CN102474219A - 对电子振荡器精调的改善 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了一种产生输出信号的方法，包括下列步骤：提供电子振荡器，该电子振荡器具有切换装置以及用于控制切换装置的控制装置，该切换装置允许该振荡器在至少具有相关第一振荡器频率和周期的第一配置和具有相关第二振荡器频率和周期的第二配置之间切换；在至少第一配置和第二配置之间颤振该振荡器，以产生输出信号，该输出信号具有中间频率和周期，其中通过在输出信号频率的连续周期上的每个输出信号周期的预定子集进行从第一配置到第二配置的切换而实现颤振。

Description

对电子振荡器精调的改善
技术领域
本发明有关于对电子振荡器精调的改善，其涉及一种产生具有输出频率的输出信号的方法，以及一种产生具有输出频率的输出信号的电子振荡器。
背景技术
电子振荡器为各种电气装置的重要和基本元件，其期望达到的目标当然是电子振荡器的输出频率具有高精度。为了补偿由制造公差和工作环境下的变化，比如电源电压和温度的波动，造成的输出频率的偏差，需要不断地对电子振荡器的频率进行精调。众所周知，这种补偿是通过控制振荡器电路内的一个或多个电容器的值来实现的。使用开关改变连接到振荡器电路的电容量，从而实现这种控制。可通过使用“调谐”机构调整元件值来达到所期望的振荡频率，这通常通过连接或断开集成电路内的并联和/或串联元件来实现。在这些装置中，频率调谐不是连续的，而是包括一系列由频率“阶跃”所分离的离散频率。最好将频率阶跃的大小最小化；然而，该频率阶跃的大小受到电路元件匹配误差的限制。很难可靠地产生非常小的电容，开关会具有即使相关联的电容器断开也会存在的相关电容。而且，名义上相同的电容器之间的失配程度会随着电容的减小而增大。这些因素为可获得的最小频率阶跃设定了下限。
众所周知的克服最小电容/频率阶跃上的这些限制的解决方法为“颤振”技术，其中振荡频率在两个或多个分离的频率值之间变化。通常，对具有合理值的电容的连接进行颤振，以便电容连接振荡器的时间仅为使用该振荡器时所限定的时间部分。这样，平均在时间上，电容器好像具有更小的电容，该值取决于其被连接的时间的比例(此文中称为“颤振-部分”)。这就产生了频率阶跃大小，该频率阶跃大小由颤振-部分的控制精度确定，而非由尺寸最小的电容器确定。
通常，以低于振荡频率的频率进行颤振，即在某些振荡器周期连接额外的电容，在其他的振荡器周期断开这些额外的电容。该方法的优点在于有效电容线性地取决于颤振-部分。当补偿环境改变比如温度波动造成的影响时，通常要确定在几个校准点纠正频率所需要的控制代码，以及通过内插法和外插法为其他条件计算该所需要的控制代码。为了允许容易地进行必要的计算以及允许方便精确地进行频率补偿，如果在有效电容和颤振-部分之间实现线性关系则是极其有利的。
然而，连接或断开额外的电容时，颤振的频率低于振荡频率，这就引起周期对周期的周期变化。相关的输出波形在振荡频率的任一侧具有额外的频率元件以及每个周期内并不恒定的波形周期。这就引起周期对周期的变化，即偏移，该偏移等于分离的离散频率的周期之间的差值，该技术在这些分离的离散频率之间颤振。在具有高品质因数的振荡器，比如晶体振荡器内，该高品质为系统提供了某种程度的“惰性”，该惰性将偏移减小到一定程度，但不会将其消除。具有媒质或低品质因数的振荡器更容易受到这种类型的偏移的影响。
EP 1793488，US 2007/024379以及我们自己先前的国际专利公开号WO2009/056835提出了解决偏移问题的方法，其中振荡器的运行频率高于所期望的输出频率。分频器用于获得具有低偏移的单频率不变化输出。然而，该技术具有与更高的振荡频率相关的不期望的高功耗。因此，振荡器最好以目标频率运行。然而，如上所述，颤振技术目前使用以目标频率运行的振荡器，该技术具有周期对周期偏移的问题。
