CN103066996A - 振荡器及其自校准方法 - Google Patents

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CN103066996A CN2012105595599A CN201210559559A CN103066996A CN 103066996 A CN103066996 A CN 103066996A CN 2012105595599 A CN2012105595599 A CN 2012105595599A CN 201210559559 A CN201210559559 A CN 201210559559A CN 103066996 A CN103066996 A CN 103066996A
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于明
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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Abstract

一种振荡器及其自校准方法，其中，所述振荡器包括：振荡单元，用于产生振荡信号；转换单元，用于将所述振荡信号的频率转换为电压信号；比较单元，用于将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号；加减单元，用于保存校准值，根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号；校准单元，用于根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。本发明的振荡器实现了对振荡频率的自校准，保证了振荡频率的稳定性。

Description

振荡器及其自校准方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种振荡器及其自校准方法。
背景技术
在大规模数字集成电路中，时钟信号已成为必不可少的部分。在这些数字系统电路中，常用的时钟产生电路有三种：RC（电阻-电容）振荡器、环形振荡器和晶体振荡器。环形振荡器的振荡范围很宽，稳定度较高，然而环形振荡器对电源的噪声很敏感，布局尺寸面积较大。晶态振荡器频率很准，而且工作稳定，其精度只与所选择的晶体器件固有频率有关，但是晶体振荡器的功耗较大、价格高，不能集成在芯片的内部。RC振荡器由于其结构简单、低功耗、低成本和易于集成等优点而成被广泛应用于集成电路中的振荡器电路。
但是RC振荡器的输出频率受工作电压和环境温度变化的影响较大，另外其工艺相关性也比较差，受到半导体制造方法的影响，在同一晶圆上不同位置制备的振荡器会产生不同的振荡频率。因此现有技术的振荡器的输出频率不准确，需要校准。
其他有关振荡器及其校准方法还可以参考公开号为CN101212212的中国发明专利，其公开了一种具有自校准功能的振荡器。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术的振荡器的输出频率不准确，需要校准。
为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种振荡器，包括：振荡单元，用于产生振荡信号；转换单元，用于将所述振荡信号的频率转换为电压信号；比较单元，用于将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号；加减单元，用于保存校准值，根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号；校准单元，用于根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。
可选的，所述比较单元将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号包括：若所述电压信号低于所述最低频率电压，所述比较单元输出第一比较结果信号；若所述电压信号低于所述最高频率电压且高于所述最低频率电压，所述比较单元输出第二比较结果信号；若所述电压信号高于所述最高频率电压，所述比较单元输出第三比较结果信号。
可选的，所述加减单元根据所述比较结果信号加减校准值包括：若所述比较单元输出第一比较结果信号，所述加减单元根据所述第一比较结果信号对所述校准值加1；若所述比较单元输出第二比较结果信号，所述加减单元根据所述第二比较结果对所述校准值保持不变；若所述比较单元输出第三比较结果信号，所述加减单元根据所述第三比较结果信号对所述校准值减1。
可选的，还包括控制单元和锁存单元，所述控制单元用于产生校准时间窗口，所述锁存单元用于锁存所述校准值信号，所述校准单元校准所述振荡信号的频率包括：判断是否存在校准时间窗口，若是，则所述校准单元根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率；若否，则所述锁存单元锁存所述校准信号。
