이벤트 시간 측정 방법 및 회로{Method and circuit of measuring a time interval between events}
본 발명은 이벤트들 사이의 시간 간격의 범위를 측정하는 방법 및 회로에 관한 것이다.
TDC(Time to Digital Converter) 등을 이용한 이벤트 시간 측정, 특히 이벤트들 사이의 시간 간격의 측정은 여러 기술 분야에서 사용된다. 예를 들어, 이벤트 시간 측정 방법은 화학 반응의 시작 시점과 완료 시점 사이의 시간 간격의 측정, 레이저를 이용하여 특정 물체까지의 거리를 측정(TOF: Time Of Flight)하기 위해 레이저가 출력된 시점과 물체로부터 반사된 레이저가 수신되는 시점 사이의 시간 간격의 측정, 반도체 소자에서 발생하는 지연 시간의 측정 등과 같이 제1 이벤트(event)의 발생 시점과 제2 이벤트의 발생 시점 사이의 간격을 측정하는데 이용될 수 있다. 이하, 상기 TOF 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 살펴보겠다. 도 1은 종래의 시간 간격 측정 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, TOF 시스템은 레이저가 출력(제1 이벤트)된 시점과 물체에서 반사된 레이저가 수신(제2 이벤트)된 시점 사이의 시간 간격을 측정하고, 측정된 시간 간격과 레이저의 속도를 곱함으로써 물체까지의 거리를 측정한다. 이 때, 레이저의 출력 시점과 레이저의 수신 시점 사이의 시간 간격은 링 오실레이터를 통해 출력되는 클록 신호 및 카운터를 이용함에 의해 측정된다. 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 레이저가 출력되는 시점부터 클럭 신호가 출력되며, 카운터는 레이저의 출력 시점과 레이저의 수신 시점 사이의 시간 간격 내에서 측정된 클록 신호의 오실레이션 횟수(보다 정확하게, 상승 에지(Rising Edge)의 발생 횟수)를 측정(=4)한다. 이 때, 레이저의 출력 시점과 레이저의 수신 시점 사이의 시간 간격은 측정된 상승 에지의 발생 횟수(=4)와 클록 신호의 주기(=T P )를 곱함에 의해 측정된다. 그러나, 이와 같은 이벤트 시간 측정 방법을 이용하여 이벤트들 사이의 시간 간격을 측정하는 경우, 제1 이벤트의 발생 시점과 제2 이벤트의 발생 시점 사이의 간격이 매우 좁기 때문에 정확한 시간 간격을 측정하는 것이 어려웠으며 근사값으로 측정되었다. 한편, 측정된 시간 간격에 작은 오차가 있는 경우, 결과 값(측정 거리 등)에서 큰 에러가 발생할 수 있다. 결과적으로, 종래의 이벤트 시간 측정 방법을 이용하면 큰 에러를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저가 출력된 시점과 레이저가 수신된 시점의 실제 시간 간격(T R )은 상승 에지의 발생 횟수 및 클록 신호의 주기를 곱함에 의해 측정된 시간 간격(T M )과 정확하게 일치하지 않고 에러 시간(T E )만큼의 오차가 발생할 수 있다. 이 경우, 클록 신호의 주파수가 100MHz이면, 에러 시간(T E )은 ±10nS 정도가 되고, 이에 의해 측정된 거리와 실제 거리 사이에는 ±1.5m 정도의 큰 오차가 발생하게 된다. 즉, 클록 신호를 이용하여 시간 간격을 측정하는 종래의 TDC 기반의 이벤트 시간 측정 방법은 클록 신호의 에지와 제2 이벤트 발생 시점이 동기화되지 않는(asynchronous) 이유로 인해 시간 간격을 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 반복적 측정 방법을 통해 미세한 시간 간격의 범위를 보다 정확하게 측정할 수 있는 이벤트 시간 측정 방법 및 회로를 제안하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, N(2 이상의 정수임)개의 주파수 신호들을 이용하여 이벤트들 사이의 시간 간격에 대한 시간 범위들을 측정하는 단계; 및 상기 시간 범위들의 공통 범위를 이벤트 시간으로 결정하는 단계를 포함하되, 상기 주파수 신호들의 주파수들 중 적어도 하나의 주파수는 다른 주파수와 상이한 것을 특징으로 하는 이벤트 시간 측정 방법이 제공된다. . 상기 시간 범위들을 측정하는 단계는 상기 시간 간격 내에서의 상기 주파수 신호들의 오실레이션 횟수를 측정하고, 상기 측정된 주파수 신호들의 오실레이션 횟수 및 상기 주파수들을 이용하여 상기 시간 범위들을 측정할 수 있다. 상기 주파수 신호들은 클록 신호이고, 상기 주파수 신호들의 오실레이션 횟수는 상기 시간 간격 내에서의 클록들의 상승 에지(Rising Edge)의 발생 횟수와 동일할 수 있다. 상기 주파수 신호들 중 i번째 주파수 신호를 이용하여 측정된 i번째 시간 범위의 하한값은 상기 i번째 주파수 신호의 오실레이션 횟수 보다 1만큼 작은 값을 상기 i번째 주파수 신호의 주파수로 나눈 값이고, 상기 i번째 시간 범위의 상한값은 상기 i번째 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 상기 i번째 주파수 신호의 주파수로 나눈 값일 수 있다. 상기 시간범위들을 측정하는 단계는 하나 또는 2 이상의 장치에서 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 시간 범위의 시작점에 대응되는 제1 이벤트의 발생 시점은 거리 측정을 위한 신호의 출력 시점, 화학 반응의 시작 시점 또는 반도체 소자에서 발생하는 지연 시간의 측정의 시작 시점을 의미하고, 상기 시간 범위의 종료점에 대응되는 제2 이벤트의 발생 시점은 상기 거리 측정을 위한 신호에 응답하여 전송된 응답 신호의 도달 시점, 상기 화학 반응의 종료 시점 또는 상기 반도체 소자에서 발생하는 지연 시간의 측정의 종료 시점을 의미할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, N(2 이상의 정수임)개의 주파수 신호들을 이용하여 이벤트들 사이 시간내의 상기 주파수 신호들의 오실레이션 횟수를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 주파수 신호들의 오실레이션 횟수와 상기 주파수 신호들의 주파수를 이용함에 의해 생성된 시간 범위들의 공통 범위를 이벤트 시간으로 결정하는 단계를 포함하되, 상기 주파수 신호들의 주파수 중 적어도 하나는 다른 주파수와 다른 것을 특징으로 하는 이벤트 시간 측정 방법이 제공된다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 이벤트 시간 측정 방법을 위해 사용되는 회로에 있어서, M(2 이상의 정수임)개의 제1 지연 소자들; 및 N(2 이상의 정수임)개의 제2 지연 소자들을 포함하되, 상기 제1 지연 소자들 중 적어도 하나의 제1 지연 소자의 출력단은 대응되는 제2 지연 소자의 입력단과 연결되는 것을 특징으로 하는 이벤트 시간 측정 회로가 제공된다. 