溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，包括晶體振蕩器(12；112)，其被配置為產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，以及分頻電路(14；114)，其被設(shè)置為接收所述基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)作為輸入并輸出粗略時(shí)間單位信號(hào)，所述粗略時(shí)間單位信號(hào)具有隨著所述晶體振蕩器的溫度偏離所需頻率的實(shí)際頻率。所述信號(hào)發(fā)生器還包括高頻振蕩器(16；116)，其被配置為產(chǎn)生內(nèi)插信號(hào)，該信號(hào)具有大于所述晶體振蕩器的頻率(fXT)的頻率(fRC)。有限狀態(tài)機(jī)(24；124)根據(jù)溫度信號(hào)計(jì)算偏差補(bǔ)償信號(hào)，該信號(hào)包括表示要在所述分頻電路(14；114)中被抑制或注入的整脈沖數(shù)的整數(shù)部，和表示應(yīng)該進(jìn)一步將新的時(shí)間單位信號(hào)脈沖的輸出延遲多久才能補(bǔ)償其余的任何偏差的小數(shù)部。
【專(zhuān)利說(shuō)明】溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及這樣的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器:其中使用脈沖抑制和/或脈沖注入來(lái)補(bǔ)償溫度變化。

【背景技術(shù)】
[0002]計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器是已知的。它們包括提供計(jì)時(shí)信號(hào)的振蕩器。振蕩器通常包括用于穩(wěn)定振蕩頻率的石英晶體諧振器。盡管在原理上，石英晶體振蕩器非常精確，但是已知，它們的精確度會(huì)受到溫度的不利影響。石英晶體基本像機(jī)械諧振器那樣執(zhí)行操作，溫度方面的任何變化都會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生極為輕微的膨脹或收縮，從而改變諧振頻率。為了克服諧振頻率變化的問(wèn)題，已知現(xiàn)有技術(shù)提供了多種方法。
[0003]圖1是現(xiàn)有技術(shù)計(jì)時(shí)器的功能圖，該計(jì)時(shí)器包括石英晶體控制的振蕩器1、一系列二進(jìn)制除法器(觸發(fā)器)2以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3，該電動(dòng)機(jī)被設(shè)置為驅(qū)動(dòng)采取表針形式的計(jì)時(shí)器的顯示裝置4。在此計(jì)時(shí)器中，石英晶體通常為32’768Hz石英晶體音叉諧振器。32’768等于215。因此，除法鏈可包括十五個(gè)二進(jìn)制除法器，以便該鏈的輸出頻率為1Hz，適合于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3。
[0004]32’ 768Hz石英晶體音叉諧振器一般通過(guò)這樣的方式分割:當(dāng)根據(jù)溫度繪制頻率時(shí)，定義以25°C為中心的拋物線(xiàn)。換言之，石英晶體音叉諧振器在室溫下接近標(biāo)稱(chēng)頻率諧振，但是當(dāng)溫度從室溫升高或降低時(shí)，諧振速度便降低。32’ 768Hz音叉諧振器的一般拋物線(xiàn)系數(shù)為-0.04ppm/°C 2o
[0005]已知配備有溫度傳感器并且能夠補(bǔ)償溫度變化的計(jì)時(shí)器。專(zhuān)利文獻(xiàn)US 3，895，486描述了一種溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)設(shè)備，以及溫度補(bǔ)償方法。這種被稱(chēng)為抑制補(bǔ)償?shù)奶囟ǚ椒ū挥糜诮档陀?jì)時(shí)信號(hào)的頻率。為實(shí)現(xiàn)此方法，必須專(zhuān)門(mén)將石英晶體諧振器制造為運(yùn)行稍快。脈沖抑制補(bǔ)償包括:使除法鏈以定期的間隔(例如，10秒或I分鐘)跳過(guò)少量的周期。每次跳過(guò)的周期數(shù)取決于溫度并且借助所設(shè)計(jì)的查找表來(lái)確定。
[0006]另一公知的用于補(bǔ)償溫度變化的方法是脈沖注入補(bǔ)償。與抑制補(bǔ)償相反，注入補(bǔ)償通過(guò)增加計(jì)時(shí)信號(hào)的頻率來(lái)工作。例如，如專(zhuān)利文獻(xiàn)US 3，978，650中所述，注入補(bǔ)償包括:將額外的校正脈沖納入(注入)通過(guò)二進(jìn)制除法器鏈饋入的數(shù)字信號(hào)內(nèi)。再次，注入的脈沖數(shù)借助溫度傳感器和所設(shè)計(jì)的查找表確定。
[0007]抑制補(bǔ)償和注入補(bǔ)償均與定量誤差關(guān)聯(lián)。定量誤差源自不可能僅增加或抑制零點(diǎn)幾個(gè)脈沖這一事實(shí)。當(dāng)振蕩器的頻率為f時(shí)，定量將分辨率限制為I秒Ι/f。如果諧振器的振蕩頻率為f = 32768Hz，則分辨率不高于30.5ppm，從而產(chǎn)生大約±15ppm的誤差。為了獲取例如Ippm的分辨率，有必要在至少一百萬(wàn)個(gè)周期上進(jìn)行補(bǔ)償。在32768Hz諧振器的情況下，這意味著至少等待31秒才能應(yīng)用抑制或注入補(bǔ)償。因此，通過(guò)此類(lèi)補(bǔ)償，從二進(jìn)制除法器鏈2輸出的IHz頻率容易稍微偏離其標(biāo)稱(chēng)頻率，一直到第30個(gè)脈沖，然后在第31個(gè)脈沖處將累積誤差作為整體進(jìn)行補(bǔ)償。這對(duì)于作為時(shí)間積分儀的手表而言不是問(wèn)題。但是，例如在計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)例中，每個(gè)單獨(dú)的脈沖的精確度應(yīng)該高于lppm。在這種情況下，上述溫度補(bǔ)償法并不令人滿(mǎn)意。