发明内容
在至少一些实施例中，本发明解决了上述问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种产生输出信号的方法，包括下列步骤：
提供电子振荡器，该电子振荡器具有切换装置以及用于控制该切换装置的控制装置，该切换装置允许该振荡器在至少第一配置和第二配置之间切换，该第一配置具有相关第一振荡器频率和周期，该第二配置具有相关第二振荡器频率和周期；
在至少第一配置和第二配置之间颤振所述振荡器，以产生输出信号，该输出信号具有中间频率和周期，其中通过在输出信号频率的连续周期上的每个输出信号周期的预定子集进行从第一配置到第二配置的切换而实现颤振。
这样，所述颤振以输出频率或者比该输出频率高的频率进行，比如通过在输出信号的每个周期的限定部分(“颤振-部分”)连接电容。有利地，本发明的方法允许进行不遭受大的偏移的颤振。
电子振荡器的谐振曲线最好基本上为线性的，或者至少降低了非线性。术语“调谐特性”指有效电容和/或输出频率对颤振-部分的依赖性。下面描述本发明优选的实施例，这些实施例减少了调谐特性的非线性。
所述颤振最好以高于输出频率的频率进行。优选地，在每个输出信号周期的预定子集进行的从所述第一配置到所述第二配置的切换受脉冲作用，因此在输出信号频率的连续周期的每个输出信号周期产生多个脉冲，其中所述振荡器在每个脉冲期间处于所述第二配置。为了减少调谐特性的非线性，尤其最好在每个输出信号周期产生偶数个脉冲。有利地，在每个输出信号周期产生至少四个脉冲，优选地至少产生八个。
有利地，在每个输出信号周期内基本上均匀地间隔开所述多个脉冲。
所述多个脉冲可以被及时地基本上均匀地间隔开。对于正弦输出信号，所述多个脉冲最好在每个输出信号周期内基本上均匀地间隔开并且及时地基本上均匀地间隔开。对于具有不同波形的输出信号，可使用一种不同的方法，比如，所述多个脉冲在每个输出信号周期内可基本上均匀地间隔开，但并不是及时地基本上均匀地间隔开。
在优选的实施例中，所述颤振可变，以改变或纠正输出信号的频率；该输出信号的频率具有相关的输出信号波形；每个脉冲具有相关的脉冲特征，该特征包括输出信号频率周期内的接通时间以及输出信号频率周期内的断开时间，其中在接通时间，所述振荡器从所述第一配置切换到所述第二配置，在断开时间，所述振荡器从所述第二配置切换到所述第一配置；
其中通过在输出信号频率的每个周期内改变至少一些脉冲的脉冲特征来改变颤振，以改变或纠正所述输出频率，使得至少一个脉冲的接通时间和/或断开时间朝输出信号波形的变化率的峰值移动，至少另一个脉冲的接通时间和/或断开时间朝输出信号波形的变化率的最小值移动，从而改善输出频率相对于颤振变化的线性度。
本发明人已经意识到当所述振荡器在所述第一和第二配置之间切换时，输出信号频率取决于颤振-部分以及振荡器波形的相位。这是因为所述切换装置的打开和关闭会带来一些电气噪声，使振荡器相位发生变化。振荡器相位发生变化的量取决于进行切换以及产生电气噪声时输出信号波形的变化率。更具体地说，输出信号波形变化率低的区域内(比如正弦振荡器波形的峰值附近)产生的噪声具有相对较小的影响，而波形变化率高的区域内(比如正弦振荡器波形的中间点附近)产生的噪声具有较大的影响。
在本发明的这些优选的实施例中，产生脉冲，使得脉冲调谐导致某些引发事件(即接通和/或断开)的噪声发生在更靠近输出信号波形变化率的峰值处，其他引发事件的噪声发生在更靠近输出信号波形变化率的最小值处，就电气噪声对输出信号频率的影响而言，各变化基本上互相抵消。使用四个或更多脉冲中的偶数个脉冲，可方便地达到该效果，这些脉冲在每个输出信号周期内基本上均匀地间隔开。通过改变断开时间可以方便地改变脉冲的脉冲特征，虽然也可以改变接通时间或改变接通时间和断开时间。从控制的角度来看，如果脉冲改变的程度均相同，那么这就很方便；但技术人员应理解到，可使用其他更复杂的脉冲改变方法。
