溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，包括晶體振蕩器(12；112)，其被配置為產(chǎn)生基準(zhǔn)時間信號，以及分頻電路(14；114)，其被設(shè)置為接收所述基準(zhǔn)時間信號作為輸入并輸出粗略時間單位信號，所述粗略時間單位信號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，該信號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)溫度計算偏差補(bǔ)償信號，該信號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)一步將新的時間單位信號脈沖輸出延遲多久才能補(bǔ)償其余的任何偏差的小數(shù)部。
【專利說明】溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器

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

【背景技術(shù)】
[0002]計時信號發(fā)生器是已知的。它們包括提供計時信號的振蕩器。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)計時器的功能圖，該計時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)電動機(jī)3，該電動機(jī)被設(shè)置為驅(qū)動采取表針形式的計時器的顯示裝置4。在此計時器中，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二進(jìn)制除法器，以便該鏈的輸出頻率為1Hz，適合于驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)3。
[0004]32’ 768Hz石英晶體音叉諧振器一般通過這樣的方式分割:當(dāng)根據(jù)溫度繪制頻率時，定義以25°C為中心的拋物線。換言之，石英晶體音叉諧振器在室溫下接近標(biāo)稱頻率諧振，但是當(dāng)溫度從室溫升高或降低時，諧振速度便降低。32’ 768Hz音叉諧振器的一般拋物線系數(shù)為-0.04ppm/°C 2o
[0005]已知配備有溫度傳感器并且能夠補(bǔ)償溫度變化的計時器。專利文獻(xiàn)US 3，895，486描述了一種溫度補(bǔ)償計時設(shè)備，以及溫度補(bǔ)償方法。這種被稱為抑制補(bǔ)償?shù)奶囟ǚ椒ū挥糜诮档陀嫊r信號的頻率。為實(shí)現(xiàn)此方法，必須專門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)跳過少量的周期。每次跳過的周期數(shù)取決于溫度并且借助所設(shè)計的查找表來確定。
[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)償通過增加計時信號的頻率來工作。例如，如專利文獻(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)通過二進(jìn)制除法器鏈饋入的數(shù)字信號內(nèi)。再次，注入的脈沖數(shù)借助溫度傳感器和所設(shè)計的查找表確定。
[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)幾個脈沖這一事實(shí)。當(dāng)振蕩器的頻率為f時，定量將分辨率限制為I秒1/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個周期上進(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，通過此類補(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)稱頻率，一直到第30個脈沖，然后在第31個脈沖處將累積誤差作為整體進(jìn)行補(bǔ)償。這對于作為時間積分儀的手表而言不是問題。但是，例如在計時信號發(fā)生器的實(shí)例中，每個單獨(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)償法并不令人滿意。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供這樣一種信號發(fā)生器:即，其中每個單獨(dú)的振蕩被進(jìn)行熱補(bǔ)償。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明通過提供根據(jù)所附權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器執(zhí)行抑制補(bǔ)償和/或注入補(bǔ)償用于每個時間單位脈沖的持續(xù)時間的粗略熱補(bǔ)償，并且該信號發(fā)生器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]通過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，下面的描述參考附圖做出，其中:
