CN101030777B - 实时时钟源及其校准装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种实时时钟源的校准方法，用以接收f赫兹的时钟信号并输出F赫兹的校准后的时钟信号。此校准方法首先接收1赫兹的标准信号及N×f赫兹的高频信号，然后用标准信号作为开关在t秒内控制实际震荡信号的计数值，和t秒内无误差的计数值(t×N×F)做比较，得到误差值E。接着，接收时钟信号，当k×t×N<E≦(k+1)×t×N时，在(E-k×t×N)秒内每秒计(F-k-1)个时钟周期作为1秒，并在((k+1)×t×N-E)秒内每秒计(F-k)个时钟周期作为1秒，从而在t×N秒内补偿时钟误差。最后，输出校准后的时钟信号。其中，f及F均为正实数、t与N均为正整数、E与k为均整数。

Description

实时时钟源及其校准装置与方法 

技术领域

本发明涉及一种实时时钟源(Real Time Clock，简称RTC)，特别是涉及一种数字手段自动方式校准实时时钟源。 

背景技术

目前作为实时时钟源的有高频和低频两种，用高频信号作为实时时钟源有精度高的优点，但是它的功耗大，一般不应用于便协设备等低功耗设备中，而用低频信号源(32.768kHz)作为实时时钟源的优缺点和高频信号源刚好相反。目前用低频信号源作为实时时钟源的校准方式普遍有两种方式，一种是用模拟手段调整电容值，另一种是用数字手段增加或减少时钟。 

用模拟手段校准实时时钟源目前有调整内部电容和外部电容两种方式，其缺点在于效率低、振荡器要求高、可调节误差范围小、精度不高及对线路版布局(PCB layout)要求高，但是这是真正修正输入时钟信号频率的方法。 

用数字手段校准实时时钟源目前有手动和自动两种的方式。其中，手动方式为通过测量时钟信号的频率来确定误差大小，并根据厂商提供的“误差-数字调整”查找表将相应的数值写入寄存器，然后补偿电路根据这个数值在规定时间内增加或者减少时钟数，来使时钟信号准确。其缺点在于需要人工测量误差、可调节误差范围小及精度不高(至少大于5ppm)。另外，自动方式为实时时钟源输入标准信号和时钟信号，自动比较两者时间差来确定误差大小并将此误差值写入寄存器，然后补偿电路根据这个数值在规定时间内增加或者减少时钟数，来使时钟信号准确。其缺点在于可调节误差范围小及精度取决于校准时间(如：15s为2ppm，30s为1ppm)。 

图1是一种传统的数字手段自动方式校准实时时钟源的方块图，其采用时钟信号同时做校准和补偿用。请参照图1，在此例中，实时时钟源的校准装置100接收标准信号(1Hz)和时钟信号(约32768Hz)，并在规定时间(15s)内校准时钟信号，来使校准后的时钟信号(32768Hz)准确。校准装置100包括误差计量器110、误差寄存器120、分频单元130及补偿单元140。另外，分频单元130包括五个分频器，分别为分频器(÷32766)131、分频器(÷32767)132、分频器(÷32768)133、分频器(÷32769)134及分频器(÷32770)135。 

在校准模式下，实时时钟源用1Hz标准信号作为开关在15秒内控制实 际震荡信号的输入计数。通过误差计量器110将此计数值和15秒内无误差的计数值491520(＝15×32768)做比较，得到误差值E并自动存入误差寄存器120。然后实时时钟源进入补偿模式，通过分频单元130及补偿单元140采用分频的方法对时钟信号进行补偿，以输出校准后的时钟信号。 

举例来说，当0＜E≤15时，说明实际的时钟信号在15秒内快了E个周期，此时分频单元130根据误差值E，通过分频器(÷32767)132提供A相及分频器(÷32768)133提供B相给补偿单元140，然后补偿单元140在E秒内每秒计32767个时钟周期作为1秒(A相)，并在(15-E)秒内每秒计32768个时钟周期作为1秒(B相)，就可以在15秒内补偿时钟误差。 

