CN101188420A

CN101188420A - 可自动校正振荡频率范围的回路系统及其相关方法

Info

Publication number: CN101188420A
Application number: CNA2006101485433A
Authority: CN
Inventors: 林有为
Original assignee: Princeton Technology Corp
Current assignee: Princeton Technology Corp
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-05-28

Abstract

一种可自动校正振荡频率范围的回路系统，包含有频率误差检测器、压控振荡器、输入电压单元以及切换器。该频率误差检测器用来根据参考频率及反馈频率，产生第二控制信号或粗锁定状态信号，进行频率粗调。该压控振荡器，用来根据该第二控制信号，选择操作于多个频率操作曲线的一频率操作曲线，以产生时钟信号。该输入电压单元，用来提供固定的输入电压至该压控振荡器。该切换器，用来根据该粗锁定状态信号，将该压控振荡器耦接至该输入电压单元，或将该压控振荡器耦接至频率细调装置。

Description

可自动校正振荡频率范围的回路系统及其相关方法

技术领域

本发明是提供一种回路系统，尤指一种在具有数个频率操作曲线的回路系统中，可自动校正振荡频率范围的回路系统。

背景技术

在电子装置中，时钟信号的产生及系统的同步是影响系统运作的重要关键。举例来说，在信号混合系统中，模拟数字转换器需要低抖动(low-jitter)的时钟对输入信号进行取样；在无线通讯系统中，如蓝牙(Bluetooth)、全球移动通讯系统(GSM)等，射频电路需要频率合成器产生载波信号，将基频信号转换至高频频带。这些应用通常都会通过锁相回路，产生稳定而精确的时钟信号。

锁相回路通过反馈机制，锁定周期性输出信号及周期性输入信号之间的相位，达成输出稳定时钟信号的目的。请参考图1，图1为已知锁相回路100的示意图。已知锁相回路100包含参考除频器102(reference divider)、相位频率检测器104(phase/frequency detector；PFD)、电荷泵106(chargepump)、回路滤波器108(loop filter)、压控振荡器110(voltage controlledoscillator；VCO)以及反馈除频器112(feedback divider)。参考信号FREF是将输入信号FIN利用参考除频器102除频后而得。相位频率检测器104用来比较参考信号FREF的相位与反馈信号FFB的相位，并产生误差信号(errorsignal)，当参考信号FREF的相位领先反馈信号FFB的相位时，误差信号为升信号(up signal)；当参考信号FREF的相位落后反馈信号FFB的相位时，误差信号为降信号(down signal)，误差信号的脉冲宽度(pulse width)表示参考信号FREF与反馈信号FFB两者间的相位差。电荷泵106则根据误差信号，产生对应的电量，从而改变输出至回路滤波器108的电量。在误差信号为升信号的情况下，电荷泵106增加输出至回路滤波器108的电量；反之，电荷泵106则自回路滤波器108抽取电量。回路滤波器108通常为简单的RC电路，其功用如积分器，用来储存来自电荷泵106的电量。回路滤波器108的输出电压VC输入至压控振荡器110后，压控振荡器110可产生周期性输出信号FOSC，周期性输出信号FOSC的频率为压控振荡器110的输入电压VC的函数。输出信号FOSC通过反馈除频器112进行除频后，产生反馈信号FFB，进而形成锁相回路L1。一般来说，压控振荡器110可输出的频率范围在高频率范围，且周期性输出信号FOSC的频率为输入信号FIN的频率的分数或倍数，通过调整参考除频器102与反馈除频器112的除频数值，相位频率检测器104可工作于较低频率中，减少相位比较错误的发生，例如死区(dead zone)。