[0011]-圖1是現(xiàn)有技術(shù)時鐘的基本功能圖，該時鐘包括時基和分頻器，以及電動機(jī)和通過分頻器驅(qū)動的時間指示裝置；
[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)償計時信號發(fā)生器的基本功能框圖；
[0014]-圖4是示出圖3中的溫度補(bǔ)償計時信號發(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)償對作為圖4中的計時信號發(fā)生器的輸出提供的計時信號的效應(yīng)的時序圖。

【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)償計時信號發(fā)生器的框圖。圖3中的計時信號發(fā)生器被設(shè)計為通過輸出20提供一系列溫度補(bǔ)償時間單位信號脈沖。該發(fā)生器包括被設(shè)置為產(chǎn)生基準(zhǔn)時間信號的晶體振蕩器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)置為對基準(zhǔn)時間信號的所有振蕩進(jìn)行計數(shù)，并且針對來自晶體振蕩器的基準(zhǔn)時間信號的每32’ 768次振蕩輸出一個時鐘脈沖。
[0017]仍參考圖3，可看出本發(fā)明的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器進(jìn)一步包括高頻振蕩器16。振蕩器16被設(shè)置為將時鐘信號提供給表示可變延遲的方框38?？勺冄舆t38被設(shè)置為通過稍微延遲計時信號邊沿的開始來補(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)償計時信號的頻率大六個量級。優(yōu)選地，高頻振蕩器的頻率至少比溫度補(bǔ)償計時信號的頻率大17倍。例如，如果溫度補(bǔ)償計時信號的目標(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)償計時信號發(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17標(biāo)識。再次參考圖3，可看到，溫度補(bǔ)償裝置包括溫度信號發(fā)生框18，其被設(shè)置為通過輸出22提供表示溫度的信號；偏差補(bǔ)償信號發(fā)生框24，其被設(shè)置為同時接收來自方框18的信號和方框40提供的頻率比信號，并同時提供整數(shù)和小數(shù)偏差補(bǔ)償信號作為輸出；小數(shù)累積框30，其被設(shè)置為通過輸入28接收小數(shù)偏差補(bǔ)償信號并且將其加到之前的小數(shù)偏差補(bǔ)償信號中的其余部分上，以便通過輸出37將小數(shù)抑制命令信號提供給可變延遲38，最后包括“抑制/注入控制”框34，其被配置為通過輸入26接收整數(shù)偏差補(bǔ)償信號并通過輸出36為分頻裝置14提供抑制/注入命令信號。
[0019]在更詳細(xì)的描述中，溫度信號發(fā)生框18包括與晶體振蕩器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溫度敏感的振蕩器。更具體地說，根據(jù)特定的實(shí)施例，溫度傳感器可以是高頻振蕩器16。方框18被設(shè)置為通過輸出22將溫度信號提供給方框24。方框24可訪問與晶體振蕩器12的頻率/溫度行為有關(guān)的數(shù)據(jù)，并且方框24被設(shè)置為同時使用該數(shù)據(jù)以及溫度信號以提供偏差補(bǔ)償信號，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器內(nèi)。
[0020]在其中本發(fā)明的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器被設(shè)置為提供其時間單位為I秒的時間單位信號的特定情況下，方框24所產(chǎn)生的偏差補(bǔ)償信號優(yōu)選地對應(yīng)于晶體振蕩器12的頻率與標(biāo)稱頻率的偏差。在其中本發(fā)明的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器被設(shè)置為提供其時間單位不同于I秒的時間單位信號的情況下，基準(zhǔn)時間信號的頻率可有利地被表示為每時間單位的振蕩數(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)償信號同時包括整數(shù)部和小數(shù)部的原因，其中整數(shù)部對應(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)稱頻率的情況下，偏差的整數(shù)部通過脈沖抑制進(jìn)行補(bǔ)償，小數(shù)部通過小數(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)稱頻率的情況下，偏差的整數(shù)部通過脈沖注入進(jìn)行補(bǔ)償，而小數(shù)部始終通過小數(shù)抑制進(jìn)行補(bǔ)償。無論整數(shù)還是小數(shù)，抑制都不會增加計時信號的頻率。