CN102571035B - 用于产生时钟信号的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，提供了一种用于产生时钟信号的电路及方法，该电路包括：温度传感器，配置成感测时钟源的第一温度，其中，所述时钟源用于提供振荡信号且配置成经历至少一个第二温度，其中，所述振荡信号用于被分频为时钟信号，所述第二温度是通过温度改变模块实现的，所述温度改变模块配置成改变所述时钟源附近的温度；以及校准模块，配置成基于所述第一温度，所述至少一个第二温度，参考信号以及在所述至少一个第二温度下的所述振荡信号来校准所述时钟信号。
Description
技术领域
本发明一般涉及电子电路，并且特别涉及用于产生时钟信号的电路及方法。
背景技术
实时时钟(RTC)器件存在于多种需要保持准确时间的电子装置中，例如，个人电脑、服务器以及嵌入式系统。RTC器件将时钟源，通常为32.768kHz石英晶体，提供的振荡信号分频为例如1Hz的时钟信号。
多数应用要求时钟精准度优于5ppm。影响时钟精准度的因素包括环境温度、环境湿度和震动，其中环境温度的影响最大。由于晶体频率随温度漂移的特性，RTC器件，特别是应用于较宽温度范围时，需要校准。
已经有多种方法被应用于补偿由温度变化引起的频率偏差。一种方法是通过调整加载到晶体的容性负载来将晶体校正到标称频率。另一种方法是通过周期性地删除或者插入时钟脉冲来调整时钟频率。这两种方法都基于晶体的频率-时间曲线，根据该曲线，使用晶体的温度作为输入计算出在某一时刻或者某一周期内的补偿方法。
通常，同一批次的晶体被认为是具有相似的频率特性，因此普遍的做法是测量一个批次里的几个晶体的频率-温度曲线，然后取这些曲线的平均作为该批次的每个晶体的曲线并且存入存储器以用于校准目的。然而，由于例如制造误差等原因，每个晶体的频率表现都是不同的。此外，在焊接晶体过程中产生的热冲击也可能改变晶体的频率。
因此，当需要高精准度或者为其他目的时，为每个晶体定制的或者特有的频率-温度曲线是非常重要的。为实现此目的，需要在几个不同的温度下分析每个晶体的频率特性，这需要将所有的测试设备在具有不同环境温度的几个测试室之间搬运，或者需要等待测试室升温/降温至期望的环境温度。为达到此目的将花费大量的人力和时间。
因此，一种有效地为每个晶体生成特有的频率-温度曲线的电路和方法将是令人期待的，并且基于每个晶体特有的频率-温度曲线而产生时钟信号的电路和方法将是有益的。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种电路，该电路包括温度传感器，配置成感测时钟源的第一温度，其中，所述时钟源用于提供振荡信号且配置成经历至少一个第二温度，其中，所述振荡信号用于被分频为时钟信号，所述第二温度是通过温度改变模块实现的，所述温度改变模块配置成改变所述时钟源附近的温度；以及校准模块，配置成基于所述第一温度，所述至少一个第二温度，参考信号以及在所述至少一个第二温度下的所述振荡信号来校准所述时钟信号。
在另一个实施例中，提供了一种电子装置，该电子装置包括一种电路，所述电路包括温度传感器，配置成感测时钟源的第一温度，其中，所述时钟源用于提供振荡信号且配置成经历至少一个第二温度，其中，所述振荡信号用于被分频为时钟信号，所述第二温度是通过温度改变模块实现的，所述温度改变模块配置成改变所述时钟源附近的温度；以及校准模块，配置成基于所述第一温度，所述至少一个第二温度，参考信号以及在所述至少一个第二温度下的所述振荡信号来校准所述时钟信号。
在又一个实施例中，提供了一种方法，该方法包括放置时钟源于至少一个第三温度；基于所述至少一个第三温度，参考信号以及在所述至少一个第三温度下的所述时钟源的振荡信号来生成至少一个校准参数；测量所述时钟源的第四温度；以及基于所述至少一个校准参数和所述第四温度校准通过分频所述振荡信号获得的时钟信号。
上文已经概括而非宽泛地给出了本公开内容的特征。本公开内容的附加特征将在此后描述，其形成了本发明权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，可以容易地使用所公开的构思和具体实施方式，作为修改和设计其他结构或者过程的基础，以便执行与本发明相同的目的。本领域技术人员还应当理解，这些等同结构没有脱离所附权利要求书中记载的本发明的主旨和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开以及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：
图1示出了根据一个实施例的用于产生时钟信号的电路；
图2示出了根据另一个实施例的用于产生时钟信号的电路；
图3示出了图2的电路的校准模块的一个示例性构成；
图4示出了图1和图2的电路的温度改变模块的一个示例性构成；
图5示出了图1和图2的电路的温度传感器的一个示例性构成；
图6示出了根据一个实施例的电表，
