CN103308763B - 一种时钟频率检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种时钟频率检测装置及方法，解决了当前时钟频率检测装置构成复杂等问题。该装置包括用于生成并向判断模块传送参考信号及模拟信号的转换模块，用于接收并比较模拟信号与参考信号生成判断信号的判断模块，及控制转换模块和判断模块工作的控制模块；该方法包括：根据后续电路对输入时钟的需求产生参数信号；将输入时钟转化为模拟信号；最后比较模拟信号与参考信号生成并输出判断信号。实施本发明可以方便而且准确的对输入时钟的频率进行检查，以保证后续电路的正常工作及内部数据的安全，本发明和目前其他的时钟频率检查装置相比，在可靠性、占用的芯片面积及功耗消耗方面有突出的优势。

Description

一种时钟频率检测装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路应用领域，尤其涉及一种时钟频率检测装置及方法。

背景技术

目前大部分的数字和数模混合芯片在正常的工作时往往需要一个或一组特定频率的输入时钟信号，当外部输入的时钟信号的频率过快或者过慢都可能导致芯片工作不正常，所以为保证芯片正常稳定工作需要频率检测电路，同时出于芯片内存储数据安全性的考虑也需要频率检测电路防止芯片受到输入时钟频率的攻击。

目前已经有比较多的时钟频率检测电路或装置，但由于频率检测电路往往构成复杂，对工艺要求高，这就会消耗较多的芯片面积及功耗，不适合低成本应用，因此，如何以较少的硬件及较低的功耗来完成输入时钟频率的检测，是急需要解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决当前时钟频率检测电路构成复杂、对工艺要求高等问题，而提出了一种新的时钟频率检测装置及方法。

在一个具体实施例中，本发明提供的时钟频率检测装置，包括用于接收外部输入时钟的输入接口、及包含至少一个利用外部输入时钟工作的后续电路，还包括：

转换模块，用于将输入接口接收到的输入时钟转换为模拟信号，根据后续电路对输入时钟的要求生成参考信号，并将模拟信号及参考信号传送到判断模块；

判断模块，与转换模块及后续电路相连，用于接收并比较模拟信号与参考信号生成判断信号，并将判断信号传送到后续电路，判断信号用于表明输入接口接收到的输入时钟是否满足后续电路的要求；

控制模块，与转换模块及判断模块相连，用于控制转换模块及判断模块的运行。

在一个具体实施例中，上述时钟频率检测装置中的转换模块包括模拟信号单元及参考信号单元；模拟信号单元用于将输入时钟转换为模拟信号；参考信号单元用于根据后续电路对输入时钟的要求生成参考信号。

在一个具体实施例中，上述参考信号单元由恒流电流源及至少一个电阻组成，电阻一端接地，另一端与恒流电流源相连；其中电阻为可变电阻，参考信号单元根据后续电路对输入时钟的要求选择合适电阻，并生成参考信号。

在一个具体实施例中，上述模拟信号单元为充放电电路，充放电电路依据输入时钟的频率对电容进行充放电生成模拟信号；电容为PIP电容、MIM电容或M0S电容中的一种或多种。

在一个具体实施例中，上述时钟频率检测装置中的判断模块包括比较单元和输出单元；比较单元与转换模块相连，用于接收并比较模拟信号与参考信号，产生比较信号，并向输出单元传输比较信号；输出单元与后续电路相连，用于接收比较信号，根据比较信号生成判断信号，并将判断信号传送到后续电路。

在一个具体实施例中，上述比较单元包括至少一个比较器；比较器为电压比较器或滞回比较器中的一种或多种。

在一个具体实施例中，上述时钟频率检测装置还包括分频模块，分频模块用于在接收到控制模块下达的分频指令时对输入时钟进行分频操作；控制模块还用于根据时钟芯片对输入时钟的要求判断是否需要向分频模块下达携带分频参数的分频指令；分频模块可以采用D触发器组成。