可选的，所述控制单元为脉冲计数器，所述脉冲计数器通过对所述振荡信号计数产生校准时间窗口。
可选的，所述转换单元包括频率数字转换单元和数字模拟转换单元，所述频率数字转换单元将所述振荡信号的频率转换为数字信号，所述数字模拟转换单元再将所述数字信号转换为所述电压信号。
可选的，所述比较单元包括：第一运算放大器、第二运算放大器和第一反相器，所述第一运算放大器的正向端和第二运算放大器的正向端接所述电压信号；所述第一运算放大器的反相端接所述最高频率电压；所述第二运算放大器的反相端接所述最低频率电压；所述第二运算放大器的输出端接所述第一反相器的输入端；所述第一运算放大器的输出端和所述第一反相器的输出端输出比较结果信号。
对应的，本发明技术方案还提供了一种振荡器的自校准方法，包括：产生振荡信号；将所述振荡信号的频率转换为电压信号；将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号；根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号；根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。
可选的，所述将电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号包括：若所述电压信号低于所述最低频率电压，输出第一比较结果信号；若所述电压信号低于所述最高频率电压且高于所述最低频率电压，输出第二比较结果信号；若所述电压信号高于所述最高频率电压，输出第三比较结果信号。
可选的，所述根据比较结果信号加减校准值包括：若所述比较结果信号为第一比较结果信号，所述校准值加1；若所述比较结果信号为第二比较结果信号，所述校准值不变；若所述比较结果信号为第三比较结果信号，所述校准值减1。
可选的，还包括在根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率前，判断是否存在校准时间窗口，若是，则根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率，若否，则锁存所述校准信号。
可选的，所述校准时间窗口通过对所述振荡信号计数产生。
可选的，所述将振荡信号的频率转换为电压信号包括：先将所述振荡信号的频率转换为数字信号，再将所述数字信号转换为所述电压信号。
与现有技术相比，上述技术方案的振荡器，转换单元将振荡单元产生的振荡信号的频率转化为电压信号，然后通过比较单元将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压做比较，所述的最高频率电压和最低频率电压为振荡器频率漂移所允许的最高频率和最低频率对应的电压值，在比较单元输出比较结果信号后，加减单元根据所述比较结果信号调整校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号，校准单元根据校准信号校准振荡信号的频率，从而对振荡单元输出振荡信号的频率实现自动校准，确保了振荡器振荡频率的准确。
进一步的，上述技术方案的振荡器，还包括了控制单元和锁存单元，所述的控制单元通过对振荡单元产生的振荡信号计数产生校准时间窗口，在校准时间窗口内所述校准单元根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率，在校准窗口外，所述锁存单元锁存所述校准信号，同时所述校准单元暂停校准所述振荡信号的频率，从而实现了周期性的检测振荡器频率并进行校准的功能。
附图说明
图1是本发明技术方案的振荡器的结构示意图；
图2是本发明实施例的振荡器的结构示意图；
图3是本发明实施例的振荡器的自校准方法的流程示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术的振荡器的输出频率受工作电压、环境温度和制造工艺的影响较大，输出频率不准确。因此，为了获得稳定的振荡器输出频率，需要对振荡频率进行校准。
请参考图1，本发明技术方案提供了一种振荡器，包括：振荡单元101，用于产生振荡信号；转换单元102，用于将所述振荡信号的频率转换为电压信号；比较单元103，用于将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号；加减单元104，用于根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号；校准单元105，用于根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。
在工作过程中，振荡器会由于工作电压和环境温度的变化，振荡频率会发生漂移，在上述技术方案的振荡器中，转换单元102将振荡单元101的产生的振荡信号的频率转化为电压信号，然后通过比较单元103将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压做比较，所述的最高频率电压和最低频率电压为振荡器频率漂移所允许的最高频率和最低频率对应的电压值，在比较单元103输出比较结果信号后，加减单元104根据所述比较结果信号调整校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号，校准单元105根据校准信号校准振荡信号的频率。从而实现对振荡单元101输出振荡信号的频率实现自动校准，确保振荡器振荡频率的准确。