但是当E＞15的时候，说明15秒内通过分频器(÷32767)132及分频器(÷32768)133已经不能够调整误差了，因此需要改采用其它的分频器。例如：当15＜E≤30时，补偿单元140通过分频器(÷32766)131及分频器(÷32767)132分别在(E-15)秒内每秒计32766个时钟周期作为1秒(A相)，并在(30-E)秒内每秒计32767个时钟周期作为1秒(B相)，如此就可以在15秒内补偿时钟误差。 

依次类推，同样适用于E为负数的情况。因此，此方法只有在15秒的n倍的时候才可以校准到需要的精度。由于不同步造成的误差约为±1个振荡周期，故15秒内由于校准引起的误差为： 

$\frac{\&PlusMinus;1}{32768\&times;15}\&times;{10}^6\&ap;\&PlusMinus;2\mathrm{ppm}$

此种方式的优点在于可以通过程序实现全自动校准，可以做到高精度。但是它的缺点在于校准时间长(15秒)，精度和校准时间成正比，不适合高精度校准使用。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时时钟源及其校准装置与方法，采用数字手段自动方式来校准，从而具有更短的校准时间及更高的精度。 

本发明提出一种实时时钟源的校准装置，用以接收f赫兹的时钟信号并输出F赫兹的校准后的时钟信号。此校准装置包括误差计量器、误差寄存器、分频单元及补偿单元。误差计量器用以接收1赫兹的标准信号及N×f赫兹的高频信号，并用标准信号作为开关在t秒内控制实际震荡信号的计数值，和t秒内无误差的计数值t×N×F做比较得到误差值E。误差寄存器耦接误差计量器，其用以暂存误差值E。分频单元耦接误差寄存器，其用以接收时钟信号及误差值E，并根据误差值E在k×t×N＜E≤(k+1)×t×N时提供每秒计F-k-1个时钟周期作为1秒的分频及每秒计F-k个时钟周期 作为1秒的分频。补偿单元耦接分频单元，其用以根据分频单元提供的分频，在E-k×t×N秒内每秒计F-k-1个时钟周期作为1秒，并在(k+1)×t×N-E秒内每秒计F-k个时钟周期作为1秒，从而在t×N秒内补偿时钟误差以输出校准后的时钟信号。其中，f及F均为正实数、t与N均为正整数、E与k均为整数。 

本发明另提出一种实时时钟源，其包括上述实时时钟源的校准装置。 

本发明再提出一种实时时钟源的校准方法，用以接收f赫兹的时钟信号并输出F赫兹的校准后的时钟信号。此校准方法首先接收1赫兹的标准信号及N×f赫兹的高频信号，然后用标准信号作为开关在t秒内控制实际震荡信号的计数值，和t秒内无误差的计数值t×N×F做比较，得到误差值E。接着，接收时钟信号，当k×t×N＜E≤(k+1)×t×N时，在E-k×t×N秒内每秒计F-k-1个时钟周期作为1秒，并在(k+1)×t×N-E秒内每秒计F-k个时钟周期作为1秒，从而在t×N秒内补偿时钟误差。最后，输出校准后的时钟信号。其中，f及F均为正实数、t与N均为正整数、E与k均为整数。 

综上所述，本发明采用高频信号做校准用，而非时钟信号同时做校准与补偿用，可以大幅地缩短实时时钟在数字手段自动方式的校准时间及提高其精度。 

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。 

附图说明

图1是一种传统的数字手段自动方式校准实时时钟源的方块图。 

图2是根据本发明而提出的数字手段自动方式校准实时时钟源的一实施例的方块图。 

图3是根据本发明而提出的数字手段自动方式校准实时时钟源的一实施例的流程图。 

100、200：校准装置 

110、210：误差计量器 

120、220：误差寄存器 

130、230：分频单元 

131～135、231～235：分频器 

140、240：补偿单元 

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的实时时钟源及其校准装置与方法的特征及功效，详细说明如后。 

