるサンプリング点をＰ_j とす
るとき、送信タイミングパルス位置からこの符号が変わ
るサンプリング点Ｐ_j 位置までの経過時間は（Δｔ×
ｊ）で求めることができる。

【００２３】なお、本発明に係る時間計測回路は、送信
用のトランスジューサ４から送出した超音波を対向配置
した受信用のトランスジューサ５で直接受信する場合、
送信用のトランスジューサ４から送出した超音波の被検
知物体からの反射波を受信用のトランスジューサ５で受
信する場合など、どのような使用形態においても適用可
能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の時間計測
回路によるときは、受信波信号のゼロクロス点の位置を
補間処理によって求め、この補間処理によって得られた
受信波信号のゼロクロス点と受信タイミングパルス位置
までの経過時間と、カウンターによって得られた経過時
間とを用いて超音波の送信から受信までの経過時間を算
出するようにしたので、時間分解能を発振器のクロック
パルスの１クロックパルス以下とすることが可能とな
り、分解能を上げて計測精度を向上することができる。
また、分解能を上げるために発信周波数の高い高価な発
振器やカウンターを必要としないので、コスト低減を図
ることができるとともに、消費電力も小さくすることが
できる。さらに、クロックノイズなどの心配もなくなる
ので、回路設計の自由度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る時間計測回路の１実施形態のブロ
ック図である。

【図２】図１の時間計測回路のタイムチャートである。

【図３】本発明における補間処理の説明図である。

【図４】従来の時間計測回路のブロック図である。

【図５】従来の時間計測回路のタイムチャートである。

【符号の説明】

１ 発振器 ２ 送信タイミング発生回路 ３ 送信回路 ４ 送信用の超音波トランスジューサ ５ 受信用の超音波トランスジューサ ６ 受信回路 ８ カウンター ９ マイクロコンピュータ（演算手段） １０ 受信タイミング検出回路 １１ 受信波サンプリング回路 １２ Ａ／Ｄコンバータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発振器から出力されるクロックパルスを
   カウントすることにより超音波の送信から受信までの経
   過時間を計測する時間計測回路において、 超音波の受信波信号の信号レベルが所定レベルに達した
   時に受信タイミングパルスを発生する受信タイミング検
   出回路と、 超音波の送信開始位置からクロックパルスのカウントを
   開始するとともに、前記受信タイミング検出回路から受
   信タイミングパルスが出力された時にカウントを停止す
   るカウンターと、 前記受信タイミング検出回路から受信タイミングパルス
   が出力された時点からクロックパルスを用いて受信波信
   号のサンプリングを開始する受信波サンプリング回路
   と、 該受信波サンプリング回路から出力されるサンプリング
   信号をディジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータ
   と、 該Ａ／Ｄコンバータから送られてくるサンプリングデー
   タを基に、受信波信号のゼロクロス点を補間処理によっ
   て求め、該ゼロクロス点と前記受信タイミングパルスま
   での経過時間と前記カウンタによって得られる受信タイ
   ミングパルス位置までの経過時間とを用いて超音波の送
   信から受信までの経過時間を算出する演算手段とを備え
   たことを特徴とする時間計測回路。