상기 제1 지연 소자의 출력단은 대응되는 제2 지연 소자의 입력단과 연결되면서 다음 단의 제1 지연 소자의 입력단과도 연결되고, 상기 제2 지연 소자들 중 하나의 출력단은 대응되는 제1 지연 소자의 입력단 및 다음 단의 제2 지연 소자의 입력단과 연결될 수 있다. 상기 제1 지연 소자들 중 하나의 제1 입력단은 이전 단의 제1 지연 소자의 출력단과 연결되고, 다른 제2 입력단은 대응되는 제2 지연 소자의 출력단과 연결되되, 상기 하나의 제1 지연 소자는 제어 신호에 따라 상기 입력단들 중 하나만 선택하여 동작할 수 있다. 상기 제2 지연 소자의 제1 입력단은 대응되는 제1 지연 소자의 출력단과 연결되고, 다른 제2 입력단은 다음 단의 제2 지연 소자의 출력단과 연결되되, 상기 제2 지연 소자는 제어 신호에 따라 상기 입력단들 중 하나만 선택하여 동작할 수 있다. 상기 제1 지연 소자 및 상기 제2 지연 소자는 제어 신호에 따라 버퍼 또는 인버터 중 어느 하나로 동작할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반복적 측정 방법을 통해 미세한 시간 간격의 범위를 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 발진 회로 및 카운터 이외의 다른 내부/외부 장비를 필요로 하지 않고 간단한 방법에 시간 간격의 범위를 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 피코초(pico second) 정도의 해상도가 높은 시간 간격의 범위를 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 시간 간격 측정 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서 이벤트 시간의 하한값 및 상한값을 설정하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라서 반복 수행되는 이벤트 시간 측정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 방법의 수행 과정에서 출력되는 신호들의 일례들을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 회로의 상세한 구성을 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지연 소자(610, 620)의 상세한 구성을 도시한 회로도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서 이벤트 시간의 하한값 및 상한값을 설정하는 개념을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 방법은 미세한 간격 차를 두고 발생하는 제1 이벤트(시간 범위의 시작점) 및 제2 이벤트 사이(시간 범위의 종료점)의 시간 간격(이하, "이벤트들 사이의 시간 간격"이라고 함)의 가능 시간 범위를 높은 해상도를 가지고 측정한다. 여기서, 제1 이벤트의 발생 시점은 화학 반응의 시작 시점, 거리 측정을 위한 레이저의 출력 시점, 반도체 소자에서 발생하는 지연 시간의 측정의 시작 시점 등과 같이 특정 사건의 시작 시점의 시작을 의미하고, 제2 이벤트의 발생 시점은 화학 반응의 종료 시점, 거리 측정을 위해 출력된 신호에 응답하여 전송(즉, 반사된) 레이저의 수신 시점, 반도체 소자에서 발생하는 지연 시간의 측정의 종료 시점 등과 같이 시작된 특정 사건의 종료 시점을 의미한다. 이하, 도 2를 참조하여 각 단계 별로 수행되는 과정을 상술하기로 한다. 먼저, 단계(S210)에서는 제1 이벤트의 발생 시점에서 발진 회로(일례로, 링 오실레이터)를 통해 제1 주파수를 갖는 제1 주파수 신호가 출력된다. 이 때, 제1 주파수 신호는 클록 펄스 형태의 신호일 수 있다. 또한, 제1 주파수는 종래 이벤트 시간 방법에 사용된 주파수 신호의 주파수보다 낮을 수 있다. 단계(S220)에서는 이벤트들 사이의 시간 간격 내에서의 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정한다. 이 때, 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수의 측정은 카운터를 통해 수행될 수 있다. 즉, 카운터는 제1 이벤트가 발생한 시점에서 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수의 측정을 시작하고, 제2 이벤트가 발생한 시점에서 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수의 측정을 종료함으로써 이벤트들 사이의 시간 간격 내에서의 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정할 수 있다. 만약, 제1 주파수 신호가 클록 신호라면, 단계(S220)에서는 이벤트들 사이의 시간 간격 내에서의 클록들의 상승 에지(Rising Edge)의 발생 횟수를 측정함으로써 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정할 수 있다. 다시 말해, 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수는 이벤트들 사이의 시간 간격 내에서의 클록들의 상승 에지의 발생 횟수와 동일할 수 있다. 물론, 발명을 구성하는 방법에 따라서 단계(S220)에서는 하강 에지(Falling Edge)를 측정함으로써 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정할 수도 있다. 단계(S230)에서는 측정된 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수 및 제1 주파수에 기초하여 이벤트들 사이의 시간 간격에 대한 시간 범위의 제1 하한값 및 제1 상한값을 설정하여 제1 시간 범위를 측정한다. 