如前所述，锁相回路100通过持续地比较参考信号FREF与反馈信号FFB两者的相位，以校正压控振荡器110的工作频率，最后压控振荡器110锁定在预定的频率，此时周期性输出信号FOSC可通过倍频器，形成可供后续电路利用的时钟信号时钟信号。举例来说，在全球移动通讯系统900(GSM)中，系统网络的物理层工作于900MHz频带，并且每一载波的频宽为200KHz。当发射器需要将信号升至高频频带传送时，锁相回路100可通过设定参考除频器102，使参考信号FREF形成频率200KHz的周期信号。此外，由于900M为200K的4500倍，反馈除频器112的除频数值设定为4500。锁相回路100经由持续地比较参考信号FREF与反馈信号FFB的相位，反馈信号FFB通过压控振荡器110不断地校正，逐步升频至900MHz，如此可将基频信号转换至高频频带传送。

图1的压控振荡器110通常设计为大范围工作频率的应用，如工作频率范围从40KHz至400MHz。然而，为了减低锁相回路100的噪声，压控振荡器110的增益须相当的小，意即压控振荡器110的工作频率曲线的斜率要小。因此，压控振荡器110通常设计为可提供多条操作曲线，其中操作曲线之与输入电压成函数关系，如图2所示。根据不同的应用，锁相回路100需要不同的工作频率，则压控振荡器110需工作于特定的频率范围。在理想状况下，相同设计的压控振荡器110的相对应频率范围应具有相同的中心频率与斜率，则对于相同的应用，每一锁相回路100应选择相同的压控振荡器110频率范围。然而，实际上，由于制程上的差异，每个压控振荡器110具有的频率范围特性仍然有所不同。举例来说，图2中的频率操作曲线可能往上下或左右方向平移，甚至曲线斜率不同。因此，在不同应用的锁相回路100中，需要控制输入信号值来选择适当的压控振荡器110频率范围，以符合所需的输出频率。

一般来说，每一压控振荡器110在出厂前须做一些测试，用来描绘其频率范围特性，以及预先测定某一控制输入信号值适合于何种应用所需的输出频率。于压控振荡器110应用于特定应用时，为了有适合的设定(如特定的控制输入信号值对应于所需的输出信号频率)，通常通过烧断保险丝连接，以将合适的设定永久地记录至装置内，或称为硬连接(hard-wiring)。因此，已知技术中，工厂测试与压控振荡器110的硬联机不仅增加锁相回路的制造成本，同时每一已知锁相回路的工作频率范围也受限于永久选择的频率范围。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种可自动校正振荡频率范围的回路系统及相关方法。

本发明是揭露一种可自动校正振荡频率范围的回路系统，包含有频率误差检测器(frequency error detector)、压控振荡器(voltage controlledoscillator)、输入电压单元(voltage tuner)以及切换器(switch)。该频率误差检测器用来根据参考频率(reference frequency)及反馈频率(feedbackfrequency)，产生第二控制信号或粗锁定状态信号，进行频率粗调，该频率误差检测器包含有循环式频率检测器(rotational frequency detector)，用来比较该参考频率与该反馈频率，以产生第一控制信号；状态判断器(statemachine)，耦接于该循环式频率检测器，用来根据该第一控制信号的极性与时间计数信号，决定自动校正状态；以及双向计数器(up-down counter)，耦接于该状态判断器，用来根据该自动校正状态，产生第二控制信号或粗锁定状态信号。该压控振荡器，耦接于该频率误差检测器，用来根据该第二控制信号，选择操作于多个频率操作曲线的一频率操作曲线，以产生时钟信号。该输入电压单元，用来提供固定的输入电压至该压控振荡器。该切换器，用来根据该粗锁定状态信号，将该压控振荡器耦接至该输入电压单元，或将该压控振荡器耦接至频率细调装置。

本发明还揭露一种自动校正振荡频率范围的方法，包含有比较参考频率与反馈频率，以产生第一控制信号；根据该第一控制信号的极性与时间计数信号，决定自动校正状态；根据该自动校正状态，产生第二控制信号或粗锁定状态信号；以及根据该第二控制信号，控制压控振荡器操作于多个频率操作曲线的一频率操作曲线，以产生时钟信号。

