CN103023433A - 改进型高精度振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改进型高精度振荡器，采用两级校准电路，校准通过两步完成，让计数器计数期间分段工作，在一段时间内可编程振荡单元基于第一校准电路在第一次校准后产生的校准信号工作，利用数字电路计数，在另一段时间内可编程振荡单元基于第二校准电路根据偏差进行补偿后的校准信号工作，通过两段校校，使振荡器在标准时间段内近可能的接近理论输出频率，从而实现精度更高的频率输出，从而实现精度更高的频率输出，突破半导体制造工艺限制的±1000ppm的校准精度，可实现更准确的时间值。

Description

改进型高精度振荡器

技术领域

本发明涉及一种高精度的振荡器结构，特别是对振荡频率精度要求极高的应用领域，如蓝牙系统待机时钟。

背景技术

在数据传输系统中，对频率的精度要求极高，如蓝牙系统中的待机时钟要求很高，通常要求频率变化至少小于±1000ppm，即千分之一，过大的时钟偏差将导致两个需要通讯的蓝牙系统在睡眠模式下无法正常握手和唤醒。随着技术发展，新的蓝牙标准需要蓝牙系统更低的功耗，采用连接时间间隔配合快速连接的方式实现睡眠状态和工作状态的转换，当蓝牙系统进入睡眠状态时，一般通过高精度低功耗振荡器进行计时，如500ms；当系统唤醒后会工作一段时间，在此时间段内查找是否本蓝牙系统附近存在其他可配对蓝牙系统，并尝试与可配对系统配对，如果握手满足，则开始通讯。

图1中描述了两个蓝牙系统相互通信时处于睡眠和唤醒状态的时序。两个蓝牙系统在连接任务不多时，进入睡眠状态，通过同步同时开始睡眠，两个系统分别开始500毫秒的计时，当计时精度为±1000ppm时，导致±0.1%的时间误差，即±0.5ms的时差，如图所示，第一个系统计时提前0.5ms开始进入唤醒工作状态，另一个系统延迟0.5ms进入唤醒工作状态，即为了让两个系统同时存在足够的重叠工作时间，则需唤醒工作时间至少要大于重叠工作时间加上1ms的时间误差。例如由于系统启动需要一定时间，例如1毫秒，则系统最小重叠时间需大于1毫秒，因此最小唤醒工作时间需2毫秒。由于系统唤醒时功耗较大，所以系统唤醒工作时间越长，睡眠模式下的平均功耗就越大。睡眠时的功耗可近似忽略，则平均功耗可大致计算如下:

$P_{\mathrm{AV}}=\frac{T_W}{T_S+T_W}{P}_W$

其中T_W是唤醒工作的时间，T_S是睡眠时间，P_W是唤醒功耗，P_AV是平均功耗。因此，振荡器的频率精度的提高有助于减小系统唤醒的工作时间，唤醒的工作时间段越短，则蓝牙系统的功耗越低。

图2为文献CN102386846A所公开的目前采用的高精度低功耗振荡器的工作原理图，其频率校准线性度依赖于器件匹配，常规半导体制造工艺的匹配精度在0.1%左右，所以限制了传统振荡器频率校准精度为±1000ppm。有必要提出一种能够提高频率校准的方法，进一步提高振荡器的频率精度，以满足蓝牙系统低功耗的要求。

发明内容

本发明就是基于上述目的，提供一种改进型高精度振荡器，具有更高的频率精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种改进型高精度振荡器，其包括第一校准电路、可编程振荡单元、计时电路和修正电路，

第一校准电路根据高频参考信号和可编程振荡单元输出的振荡信号得到校准数据；

计时电路，用于对所述可编程振荡单元输出的振荡信号进行计时得到计时值，在计时频率数值到第一阈值时进行复位，随后再重新对所述可编程振荡单元输出的振荡信号进行计数；

所述修正电路用于对第一校准电路的校准数据进行修正得到修正后的校准数据；

在所述计时频率数值到达到第二阈值前，所述可编程振荡单元根据未经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号，在计数值达到第二阈值后，可编程振荡单元根据经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号；或者

