nsecオーダーの信号の時間計測（測定）について

２種類の信号時間差（伝播差）を測定する実験機を作成予定なのですが、
その伝播差が数十nsec～１０μsec程度のため、どのようにこの伝播差を
計測したらよいか考えています。

当初はPIC、２０MHｚでTimer割り込みで、随時２種類の信号変化をみようと思
っていたのですが、その場合割り込み間隔が一番小さくても数μsec程度と
なりそうで、μsecオーダー間隔だと、数十nsecオーダーの伝播差は計測で
できそうにないので、別の方法を検討しています。

（クロックの最大はPICデータシート上２０MHｚと記載があったので、それ以上
　クロック周波数をあげるのは難しいそうです。）

nsecオーダーの時間計測などを行う場合、どのような方法をとるのでしょうか？
そのような専用IC、そのような測定の際の回路設計が必要？？

ご存じでしたら、教えて頂ければ幸いです。

No.3 回答者： ICE_FALCON 回答日時： 2011/03/04 23:43

#1です。

１MHｚの単一周波数ですか？、それなら4MHzでサンプリングして直交検波、
またはヒルベルト変換かな。
ドップラーですか・・・、かなり平滑化しないと精度が出ないでしょうね。
Ｓ／Ｎかなり悪くなるけど800kHzでサンプリングして直交検波でもできないことはない。

ちなみにサンプリングは水晶発信器の精度(ppm)が必要です。
マイコンでやる場合１ステップたりとも狂ってはいけません。
ＯＳ使うのなら、リアルタイムＯＳです。

まあ普通はマイコンの前にＦＰＧＡでも付けるんだけどね。
あとはアナログのバンドパスフィルタかな・・・
アナログアンプでついでに帯域制限できれば楽だけど。

No.2 回答者： AsanoNagi 回答日時： 2011/03/03 08:26

nsec オーダーで測定する「だけ」なら、迷わずオシロスコープとか、ロジックアナライザを買ってきましょう。

（いや、ちゃかしているわけではありません）

そもそも、タイマ割り込みで都度信号を見るというのも「遅くても許される場合」の処理です。
マイコンのハードウエア機能で、「インプットキャプチャ」など、信号変化の発生時点でカウント値を保持する機能などありますから（ものにより）そういう機能であれば、検討の余地もあります（かなりむつかしいけど）

No.1 回答者： ICE_FALCON 回答日時： 2011/03/03 00:09

あまりプログラミングと関係ない質問ですね・・・。

信号がどんな物かによって当然回路は変わります。
とりあえず信号帯域幅は？
信号の最大周波数は？
帯域幅によって必要な物が大きく異なります。

サンプリングの定理って知っていますか？
例えば１ＭＨｚでＡＤ変換する場合は、
５００ｋＨｚ以下の信号しかまともに見れません。

ただし、信号帯域が十分狭い場合には、
空いている帯域に信号を周波数シフトすることで、
５００ｋＨｚ以上の信号も見れます。
このような技術は無線信号処理でよく使われます。
中間周波数　無線とかで検索してみてください。
５００ｋＨｚ以下の信号の場合、雑音が小さければ、この技術は必要はありません。

信号帯域が十分狭い場合、伝播差を見るのは直交検波するのが最も簡単です。
例えば、信号が250ＭＨｚのsin波（帯域幅がほぼ０）でこれを１ＭＨｚでＡＤ変換した場合には、
それにsin[0,1,0,-1...]とcos[1,0,-1,0,...]を乗算するだけで、信号の位相が見えます。

次に信号の帯域幅が広い場合、
この場合１ＭＨｚでＡＤ変換で、５００ｋＨｚ以上の信号を見る方法はありません。
５００ｋＨｚ以下の信号の場合、伝播差を見るのは
片方の信号を目標値として、もう片方の信号に対して適応フィルタを適用するのが最も実用的だと思います。
さらに学習されたフィルタ係数にＦＦＴを適用すれば、位相差が見えます。
ＦＦＴは重たいので１秒に１回とかで十分だと思います。
適応フィルタはＬＭＳアルゴリズムが実装が簡単です。

回路は、雑音を考慮しなければ、
２５０ｋＨｚ以下の信号の場合、ＡＤが２個付いたマイコンだけでできます。
５００ｋＨｚ以下の信号の場合、・・・なにか必要かも。

この回答への補足

回答ありがとうございます。

直接プログラムとは関係ないですね、すみません。
物理学にもかかわると思いましたので、先ほど物理学のところにも、
質問しましたが、伝播差の計測は超音波流量計の超音波素子の伝播
時間の計測です。超音波素子は１MHｚ程度です。
伝播差が流速に比例するので、この時間差を計測すると思うのですが、
その時間がnsec～μsecオーダー変化となります。

タイムインターバルカウンタのような機器がちかいと思います。

実際の超音波流量計は、大きくても２０×２０cm程度の基板がのって
いる程度なので、その基板上で処理していると思うのですが、
どのような回路、プログラムかが非常に気になります。

受信→増幅まではわかるのですが、それ以降が今一、わかっていません。

もしご存じなことありましたら、おしえてください。
よろしくお願いいたします。

補足日時：2011/03/03 20:30