下面结合附图和实施例对本发明具体实施方式做详细的说明。请参考图2，图2为本发明实施例的振荡器的示意图，所述振荡器包括：振荡单元201、转换单元202、比较单元203、加减单元204、校准单元205、控制单元206和锁存单元207。
所述振荡单元201用于产生振荡信号。
本实施例中，所述振荡单元201为RC振荡器，所述的RC振荡器主要由电容器和电阻器组成振荡回路，通过电场能和磁场能的相互转换产生振荡信号，能将直流电信号转化为具有一定频率的交流电振荡信号。但是RC振荡器的输出频率受工作电压和环境温度变化的影响较大，输出的频率不稳定，需要校准。
所述转换单元202用于将振荡单元201产生的振荡信号的频率转换为电压信号。
为了校准所述振荡信号的频率，需要将所述振荡信号的频率转化为相应的电压或者电流与预设的标准频率对应的电压或电流做比较，确定所述振荡信号的频率是否发生漂移。本实施例中，所述转换单元202包括频率数字转换单元202a和数字模拟转换单元202b，所述频率数字转换单元202a将所述振荡信号的频率转换为数字信号，所述数字模拟转换单元202b再将所述数字信号转换为所述电压信号。后续使用比较单元203将转换单元202转换所述振荡信号的频率获得的所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较以确定所述振荡信号的频率是否发生漂移。
所述比较单元203用于将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号。
所述的最高频率电压和最低频率电压为预设的电压值，所述的最高频率电压为振荡器所允许的最高振荡信号频率所对应的电压值，所述的最低频率电压为振荡器所允许的最低振荡信号频率所对应的电压值，所述最高频率电压高于所述最低频率电压，若所述振荡信号的频率由于工作电压或者环境温度的变化发生漂移的范围超出上述对应的范围，就需要对振荡信号的频率进行校准。
所述比较单元203将所述电压信号与最高频率电压VH和最低频率电压VL比较，并输出比较结果信号包括：若所述电压信号低于所述最低频率电压VL，所述比较单元203输出第一比较结果信号；若所述电压信号低于所述最高频率电压VH且高于所述最低频率电压VL，所述比较单元203输出第二比较结果信号；若所述电压信号高于所述最高频率电压VH，所述比较单元203输出第三比较结果信号。
本实施例中，所述比较单元203包括：第一运算放大器203a、第二运算放大器203b和第一反相器203c，所述第一运算放大器203a的正向端和第二运算放大器203b的正向端接所述转转换单元202输出的电压信号；所述第一运算放大器203a的反相端接所述最高频率电压VH；所述第二运算放大器203b的反相端接所述最低频率电压VL；所述第二运算放大器203b的输出端接所述第一反相器203c的输入端；所述第一运算放大器203a的输出端和所述第一反相器203c的输出端输出比较结果信号V1和V2。
当所述转换单元202输出的电压信号输入所述比较单元203与所述最高频率电压和最低频率电压比较后：若所述电压信号低于所述最低频率电压VL，所述第一运算放大器203a的输出端输出的比较结果信号V1=0，所述第一反相器203c的输出端输出的比较结果信号V2=1；若所述电压信号低于所述最高频率电压VH且高于所述最低频率电压VL，所述第一运算放大器203a的输出端输出的比较结果信号V1=0，所述第一反相器203c的输出端输出的比较结果信号V2=0；若所述电压信号高于所述最高频率电压VH，所述第一运算放大器203a的输出端输出的比较结果信号V1=1，所述第一反相器203c的输出端输出的比较结果信号V2=0。
所述加减单元204用于保存校准值，根据所述比较单元203输出的比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号。
所述校准值为数字域的二进制数值，所述校准值可以为4位、8位、16位或其他合适的位数，其位数可以根据振荡器所需的校准精度调整。所述校准值的初始值为振荡器初始化时所设置，且与振荡器预设的振荡信号频率所对应。所述加减单元204根据比较单元203输出的比较结果加减校准值包括：若所述比较单元203输出第一比较结果信号，所述加减单元204根据所述第一比较结果信号对所述校准值加1；若所述比较单元203输出第二比较结果信号，所述加减单元204根据所述第二比较结果对所述校准值保持不变；若所述比较单元203输出第三比较结果信号，所述加减单元204根据所述第三比较结果信号对所述校准值减1。