在所述计时值到达到第二阈值前，可编程振荡单元根据经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号，在计数值达到第二阈值后，可编程振荡单元根据未经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号；

其中第二阈值低于第一阈值。

进一步的，所述修正电路包括第二校准电路、加减器和逻辑控制器，

第二校准电路根据所述可编程振荡单元根据未经过修正的校准数据而生成的振荡信号的实际频率与理论目标频率的偏差输出加控制信号或减控制信号；

逻辑控制器输出步长数据；

所述加减器在第二校准电路输出加控制信号时，将第一校准电路输出的校准数据加上逻辑控制器输出的步长数据以得到经过修正的校准数据；在第二校准电路输出减控制信号时，将第一校准电路输出的校准数据减去逻辑控制器输出的步长数据以得到经过修正的校准数据。

具体的，在所述计时值达到第二阈值前，所述逻辑控制器输出的步长数据为零，在所述计时值达到第二阈值后，所述逻辑控制器输出的步长数据为预定步长；或者

在所述计时值达到第二阈值后，所述逻辑控制器输出的步长数据为零，在所述计时值达到第二阈值前，所述逻辑控制器输出的步长数据为预定步长；

所述可编程振荡单元根据经由加减器得到的校准数据生成振荡信号。

优选的，第二阈值=X*第一阈值，其中X为比例系数，X基于所述可编程振荡单元根据未经过修正的校准数据而生成的振荡信号的实际频率和理论目标频率的偏差确定，满足计时电路计数从零至第二阈值所用时长与第二阈值至第一阈值所用时长之和等于从零至第一阈值时的理论计时时长。

进一步的，

所述X满足下述公式：

X*Y*(1/f)+(1-X)*Y*(1/f)*(1+δ)=T，或

X*Y*(1/f)*(1+δ)+(1-X)*Y*(1/f)=T，

其中，

T为计时频率数值从零至第一阈值时的理论计时时长；

Y为计时频率数值从零至第一阈值的实际时长内，若采用高频参考信号时钟计数，考虑偏差时对应的计数值；

f为高频参考信号的频率值；

δ为纠正偏差值。

优选的，所述加减控制信号采用数字信号Flag1的两种状态表示，所述步长数据由数值信号Flag2的两种状态表示。

优选的，所述修正电路计算比较所述Y值与Y1值，Y1为计时频率数值从零至第一阈值的实际时长内，若采用高频参考信号时钟计数，不考虑偏差时对应的理论计数值；

若Y＞Y1则Flag1状态设置为减，若Y＜Y1则Flag1状态设置为加。

优选的，所述参考高频信号为26MHz时钟信号。

优选的，所述校准数据输出信号为温度码、格雷码或补码。

优选的，所述校准数据输出信号用于调节可编程振荡单元中可调节的电阻、电容或电流。

本发明所述的改进型高精度振荡器，采用两级校准电路，校准通过两步完成，让计数器计数期间分段工作，在一段时间内可编程振荡单元基于第一校准电路在第一次校准后产生的校准信号工作，利用数字电路计数，在另一段时间内可编程振荡单元基于第二校准电路根据偏差进行补偿后的校准信号工作，通过两段校校，使振荡器在标准时间段内近可能的接近理论输出频率，从而实现精度更高的频率输出，突破半导体制造工艺限制的±1000ppm的校准精度，可实现更准确的时间值。

附图说明

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是蓝牙系统相互通信时处于睡眠和唤醒状态的时序示意图；

图2是目前采用的高精度振荡器的工作原理图；

图3是本发明所述改进型高精度振荡器的工作原理图。

具体实施方式

附图3给出了本发明所述改进型高精度振荡器的工作原理图，如图所示，其包括可编程振荡单元和第一校准电路，还包括第二校准电路、逻辑控制器、加减器及计时电路；所述第二校准电路、加减器和逻辑控制器构成修正电路，所述计时电路通过计数器实现。