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供這樣一種信號(hào)發(fā)生器:即，其中每個(gè)單獨(dú)的振蕩被進(jìn)行熱補(bǔ)償。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明通過(guò)提供根據(jù)所附權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器執(zhí)行抑制補(bǔ)償和/或注入補(bǔ)償以提供每個(gè)時(shí)間單位脈沖的持續(xù)時(shí)間的粗略熱補(bǔ)償，并且該信號(hào)發(fā)生器進(jìn)一步執(zhí)行“小數(shù)抑制”作為內(nèi)插法，以允許校正與抑制和/或注入補(bǔ)償關(guān)聯(lián)的定量誤差。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]通過(guò)閱讀以下僅借助非限制性實(shí)例給出的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，下面的描述參考附圖做出，其中:
[0011]-圖1是現(xiàn)有技術(shù)時(shí)鐘的基本功能圖，該時(shí)鐘包括時(shí)基和分頻器，以及電動(dòng)機(jī)和通過(guò)分頻器驅(qū)動(dòng)的時(shí)間指示裝置；
[0012]-圖2是示出石英晶體音叉諧振器和RC振蕩器的頻率的溫度依存性的圖表；
[0013]-圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的基本功能框圖；
[0014]-圖4是示出圖3中的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的備選實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)功能框圖；
[0015]-圖5是示出溫度補(bǔ)償對(duì)作為圖4中的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的輸出提供的計(jì)時(shí)信號(hào)的效應(yīng)的時(shí)序圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的框圖。圖3中的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器被設(shè)計(jì)為通過(guò)輸出20提供一系列溫度補(bǔ)償時(shí)間單位信號(hào)脈沖。該發(fā)生器包括被設(shè)置為產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的晶體振蕩器12。該晶體振蕩器例如可基于傳統(tǒng)的32.768kHz石英晶體音叉諧振器。所示的發(fā)生器進(jìn)一步包括分頻器14，該分頻器被設(shè)置為對(duì)基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的所有振蕩進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且針對(duì)來(lái)自晶體振蕩器的基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的每32’ 768次振蕩輸出一個(gè)時(shí)鐘脈沖。
[0017]仍參考圖3，可看出本發(fā)明的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)一步包括高頻振蕩器16。振蕩器16被設(shè)置為將時(shí)鐘信號(hào)提供給表示可變延遲的方框38?？勺冄舆t38被設(shè)置為通過(guò)稍微延遲計(jì)時(shí)信號(hào)邊沿的開(kāi)始來(lái)補(bǔ)償溫度變化。該可變延遲的操作將做進(jìn)一步描述。所選擇的高頻振蕩器的頻率至少比發(fā)生器提供的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的頻率大六個(gè)量級(jí)。優(yōu)選地，高頻振蕩器的頻率至少比溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的頻率大17倍。例如，如果溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的目標(biāo)頻率為1Hz，則高頻振蕩器可以是IMHz振蕩器，或者優(yōu)選地為1MHz振蕩器。例如，集成在芯片上的1MHz RC振蕩器。
[0018]所示的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)一步包括溫度補(bǔ)償裝置，該裝置整體由參考標(biāo)號(hào)17標(biāo)識(shí)。再次參考圖3，可看到，溫度補(bǔ)償裝置包括溫度測(cè)量框18，其被設(shè)置為通過(guò)輸出22提供表示溫度的信號(hào)；偏差補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生框24，其被設(shè)置為接收方框18所提供的信號(hào)，并同時(shí)提供整數(shù)和小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)作為輸出；小數(shù)累積框30，其被設(shè)置為通過(guò)輸入28接收小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)并且將其加到之前的小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)中的其余部分上，以便通過(guò)輸出37將小數(shù)抑制命令信號(hào)提供給可變延遲38，最后包括“抑制/注入控制”框34，其被配置為通過(guò)輸入26接收整數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)并通過(guò)輸出36為分頻裝置14提供抑制/注入命令信號(hào)。