附图说明

图1为已知锁相回路的示意图。

图2为图1的压控振荡器可提供四条频率操作曲线的频率-电压关系图。

图3为本发明可自动校正振荡频率范围的回路系统。

图4为图3的压控振荡器可提供八条频率操作曲线的频率-电压关系图。

图5为本发明自动校正振荡频率范围的流程图。

[主要元件标号说明]

100 锁相回路

102、112、352、360 除频器

104、372 相位频率检测器

106、374 电荷泵

108、376 回路滤波器

110、320 压控振荡器

300 回路系统

310 频率误差检测器

312 循环式频率检测器

314 状态判断器

316 双向计数器

330 输入电压单元

340 切换器

350 参考频率产生器

354 晶体振荡器

370 频率细调装置

380 解码器

FREF、FFB、FIN、FOSC、SC1、SAC、SC2、STC、SLK 信号

VC 电压

FR、FV 频率

50 流程

500、502、504、506、508、510、512 步骤

具体实施方式

请参考图3，图3为本发明可自动校正振荡频率范围的回路系统300。回路系统300包含有频率误差检测器310、压控振荡器320、输入电压单元330、切换器340、参考频率产生器350、反馈除频器360以及频率细调装置370。频率误差检测器310包含有循环式频率检测器312、状态判断器314以及双向计数器316。频率细调装置370包含有相位频率检测器372、电荷泵374以及回路滤波器376。频率细调装置370为已知锁相回路的一部分，操作方法亦如图1所述，在此不赘述。不同的是，于回路系统300自动校正振荡频率范围期间，电荷泵374与回路滤波器376断路。

回路系统300利用线性搜索算法来自动校正压控振荡器320工作于适合的频率操作曲线。当回路系统300开启时，先由参考频率产生器350产生参考信号FREF。一般来说，参考频率产生器350是由参考除频器352及晶体振荡器354组成，通过晶体振荡器354产生时钟信号，及参考除频器352对时钟信号除频，可得到参考信号FREF。于参考信号FREF进入稳定状态，具有稳定的参考频率FR时，切换器340将压控振荡器320的一端耦接至输入电压单元330，使压控振荡器320与频率细调装置370断路。回路系统300预设压控振荡器320工作于最低频率操作曲线，并输出时钟信号FOSC至反馈除频器360。反馈除频器360对时钟信号FOSC进行除频后，得到反馈频率为FV的反馈信号FFB。如图3所示，参考信号FREF与反馈信号FFB同时输入至频率误差检测器310与频率细调装置370，然而由于切换器340已将压控振荡器320与频率细调装置370断路，因此频率细调装置370不会影响回路系统300自动校正振荡频率范围的过程。此外，于此实施例中，当切换器340与频率细调装置370断路的同时，频率细调装置370会停止运作，藉此可节省频率细调装置370运作时所需消耗的电源，而进一步达到省电的功能。当压控振荡器320重新工作于每一条频率操作曲线，回路系统300会利用同步信号将参考信号FREF与反馈信号FFB进行同步，意即使两信号的第一时钟升缘对齐，此部分为业界所已知，于此不再详加叙述。