图2是根据本发明而提出的数字手段自动方式校准实时时钟源的一实施例的方块图，其采用高频信号做校准用、相对低频的时钟信号做补偿用。请参照图2，在此例中，实时时钟源的校准装置200接收标准信号(1Hz)、时钟信号(f Hz)和高频信号(N×f Hz)，并在规定时间(t×N s)内校准时钟信号，来使校准后的时钟信号(F Hz)准确，其中f≈F。校准装置200包括误差计量器210、误差寄存器220、分频单元230及补偿单元240。另外，分频单元230包括五个分频器231～235，其中分频器231为÷(F-2)、分频器232为÷(F-1)、分频器233为÷F、分频器234为÷(F+1)、分频器235为÷(F+2)。 

在校准模式下，实时时钟源用1Hz标准信号作为开关在t秒内控制实际震荡信号的输入计数。通过误差计量器210将此计数值和t秒内无误差的计数值(t×N×F)做比较，得到误差值E并自动存入误差寄存器220。然后实时时钟源进入补偿模式，通过分频单元230及补偿单元240采用分频的方法对时钟信号进行补偿，以输出校准后的时钟信号。 

举例来说，当0＜E≤t×N时，说明实际的时钟信号在t×N秒内快了E个周期，此时分频单元230根据误差值E，通过分频器232的÷(F-1)提供A相及分频器233的÷F提供B相给补偿单元240，然后补偿单元240在E秒内每秒计(F-1)个时钟周期作为1秒(A相)，并在(t×N-E)秒内每秒计F个时钟周期作为1秒(B相)，就可以在t×N秒内补偿时钟误差。 

但是当E＞t×N的时候，说明t×N秒内通过分频器(÷32767)232及分频器(÷32768)233已经不能够调整误差了，因此需要改采用其它的分频器。例如：当t×N＜E≤2×t×N时，补偿单元240通过分频器231的÷(F-2)及分频器232的÷(F-1)分别在(E-t×N)秒内每秒计(F-2)个时钟周期作为1秒(A相)，并在(2×t×N-E)秒内每秒计(F-1)个时钟周期作为1秒(B相)，如此就可以在t×N秒内补偿时钟误差。所以，当误差值E为正数且越大时，需要更多的分频器提供分频。依次类推，同样适用于E为负数的情况。 

所以，可以得知：当k×t×N＜E≤(k+1)×t×N时，补偿单元通过分频器的÷(F-k-1)及分频器的÷(F-k)，分别在(E-k×t×N)秒内每秒计(F-k-1)个时钟周期作为1秒，并在((k+1)×t×N-E)秒内每秒计(F-k)个时钟周期作为1秒，从而在t×N秒内补偿时钟误差，其中k为非负整数时E为正数，而k为负整数时E为负数。 

此方法只有在t×N秒的n倍的时候才可以校准到需要的精度。由于不同步造成的误差约为±1个振荡周期，故校准误差为： 

$\frac{\&PlusMinus;1}{N\&times;F\&times;t}\&times;{10}^6---\left(1\right)$

因此，与传统用时钟信号校准相较下，本发明用高频信号校准有以下优点：(i)缩短校准时间；及(ii)提高精度。 

就(i)来说，由式(1)可知，如果二者校准误差一样时，则本发明所花费的校准时间为传统所花费的校准时间的1/N。再者，以下分析缩短校准时间是否会影时钟响误差值E的计算。假设传统用时钟信号校准时需要t秒得到误差值E，而本发明用高频信号校准时需要t/N秒得到误差值E。经过计算可以得到：本发明用高频信号在t秒检测出1个时钟周期，而传统用时钟信号在t秒检测出1/N个时钟周期，相当于时钟信号在t*N秒检测出1个时钟周期。所以，用高频信号在t/N秒和用时钟信号在t秒内检出的误差值E是一致的。 