[0019]在更詳細(xì)的描述中，溫度測(cè)量框18連接到與晶體振蕩器12熱耦合的溫度傳感器。該溫度傳感器被設(shè)置為測(cè)量晶體振蕩器的溫度。該傳感器可以是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的任何類(lèi)型的傳感器。例如，該溫度傳感器可以是熱敏電阻。該傳感器也可以是其頻率對(duì)溫度敏感的振蕩器。更具體地說(shuō)，根據(jù)特定的實(shí)施例，溫度傳感器包括高頻振蕩器16。方框18被設(shè)置為通過(guò)輸出22將溫度信號(hào)提供給方框24。方框24可訪(fǎng)問(wèn)與晶體振蕩器12的頻率/溫度行為有關(guān)的數(shù)據(jù)，并且方框24被設(shè)置為同時(shí)使用該數(shù)據(jù)以及溫度信號(hào)以提供偏差補(bǔ)償信號(hào)，從而補(bǔ)償晶體振蕩器的頻率與所需頻率之間與溫度相關(guān)的偏差。上述頻率/溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)中的至少某些被記錄在方框24中包含的非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，偏差補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生框24包含查找表，該表預(yù)加載對(duì)應(yīng)于選定溫度范圍的偏差值。基于方框24所接收的溫度信號(hào)，查找表通過(guò)輸出26提供整數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)，通過(guò)輸出28提供小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)。
[0020]在其中本發(fā)明的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器被設(shè)置為提供其時(shí)間單位為I秒的時(shí)間單位信號(hào)的特定情況下，方框24所產(chǎn)生的偏差補(bǔ)償信號(hào)優(yōu)選地對(duì)應(yīng)于晶體振蕩器12的頻率與所需頻率的偏差。在其中本發(fā)明的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器被設(shè)置為提供其時(shí)間單位不同于I秒的時(shí)間單位信號(hào)的情況下，基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的頻率可有利地被表示為每時(shí)間單位的振蕩數(shù)，而不是表示為每秒的振蕩數(shù)。因此應(yīng)該理解，與標(biāo)稱(chēng)頻率的偏差優(yōu)選地被表示為晶體振蕩器12的振蕩數(shù)。該偏差將被表示為晶體振蕩器的整振蕩數(shù)與對(duì)應(yīng)于晶體振蕩器的其余振蕩部分的小數(shù)部分的組合。這就是為何方框24所提供的偏差補(bǔ)償信號(hào)同時(shí)包括整數(shù)部和小數(shù)部的原因，其中整數(shù)部對(duì)應(yīng)于要在分頻器14中抑制或注入的晶體振蕩器的整脈沖數(shù)，小數(shù)部旨在補(bǔ)償其余的任何偏差。將進(jìn)一步理解，在其中晶體振蕩器的頻率高于標(biāo)稱(chēng)頻率的情況下，偏差的整數(shù)部通過(guò)脈沖抑制進(jìn)行補(bǔ)償，小數(shù)部通過(guò)小數(shù)抑制進(jìn)行補(bǔ)償。另一方面，在其中晶體振蕩器的頻率低于標(biāo)稱(chēng)頻率的情況下，偏差的整數(shù)部通過(guò)脈沖注入進(jìn)行補(bǔ)償，而小數(shù)部始終通過(guò)小數(shù)抑制進(jìn)行補(bǔ)償。無(wú)論整數(shù)還是小數(shù)，抑制都不會(huì)增加計(jì)時(shí)信號(hào)的頻率。因此，在其中晶體振蕩器的頻率低于標(biāo)稱(chēng)頻率的情況下，被注入分頻器的整脈沖數(shù)應(yīng)該足夠大，以便增加計(jì)時(shí)信號(hào)的頻率達(dá)到至少所需的頻率。然后可使用小數(shù)抑制稍微降低頻率，從而消除由于定量誤差導(dǎo)致的任何過(guò)補(bǔ)償。換言之，根據(jù)晶體振蕩器的頻率高于還是相反地低于標(biāo)稱(chēng)頻率，偏差補(bǔ)償信號(hào)的整數(shù)部和小數(shù)部應(yīng)該進(jìn)行不同方式的組合。在其中晶體振蕩器的頻率高于標(biāo)稱(chēng)頻率的第一情況下，偏差應(yīng)該優(yōu)選地被表示為要抑制的整脈沖數(shù)和對(duì)應(yīng)于小數(shù)抑制的小數(shù)余部之和；而在其中晶體振蕩器的頻率低于標(biāo)稱(chēng)頻率的第二情況下，偏差優(yōu)選地被表示為從整脈沖數(shù)減掉小數(shù)余部。
[0021]方框24被設(shè)置為通過(guò)輸出26提供偏差補(bǔ)償信號(hào)的整數(shù)部，以及通過(guò)輸出28提供偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)部。在溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)(通過(guò)輸出20提供)的每個(gè)脈沖期間，輸出28將新的偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)部提供給小數(shù)累積框30。新的溫度補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)部被加到小數(shù)累積框30中已有的偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)累積額上。每當(dāng)偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)累積額增長(zhǎng)到超過(guò)晶體振蕩器12的一個(gè)周期時(shí)，累積器便溢出，但是對(duì)應(yīng)的進(jìn)位輸出不進(jìn)行累積。通過(guò)此方式，小數(shù)累積框30中包含的偏差補(bǔ)償信號(hào)的累積小數(shù)部始終對(duì)應(yīng)于小于晶體振蕩器12的一個(gè)單位周期。進(jìn)位輸出通過(guò)輸出32被提供給抑制/注入控制框34，在該控制框中，它被加到偏差補(bǔ)償信號(hào)的整數(shù)部，以便形成抑制/注入命令信號(hào)。