最好使用脉宽调制信号进行切换，以控制切换装置。但也可使用其他技术，比如使用Δ-∑(delta-sigma)调制信号进行切换，以控制切换装置。
通常，所述振荡器为可编程振荡器，比如阻容振荡器，但不完全如此。本发明也适合不可编程的振荡器。
通常，所述输出信号为正弦波形，但不完全如此。本发明也可用于产生其他波形。
所述脉冲可数字产生或者利用模拟控制产生。
可使用本技术领域中熟知的多种技术中的一种技术或者组合技术在第一和第二配置之间切换振荡器。比如，可将电器元件(比如电容器、电阻器或感应器)切换成连接到振荡器或者从振荡器断开。在其他的实施例中，可使用电流或电压切换，比如通过改变电源输出或者通过切换电源阵列。
根据本发明的第二方面，提供了一种产生输出信号的电子振荡器，包括：
切换装置，其允许在至少第一配置和第二配置之间切换所述振荡器，该第一配置具有相关第一振荡器频率和周期，该第二配置具有相关第二振荡器频率和周期；以及
控制装置，用于控制所述切换装置，以便在至少所述第一配置和所述第二配置之间颤振所述振荡器，以产生输出信号，该输出信号具有中间频率和周期，其中通过在输出信号频率的连续周期上的每个输出信号周期的预定子集进行的从第一配置到第二配置的切换而实现颤振。
本发明的第二方面可包括上述本发明的第一方面的任何特征。
本发明在如上描述的同时，还包括上面提出的和下面说明书、附图或权利要求书中的任何发明组合。
附图说明
现在参照附图描述根据本发明的电子振荡器和方法的实施例，其中：
图1为本发明的电子振荡器的示意图；
图2显示每个周期使用一个颤振信号的振荡器的(a)输出信号和(b)颤振控制信号；
图3显示与图2有关的振荡器的频率调谐特征；
图4显示振荡器的输出信号和颤振控制信号，其中颤振控制信号在每个输出周期包括四个均匀地间隔开的脉冲；以及
图5显示了与图4有关的振荡器的频率调谐特征。
具体实施方式
图1为本发明的电子振荡器的示意图，总体用10表示。该电子振荡器10包括具有电容器14的振荡器12，该电容器14可通过切换装置16切换成与振荡器的其余部分连接或者断开。这样，通过打开和关闭该切换装置16可改变振荡器10的输出频率。该电子振荡器10进一步包括倍频器18，比如锁相环路或延迟锁定回路倍频器。该倍频器18产生输出频率N.f_osc，其中f_osc为该电子振荡器的输出频率，N大于1。将该倍频器的输出频率输入控制装置20。该控制装置20在频率为f_osc的输出信号的每个周期输出M个颤振脉冲，其中M为整数1或者更大的整数，优选为2或者更大的整数，更优选地为4或者更大的整数。颤振脉冲具有的脉宽在M/(N.f_osc)阶跃内可变。要理解的是，该控制装置20所产生的颤振控制脉冲的输出频率为M.f_osc，颤振的频率必须高于输出f_osc。发送该控制装置20所输出的颤振控制脉冲到切换装置16，以控制电容14的颤振，从而控制输出频率f_osc，该频率由振荡器12在22处输出。
图2显示了振荡器的(a)输出信号和(b)颤振控制信号，该振荡器使用脉宽调制颤振信号改变振荡器的频率。在该示例中，每个周期内的切换接通时间恒定，但是当颤振-部分变化时，断开时间根据脉宽的变化而改变。图3以颤振-部分的输出频率图显示了相关联的频率调谐特征。从图3可以看出，该频率调谐特征显示为非线性，从响应于环境条件(比如温度)的波动纠正输出频率的角度来看，这是不合需要的。但是，与图2和图3相关的颤振控制方法的优势在于，与颤振的频率低于振荡器频率的技术相比，当脉宽保持恒定时，偏移大幅降低，与振荡器以远远高于所期望的输出频率的频率工作的技术相比，功率消耗降低。