제1 시간 범위는 아래에서 설명하는 단계(S230) 내지 단계(S270)이 수행되기 전까지 이벤트 시간으로 결정된다. 만약, 제1 주파수 신호가 클록 신호이고, 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수가 클록들의 상승 에지의 발생 횟수라면, 단계(S230)에서는 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 작은 값을 제1 주파수로 나눈 값을 제1 하한값으로 설정하고, 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수와 제1 주파수의 역수를 곱한 값을 제1 상한값으로 설정할 수 있다. 일례로서, 단계(S230)에서의 제1 시간 범위의 측정은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 수행될 수 있다(제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수: 4, 제1 하한값: 3×T P1 제1 상한값: 4×T P1 ) 다음으로, 단계(S240)에서는 제1 이벤트의 발생 시점에서 발진 회로를 통해 제2 주파수를 갖는 제2 주파수 신호가 출력된다. 여기서, 제2 주파수는 종래 이벤트 시간 방법에 사용된 주파수 신호의 주파수보다 낮을 수 있다. 이 때, 제2 주파수는 제1 주파수보다 클 수도 있고 작을 수도 있으나, 설명의 편의를 위하여 큰 주파수로 가정한다. 또한, 제2 주파수 신호 역시 클록 펄스 형태의 신호일 수 있다. 단계(S250)에서는 이벤트들 사이의 시간 간격 내에서의 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정한다. 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수의 측정 역시 카운터를 통해 수행될 수 있다. 또한, 제2 주파수 신호가 클록 신호인 경우, 단계(S250)에서도 단계(S220)에서와 같이 이벤트들의 시간 간격 내에서의 클록들의 상승 에지의 발생 횟수를 측정함으로써 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정할 수 있다. 만약, 제2 주파수 신호가 클록 신호이고, 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수가 클록들의 상승 에지의 발생 횟수라면, 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수와 동일할 수도 있고(제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수: 4), 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 증가한 값을 가질 수도 있다(제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수: 5). 단계(S260)에서는 측정된 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수 및 제2 주파수에 기초하여 이벤트들 사이의 시간 간격에 대한 시간 범위의 제2 하한값 및 제2 상한값을 설정하여 제2 시간 범위를 측정한다. 만약, 제2 주파수 신호가 클록 신호이고, 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수가 클록들의 상승 에지의 발생 횟수라면 단계(S260)에서는 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 작은 값을 제2 주파수로 나눈 값을 제2 하한값으로 설정하고, 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 제2 주파수로 나눈 값을 제2 상한값으로 설정할 수 있다. 일례로서, 단계(S260)에서의 제2 시간 범위의 측정은 도 3의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 수행될 수 있다(도 3의 (b)의 경우, 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수: 4, 제2 하한값: 3×T P2 , 제2 상한값: 4×T P2 , 도 3의 (c)의 경우, 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수: 5, 제2 하한값: 4×T P2 , 제2 상한값: 5×T P2 ). 단계(S270)에서는 제1 시간 범위와 제2 시간 범위의 공통 범위를 이벤트 시간으로 결정(갱신)한다. 다시 말해, 단계(S270)에서는 제1 하한값 및 제2 하한값 중에서 큰 값을 이벤트 시간의 하한값으로 설정하고, 제1 상한값 및 제2 상한값 중에서 작은 값을 이벤트 시간의 상한값으로 설정함으로써 이벤트 시간을 결정(갱신)한다. 이에 따라, 단계(S270)에서는 단계(S210) 내지 단계(S230)를 통해 설정된 이벤트 시간보다 더 좁은 이벤트 시간을 설정할 수 있게 되어 측정된 이벤트들 사이의 시간 간격의 범위의 해상도(resolution)를 증가시킬 수 있게 된다. 이 때, 앞서 설명한 바와 같이 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수는 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수와 동일할 수도 있고, 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 증가한 값을 가질 수도 있으므로, 이하에서는 각각의 경우 별로 단계(S270)에서의 공통 범위 설정 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 제1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호는 클록 신호이고, 각 주파수 신호의 오실레이션 횟수는 클록들의 상승 에지 발생 횟수와 동일하며, 제2 주파수는 제1 주파수 보다 큰 것으로 가정한다.
1) 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수와 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수가 동일한 경우
먼저, 앞서 설명한 제1 하한값 및 제1 상한값을 수학식으로 표현하면 아래의 수학식 1과 같다.