除非指明，否则不同附图中的相应标记和符号一般表示相应的部分。绘制附图是为了清晰地示出本公开内容的实施方式的有关方面，而未必是按照比例绘制的。为了更为清晰地示出某些实施方式，在附图标记之后可能跟随有字母，其指示相同结构、材料或者过程步骤的变形。
具体实施方式
下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。
图1示出了根据一个实施例的用于产生时钟信号103的电路10。电路10包括温度传感器105和校准模块106。温度传感器105配置成感测时钟源101的第一温度107，校准模块106配置成校准时钟信号103。其中，时钟源101用于提供振荡信号102且可操作地被放置于至少一个由温度改变模块104实现的第二温度108。
首先，时钟源101被放置于至少一个由温度改变模块104实现的第二温度108，温度改变模块104配置成改变时钟源101处或者附近的温度。在实际应用中，第二温度108可以是，在例如出货前的测试阶段中，时钟源101附近的局部温度。通过表征在至少一个第二温度108下的时钟源101的振荡信号102，可以获得时钟源101的特有的频率-温度特性。
之后，为校准目的，温度传感器105感测时钟源101的第一温度107。在实际应用中，第一温度107是时钟源101在运行过程中的温度，该温度将由于极端的气候、时钟源自加热或者其他原因而改变。
然后，校准模块106基于至少一个第二温度108、第一温度107、参考信号109以及在至少一个第二温度108下的时钟源101的振荡信号102来校准时钟信号103。该参考信号109用于测量振荡信号102的精准度，并且可以由高精度频率源提供。
综上所述，由于温度改变模块104改变时钟源101附近的温度，第二温度108可以独立于环境温度而被有效地改变。以这种方式，可以节省用于在几个具有不同温度的测试室之间搬运所有测试设备或者等待测试室升温/降温至期望的环境温度的人力和时间。
此外，电路10使得为每个时钟源101的定制的/特有的频率-温度曲线易于实现。因此，由于不足够精确的频率-温度曲线造成的时钟信号准确度方面的限制可以得到改善。
而且，因为电路10使得能够实现为每个时钟源101的定制的/特有的频率-温度曲线，使用中等精度的或者较低精度的晶体作为时钟源也是可以接受的。与高精度的晶体相比，中等精度的或者较低精度的晶体较便宜，因此，电路10在成本敏感的应用上是有利的。
附加地，与增加一个专用的RTC(例如，一个现成的温度补偿晶体振荡器TXCO)到电路板上的这种会增加电路板面积的通常做法相比，可以将校准模块106、分频器(未示出)、和/或温度传感器105集成到，例如，执行其他功能的微控制器(MCU)，这将更有效地利用电路板空间，从而利于装置小型化。
应当理解，校准模块106可以以任何适合的算法或者构造校准时钟信号103。例如，校准模块106可以基于至少一个第二温度108、第一温度107、参考信号109以及在第二温度108下的振荡信号102来计算应施加到变容二极管上的电压。或者，校准模块106可以基于至少一个第二温度108、第一温度107、参考信号109以及在第二温度108下的振荡信号102来周期性地计算应当增加或者删除的时钟脉冲。该实施例提供的是一种用于生成为每个时钟源的定制的/特有的频率-温度曲线的电路及方法，通过何种具体算法或者构造校准时钟信号不是限制因素。
应当理解，第二温度108的数量可以根据，例如，用于匹配时钟源101的频率-温度曲线的多项式的级数而改变。具体地，例如，时钟源是具有标称频率为32.768kHz的石英晶体，多项式的形式为(f-f0)/f0＝K*(T-T0)2+X，其中f是时钟源101在温度T的振荡频率，f0是标称频率32.768kHz，K是曲线常数，T0是拐点温度，X是在温度T0的频率偏差。在这种情况下，已知振荡信号102在三个第二温度108下的频率，通过求解在三个第二温度108下的联立方程可以获得K、T0、X的值。在另一个例子中，对于同一批次的晶体，曲线常数K被认为是相同的，时钟源101配置成经历两个不同的第二温度108以获得T0和X的值。在又一个例子中，为精确的匹配或者其他目的，多项式的形式为(f-f0)/f0＝K1*(T-T0)2+K2*(T-T0)+X，时钟信号101配置成经历四个不同的第二温度108以获得K1、K2、T0、X的值。
图2示出了根据一个实施例的用于产生时钟信号103的电路20。相对于图1所示的电路10，电路20的温度传感器205被进一步配置成感测第二温度108。因为温度传感器205提供第二温度108的值，则不需要精确地控制温度改变模块104来获得期望的第二温度108。
在一个实施例中，时钟源101作为内部元件被包括在电路10或电路20中。
在下文中，将描述校准模块106、温度改变模块104以及温度传感器105、205的示例性构成。
图3示出了校准模块106的示例性构成。如图所示，校准模块106包括计算单元301、存储器302和校准单元303。校准模块106可以依以下方式运行。