为了使用上述实施例中给出的时钟频率检测装置，本发明也提供了一种时钟频率检测方法：

根据后续电路对输入时钟的要求产生参考信号；

接收输入时钟，并将输入时钟转换为模拟信号；

比较模拟信号与参考信号产生比较信号，根据比较信号生成并输出判断信号。

在本发明中生成参考信号与模拟信号的先后对本发明没有任何影响，故该实施例不对本发明进行限定。

在一个具体实施例中，上述时钟频率检测方法中根据输入时钟产生模拟信号之前，还包括：根据后续电路对输入时钟的要求，判断是否需要对输入时钟进行分频操作；如是，则对输入时钟进行分频操作。

在一个具体实施例中，上述时钟频率检测方法中生成模拟信号的步骤包括：根据输入时钟的频率通过恒流电流源对电容进行充放电生成模拟信号。

在一个具体实施例中，上述时钟频率检测方法中生成参考信号的步骤包括：根据后续电路对输入时钟的要求选择合适电阻及恒流电流源，利用恒流电流源及电阻生成参考信号。

实施本发明可方便且准确的对输入时钟的频率进行检查，保证了后续电路中芯片的正常工作及内部数据的安全，增加了用户体验，本发明和目前其他的时钟频率检查方法及装置相比，在可靠性、占用的芯片面积及功耗消耗方面有突出的优势。

附图说明

图1为本发明时钟频率检测装置的结构示意图；

图2为本发明时钟频率检测装置一种实施例的结构示意图；

图3为本发明时钟频率检测方法的流程图；

图4为本发明时钟频率检测装置一种实施例的电路结构图；

图5为本发明一种实施例的输入时钟频率正常时的波形图；

图6为本发明一种实施例的输入时钟频率过快时的波形图；

图7为本发明一种实施例的输入时钟频率过慢时的波形图；

图8为本发明一种实施例的输入时钟停止时的波形图。

【主要电子元件标号说明】

1：电流源12：电流源2

3：开关34：开关45：开关56：开关6

7：电容78：电容8

9：电阻910：电阻10

11：比较器1112：比较器12

13：反相器1314：反相器1415：反相器15

16：D触发器1617：D触发器17

18：逻辑与门1819：逻辑与门19。

具体实施方式

下面通过实施方式结合附图的方式对本发明做出进一步的详细说明。

结合图1及图2说明本发明时钟频率检测装置的结构。

从图1及图2可以看出，本发明时钟频率检测装置包括控制模块、转换模块、判断模块及分频模块；其中，分频模块不是本发明的必须组成部分，它可以位于输入接口与转换模块之间，也可以属于转换模块的一部分，用于在接收到控制模块下达的分频指令时对输入时钟进行分频操作，分频模块可以由D触发器构成；转换模块用于根据接收到的输入时钟的频率生成对应于该输入时钟频率的模拟信号，同时根据后续电路对输入时钟频率的要求产生参考信号，并传送模拟信号及参考信号到判断模块；判断模块用于接收模拟信号及参考信号，并对模拟信号与参考信号进行比较产生比较信号，根据比较信号生成判断信号，将判断信号传送到后续电路，判断信号所记录的内容表明了输入接口接收到的输入时钟是否能够满足后续电路的要求；后续电路根据判断信号所记载的内容做相应的调整。

转换模块可以包括模拟信号单元及参考信号单元；模拟信号单元用于将接收到的外部输入时钟信号转换为模拟信号，并传送到判断模块，其可以是充放电电路，充放电电路采用输入时钟信号控制恒流电流源对电容进行充放电生成模拟信号，电容为PIP电容、MIM电容、M0S电容中的一种或多种；参考信号单元用于根据后续电路对输入时钟的频率要求产生参考信号，并将参考信号传送到判断模块，其可以由恒流电流源及至少一个电阻组成，电阻一端接地，另一端与恒流电流源相连，其中电阻为可变电阻，参考信号单元根据后续电路对输入时钟的要求选择合适电阻，并生成参考信号。

判断模块可以包括比较单元及输出单元；比较单元包括至少一个比较器，比较器为电压比较器或滞回比较器中的一种或多种，用于接收模拟信号及参考信号，并将接收到的模拟信号及参考信号进行比较产生比较信号，将比较信号传送到输出单元；输出单元接收比较信号，并对比较信号进一步处理生成判断信号，将判断信号传送到后续电路，其中判断信号记录了输入的外部时钟频率是否满足后续电路对输入时钟的频率要求。