因此，在其中晶體振蕩器的頻率低于標(biāo)稱頻率的情況下，被注入分頻器的整脈沖數(shù)應(yīng)該足夠大，以便將計時信號的頻率增加到至少所需的高度。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)稱頻率，偏差補(bǔ)償信號的整數(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)置為通過輸出26提供偏差補(bǔ)償?shù)恼麛?shù)部，以及通過輸出28提供偏差補(bǔ)償信號的小數(shù)部。根據(jù)本發(fā)明，偏差補(bǔ)償信號的小數(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)償信號的小數(shù)部的轉(zhuǎn)換值一般超過高頻振蕩器的數(shù)個周期。因此，所轉(zhuǎn)換的偏差補(bǔ)償信號小數(shù)部可四舍五入為高頻振蕩器的整周期數(shù)，并且不會喪失太多的精確度。
[0022]根據(jù)一個實(shí)施例，偏差補(bǔ)償信號發(fā)生框24包含查找表,該表預(yù)加載對應(yīng)于選定溫度范圍的偏差值?；诜娇?4所接收的溫度信號，查找表通過輸出26提供整數(shù)偏差補(bǔ)償信號，通過輸出28提供小數(shù)偏差補(bǔ)償信號。如上所述，小數(shù)偏差補(bǔ)償信號被表示為高頻振蕩器16的整周期數(shù)。以此方式將偏差表示為高頻振蕩器的周期需要了解兩個振蕩器12和16的頻率之間的關(guān)系。根據(jù)所示實(shí)例,對應(yīng)于晶體振蕩器12和高頻振蕩器16的頻率之間的比率的頻率比信號可從方框40提供給方框24。方框24使用此比率以將對應(yīng)于晶體振蕩器12的部分周期的小數(shù)偏差補(bǔ)償信號轉(zhuǎn)換為高頻振蕩器16的對應(yīng)整周期數(shù)。
[0023]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，方框40可使用多種方式確定頻率比。根據(jù)不同的實(shí)施例，方框40可通過對晶體振蕩器的一個振蕩周期內(nèi)的來自高頻振蕩器的脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，或者通過使用預(yù)加載給定溫度范圍內(nèi)不同溫度的比率值的查找表，來確定晶體振蕩器12和高頻振蕩器16的頻率之間的比率。
[0024]方框24的輸出28被設(shè)置為在溫度補(bǔ)償計時信號(通過輸出20提供)的每個脈沖期間將新的偏差補(bǔ)償信號的小數(shù)部提供給小數(shù)累積框30。新的溫度補(bǔ)償信號的小數(shù)部被加到小數(shù)累積框30中已有的偏差補(bǔ)償信號的小數(shù)累積額上。將理解，由于偏差補(bǔ)償信號的小數(shù)部被表示為高頻振蕩器16的整周期數(shù)，因此小數(shù)累積框的狀態(tài)為對應(yīng)于高頻振蕩器的累積周期數(shù)的值。每當(dāng)高頻振蕩器的累積周期數(shù)增加到超過晶體振蕩器12的一個周期，則從小數(shù)累積框的內(nèi)容中減去一個晶體振蕩器周期。通過此方式，小數(shù)累積框30提供的小數(shù)抑制命令信號始終對應(yīng)于小于偏差補(bǔ)償信號的整數(shù)部的一個單位。從小數(shù)累積框30的內(nèi)容中減去的晶體振蕩器的任何整周期通過輸出32被發(fā)送到抑制/注入控制框34，在該控制框中，它與偏差補(bǔ)償信號的整數(shù)部合并(做加法或減法)，以便形成抑制/注入命令信號。但是應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的備選實(shí)施例，可以讓小數(shù)累積框中包含的累積周期數(shù)增加到等于晶體振蕩器12的數(shù)個周期，然后才從小數(shù)累積框的內(nèi)容中減去這些周期。
[0025]抑制/注入控制框34被設(shè)置為在溫度補(bǔ)償計時信號的每個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，如簡介中介紹的那樣，通過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)明通過進(jìn)一步使用偏差補(bǔ)償信號的小數(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)償來實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。
[0026]根據(jù)所示實(shí)施例，可變延遲38例如是數(shù)字計數(shù)器，其被配置為從小數(shù)累積框30接收小數(shù)抑制命令信號作為輸入，并且在產(chǎn)生輸出信號之前倒數(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)償計時信號發(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)償計時信號的目標(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。