于自动校正开始时，输入电压单元330提供固定的输入电压至该压控振荡器320，通常该输入电压为回路供电电压的一半。接着，时钟信号FOSC由压控振荡器320产生并随之反馈除频器360进行除频后，得到反馈频率为FV的反馈信号FFB。循环式频率检测器312比较参考频率FR及反馈频率FV，以产生第一控制信号SC1。若参考频率FR大于反馈频率FV，实时钟信号FOSC的频率太慢，此时第一控制信号SC1为正极性信号；反之，若参考频率FR小于反馈频率FV，实时钟信号FOSC的频率太快，此时第一控制信号SC1则为负极性信号。由于压控振荡器320被预设工作于最低频率操作曲线，第一控制信号SC1相对应地预设为正极性信号。状态判断器314耦接于循环式频率检测器312，用来根据第一控制信号SC1的极性与时间计数信号STC，决定自动校正状态SAC。时间计数信号STC较佳地由计数器实现，用来提供频率粗调时间，目的在于当目标频率偏离任何一条频率操作曲线时，避免回路系统300无止尽地校正振荡频率范围，详细方法于后加以叙述。双向计数器316耦接于状态判断器314，用来根据自动校正状态SAC，产生第二控制信号SC2或粗锁定状态信号SLK。第二控制信号SC2较佳地为字节合信号，每一种为字节合皆可对应于每一条频率操作曲线。举例来说，若压控振荡器具有八条频率操作曲线，则第二控制信号SC2可用3个位来代表每条频率操作曲线，如0 00、001、011、...111。第二控制信号SC2在本实施例中预设对应于最低频率操作曲线，于一实施例中，还包含解码器380(thermometer decoder)，耦接于该双向计数器316，用来将该第二控制信号SC2进行解码并输入该压控振荡器320。此外，于双向计数器316产生粗锁定状态信号SLK时，回路系统300记录压控振荡器320目前工作的频率操作曲线，切换器340将压控振荡器320耦接至频率细调装置370，电荷泵374与回路滤波器376重新连接，最后压控振荡器320重新工作于被记录的频率操作曲线，并通过频率细调装置370进行细微的频率调整以获得更精确的目标频率。简而言之，于粗锁定状态信号SLK产生前，视为自动校正期间；于粗锁定状态信号SLK产生时，视为自动校正完成。

为了使自动校正顺利进行，于自动校正期间，自动校正状态SAC具有三种情况。第一种状态SAC1是于第一控制信号SC1的极性改变时，如由正变负，自动校正状态SAC即控制双向计数器316产生粗锁定状态信号SLK至回路系统300。第二种状态SAC2是于粗调时间结束时，压控振荡器320仍未完成一条操作曲线的校正(详细状况将稍后说明)，则自动校正状态SAC亦控制双向计数器316产生粗锁定状态信号SLK。第三种状态SAC3是于粗调时间之内，压控振荡器320完成一条频率操作曲线的频率粗调(即逐步变动时钟信号FOSC的频率的过程)，并且第一控制信号SC1的极性未发生改变，则自动校正状态SAC控制双向计数器316将原有的第二控制信号SC2上移，以产生新的第二控制信号SC2，如′000′上移后为′001′。接着，压控振荡器320根据第二控制信号SC2选择相邻且频率范围较高的频率操作曲线工作。回路系统300则重新设定输入电压单元330与时间计数信号STC(重新计算粗调时间)并重新同步将参考信号FREF与反馈信号FFB进行同步。此程序将重复进行，直到压控振荡器320选择至一频率操作曲线，使反馈信号FFB的反馈频率FV大于参考信号FREF的参考频率FR。简而言之，通过自动校正状态SAC，回路系统300决定结束自动校正或重新开始另一频率操作曲线的频率粗调以找到合适的频率范围。

压控振荡器320可以多组变容器来实现多条频率操作曲线，每组变容器皆可通过数字信号开启或关闭(短路或断路)，以使压控振荡器320工作于选定的频率操作曲线。于一实施例中，每个变容器可为n型堆积型金属氧化物半导体元件。请参考图4，以具有八条频率操作曲线的压控振荡器320为例，横轴为压控振荡器320工作电压，纵轴为时钟信号FOSC的频率。压控振荡器320可提供八个频率操作曲线，分别由第二控制信号SC2输出′000′、′001′、...、′111′所选择。由于本实施例的压控振荡器320被预设工作于一最低频率操作曲线，第二控制信号SC2预设输出′000′。当自动校正开始时，回路系统300完成起始操作后，例如完成同步、时间计数信号等，压控振荡器320由A点开始工作，并经由逐步变动时钟信号FOSC的频率的过程，反馈频率FV进而随之变快。于自动校正开始期间，压控振荡器320逐步工作至电压VMAX，如图中所示的从A点至B点。若压控振荡器320完整地工作一条操作曲线，而且无第一控制信号SC1极性发生改变的状况发生，此即为自动校正状态SAC的第三种情况SAC3。此例中，第三种情况SAC3使第二控制信号SC2从′000′增值至′001′，压控振荡器320将于C点开始工作，且回路系统300重新起始动作，接续下一条操作曲线的自动校正。