结合图3说明本发明时钟频率检测方法的工作流程。

步骤一、根据后续电路中时钟芯片对输入时钟的要求生成参考信号；

生成参考信号的步骤包括：根据后续电路对输入时钟频率的要求选择合适电阻及恒流电流源，利用恒流电流通过电阻产生参考信号。

步骤二、接收输入时钟，根据输入时钟生成模拟信号；

生成模拟信号的步骤包括：根据输入时钟的频率控制恒流电流源对电容进行充放电生成模拟信号。

根据所述输入时钟产生模拟信号之前，还包括：对输入时钟进行分频处理，然后根据处理后的时钟信号频率生成模拟信号。

步骤三、比较模拟信号与参考信号，生成比较信号，根据所述比较信号生成并输出判断信号。

下面通过图4结合实施例对本发明外部时钟频率检测装置及方法对进一步的诠释说明。

图4仅为本发明外部时钟频率检测装置的一种实施例，其内部电路元件连接关系如下：

数字时钟信号(CK信号)通过2个反相器--反相器13与反相器14产生相位相反的时钟信号CKN与时钟信号CKP；时钟信号CKN控制开关4和开关5的通断，时钟信号CKP控制开关3和开关6的通断，电流源1与开关3和开关5的一端连接于A0点，开关3的另一端与电容7和开关4的一端连接于A1点，电容7和开关4的另一端接地；开关5的另一端与电容8和开关6的一端连接于A2点，电容8和开关6的另一端接地，电阻10的一端与电流源2、比较器12的正输入端接于C点，电阻10的另一端、电阻9的一端及比较器11的正输入端接于B点，电阻9的另一端接地，比较器11和12的负输入端连接于A0点；D触发器16的D端与比较器11的输出端FD1连接，D触发器16的CLK端接CKN信号，Q端输出(FD3)与逻辑与门18的一个输入端连接，比较器11的输出端FD1通过反相器15后输出(FD2)与D触发器17的D端连接，D触发器17的CLK端接CKP信号，D触发器17的Q端输出(FD4)与逻辑与门18的另一个输入端连接；同时比较器12的输出FD6与逻辑与门18输出的FD5信号通过逻辑与门19，进行与操作后输出最终的判断结果FD。

该外部时钟频率检测装置的工作原理为：

外部时钟信号(CK信号)通过2个反相器--反相器13与反相器14产生相位相反的时钟信号CKN和时钟信号CKP(这里设CK信号的频率为freq1，则CK信号的周期为T＝1/freq1，电流源1与电流源2的电流分别为I1与I2，C7＞C8，I2＝k*I1，k＞0)。

A)当CKN＝0，CKP＝1，开关3和开关6闭合，开关4和开关5断开，电容8的电荷被放掉(A2点的电压VA2＝0)，电流源1开始给电容7充电，则A1点的电压VA1电压升高。由于开关3闭合，所以A0点和A1点之间短接，即VA0＝VA1；

电流源2流过电阻9产生电压，即B点电压，VB＝I2*R9，由于I2＝k*I1(k＞0)，

故VB＝k*I1*R9。

根据I*t＝C*ΔV，可得VA1达到的最高电压为VA1＝I1*T/(2*C7)；

比较器11把VA1和VB的电压信号比较后输出FD1。

当VB＞VA1时，即I2*R9＞I1*T/(2*C7)化简后为T＜2*k*R9*C7，T＝1/freq1，可得freq1＞1/(2*k*R9*C7)，FD1＝“1”；

当VB＜VA1时，freq1＜1/(2*k*R9*C7)，FD1＝“0”。

当时钟信号CKN从“0”到“1”的跳变时，D触发器16锁存FD1的结果输出到Q端，即FD1＝FD3。

B)同理可得，当CKN＝1，CKP＝0，开关3和6断开，开关4和5闭合，电容7的电荷被放掉(A1点的电压VA1＝0)，电流源1开始给电容8充电，则A2点的电压VA2电压升高。由于开关5闭合，所以A0点和A2点短接，即VA0＝VA2；