本发明人已经意识到，控制信号的每次转换均给振荡器带来切换噪声，这使得波形的瞬时相位发生变化，即输出频率和周期发生变化。如果在每个振荡器周期内的相同点产生颤振脉冲，那么其效果为在振荡器周期内变化一致，即没有颤振导致的偏移。然而，如果控制信号的宽度或数量变化，那么会导致振荡器周期的不稳定变化，本发明人已经意识到这会引起如图3所示的非线性频率调谐特征。而且，本发明人已经意识到，当连接或者断开连接时，输出频率取决于颤振-部分和振荡器波形的相位。打开和关闭切换装置16会产生一些电气噪声，除了电容变化所产生的相位变化，该噪声会造成振荡器相位变化。而且，所产生的相位变化的量取决于电气噪声产生时输出波形的变化率。其效果为，在波形变化率低的区域附近(即正弦波形峰值附近)进行切换所产生的电气噪声对振荡器相位具有极小的影响，而在波形变化率高的区域附近(即正弦波形中间点附近)进行切换产生的噪声会导致振荡器相位发生较大的变化。AHajimiri和T H Lee在IEEE.Solid-State Circuits，33(2)1998179-194以及33(6)1998 928给出了该现象的理论解释。为避免疑义，术语“波形峰值”包括波形周期内的最大(上限)峰值和最小(下限)峰值。在本发明的语境下，颤振-部分的变化改变了进行切换的时间，由此改变了对振荡器相位的影响，为颤振-部分和输出频率之间的关系引入了非线性，这就降低了调谐度，并且如果为了纠正操作环境内的波动所造成的输出频率的变化而通过内插法或外插法产生控制代码，那么就会引起误差。
图4显示了根据本发明的控制方法的示例，其明显改善了频率调谐特征。图4中可看出，在输出波形的每个周期内使用四个均匀间隔开的颤振控制信号脉冲，以控制切换装置16。换言之，脉宽调制颤振-脉冲在整个振荡器周期内为4∶1时间复用。在该示例中，每个周期内接通时间是固定的，但是断开时间随着脉宽和颤振-部分而变化。时间复用意味着增大颤振-部分导致与断开相关的两个下降脉冲边缘朝着振荡器波形的变化率的峰值移动，另外两个下降的边缘朝着波形变化率的最小值移动。朝着振荡器波形变化率的峰值移动增加了输出频率对相关切换噪声的敏感度，而边缘朝着振荡器波形变化率的最小值(即波形中间点)移动减小了振荡器相位变化对相关切换噪声的敏感度。该组合效应为大大减少了与断开时间相关的切换噪声导致的相位变化。图5中显示了相关的频率调谐特征，从该图中可以看出，获得的响应特征曲线是高线性的，因而是非常有利的。
要注意的是，由于接通和断开事件引发的切换噪声的组合效应稳定，所以获得了图5所示的线性响应特征。因此，颤振脉冲必须一直存在，所以颤振-部分不能降低到零，除非精确地消除了接通和断开切换噪声。如果使用4比特脉宽调制方案来控制颤振-部分，那么颤振-部分将以1/16的增量变化，但是为了获得线性响应，不应使用0/16阶跃。以1/8阶跃将颤振-部分的范围限制在1/16到15/16，可达到该目的，这有效地将脉宽调制分辨率减少到3比特，以便提高频率调谐特征的线性度。
通过改变颤振脉冲的接通时机而非断开时机，也可获得线性响应。或者，可将接通和断开时机都改变，其情形为，在脉宽和颤振-部分变化时，将接通时机向相反方向改变成断开时机。
如图1所示的装置可适合于执行图2到图5中所描述的方法。通常，切换装置用于将单个电容切换成与振荡器连接或断开。然而，也可设想其他可能更复杂的装置，在这些装置中，通过切换装置改变振荡器的频率。在MOS(金属氧化物半导体)集成电路中，晶体管通常用作切换装置的有源元件。技术人员经常使用其他装置，这些装置使用一个或多个开关。使用脉宽调制来产生控制脉冲是非常方便的，这些控制脉冲控制切换装置进行切换。然而，也可使用具有相同优点的其他控制方法，比如使用具有高过采样率的∑-Δ调制方案。