여기서, LB 1 은 제1 하한값, HB 1 은 제1 상한값, N C 는 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수, f 1 은 제1 주파수를 각각 의미한다. 한편, 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수와 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수는 동일하므로, 제2 하한값 및 제2 상한값은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
여기서, LB 2 은 제2 하한값, HB 2 은 제2 상한값, f 2 은 제2 주파수를 각각 의미한다. 여기서, 제1 하한값과 제2 하한값의 비율 및 제1 상한값과 제2 상한값의 비율을 연산하면 아래의 수학식 3과 같다.
이 때, 제2 주파수는 제1 주파수보다 크므로, 수학식 3을 참조하면 제2 하한값은 제1 하한값 보다 작고, 제2 상한값은 제1 상한값 보다 작으며, 그 비율은 동일함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 일례의 경우 단계(S270)에서는 이벤트 시간의 범위를 좁히기 위해 큰 하한값인 제1 하한값을 이벤트 시간의 하한값으로 설정(갱신)하고, 작은 상한값인 제2 상한값을 이벤트 시간의 상한값으로 설정(갱신)함으로서 제1 시간 범위와 제2 시간 범위의 공통 범위를 이벤트 시간으로 결정하게 된다.
2) 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수가 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 작은 경우
제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수는 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 크므로, 제2 하한값 및 제2 상한값은 아래의 수학식 4와 같이 표현된다.
이 때, 제1 하한값 및 제1 하한값은 상기의 수학식 1과 같이 표현되므로, 제1 하한값과 제2 하한값의 비율(ratio) 및 제1 상한값과 제2 상한값의 비율을 계산하면 아래의 수학식 5와 같다.
여기서, 만약 가 1보다 크면(즉, 제2 하한값이 제1 하한값 보다 크면), 단계(S270)에서는 제2 하한값을 이벤트 시간의 하한값으로 설정하고, 반대로 가 1보다 작으면(즉, 제1 하한값이 제2 하한값 보다 크면), 단계(S270)에서는 제1 하한값을 이벤트 시간의 하한값으로 설정한다. 즉, 단계(S270)에서는 제1 주파수 및 제2 주파수의 비율( )이 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 작은 값 및 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수의 비율( )보다 크면 제2 하한값을 이벤트 시간의 하한값으로 설정하고, 제1 주파수 및 제2 주파수의 비율( )이 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 작은 값 및 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수의 비율( )보다 작으면 제1 하한값을 이벤트 시간의 하한값으로 설정한다. 마찬가지로, 만약 가 1보다 크면(즉, 제2 상한값이 제1 상한값 보다 크면), 단계(S270)에서는 제1 상한값을 이벤트 시간의 상한값으로 설정하고, 반대로 가 1보다 작으면(즉, 제1 상한값이 제2 상한값 보다 크면), 단계(S270)에서는 제2 상한값을 이벤트 시간의 하한값으로 설정한다. 즉, 단계(S270)에서는 제1 주파수 및 제2 주파수의 비율( )이 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수 및 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수(즉, 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수보다 1만큼 큰 값)의 비율( )보다 크면 제1 상한값을 이벤트의 시간의 상한값으로 설정하고, 제1 주파수 및 제2 주파수의 비율( )이 제1 주파수 신호의 오실레이션 횟수 및 제2 주파수 신호의 오실레이션 횟수의 비율( )보다 작으면 제2 상한값을 이벤트 시간의 상한값으로 설정한다. 이와 같이 설정된 이벤트들 사이의 시간 간격의 하한값 및 상한값에 따라 제1 시간 범위와 제2 시간 범위의 공통 범위인 이벤트 시간이 결정된다.
