CN102035507B - 频率产生装置 - Google Patents

Abstract

一种频率产生装置，用来产生一频率范围内的频率，包含有可变电流源，用来根据控制信号，由多个电流中选择输出一电流；压降产生单元耦接于该可变电流源，用来根据该电流产生压降；电压产生器用来产生最大参考电压及最小参考电压，以输出一电压范围；检测单元耦接于该压降产生单元及该可变电流源，用来根据该压降与该电压范围的关系，输出该控制信号至该可变电流源；转换单元耦接于该压降产生单元，用来根据该压降与该电压范围的关系，输出数字码；以及振荡电路耦接于该转换单元，用来根据该数字码产生该频率。

Description

频率产生装置

技术领域

本发明是指一种频率产生装置，尤指一种利用渐进式方法产生宽范围频率的频率产生装置。

背景技术

随着科技的不断演进，电子产品的功能越来越多样化，而体积却越来越小，因而必须在狭小的电路板上设置数种不同的时钟。因此，为了能产生不同的时钟，在电子产品中，时钟产生器或振荡器是不可或缺的。然而，时钟产生器或振荡器都存在有频率抖动(frequency jitter)的问题而直接影响产生频率的准确度。

为了改善频率抖动的现象，已知技术已提出了许多方法，例如：利用锁频回路(frequency locked-loop，FLL)或锁相回路(phase locked-loop，PLL)。这些电路固然可以减少频率抖动现象，但同时也增加了电路本身的复杂度以及所需成本。一般而言，已知时钟产生电路是利用电流源通过外接电阻对一电容充放电以产生时间常数，即电容值与电阻值的乘积，可进一步决定频率大小。也就是说，当电阻值或电容值愈小时，电容的充放电时间越快，相对应地所产生的频率越快。当电阻值或电容值愈大时，电容的充放电时间越慢，相对应地所产生的频率越慢。因此，当需要产生的频率范围很广时，表示外接电阻值的变化很大。由于需要外接电阻值的变化很大，因此电流源的变化也必须很大。举例来说，若时钟产生器需产生的频率从1Hz至100Hz(即，频率有100倍的变化)，则电流源的变化也必须要100倍。然而，具有如此大变化量的电流源在实际电路上有实行的困难，再者，后级电路的延迟现象会在高频和低频时造成不同影响，导致时钟产生器无法产生精准且宽范围频率的时钟。

此外，由于外接电阻和产生频率成反比的关系。因此，在时钟产生器产生的时钟为高频的情况下，外接电阻的小变化量就会造成频率相当大的变动。相反地，在时钟产生器产生的时钟为低频的情况下，外接电阻的巨大变化量却只造成频率微小的变动。换句话说，当电阻值小时，代表时钟产生器产生高频时钟(即，转换成数字码的分辨率较高)，而当电阻值大时，代表时钟产生器产生低频时钟(即，转换成数字码的分辨率较低)。然而，已知技术不论产生高频或低频时都用一样的分辨率来对电阻值进行检测，势必导致资源的浪费。

简言之，时钟产生器产生的频率范围变化很大时，已知技术必须提供一个电阻值变化很大的外接电阻，而相对地导致电流源的变化也很大。然而，大变化的电流源在实际的电路上实行有困难，加上后级电路的影响而造成产生的频率无法精确。此外，时钟产生电路产生高频和低频时所需的分辨率不同，如果用相同的分辨率将浪费系统资源，降低系统效率。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种频率产生装置，以精确产生一频率范围内的频率。

本发明揭露一种频率产生装置，用来产生一频率范围内的频率。该频率产生装置包含有可变电流源、压降产生单元、电压产生器、检测单元、转换单元以及振荡电路。该可变电流源，用来根据控制信号，由多个电流中选择输出一电流。该压降产生单元，耦接于该可变电流源，用来根据该电流产生一压降。该电压产生器，用来产生最大参考电压及最小参考电压，以输出一电压范围。该检测单元，耦接于该压降产生单元及该可变电流源，用来根据该压降与该电压范围的关系，输出该控制信号至该可变电流源。该转换单元，耦接于该压降产生单元，用来根据该压降与该电压范围的关系，输出数字码。该振荡电路，耦接于该转换单元，用来根据该数字码产生该频率。