所述计数器设置于可编程振荡单元的输出端，用于对输出频率进行计数；在计时频率数值到第一阈值时进行复位，随后再重新对所述可编程振荡单元输出的振荡信号进行计数；

所述第二校准电路根据所述可编程振荡单元根据未经过修正的校准数据而生成的振荡信号的实际频率与理论目标频率的偏差输出加控制信号或减控制信号；

逻辑控制器输出步长数据；

在所述计时频率数值到达到第二阈值前，所述可编程振荡单元根据未经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号，在计数值达到第二阈值后，可编程振荡单元根据经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号；或者

在所述计时值到达到第二阈值前，可编程振荡单元根据经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号，在计数值达到第二阈值后，可编程振荡单元根据未经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号；

其中第二阈值低于第一阈值。

所述加减器在第二校准电路输出加控制信号时，将第一校准电路输出的校准数据加上逻辑控制器输出的步长数据以得到经过修正的校准数据；在第二校准电路输出减控制信号时，将第一校准电路输出的校准数据减去逻辑控制器输出的步长数据以得到经过修正的校准数据。

具体的，在所述计时值达到第二阈值前，所述逻辑控制器输出的步长数据为零，在所述计时值达到第二阈值后，所述逻辑控制器输出的步长数据为预定步长；或者

在所述计时值达到第二阈值后，所述逻辑控制器输出的步长数据为零，在所述计时值达到第二阈值前，所述逻辑控制器输出的步长数据为预定步长；

所述可编程振荡单元根据经由加减器得到的校准数据生成振荡信号。

优选的，第二阈值=X*第一阈值，其中X为比例系数，X基于所述可编程振荡单元根据未经过修正的校准数据而生成的振荡信号的实际频率和理论目标频率的偏差确定，满足计时电路计数从零至第二阈值所用时长与第二阈值至第一阈值所用时长之和等于从零至第一阈值时的理论计时时长。

进一步的，

所述X满足下述公式：

X*Y*(1/f)+(1-X)*Y*(1/f)*(1+δ)=T，或

X*Y*(1/f)*(1+δ)+(1-X)*Y*(1/f)=T，

其中，

T为计时频率数值从零至第一阈值时的理论计时时长；

Y为计时频率数值从零至第一阈值的实际时长内，若采用高频参考信号时钟计数，考虑偏差时对应的计数值；

f为高频参考信号的频率值；

δ为纠正偏差值。

所述加减控制信号采用数字信号Flag1的两种状态表示，所述步长数据由数值信号Flag2的两种状态表示，如当Flag1为”0”时表示加，当Flag1为”1”时表示减；当Flag2为”0”时，表示加或者减零；当Flag2为”1”，表示加或者减1。

所述修正电路计算比较所述Y值与Y1值，Y1为计时频率数值从零至第一阈值的实际时长内，若采用高频参考信号时钟计数，不考虑偏差时对应的理论计数值；

若Y＞Y1则Flag1状态设置为减，若Y＜Y1则Flag1状态设置为加。

优选的，所述参考高频信号为26MHz时钟信号。

相应的采用可编程振荡单元结合一级校准电路实现较高精度的输出频率的原理在申请人前期申请的文献CN102386846A中有相应详细的描述，相应的可编程振荡单元工作在以第一校准电路在第一次校准后产生的数据D0~Dn工作，数据D0~Dn为校准输出信号，其可为温度码、格雷码或补码；用于调节可编程振荡单元中可调节的电阻、电容或电流，在此不再赘述。