한편, 이와 같은 단계(S210) 내지 단계(S230)의 수행 및 단계(S240) 내지 단계(S260)의 수행은 하나의 이벤트 시간 측정 장치에서 순차적으로 수행될 수도 있고, 2개의 이벤트 시간 측정 장치에서 동시에 수행될 수도 있다. 이와 같은 이벤트 시간 측정 방법은 서로 다른 N개의 주파수 신호들을 이용하여 반복적으로 수행될 수 있으며, 이에 의해 측정된 이벤트들 사이의 시간 간격의 범위를 보다 좁힐 수 있게 된다(즉, 이벤트들 사이의 시간 간격의 범위의 해상도를 보다 증가시킬 수 있다). 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 방법은 앞서 제1 시간 범위 및 제2 시간 범위의 측정과 동일한 단계를 N(2 이상의 정수임)개의 주파수 신호들에 대해 반복적으로 수행하여 이벤트들 사이의 시간 간격에 대한 N개의 시간 범위들을 측정하고, N개의 시간 범위들의 공통 범위를 산출하여 이벤트 시간을 결정할 수 있다. 이 때, N개의 주파수 신호들의 주파수들 중 적어도 하나의 주파수는 다른 주파수와 상이하며, 바람직하게는 N개의 주파수 신호들의 주파수는 서로 상이하다. 이 경우에도 반복적으로 수행되는 시간 범위의 측정은 하나의 이벤트 시간 측정 장치에서 순차적으로 수행될 수도 있고, 복수의 이벤트 측정장치에서 동시에 수행될 수도 있다. 이하에서는 도 4를 참조하여 반복 수행되는 시간 간격 측정 방법의 일례를 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라서 반복 수행되는 이벤트 시간 측정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 방법의 수행 과정에서 출력되는 신호들의 일례들을 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5에서는 설명의 편의를 위해 클록 신호 형태의 주파수 신호를 이용해 클록들의 상승 에지의 발생 횟수를 측정하여 각 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정하는 일례를 중심으로 설명하기로 한다. 물론, 발명의 구성에 따라 클록들의 하강 에지의 횟수를 특정하여 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 측정할 수도 있다. 또한, 도 4 및 도 5에서는 주파수 신호의 주파수를 기 설정된 값만큼 단계적으로 증가시키는 것으로 설명하지만, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 반복 수행되는 이벤트 시간 측정 방법은 주파수 신호의 주파수를 임의의 값만큼 불규칙적으로 증가시면서 수행될 수도 있다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 각 단계 별로 수행되는 과정을 상술하기로 한다. 먼저, 단계(S410)에서는 제1 이벤트의 발생 시점에서 소정의 주파수를 갖는 주파수 신호가 출력된다. 이하에서는 소정의 주파수를 "기준 주파수(Reference Frequency, f ref )"라 칭하기로 한다. 단계(S420)에서는 이벤트들 사이의 시간 간격 내에서의 주파수 신호의 오실레이션 횟수(즉, 상승 에지의 발생 횟수)를 측정한다. 단계(S430)에서는 측정된 오실레이션 횟수 및 주파수 신호의 주파수(f ref )에 기초하여 이벤트들 사이의 시간 간격의 범위를 측정하고 측정된 시간 간격의 범위를 이벤트 시간으로 결정한다. 이 때, 단계(S410) 내지 단계(S430)는 앞서 도 2의 단계(S210) 내지 단계(S230)와 동일한 방법에 수행될 수 있다. 단계(S440)에서는 주파수가 기 설정된 값(G)만큼 변경(즉, 증가)된 주파수 신호가 제1 이벤트의 발생 시점에서 출력되고, 단계(S450)에서는 이벤트들 사이의 시간 간격 내에서의 주파수 신호의 오실레이션 횟수를 재측정하며, 단계(S460)에서는 재 측정된 오실레이션 횟수 및 주파수 신호의 변경된 주파수에 기초하여 이벤트들 사이의 시간 간격의 시간 범위를 재 측정한다. 이 때, 단계(S440) 내지 단계(S460) 역시 앞서 도 2에서 설명한 단계(S240) 내지 단계(S260)과 동일한 방법에 따라 수행될 수 있다(이 경우, 제1 주파수는 f ref 의 값을 갖고, 제2 주파수는 f ref + G의 값을 갖는다). 단계(S470)에서는 이전 시점(즉, 단계(S430))에서 결정된 이벤트 시간과 단계(S460)에서 재 측정된 시간 범위의 공통 범위를 산출하고, 산출된 공통 범위를 새로운 이벤트 시간으로 결정(갱신)한다. 단계(S470) 역시 앞서 도 2에서 설명한 단계(S270)과 동일한 방법에 따라 수행될 수 있다. 단계(S480)에서는 이벤트 시간의 측정이 종료되는지를 판단한다. 만약, 단계(S480)에서 이벤트 시간의 측정이 종료된 것으로 판단되면, 마지막에 갱신된 이벤트 시간을 최종 이벤트 시간으로 결정된다. 반대로, 단계(S480)에서 이벤트 시간의 측정이 종료되지 않은 것으로 판단되면, 단계(S440) 내지 단계(S470)가 반복적으로 수행되고, 이에 따라 이벤트 시간이 반복적으로 갱신되어 보다 좁은 범위를 갖는 이벤트 시간이 측정된다. 