附图说明

图1为本发明实施例的一频率产生装置的示意图。

图2为本发明实施例的一频率产生装置的示意图。

图3为本发明实施例的一表格的示意图。

图4为本发明实施例的一锯齿波的示意图。

图5为本发明实施例的一时序图的示意图。

图6为本发明实施例的一流程的式意图。

[主要元件标号说明]

10、20     频率产生装置        100、200    可变电流源

110        压降产生单元        120、220    电压产生器

130、230   检测单元            140、240    转换单元

150、250   振荡电路            201         开关模块

231        比较单元            232         切换单元

241        计数单元            242         锯齿波产生器

243        输出单元            251         振荡器

252        数字比较器          253         逻辑电路

60         流程

600、602、604、606、608、610、612、614    步骤

F_rng、F_rng_2    频率范围

f_target、f_target_2    频率

V_rng_2、V_rng    电压范围

Vmax、Vmax_2   最大参考电压  Vmin、Vmin_2          最小参考压

I(1)～I(n)     电流源        R                     外接电阻

r              公比          DC、DC_2              数字码

CS、CS_2       控制信号      Vdetect、Vdetect_2    压降

I、I_2         电流          Cmp1、Cmp2、Cmp3      比较器

Seq            累进数列      saw_wave              锯齿波

toggle         翻转信号      Rslt                  比较结果

F_max          最大频率      F_min                 最小频率

R_rng_2        电阻范围

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例的频率产生装置10的示意图。频率产生装置10可用于一般的时钟产生器或振荡器中，以产生一频率f_target，其落于频率产生装置10所能产生的频率范围F_rng为内。频率产生装置10包含有可变电流源100、压降产生单元110、电压产生器120、检测单元130、转换单元140以及振荡电路150。可变电流源100用来根据控制信号CS，由多个电流中选择输出一电流I。压降产生单元110耦接于可变电流源100，用来根据电流I产生一压降Vdetect。电压产生器120用来产生最大参考电压Vmax及最小参考电压Vmin，以输出一电压范围V_rng。检测单元130耦接于压降产生单元110及可变电流源100，用来根据压降Vdetect与电压范围V_rng的关系，输出控制信号CS至可变电流源100。转换单元140耦接于压降产生单元110，用来根据压降Vdetect与电压范围Vrng的关系，输出一数字码DC。振荡电路150耦接于转换单元140，用来根据数字码DC产生频率。

简单来说，可变电流源100输出电流I至压降产生单元110以产生压降Vdetect。检测单元130检测压降Vdetect是否于电压范围Vrng内。如果压降Vdetect落于电压范围Vrng外，检测单元130输出控制信号CS至可变电流源100以调整电流I的大小。如果压降Vdetect落于电压范围Vrng内，转换单元140输出数字码DC。振荡电路150根据数字码DC产生频率f_target。如此一来，本发明通过渐进式调整电流大小，即渐进式调整外接电阻的压降，以避免大电流变化而造成电路上难以实施的问题，进一步产生宽范围的精准的频率。