但是應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的備選實(shí)施例，可以讓偏差補(bǔ)償信號(hào)的累積小數(shù)部增加到等于晶體振蕩器12的至少數(shù)個(gè)周期，然后才從小數(shù)累積框的內(nèi)容中減去這些完整的周期。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，偏差補(bǔ)償信號(hào)的累積小數(shù)部進(jìn)一步地被轉(zhuǎn)換為高頻振蕩器16的等效周期數(shù)。因?yàn)楦哳l振蕩器16的振蕩周期比晶體振蕩器12的振蕩周期小好多倍，所以偏差補(bǔ)償信號(hào)的累積小數(shù)部的轉(zhuǎn)換值幾乎始終超過(guò)高頻振蕩器的數(shù)個(gè)周期。因此，所轉(zhuǎn)換的累積偏差補(bǔ)償信號(hào)小數(shù)部可四舍五入為高頻振蕩器的整周期數(shù)，并且不會(huì)喪失太多的精確度。
[0023]將累積的小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)表示為高頻振蕩器16的整周期數(shù)需要了解兩個(gè)振蕩器12和16的頻率之間的關(guān)系。因此，在本發(fā)明中溫度補(bǔ)償裝置17進(jìn)一步包括頻率比確定電路，其被設(shè)置為測(cè)量晶體振蕩器12和高頻振蕩器16的頻率之間的比率。在圖3中的框圖所示的特定實(shí)施例中，頻率比確定電路是溫度測(cè)量框18的一部分，并且通過(guò)輸出40被提供給方框30。方框30使用該比率將累積的小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)(對(duì)應(yīng)于晶體振蕩器12的零點(diǎn)幾個(gè)周期)轉(zhuǎn)換為高頻振蕩器16的對(duì)應(yīng)整周期數(shù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，存在多種頻率比確定電路可用于計(jì)算頻率比的方式。根據(jù)特定實(shí)施例，該電路可通過(guò)對(duì)晶體振蕩器的振蕩周期內(nèi)的來(lái)自高頻振蕩器的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，來(lái)確定晶體振蕩器12和高頻振蕩器16的頻率之間的比率。
[0024]抑制/注入控制框34被設(shè)置為在溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的每個(gè)周期上校正一次分頻裝置14的狀態(tài)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解，抑制或注入可提供溫度補(bǔ)償。但是，如簡(jiǎn)介中介紹的那樣，通過(guò)抑制或注入獲取的溫度補(bǔ)償是粗略補(bǔ)償(即，具有有限的分辨率)，本發(fā)明的目標(biāo)是允許以更精細(xì)的分辨率實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。本發(fā)明通過(guò)進(jìn)一步使用偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)部控制可變延遲38，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的第二溫度補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。
[0025]根據(jù)所示實(shí)施例，可變延遲38例如是數(shù)字計(jì)數(shù)器，其被配置為從小數(shù)累積框30接收小數(shù)抑制命令信號(hào)作為輸入，并且在產(chǎn)生輸出信號(hào)之前倒數(shù)到零。一方面需要指出，可變延遲38由高頻振蕩器16進(jìn)行鐘控，另一方面需要指出，小數(shù)抑制命令信號(hào)被表示為高頻振蕩器16的整周期數(shù)。因此，應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的所示實(shí)例允許將溫度補(bǔ)償?shù)阶罡邽榈扔诟哳l振蕩器16的周期的精確度。例如，如果溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的目標(biāo)頻率為1Hz，并且高頻振蕩器為IMHz振蕩器，則頻率分辨率將為lppm。
[0026]圖4是示出對(duì)應(yīng)于圖3所示的本發(fā)明的特定實(shí)施例的備選實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的功能框圖。根據(jù)該備選實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器采取精確的每秒I個(gè)脈沖的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的形式。圖4中的發(fā)生器被設(shè)計(jì)為通過(guò)輸出120提供溫度補(bǔ)償?shù)腎Hz計(jì)時(shí)信號(hào)。該發(fā)生器包括基于傳統(tǒng)的石英晶體音叉諧振器的32.768kHz晶體振蕩器112。所示的發(fā)生器進(jìn)一步包括計(jì)數(shù)器114，其被設(shè)計(jì)為對(duì)來(lái)自晶體振蕩器112的所有振蕩進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且在每次計(jì)數(shù)到32’ 768次晶體振蕩時(shí)輸出時(shí)鐘脈沖。該計(jì)數(shù)器然后復(fù)位以開(kāi)始下一秒(即，32.768)計(jì)數(shù)。該計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)一步包括1MHz RC振蕩器116。振蕩器116被設(shè)置為將時(shí)鐘信號(hào)提供給可變延遲框138?？勺冄舆t框138用于補(bǔ)償溫度變化?？勺冄舆t框的操作將做進(jìn)一步描述。