도 5는 단계(S440) 내지 단계(S470)가 4회 반복 수행되는 경우의 일례를 도시하고 있다. 여기서, 회색으로 채워진 부분이 각 주파수 신호를 이용하여 측정된 이벤트들 사이의 시간 간격의 시간 범위이다. 도 5를 참조하면, 주파수 신호의 주파수가 f ref + G, f ref + 2G, f ref + 3G인 경우에는 오실레이션 횟수가 "2"로서 일정하고, 주파수 신호의 주파수가 f ref + 4G인 경우에는 오실레이션 횟수가 "3"으로 변경(증가)됨을 확인할 수 있다. 이 때, 앞서 수학식 3을 통해 설명한 바와 같이, 오실레이션 횟수가 변경되지 않는다면, 각 주파수 신호에 의해 설정되는 이벤트들 사이의 시간 간격의 범위(회색으로 도시된 부분)의 하한값과 상한값은 일정 비율로 감소되므로, 1회 내지 3회째의 이벤트 시간 측정 시에는, 단계(S470)를 통해 이전 수행 단계에 설정된 이벤트 시간의 하한값이 그대로 유지되고, 다음 수행 단계에서 측정된 시간 범위의 상한값이 이벤트 시간의 상한값으로 설정되어 이벤트 시간이 갱신된다. 그러나, 오실레이션 횟수가 "3"으로 변경되면, 도 5에 도시된 바와 같이 오실레이션 횟수가 변경된 시점(f ref + 4G 또는 f A )에서의 하한값이 가장 큰 하한값이 되고, 오실레이션 횟수가 변경되는 시점과 인접한 이전 시점(f ref + 3G 또는 f B )에서의 상한값(즉 이전 수행 단계에서 설정된 이벤트 시간의 상한값)이 가장 작은 상한값이 된다. 따라서, 4회째의 이벤트 시간 측정 시에는 단계(S470)를 통해 오실레이션 횟수가 변경된 시점에서의 하한값이 이벤트 시간의 하한값으로 설정되고, 오실레이션 횟수가 변경된 시점과 인접한 이전 시점에서의 상한값이 이벤트 시간의 상한값으로 설정된다(즉, 이전 수행 단계에서 설정된 이벤트 시간의 상한값이 이벤트 시간의 상한값으로 유지된다). 다시 말해, 단계(S450)를 통해 재측정된 오실레이션 횟수가 변경된다면, 단계(S470)에서는 이전 수행 단계에서 결정된 이벤트 시간의 상한값이 그대로 유지되고, 현재 수행 단계에서 측정된 시간 범위의 하한값이 이벤트 시간의 하한값으로 갱신된다. 이하에서는 도 5에 도시된 일례를 참조하여 반복적으로 단계(S440) 내지 단계(S470)가 수행되는 과정에서 오실레이션 횟수의 변경이 발생되는 경우, 변경이 발생된 시점에서 결정되는 이벤트 시간의 하한값 및 상한값이 "변경이 발생된 시점에서 측정된 시간 범위의 하한값" 및 "변경이 발생되는 시점의 직전 시점에서 측정된 시간 범위의 상한값"과 대응됨을 증명하여 단계(S470)에 의해 가장 좁은 범위(즉 해상도가 가장 높은 범위)의 이벤트 시간이 결정될 수 있음을 설명하기로 한다.
a) 각 수행 단계에서 도출된 하한값 중 최대의 하한값
앞서 수학식 3에서 설명한 바와 같이, 주파수의 증가하더라도 오실레이션 횟수가 변경(증가)되지 않는다면 각 수행 단계에서의 하한값은 일정 비율로 감소하므로, 최초에 측정된 하한값(즉, LB at f ref )이 최대 크기를 갖는 하한값이 된다. 따라서, 오실레이션 횟수의 변경 전까지는 "LB at f ref "가 최대의 하한값이 된다. 그러나, 오실레이션 횟수가 변경(즉, 1만큼 증가)되면, 수학식 3은 적용될 수 없고, 아래의 수학식 6과 같이 "LB at f ref "와 "LB at f A "의 비율이 결정된다.
여기서, N C 는 변경 전의 오실레이션 횟수를 의미한다. 따라서, 가 1보다 크다면, "LB at fA "는 이전 최대 하한값인 "LB at f ref "보다 큰 값을 가지게 된다. 다시 말해, 의 관계가 성립하는 경우, "LB at f A "가 최대의 하한값이 된다.
b) 각 수행 단계에서 도출된 상한값 중 최소의 상한값
앞서 수학식 3에서 설명한 바와 같이, 주파수의 증가하더라도 오실레이션 횟수가 변경(증가)되지 않는다면, 각 수행 단계에서의 상한값은 일정 비율로 감소하므로, 최후에 측정된 상한값(즉, HB at f B )이 최소 크기의 상한값이 된다. 따라서, 오실레이션 횟수의 변경 전까지는 "HB at f B "가 최소의 상한값이 된다. 그러나, 오실레이션 횟수가 변경(즉, 1만큼 증가)되면, 수학식 3은 적용될 수 없고, 아래의 수학식 7과 같이 "HB at f B "와 "HB at f A "의 비율이 결정된다.
여기서, N C 는 변경 전의 오실레이션 횟수를 의미한다. 따라서, 가 1보다 작다면, "HB at fB "는 "HB at f A "보다 작은 값을 가지게 된다. 다시 말해, 의 관계가 성립하는 경우, "HB at f B "가 최소의 상한값이 된다.
c) 최대의 하한값과 최소의 상한값의 크기 비교
최대의 하한값과 최소의 상한값의 비율은 아래의 수학식 8과 같이 표현된다.
여기서, f A 는 f B 보다 크므로, "HB at f B "는 "LB at f A "보다 크게 된다. 따라서 단계(S460)를 통해 미세 시간 범위의 하한값 및 상한값을 설정하는 경우, 상한값이 하한값보다 작게 되는 에러는 발생하지 않는다.