需注意的是，图1为本发明实施例示意图，本领域技术人员当可据以做不同的修饰，而不限于此。请参考图2，图2为本发明实施例的频率产生装置20的示意图。频率产生装置20用来实现频率产生装置10，以产生频率f_target_2，其落于频率产生装置20所能产生的频率范围F_rng_2为内。频率产生装置20包含有可变电流源200、外接电阻R、电压产生器220、检测单元230、转换单元240以及振荡电路250。外接电阻R可用来实现图1的压降产生单元110，用来根据电流I_2产生压降Vdetect_2。此外，通过电阻和频率成反比关系式(f＝K/R，K为常数)，可决定外接电阻R的电阻值。可变电流源200、电压产生器220、检测单元230、转换单元240以及振荡电路250可对应图1中的可变电流源100、电压产生器120、检测单元130、转换单元140以及振荡电路150。类似地，电压产生器220用来产生最大参考电压Vmax_2及最小参考压Vmin_2，以输出一电压范围V_rng_2。在图2中，可变电流源200包含有电流源I(1)～I(n)及一开关模块201。电流源I(1)～I(n)，用来产生n个电流。开关模块201耦接于电流源I(1)～I(n)与外接电阻R之间，用来根据一控制信号CS_2，由电流源I(1)～I(n)中选择一电流源，以输出电流I_2至外接电阻R。检测单元230包含有比较单元231以及切换单元232。比较单元231耦接于外接电阻R，用来比较压降Vdetect_2及电压范围Vrng_2。切换单元232耦接于比较单元231，用来于压降Vdetect_2落在电压范围Vrng_2之外时，产生控制信号CS_2至可变电流源200。比较单元231包含比较器Cmp1以及比较器Cmp2。比较器Cmp1耦接于电压产生器220与外接电阻R，用来比较压降Vdetect_2与最大参考电压Vmax_2。比较器Cmp2耦接于电压产生器220与外接电阻R，用来比较压降Vdetect_2与最小参考电压Vmin_2。切换单元232的实现方式可以是计数器，用以指示可变电流源200切换不同的电流源。当压降Vdetect_2大于最大参考电压Vmax_2时，计数器向下计数并输出控制信号CS_2以告知可变电流源200切换至电流值较小的电流源。当压降Vdetect_2小于最小参考电压Vmin_2时，计数器向上计数并输出控制信号CS_2以告知可变电流源20O切换至电流值较大的电流源。转换单元240包含有计数单元241、锯齿波产生器242、比较器Cmp3以及输出单元243。计数单元241用来输出一累进数列Seq。累进数列Seq可以是二进制表示方式。锯齿波产生器242用来根据累进数列Seq及电压范围Vrng_2，输出一锯齿波saw_wave。锯齿波saw_wave的振幅等于电压范围Vrng_2。比较器Cmp3用来比较压降Vdetect_2和锯齿波saw_wave，以产生比较结果Rslt。当比较结果Rslt为高电平时，表示压降Vdetect_2落于锯齿波saw_wave的振幅之间，输出单元243输出累进数列Seq的数值，以产生数字码DC_2。输出单元243可以是一暂存器或任何可储存数字码DC_2的电子元件。振荡电路250包含有振荡器251、数字比较器252以及逻辑电路253。振荡器251用来产生基准频率f_basic。基准频率f_basic为频率f_target_2的整数倍。数字比较器252耦接于振荡器251以及输出单元243，用来比较基准频率f_basic和数字码DC_2，以产生翻转信号toggle。逻辑电路253耦接于数字比较器252，用来根据翻转信号toggle，产生频率f_target_2。

需注意的是，电流源I(1)～I(n)的数量n，可由使用者根据硬件电路际需求而自行决定。另外，本发明实施例利用频率范围F_rng_2的最大频率F_max与最小频率F_min的比值来决定电流源I(1)～I(n)之间的电流比值关系，而使得电流I(1)～I(n)的电流值呈等比级数。换句话说，最大频率F_max与最小频率F_min的比值开n次方根是等于该等比级数的公比r。以频率范围F_rng_2等于1Hz～100Hz为例，最大频率F_max与最小频率F_min的比值等于100，若可变电流源100包含有两个电流源(即，n＝2)，则I(2)等于10倍的I(1)(即， $r=\sqrt{100}=10$ )。若可变电流源100包含有四个电流源(即，n＝4)，则I(4)等于3.16倍I(3)；I(3)等于3.16倍I(2)；I(2)等于3.16倍I(1)(即， $r=\sqrt[4]{100}=3.16$ )。另外，本发明通过使用者自订，将频率范围F_rng_2及电阻范围R_rng_2分成n个小频率范围以及小电阻范围以对应电流源I(1)～I(n)，且满足关系式 $r=\frac{f_{\max }}{f_{\min }}=\frac{r_{\max }}{r_{\min }}=\frac{I(n+1)}{I\left(n\right)}=\sqrt[n]{\frac{F\_\max }{F\_\min }},$ 其中，f_max、f_min为每一群组的一最大频率及最小频率，而r_max、r_min为每一群组的最大电阻值及最小电阻值。

