クロック信号の遅延シミュレーション

1. はじめに

電子回路設計において、クロック信号の遅延は重要な要素の一つです。本記事では、Pythonを用いてクロック信号の遅延をシミュレーションする方法を紹介します。特に、指定した遅延時間後にクロック信号が発生するような状況をシミュレーションし、結果をグラフで可視化します。

2. シミュレーションの設定

本シミュレーションでは、以下のパラメータを設定しています。

• サンプリング周波数: 10 MHz (fs = 10e6)
• クロック周波数: 1 MHz (f_clk = 1e6)
• 遅延時間: 100 μs (delay_time = 100e-6)
• シミュレーション時間: 500 μs (duration = 500e-6)

遅延時間が指定されたシミュレーション時間を超えないように制御しながら、クロック信号を生成します。

3. Pythonコードの解説

以下に示すコードでは、NumPyとMatplotlibを使用してクロック信号の遅延をシミュレーションし、結果をプロットします。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# ダミーデータを設定
fs = 10e6  # サンプリング周波数 (10 MHz)
f_clk = 1e6  # クロック周波数 (1 MHz)
delay_time = 100e-6  # 遅れ時間 (100 μs)
duration = 500e-6  # シミュレーション時間 (500 μs)

# 時間軸の作成
t = np.arange(0, duration, 1/fs)  # 指定されたサンプリング周波数

# クロック信号の生成
clock_signal = np.zeros_like(t)  # 初期状態は0

# 遅れ時間が duration を超えないようチェック
if delay_time < duration:
    start_index = np.where(t >= delay_time)[0][0]  # 遅れ時間後の開始インデックス
    clock_signal[start_index:] = 0.5 * (1 + np.sign(np.sin(2 * np.pi * f_clk * t[start_index:])))
else:
    print("Error: delay_time is greater than or equal to duration. No clock signal generated.")

# グラフのプロット
plt.figure(figsize=(12, 6))  # 拡大表示
plt.plot(t * 1e6, clock_signal, label="Clock Signal ({:.1f} MHz after {:.1f} μs delay)".format(f_clk/1e6, delay_time*1e6))
plt.axvline(x=delay_time * 1e6, color='r', linestyle='--', label="Delay End ({:.1f} μs)".format(delay_time*1e6))
plt.xlabel("Time [μs]")
plt.ylabel("Clock Signal")
plt.title("Clock Signal Simulation ({:.1f} MHz Sampling Rate)".format(fs/1e6))
plt.legend()
plt.grid()
plt.xlim(delay_time * 1e6 - 10, delay_time * 1e6 + 50)  # 遅れ時間周辺を拡大
plt.show()

4. 実行結果と考察

このコードを実行すると、クロック信号が指定した遅延時間後に開始し、周期的に変化する様子が確認できます。赤い破線は、クロック信号が開始する遅延時間を示しています。

主なポイント:

• np.arange(0, duration, 1/fs) により時間軸を生成。
• np.sign(np.sin(2 * np.pi * f_clk * t[start_index:])) を用いてクロック信号を生成。
• 遅延時間 delay_time を考慮し、クロック信号の開始タイミングを制御。
• matplotlib を使用してグラフを描画し、遅延時間の影響を視覚的に確認。

5. まとめ

本記事では、Pythonを用いたクロック信号の遅延シミュレーションの方法を紹介しました。クロック信号の遅延は、デジタル回路の動作に大きな影響を与えるため、設計時に適切な評価が必要です。本シミュレーションを活用することで、遅延の影響を事前に確認し、設計に反映することが可能となります。

今後は、より複雑な波形のシミュレーションや、異なる周波数での影響を調査することも考えられます。

def print_delay_info(frequency, delay_time):
    """
    周波数と遅れ要素時間を入力とし、周期および計算結果を出力する関数
    :param frequency: 周波数 (Hz)
    :param delay_time: 遅れ要素時間 (秒)
    """
    # 周期の計算 (T = 1 / f)
    period = 1 / frequency
    
    # 遅れ要素時間 + 1 ÷ 周波数 の計算
    calculated_value = delay_time + period

    # 結果の表示
    print(f"周波数 (Hz): {frequency}")
    print(f"周期 (秒): {period:.6f}")
    print(f"遅れ要素時間 (秒): {delay_time:.6f}")
    print(f"遅れ要素時間 + 1 ÷ 周波数 (秒): {calculated_value:.6f}")

# パラメータ設定 (例: 440Hz の信号, 遅れ要素時間 10ms)
frequency = 440  # Hz
delay_time = 0.01  # 秒 (10ms)

# 計算と出力
print_delay_info(frequency, delay_time)