本发明所述改进型高精度振荡器的原理是让计数器计数期间分段工作，在一段时间内可编程振荡单元工作在以第一校准电路在第一次校准后产生的数据D0~Dn工作，在另一段时间内可编程振荡单元根据加减器对D0~Dn数据增加或者减少1的数据工作，其振荡周期比D0~Dn数据控制的振荡周期小0.1%或大0.1%。如果第一次校准后的频率比目标值偏低，其振荡周期(TOSC1)偏大，则使计数器计数的一段时间工作在TOSC1下，而在余下的计数时间中工作在TOSC1*(1-0.1%)；

假设以TOSC1周期工作的计数值在总计数值的比例为X，计数总数为N，则TC的周期为[TOSC1*X+TOSC1*(1-0.1%).(1-x)]*N，等效以[TOSC1*X+TOSC1*(1-0.1%).(1-x)]为平均周期的振荡信号计数了N次。

相反，如果第一次校准后的频率比目标值偏高，其振荡周期(TOSC1)偏小，则使计数器计数的一段时间工作在TOSC1下，而在余下的计数时间中工作在TOSC1*(1+0.1%)。

根据合理的X取值，可以实现更准确的时间值，这样输出周期信号TC的频率精度更高。

同样的原理，通过调整两个阶段的先后顺序，亦可达到上达目的。

一个更为具体的实施例如下：

LCK输出典型周期为0.1mS的时钟信号，通过第一次校准产生时钟周期精度为±0.1%，其对应的周期范围为0.0999mS~0.1001mS。

然后用该时钟计数5次（即5分频），则产生周期精度为0.4995mS~0.5005mS的时钟。假设通过第一次校准后的时钟周期比目标值大0.04%。LCK的输出信号周期为0.10004ms，5分频后的周期为0.5002ms，以26MHz时钟计数得到的Y值为13005，理论计数值Y1为13000，Y＞Y1，Flag1设置为”1”，做减操作。

N为第一阈值，对应周期为0.1ms的振荡器，500ms所需的计数次数为5000次；

第二阈值=X*第一阈值，其中X为比例系数，X基于所述可编程振荡单元根据未经过修正的校准数据而生成的振荡信号的实际频率和理论目标频率的偏差确定，满足计时电路计数从零至第二阈值所用时长与第二阈值至第一阈值所用时长之和等于从零至第一阈值时的理论计时时长。

应该满足下述公式:

所述X满足下述公式：

X*Y*(1/f)+(1-X)*Y*(1/f)*(1+δ)=T，或

X*Y*(1/f)*(1+δ)+(1-X)*Y*(1/f)=T，

其中，

T为计时频率数值从零至第一阈值时的理论计时时长；

Y为计时频率数值从零至第一阈值的实际时长内，若采用高频参考信号时钟计数，考虑偏差时对应的计数值；

f为高频参考信号的频率值；

δ为纠正偏差值。

对于本实施例，X满足：

X*13005*(1/26M)+(1-X)*13005*(1/26M)(1-0.1%)=500ms,

计算得X=61.55%，相应的第二阈值=X*N=5000*61.55%=3078，

使计数器计到3078后，逻辑控制器使数值信号Flag2从”0”变到”1”，执行减作，对频率时行二次修正并输出，纠正偏差值为-0.1%。

这样根据本发明，总的计数时间为

3078*0.10004+1922*0.10004*(1-0.1%)=500.00772312ms，与500ms的目标值相比，误差为0.0015%，从而提高了时间精度，达到了进一步提高输出频率精度的目的。

对于上述实施例，亦可以在前1922次采用两级校正的信号输出，在后3078次采用经一次校正的信号输出，同样可达到上述技术效果。

上述说明是针对本发明可行的实施例的具体说明，而该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技术精神所做出的等效实施或变更的方式均应包含于本申请所请求保护的专利范围中。

Claims (10)