本实施例中，所述加减单元204为加减计数器，所述加减单元204输入所述比较单元203输出的比较结果信号V1和V2，并根据V1和V2的值来加减校准值：若所述第一运算放大器203a的输出端输出的比较结果信号V1=0，所述第一反相器203c的输出端输出的比较结果信号V2=1，则所述加减单元204对所述校准值加1；若所述第一运算放大器203a的输出端输出的比较结果信号V1=0，所述第一反相器203c的输出端输出的比较结果信号V2=0，则所述加减单元204对所述校准值保持不变；若所述第一运算放大器203a的输出端输出的比较结果信号V1=1，所述第一反相器203c的输出端输出的比较结果信号V2=0，则所述加减单元204对所述校准值减1。
校准单元205用于根据所述加减单元204输出的校准信号校准所述振荡信号的频率。
所述校准单元205将所述加减单元204获得的所述校准信号反馈于振荡单元201，对振荡信号的频率进行校准。在RC振荡器中，对振荡信号的频率进行调整可以通过改变对电容的充放电电流来实现。充放电电流由充放电电流源控制，所述充放电电流源通过多个开关控制，开关的导通和关断可以影响到注入到电容的电流，以此来改变振荡信号的频率。
本实施例中，所述校准值为数字域的二进制数值，即其每一位为数字域的0或者1，所述校准单元204根据所述校准信号对应的校准值来控制所述振荡单元201中充放电电流源的开关，即用数字域的0或1来对应充放电电流源的开关，达到改变振荡单元201中电容的充放电电流，改变所述振荡信号频率的目的。
所述振荡器还包括控制单元206和锁存单元207，所述控制单元206用于产生校准时间窗口，所述锁存单元207用于锁存所述校准值信号，所述校准单元206校准所述振荡信号的频率包括：判断是否存在校准时间窗口，若是，则所述校准单元206根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率；若否，则所述锁存单元207锁存所述校准信号，同时所述校准单元206暂停校准所述振荡信号的频率。
本实施例中，所述控制单元206的输入端与振荡单元201的输出端相连，所述控制单元206的输出端与所述锁存单元207相连，作为所述锁存单元207的锁存信号；所述锁存单元207的输入端与所述加减单元204的输出端相连，所述锁存单元207的输出端与所述校准单元205的输入端相连。所述控制单元206为脉冲计数器，所述脉冲计数器通过对所述振荡信号计数产生校准时间窗口，在计数值达到设定值时产生校准时间窗口信号，可以通过控制所述计数值的大小来控制所述控制单元206产生校准时间窗口的时机和频率。所述锁存单元207为锁存器，所述的锁存器输入端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在锁存信号有效时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号的到来才改变。所述控制单元206在校准时间窗口内，产生校准时间窗口信号，所述锁存单元207将所述加减单元204输出的校准信号传输到校准单元205对所述振荡单元201的振荡信号频率进行校准；在锁存时间窗口之外，所述锁存单元207的输出端保持不变，所述校准信号被锁存，校准单元205暂停工作。
所述的控制单元206通过对振荡单元201产生的振荡信号计数产生校准时间窗口，在校准时间窗口内所述校准单元205根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率，在校准窗口外，所述锁存单元207锁存所述校准信号，同时所述校准单元205暂停校准所述振荡信号的频率，从而实现了周期性的检测振荡器频率并进行校准的功能。
对应的，请参考图3，本实施例还提供一种振荡器的自校准方法，包括如下步骤：
步骤S201，产生振荡信号。
步骤S202，将所述振荡信号的频率转换为电压信号。所述将振荡信号的频率转换为电压信号包括：先将所述振荡信号的频率转换为数字信号，再将所述数字信号转换为所述电压信号。
步骤S203，将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号。所述将电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号包括：若所述电压信号低于所述最低频率电压，输出第一比较结果信号；若所述电压信号低于所述最高频率电压且高于所述最低频率电压，输出第二比较结果信号；若所述电压信号高于所述最高频率电压，输出第三比较结果信号。
步骤S204，根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号。所述根据比较结果信号加减校准值包括：若所述比较结果信号为第一比较结果信号，所述校准值加1；若所述比较结果信号为第二比较结果信号，所述校准值不变；若所述比较结果信号为第三比较结果信号，所述校准值减1。
步骤S205，判断是否存在校准时间窗口，若是，则执行步骤S207，若否，则执行步骤S206。
步骤S206，锁存校准信号，执行步骤S205。
步骤S207，根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种振荡器，其特征在于，包括：
振荡单元，用于产生振荡信号；