请参考图3，图3为本发明实施例的一表格30的示意图。表格30用来表示频率范围F_rng_2、电阻范围R_rng_2、电流I(1)～I(n)和电压范围Vrng_2之间的对应关系。通过电阻和频率成反比关系式(f＝K/R，K为常数)，电阻范围R_rng_2是对应于频率范围F_rng_2。在表格30中，频率范围1Hz～100Hz被分成2个小频率范围1Hz～10Hz和10Hz～100Hz以分别对应电流源50mA和500mA。电阻范围100ohm～1ohm被分成2个小电阻范围100ohm～10ohm和10ohm～1ohm以分别对应电流源50mA和500mA。另外，以群组1为例，最大参考电压Vmax_2＝5V及最小参考电压Vmin_2＝0.5V是等于群组1的最大电阻值100ohm和最小电阻值10ohm乘以电流源50mA，且每一群组的电压范围相同是一定值。

举例来说，若频率产生装置20所需产生的频率f_target_2为75Hz，通过电阻和频率成反比关系式(f＝K/R，假设K＝100)，则需要外接电阻R为1.33ohm。为了方便说明，同时请参考表格30。假设一开始，本发明实施例选择表格30中群组1的电流50mA对外接电阻R充电，因此在外接电阻R上产生的压降Vdetect_2为0.0665V。同时，切换单元132是二位计数器，且位值为00。由于压降Vdetect_2＝0.0665V小于最小参考电压Vmin_2＝0.5V，因此切换单元132的位值变成01，藉此输出控制信号CS_2以指示可变电流源200以切换较大的电流源。可变电流源200接收到CS_2后，选择表格30中群组2的电流500mA对外接电阻R充电。此时，外接电阻R的压降Vdetect_2等于0.665V而落在锯齿波saw_wave的振幅间。请参考图4，图4为本发明实施例的锯齿波40的示意图。锯齿波40是一六位的数字波形，具有64阶。比较器Cmp3的一输入端为压降Vdetect_2而另一端为锯齿波saw_wave。由于0.665V落在锯齿波saw_wave的振幅0.5V～5V间，因此当锯齿波saw_wave在上升周期中超过压降Vdetect_2时，比较器Comp3会输出高电平信号。同时，输出单元260根据该高电平信号记录相对应的累进数列000010，并输出数字码000010。数字比较器252根据数字码000010及切换单元232的位值01可以找到相对应的频率形式，并根据该频率形式和基准频率f_basic输出翻转信号toggle。逻辑电路253可通过RS触发器(Set/Rest flip flop)实现，翻转信号toggle为RS触发器中S端及R端的输入信号。因此，通过设定与重设的操作可产生出频率f_target_2。振荡电路150的详细运作方式应为本领域技术人员所熟知，于此不在赘述。请参考图5，图5为本发明实施例的时序图50的示意图。时序图50用来说明翻转信号toggle、基准频率f_basic以及频率f_target_2之间的关系。

因此，在频率产生装置可产生的频率范围很大的情况下，已知技术容易因电阻的微小误差而导致无法产生精确的频率。相较于已知技述，本发明利用检测单元检测外接电阻的压降是否于电压范围内，以调整可变电流源的大小，进一步地增加或减少外接电阻的压降以落于电压范围内。而增加或减少外接电阻的压降相对地也就等于寻找适合目标频率的频率范围。也就是说，当频率范围很大时，本发明可以渐进式的方式缩小产生频率的误差。

此外，本发明的主要精神在于根据频率产生装置20的运作，决定电压范围、电流源的数量、选择的电流值以及相关参数值。因此，频率产生装置20的相关操作方式可以归纳成一流程。请参考图6，图6为本发明实施例的一流程60的式意图。流程60用于频率产生装置20以产生频率f_target_2。流程60包含下列步骤：

步骤600：开始。

步骤602：将频率范围F_rng_2和相对应的电阻范围R_rng_2分成多个群组。

步骤604：设定每一群组的频率范围及电阻范围。

步骤606：检测频率f_target_2所对应的外接电阻R的压降Vdetect_2，并判断压降Vdetect_2是否超出电压范围V_rng_2？若是，执行步骤608；若否，执行步骤610。