1.一种改进型高精度振荡器，其特征在于，其包括第一校准电路、可编程振荡单元、计时电路和修正电路，

第一校准电路根据高频参考信号和可编程振荡单元输出的振荡信号得到校准数据；

计时电路，用于对所述可编程振荡单元输出的振荡信号进行计时得到计时值，在计时频率数值到第一阈值时进行复位，随后再重新对所述可编程振荡单元输出的振荡信号进行计数；

所述修正电路用于对第一校准电路的校准数据进行修正得到修正后的校准数据；

在所述计时频率数值到达到第二阈值前，所述可编程振荡单元根据未经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号，在计数值达到第二阈值后，可编程振荡单元根据经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号；或者

在所述计时值到达到第二阈值前，可编程振荡单元根据经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号，在计数值达到第二阈值后，可编程振荡单元根据未经过所述修正电路修正的校准数据生成振荡信号；

其中第二阈值低于第一阈值。

2.根据权利要求1所述的改进型高精度振荡器，其特征在于，所述修正电路包括第二校准电路、加减器和逻辑控制器，

第二校准电路根据所述可编程振荡单元根据未经过修正的校准数据而生成的振荡信号的实际频率与理论目标频率的偏差输出加控制信号或减控制信号；

逻辑控制器输出步长数据；

所述加减器在第二校准电路输出加控制信号时，将第一校准电路输出的校准数据加上逻辑控制器输出的步长数据以得到经过修正的校准数据；在第二校准电路输出减控制信号时，将第一校准电路输出的校准数据减去逻辑控制器输出的步长数据以得到经过修正的校准数据。

3.根据权利要求2所述的改进型高精度振荡器，其特征在于，在所述计时值达到第二阈值前，所述逻辑控制器输出的步长数据为零，在所述计时值达到第二阈值后，所述逻辑控制器输出的步长数据为预定步长；或者

在所述计时值达到第二阈值后，所述逻辑控制器输出的步长数据为零，在所述计时值达到第二阈值前，所述逻辑控制器输出的步长数据为预定步长；

所述可编程振荡单元根据经由加减器得到的校准数据生成振荡信号。

4.根据权利要求3所述的改进型高精度振荡器，其特征在于，第二阈值=X*第一阈值，其中X为比例系数，X基于所述可编程振荡单元根据未经过修正的校准数据而生成的振荡信号的实际频率和理论目标频率的偏差确定，满足计时电路计数从零至第二阈值所用时长与第二阈值至第一阈值所用时长之和等于从零至第一阈值时的理论计时时长。

5.根据权利要求4所述的改进型高精度振荡器，其特征在于，

所述X满足下述公式：

X*Y*(1/f)+(1-X)*Y*(1/f)*(1+δ)=T，或

X*Y*(1/f)*(1+δ)+(1-X)*Y*(1/f)=T，

其中，

T为计时频率数值从零至第一阈值时的理论计时时长；

Y为计时频率数值从零至第一阈值的实际时长内，若采用高频参考信号时钟计数，考虑偏差时对应的计数值；

f为高频参考信号的频率值；

δ为纠正偏差值。

6.根据权利要求5所述的改进型高精度振荡器，其特征在于，所述加减控制信号采用数字信号Flag1的两种状态表示，所述步长数据由数值信号Flag2的两种状态表示。

7.根据权利要求6所述的改进型高精度振荡器，其特征在于，所述修正电路计算比较所述Y值与Y1值，Y1为计时频率数值从零至第一阈值的实际时长内，若采用高频参考信号时钟计数，不考虑偏差时对应的理论计数值；

若Y＞Y1则Flag1状态设置为减，若Y＜Y1则Flag1状态设置为加。

8.根据权利要求1至7所述的任一种改进型高精度振荡器，其特征在于，所述参考高频信号为26MHz时钟信号。

9.根据权利要求1至7所述的任一种改进型高精度振荡器，其特征在于，所述校准数据输出信号为温度码、格雷码或补码。

10.根据权利要求1至7所述的任一种改进型高精度振荡器，其特征在于，所述校准数据输出信号用于调节可编程振荡单元中可调节的电阻、电容或电流。

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