한편, 이와 같은 단계(S410) 내지 단계(S430)의 수행 및 단계(S440) 내지 단계(S460)의 수행은 하나의 이벤트 시간 측정 장치에서 순차적으로 수행될 수도 있고, 복수의 이벤트 시간 측정 장치에서 동시에 수행될 수도 있다. 예를 들어, 도 5의 일례의 경우, 5회의 신호 출력 및 오실레이션 횟수 측정이 수행되는바, 이는 하나의 이벤트 시간 측정 장치를 통해 순차적으로 5회가 반복적으로 수행될 수도 있고, 5개의 이벤트 시간 측정 장치를 통해 한번에 수행될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 방법은 발진 회로 및 카운터 이외의 다른 내부/외부 장비를 필요로 하지 않고 간단한 방법에 의해 피코초(pico second) 정도의 해상도가 높은 시간 간격의 범위를 측정할 수 있는 장점이 있다. 이하에서는 도 6을 참조하여, 앞서 설명한 바와 같이 변경 가능한 주파수(프로그래머블 주파수)를 갖는 신호를 출력하기 위한 회로의 일례에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 회로의 상세한 구성을 도시한 회로도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 회로(600)는 M(2 이상의 정수임)의 제1 지연 소자들(610), N(2 이상의 정수임)의 제2 지연 소자들(620) 및 내부 카운터(630)를 포함한다. 이 때, 제1 지연 소자들(610)의 개수(M)는 제2 지연 소자들(620)의 개수(N)와 동일할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 동일한 개수(N)의 제1 지연 소자들(610) 및 제2 지연 소자들(620)을 포함하는 이벤트 시간 측정 회로(600)를 중심으로 설명하기로 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 이벤트 시간 특정 회로(600)는 프로그래머블(programmable) 주파수 신호를 출력하기 위한 회로로서, 전제적인 회로 구성을 살펴보면, 제1 지연 소자들(610)의 출력단은 대응되는 제2 지연 소자(620)의 입력단으로 연결되면서 다음 단의 제1 지연 소자(610)의 입력단과도 연결되고, 제2 지연 소자들(620)의 출력단은 대응되는 제1 지연 소자(610)의 입력단과 연결되면서 다음 단의 제2 지연 소자(620)의 입력단과 연결된다. 이에 대해 보다 상세히 살펴보면, N개의 제1 지연 소자들(610)은 이벤트 시간 측정 회로(600) 내의 제1 행(row)에 배치되고, N개의 제2 지연 소자들(620)은 이벤트 시간 측정 회로(620) 내의 제2 행에 배치된다. 동일한 열(column)에 포함되는 제1 지연 소자 및 제2 지연 소자는 서로 대응되며, 하나의 지연 소자 쌍을 구성한다. 이 때, 제1 지연 소자들(610)과 제2 지연 소자들(620)은 동일한 구조를 가질 수 있으며, 각각의 지연 소자들(610, 620)의 입력단은 2개의 입력단(F, P), 하나의 출력단(O), 및 3개의 제어신호 입력단(SA, SB, INV)을 포함할 수 있다. 이 때, i번째 제2 지연 소자(620)의 제1 입력단(F)은 i번째 제1 지연 소자(610)의 출력단(O)과 연결되고, i번째 제2 지연 소자(620)의 제2 입력단(P)은 i+1번째 제2 지연 소자(620)의 출력단(O)과 연결된다. 또한, i번째 제1 지연 소자(610)의 제1 입력단(F)은 i번째 제2 지연 소자(620)의 출력단(O)과 연결되고, i번째 제1 지연 소자(610)의 제2 입력단(P)은 i-1번째 제1 지연 소자(610)의 출력단(O)과 연결된다. 상기와 같이 연결되는 지연 소자들(610, 620)은 제1 제어 신호 입력단(SA)를 통해 입력된 제어 신호에 따라서 2개의 입력단(F, P) 중에서 어느 하나만을 선택하여 동작한다(입력 신호를 수신한다). 일례로, 제1 제어신호 입력단(SA)를 통해 하이 로직(1)을 갖는 제1 제어신호(SAU_i, SAD_i)가 수신되는 경우, 지연 소자들(610, 620)은 제1 입력단(F)을 통해 입력신호를 수신하고, 제1 제어신호 입력단(SA)을 통해 로우 로직(0)을 갖는 제1 제어신호(SAU_i, SAD_i)가 수신되는 경우, 제2 입력단(P)을 통해 입력신호를 수신할 수 있다. 또한, 각 지연 소자(610, 620)들은 버퍼 또는 인버터 중에서 어느 하나로 동작할 수 있다. 이 때, 지연 소자(610, 620)의 동작 모드는 제2 제어신호 입력단(INV)를 통해 입력되는 제2 제어신호(INVU_i, INVD_i)에 기초하여 결정될 수 있다. 일례로, 제2 제어신호 입력단(INV)를 통해 하이 로직(1)을 갖는 제2 제어신호 (INVU_i, INVD_i)가 수신되는 경우 해당 지연 소자(610, 620)는 인버터로 동작하고, 제2 제어신호 입력단(INV)를 통해 로우 로직(0)을 갖는 제2 제어신호(INVU_i, INVD_i)가 수신되는 경우 해당 지연 소자(610, 620)는 버퍼로서 동작할 수 있다. 이하에서는 도 7을 참조하여 지연 소자(610, 620)의 구성 및 동작에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지연 소자(610, 620)의 상세한 구성을 도시한 회로도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 지연 소자(610, 620)는 2개의 선택기(640, 650), 하나의 XOR 게이트(660), 및 2개의 버퍼(670, 680)를 포함하여 구성된다. 제1 선택기(640)는 제1 제어신호 입력단(SA)를 통해 수신된 제1 제어신호(SAU_i, SAD_i)에 기초하여 제1 입력단(F) 및 제2 입력단(P) 중 어느 하나의 입력단을 선택하여 신호를 수신한다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 제어신호(SAU_i, SAD_i)가 하이 로직(1)을 갖는 경우 제1 입력단(F)이 선택되고, 로우 로직(0)을 갖는 경우 제2 입력단(P)이 선택된다. XOR 게이트(660)는 제1 선택기(640)의 출력신호와 제2 제어신호 입력단(INV)을 통해 수신된 제2 제어신호(INVU_i, INVD_i)에 대해 배타적 논리합 연산을 수행한다. 따라서, 제2 제어신호(INVU_i, INVD_i)가 하이 로직(1)을 갖는 경우, 제1 선택기(660)의 출력신호가 반전되어 출력되므로 지연 소자(610, 620)는 인버터로 동작하게 되고, 제2 제어신호(INVU_i, INVD_i)가 로우 로직(0)을 갖는 경우, 제1 선택기(660)의 출력신호가 그대로 출력되므로 지연 소자(610, 620)는 버퍼로 동작하게 된다. 제2 선택기(650)는 제3 제어신호 입력단(SB)을 통해 수신된 제3 제어신호(SBU_i, SBD_i)에 기초하여 XOR 게이트(660)에서 출력된 신호 및 XOR 게이트(660)에서 출력되어 2개의 버퍼(670, 680)를 통과한(시간 지연된) 신호 중에서 어느 하나를 출력단(O)으로 전달한다. 즉, 제3 제어신호(SBU_i, SBD_i)가 하이 로직(1)을 갖는 경우 XOR 게이트(650)의 출력신호가 그대로 출력단(O)으로 전달되고, 로우 로직(0)을 갖는 경우 시간 지연된 XOR 게이트(660)의 출력신호가 출력단(O)으로 전달된다. 이하에서는 다시 도 7를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 회로(600)에 대해 설명하기로 한다.