就(ii)来说，由式(1)可知，如果二者花费的校准时间一样时，则本发明的校准误差为传统的校准误差的1/N，换言之，本发明的精度为传统的精度的N倍。 

由于本发明的误差寄存器可以被软件读写，因此本发明可以在全温度范围内对晶体的误差进行补偿。具体实施如下：首先在不同温度下进行校准的动作，用软件将误差寄存器的数据存入存储器(memory)内。校准完毕后，当外界温度发生变化的时候，软件根据当前的温度值将相对应的误差值放入误差寄存器，此时硬件会根据此误差寄存器的数据进行对温度的补偿。 

图3是根据本发明而提出的数字手段自动方式校准实时时钟源的一实施例的流程图。请参照图3，此实时时钟源的校准方法用以接收f赫兹的时钟信号并输出F赫兹的校准后的时钟信号。首先，在步骤S310，接收1赫兹的标准信号、f赫兹的时钟信号及N×f赫兹的高频信号。然后，在步骤S320，用标准信号作为开关在t秒内控制实际震荡信号的计数值，并和t秒内无误差的计数值(t×N×F)做比较，得到误差值E。接着，在步骤S330，当k×t×N＜E≤(k+1)×t×N时，在(E-k×t×N)秒内每秒计(F-k-1)个时钟周期作为1秒，并在((k+1)×t×N-E)秒内每秒计(F-k)个时钟周期作为1秒，从而在t×N秒内补偿时钟误差。最后，在步骤S340输出F赫兹的校准后的时钟信号。其中，f及F均为正实数、t与N均为正整数、E与k为均整数。 

综上所述，本发明采用高频信号做校准用，而非时钟信号同时做校准与补偿用，可以大幅地缩短实时时钟在数字手段自动方式的校准时间及提高其精度。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种实时时钟源的校准装置，用以接收f赫兹的时钟信号并输出F赫兹的校准后的时钟信号，其特征在于所述实时时钟源的校准装置包括：

误差计量器，用以接收1赫兹的标准信号及N×f赫兹的高频信号，并用标准信号作为开关在t秒内控制实际震荡信号的计数值，和t秒内无误差的计数值t×N×F做比较得到误差值E；

误差寄存器，耦接误差计量器，用以暂存误差值E；

分频单元，耦接误差寄存器，用以接收时钟信号及误差值E，并根据误差值E在k×t×N＜E≤(k+1)×t×N时提供每秒计F-k-1个时钟周期作为1秒的分频及每秒计F-k个时钟周期作为1秒的分频；以及

补偿单元，耦接分频单元，用以根据分频单元提供的分频，在E-k×t×N秒内每秒计F-k-1个时钟周期作为1秒，并在(k+1)×t×N-E秒内每秒计F-k个时钟周期作为1秒，从而在t×N秒内补偿时钟误差以输出校准后的时钟信号，

其中f及F均为正实数、t与N均为正整数、E与k均为整数。

2.根据权利要求1所述实时时钟源的校准装置，其特征在于其中当k×t×N＜E≤(k+1)×t×N时，分频单元包括至少二个分频器，其一提供每秒计F-k-1个时钟周期作为1秒的分频，另一提供每秒计F-k个时钟周期作为1秒的分频。

3.一种实时时钟源，其特征在于其包括权利要求1所述实时时钟源的校准装置。

4.一种实时时钟源的校准方法，其特征在于其包括：

接收1赫兹的标准信号、f赫兹的时钟信号及N×f赫兹的高频信号；

用标准信号作为开关在t秒内控制实际震荡信号的计数值，和t秒内无误差的计数值t×N×F做比较得到误差值E；

当k×t×N＜E≤(k+1)×t×N时，在E-k×t×N秒内每秒计F-k-1个时钟周期作为1秒，并在(k+1)×t×N-E秒内每秒计F-k个时钟周期作为1秒，从而在t×N秒内补偿时钟误差；以及

输出F赫兹的校准后的时钟信号，

其中f及F均为正实数、t与N均为正整数、E与k均为整数。

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