[0027]圖4所示的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器還包括整體由參考標(biāo)號(hào)117標(biāo)識(shí)的溫度補(bǔ)償裝置。所示的溫度補(bǔ)償裝置主要由功能框118、124、130、132和134構(gòu)成。功能框118從晶體振蕩器112和RC振蕩器116接收輸出信號(hào)。方框118被設(shè)置為對(duì)落在晶體振蕩器112的預(yù)定振蕩周期數(shù)⑵內(nèi)的RC振蕩器116的脈沖數(shù)(M)進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如，功能框118可通過(guò)一對(duì)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，這對(duì)計(jì)數(shù)器被設(shè)置為對(duì)來(lái)自上述兩個(gè)振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。只要計(jì)數(shù)器中的一者已對(duì)來(lái)自晶體振蕩器的P個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，另一計(jì)數(shù)器便停止對(duì)來(lái)自RC振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。第二計(jì)數(shù)器在停止時(shí)的狀態(tài)為脈沖計(jì)數(shù)M。M是取決于兩個(gè)振蕩器的溫度(T)的整數(shù)。功能框118被設(shè)置為在溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的每個(gè)周期上計(jì)算一次M(T)。因此，每秒計(jì)算一次計(jì)數(shù)M(T)的新值。此外，RC振蕩器116與晶體振蕩器112進(jìn)行熱接觸。因此，兩個(gè)振蕩器具有相同的溫度T。
[0028]圖2的圖表一方面示出包括石英晶體音叉諧振器的晶體振蕩器的頻率fXT的典型溫度相關(guān)曲線(xiàn)，另一方面示出RC振蕩器的頻率&。的典型溫度相關(guān)曲線(xiàn)。盡管該圖表的水平標(biāo)度和垂直標(biāo)度不同，但是可看出，RC振蕩器116的頻率fK。隨溫度變化的速度一般遠(yuǎn)大于晶體振蕩器112的頻率fXT的變化速度。此外，RC振蕩器的頻率隨溫度的變化基本呈線(xiàn)性。因此，可以選擇這樣的振蕩器，使得計(jì)數(shù)M(T)與溫度T之間的關(guān)系在預(yù)定操作范圍內(nèi)呈單一性(明確)。在功能框118中計(jì)算的計(jì)數(shù)M(T)因此可被用作溫度信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)M(T)可通過(guò)下面的方程式(I)計(jì)算:
[0029]M(T) = f 10r (P*fEC/fXT) (I)
[0030]其中頻率fK和fXT均依賴(lài)于溫度T (在本申請(qǐng)中使用的“floor”函數(shù)在維基百科的條目“floor和ceiling函數(shù)”中定義,該條目在此納入作為參考)。
[0031]值得注意的是，圖4中的功能框118可被視為圖3中的溫度信號(hào)發(fā)生框18的特定實(shí)現(xiàn)。
[0032]溫度信號(hào)M(T)通過(guò)功能框118的輸出122被提供給偏差補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生框124。根據(jù)所示實(shí)例，偏差補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生框124包括有限狀態(tài)機(jī)，其配置有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便針對(duì)預(yù)定操作范圍內(nèi)的溫度信號(hào)M(T)的任何值提供偏差補(bǔ)償信號(hào)。校準(zhǔn)之后，有限狀態(tài)機(jī)便能夠針對(duì)操作范圍內(nèi)的任何新的M(T)值計(jì)算石英晶體振蕩器112的偏差(偏差=fXT - 32’768)。偏差補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生框124被設(shè)置為針對(duì)每個(gè)IHz溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)提供一次新的偏差補(bǔ)償信號(hào)。換言之，針對(duì)每個(gè)新的計(jì)數(shù)M(T)提供偏差補(bǔ)償信號(hào)的新值。
[0033]配置有限狀態(tài)機(jī)非常簡(jiǎn)單。事實(shí)上，眾所周知，音叉石英晶體諧振器的頻率-溫度行為非常接近拋物線(xiàn)。因此，可通過(guò)簡(jiǎn)單的二次多項(xiàng)式擬合，以相當(dāng)準(zhǔn)確的精確度預(yù)測(cè)晶體振蕩器112的行為。計(jì)算多項(xiàng)式擬合而非使用預(yù)加載的查找表的優(yōu)點(diǎn)是:多項(xiàng)式擬合只需針對(duì)三個(gè)不同的溫度！Y、Ttl和Th(如圖2所示)預(yù)加載溫度信號(hào)M(T)和頻率fXT(M)的值。
[0034]非常值得注意的是，偏差補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生框124不僅計(jì)算頻率偏差的整數(shù)部(在下文中以字母“K”指示)，而且還計(jì)算偏差的小數(shù)成分(在下文中以字母“η”指示)，一直到預(yù)定數(shù)量的小數(shù)二進(jìn)制位數(shù)。因此，在其中fXT_32’768>0的情況下，總頻率偏差等于K+n，其中0〈η〈1。K和η可分別使用下面的兩個(gè)方程式(2)和(3)計(jì)算:
[0035]K = floor (fXT - 32’ 768) (2)(并且 K 是正整數(shù)或零)
[0036]n = - 32，768 - K (3) (O ( n〈l)
[0037]此外，在其中fXT-32’ 768<0的情況下，K和η可通過(guò)兩個(gè)相同的方程式計(jì)算:
[0038]K = floor(fXT - 32’ 768) (2，)(但 K 是負(fù)整數(shù))