而A2达到的最高电压为VA2＝I1*T/(2*C8)；

同理可以推导出，当CKN＝1，CKP＝0时候，

当VB＞VA2时，freq1＞1/(2*k*R9*C8)，FD1＝“1”，则FD2＝“0”；

当VB＜VA2时，freq1＜1/(2*k*R9*C8)，FD1＝“0”，则FD2＝“1”。

当时钟信号CKP从“0”到“1”的跳变时，D触发器17锁存FD2的结果输出到Q端，即FD4＝FD2。

C)而比较器12主要用于检测外部时钟是否存在：

而由于C点的电压VC＝I2*(R9+R10)＝k*I1*(R9+R10)；

当VC＞VA0，又由于C7＞C8，所以有k*I1*(R9+R10)＞I1*T/(2*C8)；

化简为freq1＞1/[2*k*C8*(R9+R10)]，此时FD6＝1；

当FD4＝FD3＝FD6＝1时，1/(2*k*R9*C7)＜freq1＜1/(2*k*R9*C8)，FD＝1，即外部时钟的频率可以满足后续电路中芯片的需要。

下面以外部时钟的频率与后续电路中芯片需求频率一致时为例详细分析本发明外部时钟频率检测装置的工作情况：

当CKN＝0，CKP＝1时，电流源1给电容7电容充电，VA0＝VA1，由于A1点的最大值VA1＜VB，则FD1＝1，同时在CKN的“0”->“1”跳变的时候，把FD1的数据锁存，输出FD3＝1；

当CKN＝1，CKP＝0时，电流源I1给电容C8电容充电，VA0＝VA2，由于A2点的最大值VA2＞VB，则FD2＝1，同时在CKP的“0”->“1”跳变的时候，把FD2的数据锁存，输出FD4＝“1”；

此时检测出外部时钟的频率freq1满足：

1/(2*k*R9*C7)＜freq1＜1/(2*k*R9*C8)，检测满足芯片需求。

又由于A0点的最大值VA0＜VC，所以FD6＝“1”，所以最终FD＝“1”，此时的波形图如图5所示。

同理可以分析得到时钟过快、时钟过慢和时钟停止的波形图：

时钟过快的波形图如图6所示，时钟过慢的波形图如图7所示，时钟停止的波形图如图8所示。

在实际运用中，为了满足后续电路中芯片对外部时钟频率要求的不同，可以根据1/(2*k*R9*C7)＜freq1＜1/(2*k*R9*C8)来设置参数K、电容7、电容8与电阻9的数值大小来保证本发明时钟频率检测电路检测的精确性。

为便于理解，以一个实例来说明，假设后续电路中芯片需要的参考时钟为25MHz，假设电流源1与电流源2的工作电流为同一工作电流，即K＝1；芯片允许的时钟频率误差为＜100％±5％，为满足检测的精确度，则电容7、电容8与电阻9的数值需要满足R9*C7＝1/47.5M及R9*C8＝1/52.5M。此时若待测时钟信号的频率freq1不满足1/(2*R9*C7)＜freq1＜1/(2*R9*C8)，则为了保护芯片的正常允许，此输入时钟不能被传送到芯片。

上述实施例中，时钟频率转换装置没有包括分频模块，在其他实施例中可以包括分频模块：其输入端是Input，输出CK信号，该分频模块是用于把输入的待检测的外部输入时钟信号进行分频处理，主要是把高频信号转化成频率较低的信号进行下一步的比较，同时通过分频可以减小检测的误差，其实现方法比较多，如可以采用D触发器串联来实现。

当后续电路中芯片的工作频率太高时，为了比较精确的检测外部时钟的频率是否满足芯片的需要时，可以控制分频模块工作。此时，根据时钟频率检测装置的精确度，把高频时钟信号转换给低频信号之后再判断其是否满足后续电路中芯片对输入时钟信号频率的要求。