若参考频率FR对应于图4的目标频率D点，压控振荡器320持续切换频率操作曲线，并于到达D1点时，此时反馈频率FV比参考频率FR慢。然而，当压控振荡器320工作至D2点时，反馈频率FV变得比参考频率FR快。第一控制信号SC1极性的改变触发自动校正状态SAC的第一种情况SAC1，第一种情况SAC1触发粗锁定状态信号SLK产生，第二控制信号SC2停留于操作曲线′010′，自动校正结束。于回路系统300进行频率细调时，压控振荡器320则工作于′010′曲线。若由于制程的关系，导致频率操作曲线整体平移，往往使目标频率脱离频率操作曲线，如图4的E点。当压控振荡器320工作不断逼近E点附近时，回路系统300可能无法判定适合压控振荡器320的频率范围，导致自动校正的过程太久以致超过时间计数信号STC的粗调时间，此时则触发自动校正状态SAC的第二种情况SAC2。于超过粗调时间之前，若压控振荡器320是工作于操作曲线′100′，则于粗调时间到期时(频率误差检测器310仍无法正确判断出适合E点的操作曲线时)，频率误差检测器310即将操作曲线′100′当作自动校正的结果，接着压控振荡器320以操作曲线′100′进行频率微调，第二种情况SAC2的后续操作与第一种情况SAC1相似。

图5为根据图3自动校正振荡频率范围的流程50的方法流程图。流程50包含下列步骤：

500：开始。

502：同步参考信号FREF与反馈信号FRB，启动时间计数信号STC。

504：比较反馈频率FV与参考频率FR，反馈频率FV是否小于参考频率FR。若否，产生自动校正状态SAC1，并进行步骤510；若是，进行步骤506。

506：判断时间计数信号STC是否停止。若是，产生自动校正状态SAC2，并进行步骤510；若否，产生自动校正状态SAC3，并进行步骤508。

508：上移第二控制信号SC2，重新设定时间计数信号STC，并进行步骤502。

510：产生粗锁定状态信号SLK，记录第二控制信号SC2。

512：结束。

在步骤502中，反馈频率FRB是通过对时钟信号FOSC的频率除频而得。在步骤508与510进行下一步骤前，第二控制信号SLK与粗锁定状态信号SLK还先进行解码操作。根据流程50，本发明是通过比较参考频率与反馈频率的快慢，并根据比较结果(即第一控制信号SC1的极性)与时间计数信号STC，决定三种自动校正状态的状态，进而决定压控振荡器是否改变操作频率曲线，以达到自动校正的目的。

特别注意，如前述的第一控制信号SC1的极性与参考频率FR及反馈频率FV的比较结果，使用者可根据电路或程序设计选择何种情况下极性为正。压控振荡器320预设的工作频率曲线不一定为最低频率操作曲线，亦可为最高频率操作曲线。时间计数信号STC提供粗调时间的方法，可通过递增或递减计数来达到，如1，2...，255，256或256，255...，2，1等，时间大小可由使用者依校正速度来调整。另外，反馈除频器360的除频倍率不为特定数值，视使用者根据不同的应用，预先设定除频倍率的大小。举例来说，对于蓝牙通讯系统，网络物理层工作于2.4GHz的ISM频带，其中心频率为2432MHz。若参考信号产生器350产生频率4MHz的参考信号FREF，由于2432M为4M的608倍，使用者可设定反馈除频器360的除频倍率为608。回路系统300启动自动校正，将反馈频率FV通过反馈机制逐渐升至2432MHz附近，并决定适合的频率范围。

综上所述，相较于已知技术的硬接线，压控振荡器仅固定工作于特定的频率范围内，本发明是利用频率误差检测器，通过比较参考及反馈频率及线性搜索算法，进行振荡频率范围自动校正，以选择适合的频率操作曲线。通过频率范围自动校正，增加压控振荡器工作频率范围的灵活性。因此，本发明是利用频率误差检测器以达成自动校正振荡频率范围的功效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种可自动校正振荡频率范围的回路系统，包含有：