该示例使用了具有正弦输出波形的振荡器。要理解的是，这并非必然要求，可使用本发明产生具有相似优点的其他输出波形。

Claims (10)

1.一种产生输出信号的方法，包括下列步骤：
提供电子振荡器，该电子振荡器具有切换装置以及用于控制该切换装置的控制装置，该切换装置允许该振荡器在至少第一配置和第二配置之间切换，该第一配置具有相关第一振荡器频率和周期，该第二配置具有相关第二振荡器频率和周期；
在至少所述第一配置和所述第二配置之间颤振所述振荡器，以产生输出信号，该输出信号具有中间频率和周期，其中，通过在输出信号频率的连续周期上的每个输出信号周期的预定子集进行从所述第一配置到所述第二配置的切换而实现颤振。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在每个输出信号周期的预定子集进行的从所述第一配置到所述第二配置的所述切换受脉冲作用，因此在输出信号频率的连续周期上的每个输出信号周期产生多个脉冲，其中所述振荡器在每个脉冲期间处于所述第二配置内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在每个输出信号周期产生偶数个脉冲。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中在每个输出信号周期产生至少四个脉冲。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中在每个输出信号周期内基本上均匀地间隔开所述多个脉冲。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的方法，其中及时地基本上均匀地间隔开所述多个脉冲。
7.根据权利要求2到6中任一项所述的方法，其中所述颤振可变，以改变或纠正输出信号的频率；该输出信号的频率具有相关的输出信号波形；每个脉冲具有相关的脉冲特征，该特征包括输出信号频率周期内的接通时间以及输出信号频率周期内的断开时间，其中在该接通时间，所述振荡器从所述第一配置切换到所述第二配置，在该断开时间，所述振荡器从所述第二配置切换到所述第一配置；
其中通过在输出信号频率的每个周期内改变至少一些脉冲的脉冲特征来改变颤振，以改变或纠正所述输出频率，使得至少一个脉冲的接通时间和/或断开时间朝输出信号波形的变化率的峰值移动，至少另一个脉冲的接通时间和/或断开时间朝输出信号波形的变化率的最小值移动，从而改善输出频率相对于颤振变化的线性度。
8.根据前述任一项权利要求所述的产生具有输出频率的输出信号的方法，其中使用脉宽调制信号进行切换，以控制所述切换装置。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的产生具有输出频率的输出信号的方法，其中使用Δ-∑调制信号进行切换，以控制所述切换装置。
10.一种产生输出信号的电子振荡器，包括：
切换装置，其允许所述振荡器在至少第一配置和第二配置之间切换，该第一配置具有相关第一振荡器频率和周期，该第二配置具有相关第二振荡器频率和周期；以及
控制装置，其用于控制所述切换装置，以便所述振荡器在至少所述第一配置和所述第二配置之间颤振以产生具有中间频率和周期的输出信号，其中通过在输出信号频率的连续周期上的每个输出信号周期的预定子集进行从所述第一配置到所述第二配置的切换而实现颤振。
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