[0039]n = - 32’ 768 - K (3，) (O 彡 n〈l 始終為真)
[0040]并且總頻率偏差始終等于K+n (當(dāng)K為負(fù)數(shù)時(shí)，表示應(yīng)該使用脈沖注入而非脈沖抑制)。
[0041]如已經(jīng)結(jié)合圖3介紹的那樣，η基本對(duì)應(yīng)于晶體振蕩器的零點(diǎn)幾個(gè)周期，在此期間，溫度補(bǔ)償?shù)腎Hz計(jì)時(shí)信號(hào)的新脈沖的開(kāi)始應(yīng)該被延遲，以便補(bǔ)償溫度。但是應(yīng)該理解，如果延遲IHz信號(hào)的特定脈沖，接下來(lái)的脈沖也必須被延遲(要不然就是下一脈沖縮短)。因此，延遲應(yīng)該同時(shí)考慮η和之前脈沖的延遲值。仍參考圖4，可看出，方框124的輸出128被設(shè)置為將新的偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)部η提供給表示加法器的功能框130。結(jié)合由D觸發(fā)器構(gòu)成的寄存器(以參考標(biāo)號(hào)D表示)，功能框130作為累積器工作，其中新的偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)部值η被加到對(duì)應(yīng)于之前的小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)累積的值ηΑ。。上。
[0042]如上結(jié)合圖3所述，每當(dāng)偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)累積額增長(zhǎng)到超過(guò)晶體振蕩器12的一個(gè)周期時(shí)，累積器便溢出，但是對(duì)應(yīng)的進(jìn)位輸出不進(jìn)行累積。因此將理解，功能框130以這樣的方式操作，即使得％。。始終小于晶體振蕩器112的一個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。此外，進(jìn)位輸出作為I個(gè)附加的單位立即借助加法器132被加到偏差補(bǔ)償信號(hào)的整數(shù)部(K-1)上。換言之，每當(dāng)加法器130溢出時(shí)，I個(gè)單位被加到偏差補(bǔ)償信號(hào)的整數(shù)部上，從而使其值從K-1變?yōu)镵。
[0043]與結(jié)合圖3的實(shí)施例描述的內(nèi)容類(lèi)似，偏差補(bǔ)償信號(hào)的累積小數(shù)部從加法器130的輸出被提供給功能框134。功能框134將ηΑ。。轉(zhuǎn)換為RC振蕩器116的等效周期數(shù)ηΙΝΤ。因?yàn)閷?duì)應(yīng)于1MHz的振蕩周期比對(duì)應(yīng)于32.768kHz的振蕩周期小好多倍，所以轉(zhuǎn)換值nINT —般超過(guò)RC振蕩器的數(shù)個(gè)周期。因此，nINT可被四舍五入為整周期數(shù)，并且不會(huì)喪失太多的精確度?！皀INT”可通過(guò)下面的方程式(4)計(jì)算:
[0044]nINT = floor (nACC*M/P) (4)
[0045]其中M是功能框118計(jì)算的M(T)，P是期間對(duì)M進(jìn)行計(jì)數(shù)的晶體振蕩器112的振蕩周期數(shù)。因此，比率Μ/P對(duì)應(yīng)于晶體振蕩器112的一個(gè)周期的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度以等于RC振蕩器的周期的單位表示。
[0046]新的偏差補(bǔ)償信號(hào)的整數(shù)部K-1可用于在IHz溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的每個(gè)周期上校正一次分頻裝置114的狀態(tài)。根據(jù)所示實(shí)施例，偏差補(bǔ)償信號(hào)的整數(shù)部K-1對(duì)應(yīng)于在IHz溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的特定周期內(nèi)應(yīng)該被抑制或注入的晶體振蕩器112的32.768kHz脈沖的數(shù)量。如簡(jiǎn)介中介紹的那樣，與脈沖注入補(bǔ)償相同，脈沖抑制補(bǔ)償可提供不高于30.5ppm的分辨率。如上所述，為了實(shí)現(xiàn)效果可達(dá)Ippm的分辨率，本發(fā)明還使用偏差補(bǔ)償信號(hào)的小數(shù)部η來(lái)控制可變延遲138，從而以更精細(xì)的分辨率實(shí)現(xiàn)第二級(jí)溫度補(bǔ)償。
[0047]如在上面的實(shí)例中那樣，可變延遲138例如可以是由RC振蕩器116進(jìn)行鐘控的數(shù)字計(jì)數(shù)器，其被配置為接收功能框134提供的小數(shù)抑制命令信號(hào)ηΙΝΤ。由于ηΙΝΤ以等于RC振蕩器的振蕩周期的單位表示，可變延遲138允許補(bǔ)償溫度，最高到精確度等于1MHz RC振蕩器的周期，即，10_7秒。
[0048]圖5是示出溫度補(bǔ)償對(duì)作為圖4中的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的輸出提供的計(jì)時(shí)信號(hào)的效應(yīng)的時(shí)序圖。參考圖5，第一行示出理想的每秒I個(gè)脈沖(Ipps)信號(hào)，該信號(hào)可能由完全補(bǔ)償?shù)挠?jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生。該圖所示的理想脈沖的上升沿分別由il、i2、i3和i4標(biāo)示。位于邊沿il與i2之間的雙頭箭頭表示振蕩周期T(在該實(shí)例中為I秒)。
[0049]圖5中的第二行示出在缺乏任何溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，由圖4中的功能框114提供的實(shí)際脈沖。第二行的未補(bǔ)償信號(hào)頻率等于晶體振蕩器112的頻率除以32’768。可看出，未補(bǔ)償信號(hào)明顯偏離理想信號(hào)。此偏差一般部分地因?yàn)橹圃熘C振器的方式，部分地因?yàn)橹車(chē)h(huán)境溫度的變化。從圖5可看出，與理想信號(hào)相比，未補(bǔ)償信號(hào)實(shí)際很快。