在上述实施例中电容7与电容8可以是PIP电容、MIM电容、MOS管电容中的一种或多种；电阻9可以是可变电阻，电阻10可以是恒定电阻或可变电阻；比较器11与比较器12可以是普通的电压比较器，也可以是滞回比较器；开关3、开关4、开关5、开关6可以用MOS管或传输门实现其受时钟信号控制而开启；模拟信号单元生成的模拟信号由充放电电路来实现，该充放电电路由一个偏置(2个电容和4个开关)组成；参考信号单元生成的参考信号是恒流电流流过电阻9产生的。

以上仅是本发明的具体实施方式而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任意简单修改、等同变化或修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种时钟频率检测装置，包括用于接收外部输入时钟的输入接口，及包含至少一个利用外部时钟工作的后续电路，其特征在于，还包括：

转换模块，用于将所述输入接口接收到的输入时钟转换为模拟信号，根据所述后续电路对输入时钟的要求产生参考信号，并将所述模拟信号及所述参考信号传送到判断模块；

判断模块，与所述转换模块及所述后续电路相连，用于接收并比较所述模拟信号与所述参考信号生成判断信号，并将所述判断信号传送到所述后续电路，所述判断信号用于表明所述输入接口接收到的输入时钟是否满足所述后续电路的要求；

控制模块，与所述转换模块及所述判断模块相连，用于控制所述转换模块及所述判断模块的运行。

2.如权利要求1所述的时钟频率检测装置，其特征在于，所述转换模块包括参考信号单元及模拟信号单元；所述参考信号单元用于根据所述后续电路对输入时钟的要求产生所述参考信号；所述模拟信号单元用于将所述输入时钟转换为所述模拟信号。

3.如权利要求2所述的时钟频率检测装置，其特征在于，所述参考信号单元由恒流电流源及至少一个电阻组成，所述电阻一端接地，另一端与所述恒流电流源相连。

4.如权利要求3所述的时钟频率检测装置，其特征在于，所述电阻为可变电阻，所述参考信号单元根据所述后续电路对输入时钟的要求选择电阻，利用恒流电流通过电阻产生所述参考信号。

5.如权利要求2至4任一项所述的时钟频率检测装置，其特征在于，所述模拟信号单元为充放电电路，所述充放电电路依据所述输入时钟的频率利用恒流电流源对电容进行充放电生成所述模拟信号。

6.如权利要求1至4任一项所述的时钟频率检测装置，其特征在于，所述判断模块包括比较单元和输出单元；所述比较单元与所述转换模块相连，用于接收并比较所述模拟信号与所述参考信号生成比较信号，并传输到输出单元；所述输出单元与后续电路相连，用于接收所述比较信号，根据所述比较信号生成判断信号，并将所述判断信号传送到后续电路。

7.如权利要求1至4任一项所述的时钟频率检测装置，其特征在于，还包括分频模块，所述分频模块用于在接收到所述控制模块下达的分频指令时对输入时钟进行分频操作；所述控制模块还用于根据所述后续电路对输入时钟的要求判断是否需要向所述分频模块下达携带分频参数的分频指令。

8.一种时钟频率检测方法，其特征在于，

根据后续电路对输入时钟的要求产生参考信号；

接收输入时钟，并将所述输入时钟转换为模拟信号；

比较所述模拟信号与所述参考信号产生比较信号，根据所述比较信号生成并输出判断信号，所述判断信号用于表明所述输入接口接收到的输入时钟是否满足所述后续电路的要求。

9.如权利要求8所述的时钟频率检测方法，其特征在于，根据所述输入时钟产生模拟信号之前，还包括：根据所述后续电路对输入时钟的要求，判断是否需要对输入时钟进行分频操作；如是，则对所述输入时钟进行分频操作。

10.如权利要求8所述的时钟频率检测方法，其特征在于，生成模拟信号的步骤包括：根据所述输入时钟的频率通过恒流电流源对电容进行充放电生成所述模拟信号。

11.如权利要求8至10任一项所述的时钟频率检测方法，其特征在于，根据后续电路对输入时钟的要求生成参考信号的步骤包括：根据所述后续电路对输入时钟的要求选择合适电阻及恒流电流源，利用恒流电流通过电阻产生所述参考信号。