转换单元，用于将所述振荡信号的频率转换为电压信号；
比较单元，用于将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号；
加减单元，用于保存校准值，根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号；
校准单元，用于根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。
2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述比较单元将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号包括：
若所述电压信号低于所述最低频率电压，所述比较单元输出第一比较结果信号；
若所述电压信号低于所述最高频率电压且高于所述最低频率电压，所述比较单元输出第二比较结果信号；
若所述电压信号高于所述最高频率电压，所述比较单元输出第三比较结果信号。
3.如权利要求2所述的振荡器，其特征在于，所述加减单元根据所述比较结果信号加减校准值包括：
若所述比较单元输出第一比较结果信号，所述加减单元根据所述第一比较结果信号对所述校准值加1；
若所述比较单元输出第二比较结果信号，所述加减单元根据所述第二比较结果信号对所述校准值保持不变；
若所述比较单元输出第三比较结果信号，所述加减单元根据所述第三比较结果信号对所述校准值减1。
4.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，还包括控制单元和锁存单元，所述控制单元用于产生校准时间窗口，所述锁存单元用于锁存所述校准值信号，所述校准单元校准所述振荡信号的频率包括：判断是否存在校准时间窗口，若是，则所述校准单元根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率；若否，则所述锁存单元锁存所述校准信号。
5.如权利要求4所述的振荡器，其特征在于，所述控制单元为脉冲计数器，所述脉冲计数器通过对所述振荡信号计数产生校准时间窗口。
6.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述转换单元包括频率数字转换单元和数字模拟转换单元，所述频率数字转换单元将所述振荡信号的频率转换为数字信号，所述数字模拟转换单元再将所述数字信号转换为所述电压信号。
7.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述比较单元包括：第一运算放大器、第二运算放大器和第一反相器，
所述第一运算放大器的正向端和第二运算放大器的正向端接所述电压信号；
所述第一运算放大器的反相端接所述最高频率电压；
所述第二运算放大器的反相端接所述最低频率电压；
所述第二运算放大器的输出端接所述第一反相器的输入端；
所述第一运算放大器的输出端和所述第一反相器的输出端输出比较结果信号。
8.一种振荡器的自校准方法，其特征在于，包括：
产生振荡信号；
将所述振荡信号的频率转换为电压信号；
将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号；
根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号；
根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。
9.如权利要求8所述的振荡器的自校准方法，其特征在于，所述将电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号包括：
若所述电压信号低于所述最低频率电压，输出第一比较结果信号；
若所述电压信号低于所述最高频率电压且高于所述最低频率电压，输出第二比较结果信号；
若所述电压信号高于所述最高频率电压，输出第三比较结果信号。
10.如权利要求9所述的振荡器的自校准方法，其特征在于，所述根据比较结果信号加减校准值包括：
若所述比较结果信号为第一比较结果信号，所述校准值加1；
若所述比较结果信号为第二比较结果信号，所述校准值不变；
若所述比较结果信号为第三比较结果信号，所述校准值减1。
11.如权利要求8所述的振荡器的自校准方法，其特征在于，还包括在根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率前，判断是否存在校准时间窗口，若是，则根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率，若否，则锁存所述校准信号。
12.如权利要求11所述的振荡器的自校准方法，其特征在于，所述校准时间窗口通过对所述振荡信号计数产生。
13.如权利要求8所述的振荡器的自校准方法，其特征在于，所述将振荡信号的频率转换为电压信号包括：先将所述振荡信号的频率转换为数字信号，再将所述数字信号转换为所述电压信号。
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