[0027]圖4是示出對應(yīng)于圖3所示的本發(fā)明實(shí)施例的備選實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器的功能框圖。根據(jù)該備選實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的計時信號發(fā)生器采取精確的每秒I個脈沖的計時信號發(fā)生器的形式。圖4中的發(fā)生器被設(shè)計為通過輸出120提供溫度補(bǔ)償?shù)腎Hz計時信號。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)一步包括計數(shù)器114，其被設(shè)計為對來自晶體振蕩器112的所有振蕩進(jìn)行計數(shù)，并且在每次計數(shù)到32’ 768次晶體振蕩時輸出時鐘脈沖。該計數(shù)器然后復(fù)位以開始下一秒(即，32.768)計數(shù)。該計時信號發(fā)生器進(jìn)一步包括lOMHzRC振蕩器116。振蕩器116被設(shè)置為將時鐘信號提供給可變延遲框138?？勺冄舆t框138用于補(bǔ)償溫度變化?？勺冄舆t的操作將做進(jìn)一步描述。
[0028]圖4所示的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器還包括整體由參考標(biāo)號117標(biāo)識的溫度補(bǔ)償裝置。所示的溫度補(bǔ)償裝置由功能框118、124、130、134和142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。方框118被設(shè)置為對落在晶體振蕩器112的預(yù)定振蕩周期數(shù)(P)內(nèi)的RC振蕩器116的脈沖數(shù)(M)進(jìn)行計數(shù)。例如，功能框118可通過一對計數(shù)器實(shí)現(xiàn)，這對計數(shù)器被設(shè)置為對來自上述兩個振蕩器的脈沖進(jìn)行計數(shù)。只要計數(shù)器中的一者已對來自晶體振蕩器的P個脈沖進(jìn)行計數(shù)，另一計數(shù)器便停止對來自RC振蕩器的脈沖進(jìn)行計數(shù)。第二計數(shù)器在停止時的狀態(tài)為脈沖計數(shù)M。M是取決于兩個振蕩器的溫度(T)的整數(shù)。功能框118被設(shè)置為在溫度補(bǔ)償計時信號的每個周期上計算一次M(T)。因此，每秒計算一次計數(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，兩個振蕩器具有相同的溫度T。
[0029]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，另一方面示出RC振蕩器的頻率&。的典型溫度相關(guān)曲線。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性。因此，可以選擇這樣的振蕩器，使得計數(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中計算的計數(shù)M(T)因此可被用作溫度信號。脈沖計數(shù)M(T)可通過下面的方程式(I)計算:
[0030]M(T) = f 10r (P*fEC/fXT) (I)
[0031]其中頻率fKC和fXT均依賴于溫度T(在本申請中使用的“floor”、“Ceiling”和“sawtooth”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)。
[0032]值得注意的是，圖4中的功能框118可被視為圖3中的溫度信號發(fā)生框18的特定實(shí)現(xiàn)。
[0033]溫度信號M(T)通過功能框118的輸出122被提供給偏差補(bǔ)償信號發(fā)生框124。根據(jù)所示實(shí)例，偏差補(bǔ)償信號發(fā)生框124包括有限狀態(tài)機(jī)，其配置有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便針對預(yù)定操作范圍內(nèi)的溫度信號M(T)的任何值提供偏差補(bǔ)償信號。校準(zhǔn)之后，有限狀態(tài)機(jī)便能夠針對操作范圍內(nèi)的任何新的M(T)值計算石英晶體振蕩器112的偏差(偏差=fXT - 32’768)。偏差補(bǔ)償信號發(fā)生框124被設(shè)置為針對每個IHz溫度補(bǔ)償計時信號提供一次新的偏差補(bǔ)償信號。換言之，針對每個新的計數(shù)M(T)提供偏差補(bǔ)償信號的新值。