步骤608：切换可变电流源200的电流大小，返回步骤606。

步骤610：根据外接电阻R的压降Vdetect，产生相对应的一数字码DC_2。

步骤612：根据数字码DC_2，产生频率f_target_2。

步骤614：结束。

流程60是频率产生装置20的运作方式，相关说明可参考前述，在此不赘述。

综上所述，本发明利用可变电流源输出电流至压降产生单元以产生压降。接着，检测单元检测压降是否于电压范围内。如果压降落于电压范围外，检测单元输出控制信号至可变电流源以调整电流的大小。如果压降落于电压范围内，转换单元输出数字码。根据数字码，振荡电路产生目标频率。也就是说，本发明通过调整可变电流源的大小以寻找适当的频率范围，进一步产生宽范围的精准的频率。同时，也避免大电流变化而造成电路上难以实施的问题。

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 (16)

1.一种频率产生装置，用来产生一频率范围内的频率，该频率产生装置包含有：

可变电流源，用来根据控制信号，由多个电流中选择输出一电流；

压降产生单元，耦接于该可变电流源，用来根据该电流产生一压降；

电压产生器，用来产生最大参考电压及最小参考电压，以输出一电压范围；

检测单元，耦接于该压降产生单元及该可变电流源，用来根据该压降与该电压范围的关系，输出该控制信号至该可变电流源；

转换单元，耦接于该压降产生单元，用来根据该压降与该电压范围的关系，输出数字码；以及

振荡电路，耦接于该转换单元，用来根据该数字码产生该频率。

2.根据权利要求1所述的频率产生装置，其中该可变电流源包含有：

多个电流源，用来产生该多个电流；以及

一开关模块，耦接于该多个电流源与该压降产生单元之间，用来根据该控制信号，由该多个电流源中选择一电流源输出该电流至该压降产生单元。

3.根据权利要求1所述的频率产生装置，其中该多个电流的电流值呈等比级数。

4.根据权利要求3所述的频率产生装置，其中该等比级数的公比是等于该电压范围的该最大参考电压与该最小参考电压的比值。

5.根据权利要求3所述的频率产生装置，其中该等比级数的公比的X次方等于该频率范围的最大频率与最小频率的比值。

6.根据权利要求5所述的频率产生装置，其中X是该多个电流的数量。

7.根据权利要求1所述的频率产生装置，其中该检测单元包含有：

比较单元，耦接于该压降产生单元，用来比较该压降及该电压范围；以及

切换单元，耦接于该比较单元，用来于该压降落在该电压范围之外时，产生该控制信号至该可变电流源。

8.根据权利要求7所述的频率产生装置，其中该比较单元包含有：

第一比较器，耦接于该电压产生器与该压降产生单元，用来比较该压降与该电压范围的该最大参考电压；以及

第二比较器，耦接于该电压产生器与该压降产生单元，用来比较该压降与该电压范围的该最小参考电压。

9.根据权利要求7所述的频率产生装置，其中该切换单元是计数器。

10.根据权利要求1所述的频率产生装置，其中该转换单元包含有：

计数单元，用来输出累进数列；

锯齿波产生器，用来根据该累进数列及该电压范围，输出锯齿波；

比较器，用来比较该压降和该锯齿波，以产生比较结果；以及

输出单元，用来根据该比较结果，输出该累进数列的数值，以产生该数字码。

11.根据权利要求10所述的频率产生装置，其中该锯齿波产生器是根据该电压范围，决定该锯齿波的振幅。

12.根据权利要求11所述的频率产生装置，其中该输出单元于该比较结果指示该压降落于该锯齿波的振幅之间时，输出该累进数列的该数值，以产生该数字码。

13.根据权利要求1所述的频率产生装置，其中该振荡电路包含有：

振荡器，用来产生基准频率；

数字比较器，耦接于该振荡器及该转换单元，用来比较该基准频率和该数字码以产生翻转信号；以及

逻辑电路，耦接于该数字比较器，用来根据该翻转信号，产生该频率。

14.根据权利要求13所述的频率产生装置，其中该基准频率为该频率的整数倍。

15.根据权利要求13所述的频率产生装置，其中该逻辑电路是RS触发器。

16.根据权利要求1所述的频率产生装置，其中该压降产生单元是电阻。

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