CN103296968A - 用于休眠模式无线电的低功率定时的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于休眠模式无线电的低功率定时的系统和方法。公开了休眠模式无线电的低功率定时的系统和方法。在示例实施例中，晶体振荡器有目的地失谐，从而获得较低的功率消耗，然后使用高频晶体振荡器同步。在替换实施例中，RC振荡器中的比较器的输入失调电压被抵消，其允许当被调谐到高频晶体时的低功率操作和高准确度性能。较低功率比较器可以与较高输入失调电压一起使用，但是仍然获得较高的准确度。该RC电路在输出的反向相位上来回切换，抵消比较器的输入端上的失调电压。

Description

用于休眠模式无线电的低功率定时的系统和方法

技术领域

本公开大体涉及电子装置，并且更具体地涉及振荡器。

背景技术

电子振荡器是产生重复电子信号的电子电路，通常为正弦波或者矩形波。其被广泛用于不计其数的电子器件。由振荡器生成的信号的常见示例包括通过无线电和电视发射器传播的信号、调整计算机和石英时钟的时钟信号和由电子BP机和视频游戏产生的声音。该谐波或者线性振荡器产生正弦输出。

谐波振荡器的基本形式是在正反馈回路中连接的电子放大器，其输出通过滤波器反馈到其输入中。当首先接通到放大器的电源时，放大器的输出只包含噪声。该噪声绕回路行进，并且被过滤并且被再放大，直到其逐渐以单频率与正弦波相似。

使用RC网络用于其频率选择部分的振荡器电路被称作RC振荡器，其中RC网络是电阻器和电容器的组合。有两种配置是常见的。一种被称作维恩电桥（Wien bridge）振荡器。在这种电路中，使用两个RC电路，一个具有串联的RC部件并且一个具有并联的RC部件。维恩电桥通常用于音频信号发生器，因为其可以通过使用双段的可变电容器或者双段的可变电位器而容易被调谐（这比适合于在低频处生成的可变电容器更容易获得）。

第二种常见设计被称作“双T”振荡器，由于其使用两个并联操作的“T”形RC电路。一个电路是R-C-R“T”电路，其作为低通滤波器。第二电路是C-R-C“T”电路，其作为高通滤波器。同时，这些电路形成以期望的振荡频率调谐的桥。双T滤波器的C-R-C分支中的信号提前，并且R-C-R分支中的信号延迟，因此如果x=2频率f=1/（2_∏RC），其可以彼此抵销；如果其作为负反馈被连接到放大器，并且x>2，那么放大器变为振荡器。

在晶体振荡器中，压电晶体（通常石英）可以代替滤波器来稳定振荡频率。这些种类的振荡器含有作为谐振器机械振动的石英晶体，并且其振动确定振荡频率。晶体具有非常高的品质（Q）因数，并且具有比调谐电路更好的温度稳定性，因此晶体振荡器具有比RC振荡器更好的频率稳定性。晶体振荡器通常用于稳定无线电发射器的频率，并且用于在计算机中生成时钟信号。皮尔斯振荡电路通常被用于晶体振荡器。

在任何振荡器电路中，电流消耗与系统时钟频率成比例增加。因此，保持系统时钟尽可能低是减少功率消耗的关键。时钟频率受许多因素的影响，并且迄今为止仍存在对先前的低功率解决方法的未解决的需要。

发明内容

本公开的示例实施例提供了用于休眠模式无线电的低功率定时的系统。简要地描述，在结构上，系统的一个示例实施例能够如下实现：高频准确度振荡器；和在无线电的休眠模式期间使能的较低功率较不准确振荡器，较低功率较不准确振荡器（LPLAO）被配置成通过使用高频准确振荡器而被校准。

本公开的实施例也能够被视为提供用于为休眠模式无线电低功率定时的方法。在这点上，其中这种方法的一个实施例能够被广泛地通过下列步骤总结：生成具有低准确度和低功率的振荡频率，用于在接收器、发射器和收发器中的至少一个的休眠模式期间使用；和用较高准确度和较高功率的振荡器校准该振荡频率。

附图说明

图1是各种休眠模式使用情形的图形。

图2是在示例实施例中的平均校准功率的图形。

图3是用于示例晶体振荡器的负载电容的图形。

图4是用于图3的示例晶体的偏置电流的表格。

图5A是现有技术RC振荡器的电路图。

图5B是现有技术RC振荡器的电路图。

图6是休眠模式无线电的低功率定时的系统的示例实施例的电路图。

具体实施方式

在下文中将参考附图更充分地描述本公开的实施例，其中贯穿几个附图的相同数字表示相同元件，并且其中示出示例性实施例。然而，权利要求的实施例可以以许多不同的形式体现，并且不应该被视为受限于本文所阐述的实施例。本文阐述的示例是非限制的示例，并且仅是包含其他可能示例的多种示例。