[0034]配置有限狀態(tài)機(jī)非常簡單。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。因此，可通過簡單的二次多項(xiàng)式擬合，以相當(dāng)準(zhǔn)確的精確度預(yù)測晶體振蕩器112的行為。計算多項(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)式擬合只需針對三個不同的溫度TL、T0和Th(如圖2所示)預(yù)加載溫度信號M(T)和頻率fXT(M)的值。此外，如上所述，根據(jù)該實(shí)施例，標(biāo)稱頻率為32’ 768Hz，或者以其它方式表示為215Hz。這表示，石英晶體振蕩器的標(biāo)稱頻率可進(jìn)一步被表示為二進(jìn)制數(shù)I’000’000’000’000’000。因此，在二進(jìn)制記數(shù)法中，十進(jìn)制頻率偏差fXT_32’ 768變?yōu)閒XT-l’ 000’ 000’ 000’ 000’ 000。由于與溫度相關(guān)的頻率偏差與標(biāo)稱頻率相比較小，因此，二進(jìn)制頻率偏差的模量應(yīng)該僅在具有最小權(quán)重的數(shù)字當(dāng)中包括有非零數(shù)字。與此特征關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是:它允許選擇較簡單的算法來計算頻率偏差，因此減少所需的計算量。
[0035]非常值得注意的是，偏差補(bǔ)償信號發(fā)生框124不僅計算頻率偏差的整數(shù)部(在下文中以字母“K”指示)，而且還計算偏差的小數(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方程式(2)和(3)計算:
[0036]K = floor (fXT - 32，768) (2)(并且 K 是正整數(shù)或零)
[0037]n = - 32，768 - K (3) (O ( n〈l)
[0038]此外，在其中fXT - 32’ 768<0的情況下，K和η可通過兩個相同的方程式計算:
[0039]K = floor (fXT-32? 768) (2，)(但 K 是負(fù)整數(shù))
[0040]n = fXT - 32，768 - K(3’)(O 彡 n〈l 始終為真)
[0041]并且總頻率偏差始終等于K+n(當(dāng)K為負(fù)數(shù)時，表示應(yīng)該使用脈沖注入而非脈沖抑制)。與結(jié)合圖3的實(shí)施例描述的內(nèi)容類似，功能框124進(jìn)一步將η(偏差補(bǔ)償信號的小數(shù)部)轉(zhuǎn)換為RC振蕩器116的等效周期數(shù)ηρ。因?yàn)閷?yīng)于IMHz的振蕩周期比對應(yīng)于32.768kHz的振蕩周期小好多倍，所以偏差補(bǔ)償信號的小數(shù)部η的轉(zhuǎn)換值ηρ —般超過RC振蕩器的數(shù)個周期。因此，ηρ可被四舍五入為整周期數(shù)，并且不會喪失太多的精確度?！唉铅选笨赏ㄟ^下面的方程式(4)計算:
[0042]np = floor (n*M/P) (4)
[0043]其中M是功能框118計算的M(T)，P是對M進(jìn)行計數(shù)期間的晶體振蕩器112的振蕩周期數(shù)。
[0044]如已經(jīng)結(jié)合圖3介紹的那樣，ηρ基本對應(yīng)于RC振蕩器的周期數(shù)，在這些周期內(nèi)，溫度補(bǔ)償?shù)腎Hz計時信號的新脈沖的開始應(yīng)該被延遲，以便補(bǔ)償溫度。但是應(yīng)該理解，如果延遲IHz信號的特定脈沖，接下來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)該同時考慮ηρ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)償信號的小數(shù)部ηρ提供給鉆石形狀的功能框130。功能框130作為累積器工作，其中新的偏差補(bǔ)償信號的小數(shù)部值ηρ被加到對應(yīng)于之前的小數(shù)抑制命令信號的值ηΙΝΤ上。之前的小數(shù)抑制命令信號值％?由功能框142提供。例如，功能框142可以是由D觸發(fā)器組成的寄存器。
[0045]結(jié)合功能框134，功能框130被進(jìn)一步設(shè)置為做出以下決策:
[0046]如果ηρ+ηΙΝΤ 彡 Μ/P,則 nINT，= np+nINT - M/P
[0047]否則nINT，= np+nINT
[0048]其中nINT，是新的小數(shù)抑制命令信號并且對應(yīng)于RC振蕩器的周期數(shù)，在這些周期內(nèi)，溫度補(bǔ)償?shù)腎Hz計時信號的新脈沖的開始應(yīng)該被延遲，以便補(bǔ)償溫度；M是由功能框118計算的M(T)，比率Μ/P對應(yīng)于晶體振蕩器112的一個周期長度，該長度以等于RC振蕩器的周期的單位表示。
[0049]通過上述內(nèi)容可理解，功能框130和134以nINT始終小于Μ/P的方式操作。而且，Μ/P對應(yīng)于晶體振蕩器112的一個周期的持續(xù)時間，因此，從偏差補(bǔ)償信號的累積小數(shù)部減去的任何數(shù)量Μ/P可通過功能框134隨即作為I個附加的單位被加到偏差補(bǔ)償信號K-1的整數(shù)部上。換言之，每當(dāng)從偏差補(bǔ)償信號的累積小數(shù)部減去數(shù)量Μ/P時，一個單位被加到偏差補(bǔ)償信號的整數(shù)部上，從而使其值從K-1變?yōu)镵。