[0050]圖5中的第三行示出當(dāng)使用脈沖抑制進(jìn)行粗略溫度補(bǔ)償時(shí)，由功能框114提供的實(shí)際脈沖。第三行所示的通過(guò)脈沖抑制實(shí)現(xiàn)粗略溫度補(bǔ)償是公知的。脈沖抑制具有降低頻率的效應(yīng)，因此使得頻率更接近理想頻率。但是，脈沖抑制只能將下一脈沖的開(kāi)始延遲晶體振蕩器的振蕩周期的倍數(shù)；即大約1/32’ 768Hz，或者換言之，31 μ S。因此分辨率約為30ppmo
[0051]圖5中的第四行示出圖4中的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器所提供的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)?？煽闯觯瑴囟妊a(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)幾乎完全與第一行中理想的Ipps信號(hào)同步?？勺冄舆t能夠以等于RC振蕩器的振蕩周期的分辨率延遲下一脈沖的開(kāi)始；即大約l/107s，或者換言之，0.1μ S。因此分辨率約為0.1ppm0
[0052]所述溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可具有極低的能耗。事實(shí)上，除了高頻振蕩器之外，計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器的組件所需的功率極小。因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，為了節(jié)能，高頻振蕩器在每個(gè)時(shí)間單位的大部分時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，僅在需要時(shí)被接通。
[0053]更具體地說(shuō)，通過(guò)將此操作方式應(yīng)用于圖4所示的特定實(shí)例，可看出當(dāng)圖4中的1MHz RC振蕩器116之類(lèi)的振蕩器被接通時(shí)，需要大約120 μ s才能使頻率穩(wěn)定。一旦振蕩穩(wěn)定，通常在大約I’ 000 μ s的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行以下操作:在晶體振蕩器的P個(gè)周期內(nèi)對(duì)RC振蕩器的脈沖數(shù)M(T)進(jìn)行計(jì)數(shù)。最后，實(shí)現(xiàn)小數(shù)抑制只需少量的RC振蕩器周期。因此，RC振蕩器一般在每秒中執(zhí)行1.1毫秒。這對(duì)應(yīng)于大約1/900的占空比。從而可以相同的比例減少RC振蕩器的功耗。
[0054]參考特定的實(shí)施例描述本發(fā)明之后，將理解，這些實(shí)施例并非旨在作為本發(fā)明的限制。事實(shí)上，在不偏離所附權(quán)利要求的范圍的情況下，各種修改、改編和/或?qū)嵤├g的組合對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將變得顯而易見(jiàn)。具體來(lái)說(shuō)，方框18至方框24(圖3)所提供的溫度信號(hào)不一定基于晶體振蕩器12和高頻振蕩器16的頻率之間的比率。該溫度信號(hào)同樣可基于晶體振蕩器12和高頻振蕩器16的頻率之間的差值。該差值例如可通過(guò)混合基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和內(nèi)插信號(hào)而獲取。
[0055]最后應(yīng)該理解，圖3中的高頻振蕩器或圖4中的RC振蕩器嚴(yán)重偏離其標(biāo)稱(chēng)頻率并不是問(wèn)題。事實(shí)上，頻率比Μ/P定期更新，優(yōu)選地在溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)的每個(gè)周期更新一次。
【權(quán)利要求】
1.一種溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其用于產(chǎn)生一系列溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間單位信號(hào)脈沖，所述時(shí)間單位是任意預(yù)定義的時(shí)間間隔，所述計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器包括: 晶體振蕩器(12 ;112)，其被配置為產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，以及分頻電路(14;114)，其被設(shè)置為接收所述基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)作為輸入并輸出粗略時(shí)間單位信號(hào)，所述基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和所述粗略時(shí)間單位信號(hào)分別具有隨著所述晶體振蕩器的溫度偏離對(duì)應(yīng)的所需頻率的實(shí)際頻率； 高頻振蕩器(16 ;116)，其被配置為產(chǎn)生內(nèi)插信號(hào)，該信號(hào)具有的實(shí)際頻率大于所述晶體振蕩器的實(shí)際頻率(fXT); 溫度信號(hào)發(fā)生電路(18 ;118)，其包括與所述晶體振蕩器(12 ；112)進(jìn)行熱接觸的溫度傳感器并且被配置為定期提供和刷新表示所述晶體振蕩器的所述溫度的數(shù)字溫度信號(hào)； 有限狀態(tài)機(jī)(24 ;124)，其配置有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便根據(jù)所述數(shù)字溫度信號(hào)(M(T))，針對(duì)每個(gè)時(shí)間單位信號(hào)脈沖計(jì)算偏差補(bǔ)償信號(hào)，該偏差補(bǔ)償信號(hào)包括整數(shù)部(K-1)和小數(shù)部(η)，所述整數(shù)部表示要在所述分頻電路(14;114)中被抑制或注入的整脈沖數(shù)，所述小數(shù)部表示應(yīng)該進(jìn)一步將新的時(shí)間單位信號(hào)脈沖的輸出延遲多久才能補(bǔ)償其余的任何偏差； 