내부 카운터(630)는 첫번째 제2 지연 소자(620)의 출력신호(Clk_Osc)의 오실레이션 횟수를 측정한다. 위와 같이 구성되는 이벤트 시간 측정 회로(600)는 각각의 지연 소자(610, 620)로 입력되는 제1 제어신호(SAU_i, SAD_i) 및 제2 제어신호(INVU_i, INVD_i)의 레벨을 적절히 조절함으로써 소정 개수의 지연 소자를 포함하는 링 오실레이터를 형성하여 프로그래머블 주파수를 갖는 신호를 출력할 수 있게 된다. 예를 들어, 6개의 지연 소자를 포함하는 링 오실레이터를 구현하고자 하는 경우, 사용자는 세번째 제2 지연 소자(620)의 제1 제어신호 입력단(SA)으로 하이 로직(1)을 갖는 제1 제어신호를 입력하고, 나머지 지연 소자(610, 620)의 제1 제어신호 입력단(SA)으로 로우 로직(0)을 갖는 제1 제어신호(SAU_i, SAD_i)를 입력함으로써, 3개의 제1 지연 소자(610) 및 3개의 제2 지연 소자(620)로 구성된 링 오실레이터를 구현할 수 있게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 링 오실레이터는 홀수 개의 인버터를 포함하여야 하므로, 사용자는 링 오실레이터를 구성하는 6개의 지연 소자들(610, 620)의 제2 제어신호(INVU_i, INVD_i)의 레벨을 적절히 조절하여 홀수 개의 지연 소자(610, 620)만이 인버터로 동작하도록 링 오실레이터를 구현할 수 있다. 이 때, 출력되는 신호의 주파수는 링 오실레이터를 형성하는 지연 소자의 개수에 반비례한다. 즉, 링 오실레이터를 형성하는 지연 소자의 개수가 많을수록 출력 신호의 주기는 길어지므로 출력 신호의 주파수는 감소하게 된다. 반대로, 링 오실레이터를 형성하는 지연 소자의 개수가 적을수록 출력 신호의 주기는 짧아지므로, 출력 신호의 주파수는 증가하게 된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 회로(600)는 링 오실레이터를 형성하는 지연 소자의 개수를 적절히 조절함으로써 출력되는 주파수 신호의 주파수를 조절할 수 있게 된다. 이 때, 출력 주파수 신호의 주파수는 아래의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
여기서, f는 이벤트 시간 측정 회로(600)에서 출력되는 신호의 주파수, N B 는 링 오실레이터를 형성하는 지연 소자의 개수, T D 는 지연 소자에서의 지연 시간을 각각 의미한다. 한편, 도 6에 도시된 바와 같이 첫번째 제2 지연 소자(620)의 제1 입력단(F)으로는 전원전압(VDD)이 인가되므로, 첫번째 제2 지연 소자(620)는 제1 제어신호 입력단(SA)을 통해 로우 로직(0)을 갖는 제1 제어신호(SAD_1)가 입력되는 경우에만 특정 주파수를 갖는 오실레이션 신호를 출력한다. 즉, 첫번째 제2 지연 소자(620)는 제1 제어신호(SAD_1)가 로우 로직(0)을 갖는 시간 구간에서만 오실레이션 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 제1 이벤트가 발생한 경우, 사용자는 제1 제어신호(SAD_1)를 하이 로직(1)에서 로우 로직(0)으로 변경함으로써 소정의 주파수를 갖는 신호를 출력할 수 있게 된다. 또한, 제2 이벤트가 발생하면, 제1 제어신호(SAD_1)를 로우 로직(0)에서 하이 로직(1)으로 변경시켜 신호의 출력을 중단시킬 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이벤트 시간 측정 회로(600)는 제1 제어신호(SAU_i, SAD_i)의 레벨을 적절하게 변경함으로써, 출력되는 신호의 주파수(오실레이션 횟수)를 조절할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 이벤트 시간 측정 회로(600)를 이용하여 앞서 도 2 및 도 4에서 설명한 시간 간격 측정 방법을 수행할 수 있게 된다. 이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. |