首先，计算单元301从温度传感器205接收至少一个第二温度108，从时钟源101接收在至少一个第二温度108下的振荡信号102，以及从一个高精度频率源接收参考信号109。计算单元301基于至少一个第二温度108，在该第二温度108下的振荡信号102以及参考信号109，通过求解对应该至少一个第二温度108的联立方程，生成至少一个校准参数304。
然后，存储器302从计算单元301接收所述至少一个校准参数304。
最后，校准单元303从温度传感器205接收第一温度107以及从存储器302接收所述至少一个校准参数304，并且基于第一温度107和所述至少一个校准参数304校准时钟信号103。
应当理解，校准单元303可以通过任何适合的算法或者构造校准时钟信号103。例如，校准单元303可以基于第一温度107以及至少一个校准参数304来计算应施加到变容二极管的电压以调整加载到时钟源101的容性负载。或者，校准单元303可以基于第一温度107以及至少一个校准参数304来计算应插入或者删除的时钟脉冲的数目。用于校准时钟信号的具体算法或构造不构成限制因素。
图4示出了温度改变模块104的示例性构成。如图所示，温度改变模块104包括功率电阻401和开关402。在实施中，当第二温度108需要被改变时，功率电阻401被耦接到电源403。为了有效地改变第二温度108，功率电阻401邻近时钟源101设置，时钟源在图4中示为石英晶体。开关402响应于控制信号404来控制功率电阻401和电源403之间的连接。在一个例子中，控制信号404包括脉宽调制(PWM)信号。通过改变PWM信号404的占空比，施加到功率电阻401的等效电压被改变，从而改变第二温度108。
在一个例子中，开关402包括双极型晶体管，其发射端和集电端分别耦接到功率电阻401和电源403，其基极端耦接到并接收控制信号404。应当理解，开关402可以具有各种构造，包括MOS晶体管在内的其他开关也是适用的。
应当理解，温度改变模块104可以被包含在电路10或者20内，也可以独立于电路10或20。在一个例子中，图4的温度改变模块104被包含在电路10或20中。为此目的，石英晶体101、功率电阻401和开关402可以被表面安装到印刷电路板上。在另一个例子中，温度改变模块104包括一个热电偶，其独立于电路10或20并被设置在测试仪器上。具体地，该测试仪器可以具有多个设置于其上的热电偶。在测试中，多个晶体被与该多个热电偶一一对应地放置，因此每个晶体的第二温度可以被各自的热电偶改变。
图5示出了温度传感器105或205的一个示例性构成。温度传感器105或205包括热敏电阻501，该热敏电阻501的电阻值随着温度改变较大(相比于标准电阻而言)。当时钟源101附近的第二温度108或者第一温度107改变时，热敏电阻501的电阻值相应地改变，而电阻502的电阻值基本不变。因此，在中间节点503处的电压发生改变。节点503处的电压随后被提供给模数转换器(未示出)以被转换成数字值，根据该数字值，可以从，例如，基于热敏电阻501的电阻-温度关系生成的查找表，来获得第二温度108或第一温度107。
应当理解，图5所示的温度传感器仅是示例性的。能够感测时钟源101附近温度的其他器件、模块或单元也是适用的。
在一个例子中，热敏电阻501、功率电阻401和时钟源101彼此邻近，从而时钟源101附近的第二温度108可以被有效地改变，并且热敏电阻501可以准确地感测时钟源101的温度。在另一个例子中，热敏电阻501、功率电阻401和时钟源101被封装在一个封装元件中，例如，硅胶层，从而热敏电阻501、功率电阻401和时钟源101被与周围环境隔离。以这种方式，热敏电阻501、功率电阻401和时钟源101具有基本相同的温度。其他封装材料，例如树脂，也是适用的。
根据本公开的各个实施例的电路可以应用于包括但不限于电表、销售终端设备等电子装置中。
图6示出了根据一个实施例的电表60。电表60包括根据不同实施例的电路。在该例子中，电表60包括MCU601，其中集成了RTC模块602。如图所示，RTC模块602包括温度传感器205和校准模块106，时钟源101和温度改变模块104位于MCU601外部。在一个例子中，MCU601、时钟源101和温度改变模块104被表面安装到印刷电路板上。在测试过程中，温度改变模块104的两端分别被耦接至电源和地，开关402的控制端被耦接到，例如MCU601的PWM管脚，以接收控制信号。通过改变该控制信号的占空比，时钟源101附近的第一温度被改变。如前述的，校准模块106校准时钟信号。
应当理解，虽然图4、5、6中的时钟源示出为石英晶体，电路10或20也适用于其他具有随温度改变的频率特性的时钟源，例如，陶瓷振荡器，硅振荡器，等等。还应当理解，尽管校准过程在一些例子中描述为基于校准参数的计算，该校准过程也可以是查找表的点之间的插值过程，该查找表可以通过将时钟源置于多个第二温度并且测量其振荡频率而生成。