频率误差检测器，用来根据参考频率及反馈频率，产生第二控制信号或粗锁定状态信号，进行频率粗调，该频率误差检测器包含有：

循环式频率检测器，用来比较该参考频率与该反馈频率，以产生第一控制信号；

状态判断器，耦接于该循环式频率检测器，用来根据该第一控制信号的极性与时间计数信号，决定自动校正状态；以及

双向计数器，耦接于该状态判断器，用来根据该自动校正状态，产生该第二控制信号或该粗锁定状态信号；

压控振荡器，耦接于该频率误差检测器，用来根据该第二控制信号，选择操作于多个频率操作曲线的一频率操作曲线，以产生时钟信号；

输入电压单元，用来提供固定的输入电压至该压控振荡器；以及

切换器，用来根据该粗锁定状态信号，将该压控振荡器耦接至该输入电压单元，或将该压控振荡器耦接至频率细调装置。

2.根据权利要求1所述的回路系统，其中该频率细调装置包含有：

相位频率检测器，用来根据该参考频率及该反馈频率，以产生第三控制信号；

电荷泵，耦接于该相位频率检测器，用来根据该第三控制信号，产生控制电流；以及

回路滤波器，耦接于该电荷泵与该切换器之间，用来根据该控制电流，产生控制电压至该切换器。

3.根据权利要求1所述的回路系统，其还包含参考频率产生器，用来产生该参考频率。

4.根据权利要求1所述的回路系统，其中该第二控制信号对应于该多个频率操作曲线中的一频率操作曲线。

5.根据权利要求1所述的回路系统，其中该第二控制信号对应于该多个频率操作曲线的一最低频率操作曲线。

6.根据权利要求1所述的回路系统，其中该压控振荡器还包含有多组变容器，每一组变容器对应于该多个频率操作曲线的一频率操作曲线。

7.根据权利要求6所述的回路系统，其中该多组变容器中每一组变容器为n型堆积型金属氧化物半导体元件。

8.根据权利要求1所述的回路系统，其还包含反馈除频器，耦接于该频率误差检测器及该压控振荡器之间，用来对该时钟信号的频率进行除频，以产生该反馈频率。

9.根据权利要求1所述的回路系统，其中该压控振荡器的预设工作频率对应于该多个频率操作曲线的一最低频率操作曲线。

10.根据权利要求1所述的回路系统，其中还包含解码器，耦接于该双向计数器，用来将该第二控制信号进行解码并输入该压控振荡器。

11.一种自动校正振荡频率范围的方法，包含有：

比较参考频率与反馈频率，以产生第一控制信号；

根据该第一控制信号的极性与时间计数信号，决定自动校正状态；

根据该自动校正状态，产生第二控制信号或粗锁定状态信号；以及

根据该第二控制信号，控制压控振荡器操作于多个频率操作曲线的一频率操作曲线，以产生时钟信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其还包含根据该粗锁定状态信号，调整该压控振荡器的工作电压，或微调该压控振荡器的输出频率。

13.根据权利要求12的方法，其中微调该压控振荡器的输出频率包含有：

根据该参考频率及该反馈频率，以产生第三控制信号；

根据该第三控制信号，产生控制电流；以及

根据该控制电流，产生控制电压控制该压控振荡器。

14.根据权利要求11所述的方法，其中该第二控制信号对应于该多个频率操作曲线中的一频率操作曲线。

15.根据权利要求11所述的方法，其中该第二控制信号对应于该多个频率操作曲线的一最低频率操作曲线。

16.根据权利要求11所述的方法，其中该压控振荡器的预设工作频率对应于该多个频率操作曲线的一最低频率操作曲线。

17.根据权利要求11所述的方法，还包含对该时钟信号的频率进行除频，以产生该反馈频率。

18.根据权利要求11述的方法，还包含将该第二控制信号进行解码并输入该压控振荡器。