用于休眠模式无线电的低功率定时的系统和方法可以用于接收器、发射器或者收发器，其开启少量时间，以便功率分布图具有非常低的占空比。尽管可以用于移动电话，但是本文所公开的系统和方法可以更适用于诸如具有更长的休眠时段的传感器节点、电力测量等应用中。图1提供了示出系统模式中使用的总功率的百分比的示例使用情形的图形100。在流式使用情形105中，RX/TX模式110消耗90%的总功率，MCU（微控制器）和空闲模式120消耗8%的总功率，并且休眠模式130消耗2%的总功率。在每分钟具有多个连接的间断式（episodic）使用情形135中，RX/TX模式140消耗37%的总功率，MCU和空闲模式150消耗3%的总功率，并且休眠模式160消耗60%的总功率。在每天具有多个连接的间断式使用情形165中，99%的时间进行休眠模式170，并且MCU和空闲模式175以及RX/TX模式180可忽略。本公开的系统和方法可以用在需要用于与外部系统或者收发器同步通信的准确实时时钟的任何应用。尽管其能够被用在任何应用，但是每天多个连接的间断式使用情形是最适用的。本公开的系统和方法能够作为非限制示例被应用于振荡器时钟以及实时时钟。

在示例实施例中，传感器节点被配置成每天唤醒一次，例如从而与远程点通信并且传送或者接收数据或指令。例如，一天唤醒一秒可能足够。在这个示例应用中，唤醒的时段足以接收可操作的数据。当该应用处于工作模式（与休眠模式相反）时，例如其消耗的功率是处于休眠模式时功率的一千倍、一万倍或者十万倍。如果该应用采用振荡器电路不准确地追踪时间，那么该应用可能比其应该开启以便接收数据或指令的时刻显著提前开启，这会大大增加平均功率消耗。

时间保持越准确，用于唤醒以接收或者发送数据并且再同步时钟的时段越短。在工作模式中，该应用消耗的功率可以是保持追踪时间时消耗功率的一万倍。因此当系统处于休眠模式时，只保持追踪时间的功率消耗极其重要，因为其可能占用99.9%的时间。当该应用没有处于休眠模式时，该功率消耗更高，但是该高功率消耗持续非常短的持续时间以至于与整个功率消耗的剩余部分相比所消耗功率是微乎其微的。在长休眠模式应用中，影响总功率消耗的主要因素之一是休眠模式期间汲取的功率。另一个重要因素是时钟的准确度。

例如，在遗留应用（legacy application）中，休眠模式功率可以在1-5微安的范围内。本公开的系统和方法可以显著地减少功率而不影响时间保持的准确度。在本公开的低功率休眠模式无线电的系统和方法中，在休眠模式期间使用低功率不准确时钟，然后在工作模式期间与准确时钟同步。

在示例实施例中，晶体振荡器有目的地失谐，从而获得较低的功率消耗，然后使用高频晶体振荡器同步。将不准确低频时钟与高准确度高频时钟比较可以通过将不准确低频时钟数字地调节已知量，而允许生成实时时钟。在过去，该准确度与功率消耗是一种折中，因此振荡器越准确，功率消耗越多。在校准较低功率不准确时钟时，存在两个不同的时钟。在示例应用中，一个时钟是保持追踪时间从而启动唤醒的实时时钟，其为32.768kHz（千赫）时钟，并且另一个振荡器被用作用于锁相环（PLL）的参考频率，其为兆赫范围振荡器。具有接收器或者发射器的应用可以实现PLL。兆赫范围振荡器经历更高的功率消耗，但是持续短暂的时间量。由于时间很短，所以振荡器的性能比功率消耗更重要。例如，24MHz（兆赫）晶体振荡器被周期性唤醒，用于校准32.768kHz振荡器然后再次返回到关闭。其增加极少的总功率消耗，但是其使得能够改进低频时钟的准确度。由于该32.768kHz振荡器会被周期性地再校准，因此可以将其设计为以准确度为代价获得非常低的功率消耗。

在示例实施例中，外部晶体实施用于低功率振荡器。如图3的图形300中提供的，晶体振荡器的工作频率取决于负载电容。该晶体具有额定负载电容，从而获得特定频率。当应用适当的负载电容时，该晶体振荡器产生该指定频率。例如，图3的特定晶体，当点340处的负载电容是7pF（皮法）时，输出在32768Hz振荡。该功率消耗也近似与如图4中所提供的负载电容成比例。例如，如果负载电容是7pF，则电源电流是几百毫微安培。然而，如果该负载电容减小，则该功率消耗显著减少。在示例晶体中，如果负载电容被减小到2pF，则电源电流减小到30毫微安培。另一方面，如果该负载电容被增加到12pF，则电源电流增加到600毫微安培。