在本公开中，为示范目的，电路实施例的运作参照方法实施例描述。然而，应该理解本公开中电路的运作和方法的实现互相独立。也就是说，所公开的电路实施例可以依照其他方法运作，所公开的方法实施例可以通过其他电路实现。
本领域技术人员还将容易地理解的是，材料和方法可以变化，同时仍然处于本发明的范围之内。还应理解的是，除了用来示出实施方式的具体上下文之外，本发明提供了多种可应用的创造性构思。因此，所附权利要求意在将这些过程、机器、制品、组合物、装置、方法或者步骤包括在其范围之内。
Claims (20)
1.一种电路，其特征在于，包括：
温度传感器，配置成感测时钟源的第一温度，其中，所述时钟源用于提供振荡信号且配置成经历至少一个第二温度，其中，所述振荡信号用于被分频为时钟信号，所述第二温度是通过温度改变模块实现的，所述温度改变模块配置成改变所述时钟源附近的温度；以及
校准模块，配置成基于所述至少一个第二温度，参考信号以及在所述至少一个第二温度下的所述振荡信号来生成至少一个校准参数，并且基于所述至少一个校准参数和所述第一温度校准所述时钟信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述时钟源配置成经历至少两个不同的第二温度；以及
所述校准模块配置成基于所述第一温度，所述至少两个不同的第二温度，所述参考信号以及在所述至少两个不同的第二温度下的所述振荡信号校准所述时钟信号。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述温度传感器进一步配置成感测所述至少两个不同的第二温度。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述校准模块包括：
计算单元，配置成基于所述至少两个不同的第二温度，所述参考信号以及在所述至少两个不同的第二温度下的所述振荡信号来生成至少两个校准参数；
存储器，配置成存储并提供所述至少两个校准参数；以及
校准单元，配置成基于所述第一温度和所述至少两个校准参数来校准所述时钟信号。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的电路，其特征在于，还包括所述温度改变模块。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，还包括所述时钟源。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述温度改变模块包括：
功率电阻，邻近所述时钟源，配置成耦接到电源并散热；以及
开关，耦接在所述功率电阻和所述电源之间，配置成响应于控制信号而将所述功率电阻耦接到所述电源。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述控制信号包括具有可变占空比的脉宽调制信号。
9.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述开关包括双极型晶体管。
10.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述温度传感器，所述功率电阻和所述时钟源彼此邻近。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述温度传感器，所述功率电阻和所述时钟源被密封在密封元件中。
12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，所述密封元件包括硅胶层。
13.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述时钟源包括石英晶体。
14.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述温度传感器包括热敏电阻。
15.一种电子装置，包括权利要求1-14中任一项所述的电路。
16.根据权利要求15所述的电子装置，其特征在于，所述电子装置包括实时时钟装置。
17.根据权利要求15所述的电子装置，其特征在于，所述电子装置包括电表。
18.一种用于产生时钟信号的方法，包括：
放置时钟源于至少一个第三温度；
基于所述至少一个第三温度，参考信号以及在所述至少一个第三温度下的所述时钟源的振荡信号来生成至少一个校准参数；
测量所述时钟源的第四温度；以及
基于所述至少一个校准参数和所述第四温度校准通过分频所述振荡信号获得的时钟信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述放置步骤包括：
响应于控制信号，将功率电阻耦接至电源。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制信号包括具有可变占空比的脉宽调制信号。
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