MCUによる制御

高分解能PPG出力はマイクロコントローラーに内蔵されたタイマーを使った矩形波出力です。周期とデューティーを高分解能（最小6.25nsの分解能）で調整することができます。矩形波のリーディング･エッジ（前縁）とトレーリング･エッジ（後縁）は、それぞれ、立ち上がり･立下り、または、立下り･立ち上がり、のいずれをも選ぶことができます。

まずはタイマーの動作を説明します。
タイマー出力の周期を決めるレジスターCP0、リーディング･エッジ、および、トレーリング･エッジのタイミングを決定するレジスター、CP1、および、CP2が用意されています。
これらとは別に、フリーランのカウンターがあります。このカウンターはリセットで値が「０」となり、クロックが１つ来るたびにインクリメントします。カウンターの出力値はCP0、CP1、および、CP2のレジスター値と比較されます。

カウンターが「０」から一つ一つクロックを数えていき、最初に CP1 の値と一致しますと、出力用の矩形波のリーディング･エッジを作ります。このエッジは立ち上がり、または、立下りのいずれも設定できますが、今は、立ち上がりエッジに設定されているとします。すると、高分解能PPG出力A0はもともと「０」出力でしたが、このリーディング･エッジのタイミングで「１」に変化し、そのまま「１」となります。
カウンターはクロックを数えて行き、次に、CP2の値と等しくなったとき、トレーリング･エッジのタイミングですので、高分解能PPG出力A0は立ち下り、「０」となります。
カウンターはそのままインクリメントを続け、CP0と等しい値に達します。すると、カウンターはリセットされます。リセットされた後、その次のクロックからまたインクリメントを開始します。
以上により、CP0の値の周期を持ち、CP1の値で「１」に、CP2の値で「０」となる矩形波が得られます。
このとき、フリーラン･カウンターをインクリメントさせるクロックの最小周期が6.25nsであり、これが最小の分解能となります。

リーディング･エッジとトレーリング･エッジでの波形の変化を、立下り･立ち上がりに設定した場合は、最初、フリーラン･カウンターがリセットされた時点で高分解能PPG出力A0は「１」になり、リーディング･エッジのタイミングで「０」、さらに、トレーリング･エッジのタイミングで「１」に戻ります。

東芝のマイクロコントローラーには、高分解能PPG出力を持つタイマーが２ユニット用意されています。つまり、周期とデューティーの組み合わせが、それぞれまったく異なる２つの矩形波を、異なる端子から出力できます。
２つのタイマーを連動させて高分解能PPG出力を作ることができます。この場合、２つのタイマーの周期は同一となります。もちろん、デューティーは個別に設定できます。この連動モードでは２つの高分解能PPG出力、A0、B0から出力される矩形波の位相差を、必要な値に設定できます。位相差は最小6.25nsの高分解能が可能です。

連動モードの動作を説明します。
今度はタイマーが２種類ありますので、それらを区別するために、最初のタイマーをタイマー０、他のタイマーをタイマー１と呼ぶことにします。タイマー０の周期を決めるレジスターCP00 、リーディング･エッジのタイミングを決めるレジスターCP01、および、トレーリング･エッジのタイミングを決めるCP02の役割は、それぞれ、単独のタイマー動作のときとまったく同じです。リーディング･エッジ、および、トレーリング･エッジでの、立ち上がり･立下り、もしくは、立下り･立ち上がり、の選択も同様にできます。一方、タイマー１の周期レジスターCP10の値は無視されます。これは、タイマー０とタイマー１を等しい周期で動作させたいため、タイマー０のCP00で周期を決定させるからです。タイマー１とタイマー０は同じ周波数のクロックでインクリメントさせます。そうしないと「連動」できません。
ただし、タイマー１のリーディング･エッジ、および、トレーリング･エッジのタイミングを決定するレジスターCP11、および、CP12は単独のタイマーと同じように設定できます。リーディング、または、トレーリングのエッジ･タイミングで、立ち上がり･立下り、もしくは、立下り･立ち上がり、の選択もできます。これはタイマー０の立ち上がり、立下りの設定とは関係なく、独立に行うことができます。

さて、この連動モードでの特徴は、タイマー１のリセットのタイミングを決める新規のレジスターCP05が登場することです。タイマー0のカウンターがインクリメントを繰り返し行い、CP05の値と一致すると、そのタイミングでタイマー１のカウンターをリセットします。さて、こうすると、高分解能PPG出力A0、B0からはどのような波形が出力されるでしょうか。簡単な例を見てみましょう。各レジスターの値が、

CP01 = CP11 < CP02 = CP12 < CP00、CP05 < CP01

という場合を考えてみましょう。ただし、リーディング･エッジとトレーリング･エッジでは、高分解能PPG出力A0、および、出力B0は共に、立ち上がり、および、立下りの動作をするとします。そうしますと、上の式の場合では、出力A0の波形と出力B0の波形は、同じ周期、同じデューティーで、CP05の値の分だけ位相がずれているという例となります。
順を追って動作を見てみましょう。

(1) フリーラン･カウンターはタイマー０、１ともに少し前から動作しているとします。タイマー０のカウンターの値がCP00の値と等しくなり、カウンターがリセットしたところから始めます。このときタイマー１のカウンターにはある値（後でその値がわかります）が入っています。

(2) ２つのカウンターは同時にインクリメントして行き、タイマー０のカウンターの値がCP05の値と一致したとき、タイマー１のカウンターがリセットされます。

(3) 次に、タイマー０の値がCP01の値と等しくなり、出力A0は「０」から「１」に立ち上がります。このとき、出力B0は「０」のままで変化しません。

(4) 次に、タイマー１のカウンターの値がCP11の値と等しくなり、出力B0は「０」から「１」に立ち上がります。出力A0は「１」のままで変化しません。

(5) タイマー０のカウンターの値がCP02の値と等しくなり、出力A0は立下り、「０」なります。

(6) タイマー１のカウンターの値がCP12の値と等しくなると、出力B0は立下り、「０」となります。

(7) さらにインクリメントが進み、タイマー０のカウンターの値がCP00の値に一致しますと、タイマー０のカウンターはリセットされます。このとき、タイマー１のカウンターの値は（C00－C05）となります。

これで、(1)に戻りました。この後、(7)までを繰り返します。

この連動モードで重要なのはCP05の値です。上の動作からわかりますが、タイマー１のカウンターの値は、タイマー０のカウンターの値よりもCP05の値だけ少ない値となります。つまり、CP05の分だけ出力B0は出力A0よりも「遅く」なります。このCP05の値を変えると、その値の分だけ出力A0と出力B0の間の位相が変わります。この位相の差の分解能は、最小6.25nsの高分解能となります。
この連動モードで、もし、出力B0を出力A0よりも「早く」したい、つまり、出力A0と出力B0の位相差をマイナスにしたいときは、タイマー０で作られる矩形波を出力B0へ、タイマー１で作られる矩形波を出力A0へ伝えます。タイマーはそのままにして、出力だけを入れ替えるわけです。こうすると、CP05の値だけ出力B0が出力A0よりも進みます。

このようにして、プラス、および、マイナスの位相差を付けることができ、その分解能は最小6.25nsという高分解能が実現できます。
なお、２つの信号の位相差の設定値は、±90°程度が実用的な値です。ただし、原理的には±180°までの値が設定可能です。