在遗留设计中，电容可以已经被设定为专用于期望频率的电容，其调谐该晶体频率。因此如果在7pF时花费200毫微安培工作（其为指定频率），并且输出电容被变为2pF，那么电源电流以准确度较差为代价减小170毫微安培。然而，这是容许的，因为其将被更准确的振荡器校准。图2示出平均校准功率与校准之间的时间的示例。如果低频振荡器仅每120秒被再校准一次，那么校准所需要的平均电流仅为8毫微安培。低水平输出电容被限制在输出管脚的寄生电容，在这个示例中其为2pF。休眠模式电流已经从200毫微安培减小到30毫微安培加上用于校准的8毫微安培，而通过用24MHz晶体进行校准，能够获得比通过使用适当调谐的32.768kHz振荡器更好的准确度。

在替换实施例中，使用RC振荡器。类似于前面段落中描述的，不准确低频RC振荡器可以被校准到高频晶体振荡器，从而获得准确度提高的较低平均功率消耗。同时，如果使用低频RC振荡器，那么不需要低频外部晶体。然而，RC振荡器的准确度小于基于晶体的振荡器，因此该校准可能会更频繁地执行。对RC振荡器的进一步改进也是可能的。在图5A和5B中提供的现有技术电路中，使用两种不同的结构，并且准确度和功率消耗相当。较高的准确度导致较高的功率消耗。

图6提供了替换实施例，其中切换或斩波用于抵消比较器输入中的失调电压。较低功率比较器可以与较高的输入失调电压一起使用，但是使用本公开的用于休眠模式无线电的低功率定时的系统和方法的示例实施例仍然获得较高的准确度。该RC电路在输出的反向相位上来回切换，抵消比较器的输入上的失调电压。在图6的电路600中提供的示例实施例中，到比较器610的输入是V1和V2。比较器610的每个输入端在电阻器电容器组合690和电容器680和电容器695之间来回交替切换。开关640和660在输出信号的一个相位上闭合，而开关650和670在输出信号的反向相位上闭合。当开关640和660闭合时，电容器680连接到比较器610的正输入端并且电阻器690连接到比较器610的负输入端。当开关650和670闭合时，电容器695连接到比较器610的负输入端并且电阻器690连接到比较器610的正输入端。在一个周期中在一侧上出现的任何失调电压会在另一周期中以另一方向在另一侧上出现，以使电压抵消。在示例实施例中，对准确高频振荡器技术的校准和斩波技术可以一起实现用于进一步降低功率消耗。

尽管已经详细描述本公开，但是应该理解能够另外做出各种变化、替换和变更，而不偏离由权利要求限定的本公开的精神和范围。

Claims (20)

1.一种具有休眠模式的无线电中的时钟系统，其包含：

高频准确振荡器；和

较低功率较不准确振荡器LPLAO，其被配置成通过使用所述高频准确振荡器而被校准。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述LPLAO以规则间隔校准。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述LPLAO被配置成失谐。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述LPLAO通过负载一个电容小于用于适当调谐所述LPLAO的晶体而失谐。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述LPLAO被配置成补偿电阻器-电容器RC振荡器的比较器失调电压。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述RC振荡器的电阻器电容器组合在所述RC振荡器的切换的每个相位中在所述比较器输入端之间切换。

7.根据权利要求6所述的系统，其中在第一相位中，所述比较器的第一失调电压导致传播延迟的增加，并且在第二相位中，所述比较器的第二失调电压导致传播延迟的减小。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一和第二失调电压大体相等，并且所述传播延迟的增加和减小大体相等。

9.一种方法，其包含：

生成在接收器、发射器和收发器中至少一个的休眠模式期间使用的具有低准确度和低功率的振荡频率；和

用较高准确度和较高功率振荡器校准所述振荡频率。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述低准确度和低功率是通过减小负载电容使晶体的固有频率失谐而获得的。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述负载电容被减小到所述晶体上的寄生电容。

12.根据权利要求9所述的方法，其中以规则间隔执行所述校准。

13.根据权利要求9所述的方法，其中在休眠模式时执行所述校准。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述生成低准确度和低功率的振荡包含用电阻器-电容器RC振荡器生成所述低准确度和低功率振荡。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包含在所述RC振荡器的切换的每个相位中在所述比较器输入端之间切换所述RC振荡器的电阻器/电容器组合。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包含使所述比较器的输出信号的第一相位中的传播延迟增加，和使所述比较器的所述输出信号的第二相位中的传播延迟减小。

17.一种无线电中的时钟系统，包含：

生成在接收器、发射器和收发器中至少一个的休眠模式期间使用的具有低准确度和低功率的振荡频率的装置；和

用较高准确度和较高功率的振荡器校准所述振荡频率的装置。

18.根据权利要求17所述的系统，进一步包含用于通过减小负载电容使晶体的固有频率失谐的装置。

19.根据权利要求17所述的系统，进一步包含用于以规则间隔校准所述振荡频率的装置。

20.根据权利要求17所述的系统，进一步包含用于补偿电阻器-电容器RC振荡器的比较器失调电压的装置。

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