[0050]新的偏差補(bǔ)償信號的整數(shù)部K可用于在IHz溫度補(bǔ)償計時信號的每個周期上校正一次分頻裝置14的狀態(tài)。根據(jù)所示實(shí)施例，偏差補(bǔ)償信號的整數(shù)部K對應(yīng)于應(yīng)該在IHz溫度補(bǔ)償計時信號的特定周期內(nèi)被抑制的晶體振蕩器112的32.768kHz脈沖的數(shù)量。如簡介中介紹的那樣，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。如之前所解釋，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)償信號的小數(shù)部np來控制可變延遲138，從而以更精細(xì)的分辨率實(shí)現(xiàn)第二級溫度補(bǔ)償。
[0051]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允許將溫度補(bǔ)償?shù)阶罡呔_度等于1MHz RC振蕩器的周期，即，10-7秒。
[0052]圖5是示出溫度補(bǔ)償對作為圖4中的計時信號發(fā)生器的輸出提供的計時信號的效應(yīng)的時序圖。參考圖5，第一行示出理想的每秒I個脈沖(Ipps)信號，該信號可能由完全補(bǔ)償?shù)挠嫊r信號發(fā)生器產(chǎn)生。該圖所示的理想脈沖的上升沿分別由il、i2、?3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)。
[0053]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)償信號頻率等于晶體振蕩器112的頻率除以32’768?？煽闯觯囱a(bǔ)償信號明顯偏離理想信號。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h(huán)境溫度的變化。從圖5可看出，與理想信號相比，未補(bǔ)償信號實(shí)際很快。事實(shí)上，由于脈沖抑制和延遲均具有降低頻率的效應(yīng)，因此圖4的振蕩器112中的音叉石英晶體諧振器必須被制造為速度非?？?。但是需要指出，在其中溫度補(bǔ)償同時使用脈沖抑制和脈沖注入的實(shí)施例中，不要求諧振器非常快。
[0054]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，由功能框114提供的實(shí)際脈沖。第三行所示的通過脈沖抑制實(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
[0055]圖5中的第四行示出圖4中的計時信號發(fā)生器所提供的溫度補(bǔ)償計時信號?？煽闯?，溫度補(bǔ)償計時信號幾乎完全與第一行中理想的Ipps信號同步?？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始；即大約l/107s，或者換言之，0.1μ S。因此分辨率約為0.lppm。
[0056]所述溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器的一個優(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，計時信號發(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，高頻振蕩器在每個時間單位的大部分時間內(nèi)關(guān)閉，僅在需要時被接通。
[0057]更具體地說，通過將此操作方式應(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之類的振蕩器被接通時，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的時間內(nèi)執(zhí)行以下操作:在晶體振蕩器的P個周期內(nèi)對RC振蕩器的脈沖數(shù)M(T)進(jìn)行計數(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。
[0058]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)稱頻率并不是問題。事實(shí)上，頻率比Μ/P定期更新，優(yōu)選地在溫度補(bǔ)償計時信號的每個周期更新一次。
【權(quán)利要求】
1.一種溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其用于產(chǎn)生一系列溫度補(bǔ)償?shù)臅r間單位信號脈沖，所述時間單位是任意預(yù)定義的時間間隔，所述計時信號發(fā)生器包括: 晶體振蕩器(12 ;112)，其被配置為產(chǎn)生基準(zhǔn)時間信號，以及分頻電路(14;114)，其被設(shè)置為接收所述基準(zhǔn)時間信號作為輸入并輸出粗略時間單位信號，所述基準(zhǔn)時間信號和所述粗略時間單位信號分別具有隨著所述晶體振蕩器的溫度偏離對應(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，該信號具有的頻率(fK。)