粗略補(bǔ)償電路(34 ;126)，其被設(shè)置為接收每個(gè)新的偏差補(bǔ)償信號(hào)的所述整數(shù)部(K-1)，并且針對(duì)每個(gè)時(shí)間單位信號(hào)脈沖在所述分頻電路(14;114)中注入或抑制一定數(shù)量的基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)脈沖，脈沖的所述數(shù)量取決于所述偏差補(bǔ)償信號(hào)的所述整數(shù)部； 小數(shù)累積電路(30 ;130，D)，其被設(shè)置為針對(duì)每個(gè)時(shí)間單位信號(hào)脈沖接收所述偏差補(bǔ)償信號(hào)的新的小數(shù)部(η)，并且通過(guò)將所述偏差補(bǔ)償信號(hào)的所述小數(shù)部(η)的所述新的那個(gè)與之前的累積小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)相加，迭代地計(jì)算新的累積小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)(ηΑ。。)； 標(biāo)度轉(zhuǎn)換電路(24、40 ;118、124)，其被設(shè)置為定期提供和刷新表示所述高頻振蕩器(16 ；116)的頻率和所述晶體振蕩器(12 ；112)的頻率的比率(FKC/fXT)的數(shù)字頻率比信號(hào)(M/P)，并且進(jìn)一步被配置為通過(guò)將累積偏差補(bǔ)償信號(hào)(nA。。)轉(zhuǎn)換為內(nèi)插信號(hào)的對(duì)應(yīng)周期數(shù)來(lái)產(chǎn)生小數(shù)抑制命令信號(hào)(nINT)； 可變延遲電路(38 ; 138)，其被設(shè)置為接收每個(gè)新的小數(shù)抑制命令信號(hào)(nINT)并將下一時(shí)間單位信號(hào)脈沖的輸出延遲所述內(nèi)插信號(hào)的對(duì)應(yīng)周期數(shù)的時(shí)長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中所述高頻振蕩器(16；116)的實(shí)際頻率(fj對(duì)溫度敏感，所述高頻振蕩器與所述晶體振蕩器(12 ；112)進(jìn)行熱接觸，并且其中所述溫度信號(hào)發(fā)生器(18;118)被設(shè)置為接收所述內(nèi)插信號(hào)作為輸入，并且被配置為計(jì)算數(shù)字溫度信號(hào)M(T)，所述數(shù)字溫度信號(hào)表示溫度(T)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中，所述溫度信號(hào)發(fā)生器(18;118)還接收所述基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)作為輸入，并且被配置為基于所述高頻振蕩器(16 ；116)的實(shí)際頻率和所述晶體振蕩器(12 ；112)的實(shí)際頻率的比率(fKe/fXT)計(jì)算所述數(shù)字溫度信號(hào)(MCD)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中，所述偏差補(bǔ)償信號(hào)的所述整數(shù)部(K-1)導(dǎo)出自值(K)，該值⑷對(duì)應(yīng)于小于頻率偏差(K = floor (fXTactual-fXTdesired))的最大整數(shù)，所述偏差補(bǔ)償信號(hào)的所述小數(shù)部(η)等于所述頻率偏差的小數(shù)部分(η =-^XTactual -^XTdesired K) ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中，如果所述新的累積小數(shù)偏差補(bǔ)償信號(hào)(nA。。)不小于所述晶體振蕩器(112)的一個(gè)周期，則從所述新的小數(shù)抑制命令信號(hào)減去所述晶體振蕩器的一個(gè)周期，并且將一個(gè)單位加到所述偏差補(bǔ)償信號(hào)的所述整數(shù)部(K-1)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中，所述高頻振蕩器(16；116)具有的頻率(fK。)至少為所述溫度補(bǔ)償時(shí)間單位信號(hào)脈沖的頻率的16倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中所述晶體振蕩器包括32’ 768Hz音叉石英晶體諧振器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中所述高頻振蕩器是頻率對(duì)溫度具有單一依賴(lài)性的RC振蕩器，并且其中所述RC振蕩器的平均溫度系數(shù)比同一操作溫度范圍內(nèi)的第一振蕩器的溫度系數(shù)的模量的平均大至少一個(gè)量級(jí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中所述RC振蕩器所產(chǎn)生的所述內(nèi)插信號(hào)在室溫下具有大約1MHz的頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度補(bǔ)償計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)生器，其中所述溫度信號(hào)發(fā)生器被配置為通過(guò)對(duì)落在第一時(shí)間間隔內(nèi)的所述內(nèi)插信號(hào)的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算表示溫度的所述數(shù)字溫度信號(hào)，其中所述第一時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于預(yù)定數(shù)目的所述基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的脈沖。
【文檔編號(hào)】H03K3/011GK104518758SQ201410507912
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】D·呂菲克斯, N·斯科拉里 申請(qǐng)人:微晶公司