大于所述晶體振蕩器的頻率(fXT); 溫度信號發(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溫度的數(shù)字溫度信號； 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，針對每個時間單位信號脈沖計算偏差補(bǔ)償信號，該偏差補(bǔ)償信號包括整數(shù)部和小數(shù)部，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)一步將新的時間單位信號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)置為接收每個新的偏差補(bǔ)償信號的所述整數(shù)部，并且針對每個時間單位信號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)時間信號脈沖，脈沖的所述數(shù)量取決于所述偏差補(bǔ)償信號的所述整數(shù)部； 頻率變換電路(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)的頻率與所述晶體振蕩器(12 ；112)的頻率的比率(Μ/P)的數(shù)字頻率比信號，并且進(jìn)一步被設(shè)置為將對應(yīng)于每個時間單位信號脈沖的偏差補(bǔ)償信號的所述小數(shù)部(η)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的內(nèi)插信號周期數(shù)(ηρ)； 小數(shù)累積電路(30 ;130、134)，其被設(shè)置為針對每個時間單位信號脈沖接收所述內(nèi)插信號周期數(shù)(ηρ)的新數(shù)目，并且通過將所述內(nèi)插信號周期數(shù)(ηρ)的所述新數(shù)目與之前的小數(shù)抑制命令信號(ηΙΝΤ)相加，迭代地計算新的小數(shù)抑制命令信號(ηΙΝΤ，)； 可變延遲電路(38 ; 138)，其被設(shè)置為接收每個新的小數(shù)抑制命令信號(ηΙΝΤ，)并將下一時間單位信號脈沖的輸出延遲內(nèi)插信號對應(yīng)周期數(shù)的時長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中，如果所述新的小數(shù)抑制命令信號(ηΙΝΤ，)相當(dāng)于不小于所述晶體振蕩器的一個周期(Μ/Ρ)，則從所述新的小數(shù)抑制命令信號中減去所述晶體振蕩器的一個周期(Μ/P)，然后將一個單位加到所述偏差補(bǔ)償信號的所述整數(shù)部(K)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中，所述高頻振蕩器(16;116)具有至少是所述溫度補(bǔ)償時間單位信號脈沖的頻率的16倍的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中所述溫度補(bǔ)償時間單位信號脈沖的頻率為IHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中所述高頻振蕩器(16；116)為集成在芯片上并具有至少IMHz的頻率(fK。)的RC振蕩器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中所述高頻振蕩器(16;116)具有至少1MHz的頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中，如果所述基準(zhǔn)時間信號的頻率(fXT)高于對應(yīng)的所需頻率，則所述偏差補(bǔ)償信號的所述整數(shù)部(K)等于不大于頻率偏差的模量的最大整數(shù)，并且對應(yīng)于將在所述分頻電路中抑制的整脈沖數(shù)，并且所述偏差補(bǔ)償信號的所述小數(shù)部(η)等于所述頻率偏差的小數(shù)部的模量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中，如果所述基準(zhǔn)時間信號的頻率低于對應(yīng)的所需頻率，則所述偏差補(bǔ)償信號的所述整數(shù)部(K)等于不小于頻率偏差的模量的最小整數(shù)，并且對應(yīng)于將在所述分頻電路中注入的整脈沖數(shù)，并且所述偏差補(bǔ)償信號的所述小數(shù)部(η)等于I減去所述頻率偏差的小數(shù)部的模量。
10.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中所述高頻振蕩器被設(shè)置為在每個時間單位上間歇地操作一次，并且其中所述可變數(shù)字延遲被配置為使用所述高頻振蕩器，以便在所述振蕩器已啟動并被賦予足夠的時間進(jìn)行穩(wěn)定之后，以及在所述振蕩器再次停止之前，在每個時間單位上調(diào)整一次下一時間單位信號脈沖的開始的延遲。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的溫度補(bǔ)償計時信號發(fā)生器，其中所述頻率變換電路(24、.40 ;118、124)在所述振蕩器已啟動并被賦予足夠的時間進(jìn)行穩(wěn)定之后，以及在所述振蕩器再次停止之前，在周期性第二時間間隔期間刷新所述數(shù)字頻率比信號，該周期性第二時間間隔在每個時間單位上出現(xiàn)一次，并處于所述第一時間間隔之外。
【文檔編號】H03K3/011GK104518759SQ201410510511
【公開日】2015年4月15日 申請日期: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 申請人:微晶公司