CN103392296A - 低功率振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种集成的振荡器电路包括配置为在第一频率和第二频率之间切换的振荡器。切换电路接收表示目标频率的输入，并且每隔由输入所确定的时间段，将所述振荡器在第一和第二频率之间切换，以促使所述振荡器的平均输出频率接近所述目标频率。

Description

低功率振荡器
技术领域
本发明涉及一种精确的电子振荡器。
背景技术
许多电子电路需要时钟源。它通常是在包括微处理器的电路中的高频晶体振荡器。然而，这种高频晶体振荡器有明显分流。对功率敏感的应用，因此会希望对某些定时功能，附加或替代地，使用相对低功率、低频率的时钟源。
这种安排在电池供电的设备中尤为可取，其中，可以通过在尽可能多的时间保持主微处理器和其高频晶体掉电来保护电池的寿命。在这种情形中可以使用一种低频振荡器和相关的计时器，以最小的功耗（如，满足低平均功率传输协议，下面会解释）在精确的时间为微控制器和高频晶体产生唤醒信号。
通常，使用低频晶体振荡器（例如，32.768千赫晶体）或弛张振荡器的电路（例如，一个电阻电容（RC）振荡器）产生低频率的时钟信号。
32.768kHz晶体振荡器可以相对较低的电流消耗（例如0.5微安）提供高精确度（例如，+/-30万分之一（ppm））。但是，它需要一个外部晶体，该外部晶体是一个大的、分立元件，从而占用了印刷电路板（PCB）上相当大的空间。在空间受限的设备中，如移动电话，这会是一个显著的缺点。它还需要两个额外的芯片引脚，以便连接到集成电路。此外，外部晶体振荡器会显着增加电路的总物料成本。
与此相反，完全集成的弛张振荡器电路不占用芯片引脚，并且避免了对外部元件的需求。它也比晶体便宜相当多，并且可以具有与晶体振荡器相似的低电流消耗。然而，它远不如晶体精确，具有的典型精度为+/-300,000ppm。通过精细校准（例如，通过适当地调整一个可编程电阻），其精度可以提高到大约+/-10,000ppm，但这仍然是一个比晶体振荡器差300至1000倍的系数。
精确的定时往往是在应用中实现良好电源效率的关键。这在使用基于分组传输和时分多路复用（TDM）的低功率无线电系统中尤为正确。在这种情况下，大部分的时间从属设备上的大部分电路可以是睡眠状态，低频计时器被用来在正确的时间唤醒所需的部分，以接收和处理来自主发送器的传入数据包。如果每秒发送500微秒的数据包，那么接收和确认数据包可能只需要1毫秒左右。因此，以精确的时钟，该系统可以在高达99.9％的的时间内大幅断电。
但是，如果驱动计时器的低频时钟是不精确的，那么将需要保守地提前打开无线接收窗口，以尽量减少由于时钟的运行速度慢引起的发送数据包丢失的可能。因为接收器电路和微处理器必须在必要之前被唤醒，因而不精确时钟导致了功率浪费。即使振荡器精度为+/-10,000ppm，例如被很好校准的弛张振荡器可能达到的，微控制器仍然必须在空闲时间结束前的1％被唤醒，即，对1秒的闲置时期提前10毫秒。然后接收方将保持唤醒11毫秒而不是理想的1毫秒，导致从属设备电池寿命的大幅减少。
发明内容
本发明的目的是提供一种振荡器电路，以解决传统低频振荡器的缺点。
本发明的一个方面，提供了一种集成振荡器电路，包括：
振荡器，配置为在第一频率和第二频率之间切换；以及
切换装置，配置为接收表示目标频率的输入，并且，每隔由所述输入所确定的时间段，在所述第一和第二频率之间切换所述振荡器，以促使所述振荡器的输出频率接近于所述目标频率。
本发明的这个方面延伸出一种集成电路振荡器的操作方法，其中，所述振荡器被配置为在第一频率和第二频率之间进行切换，所述方法包括：接收表示目标频率的输入；以及每隔由所述目标频率所确定的时间段，将所述振荡器在第一和第二频率之间切换，以促使所述振荡器的平均输出频率接近所述目标频率。
它也延伸出一种包括这种振荡器、还包括微处理器或微控制器（例如，片上系统）的集成电路。
因此，本技术领域的技术人员将会看到，根据本发明，通过适当地配置在两个输出频率之间进行切换的模式，振荡器可以合成精确或约等于目标频率的输出频率（在一定周期数上的平均）。振荡器可以被校准，以产生所需的有效输出频率，其精确度与简单地采用了一个固定的或可编程的电阻器和一个固定电容器的组合的已知的RC振荡器所能达到的相比高很多。
申请人相信，在本发明的实施例中可以实现的+/-100ppm的精度，优于传统校准的RC振荡器约100倍。此精度接近晶体振荡器，没有晶体的成本和空间要求，同时还享有低频晶体的低功率特点。
优选地，两个频率是相似的，它使输出频率被精确地、平稳地控制。因此，所述第一和第二频率中较高频率低于两个频率中较低频率的两倍；更优地，在所述第一和第二频率中较高频率比两个频率中较低频率高出不到10%;最优地，大约高出3%。例如，两个频率之间的比率可能是33:32或其左右。理想地设置该比例，这样的两个频率之间的差（其可以是绝对的或相对的）比最小增量宽，频率中一个或另一个可通过所述最小增量被调整（例如，通过控制用于振荡器的一个电流源）。以这种方式，振荡器的频率中的一个或两者在粗略校准后遗留的任何误差可以通过合理地在两个频率之间的切换来校正。
在正常操作情况下，目标频率的值应介于第一和第二频率之间。
因为振荡器的输出可以非常精确地控制，所以能够在使用来自振荡器电路的输出和使用一些其他时钟源的输出之间无缝地切换，所述其它时钟源，例如晶体振荡器或从较高频率的时钟合成的低频时钟。
切换装置的输入可以包括代表目标频率的数字信号或模拟信号。在一些优选的实施例中，输入包含或编码一个值，该值表示第一和第二频率之间的切换比率。此比率表示所述振荡器工作在第一频率的周期相对于振荡器工作在第二频率的周期的比例。例如，输入可以包括一个数值（例如，一个10比特的数字）表示在振荡器的每1024个循环中，振荡器应工作在两个频率中的较低频率上的周期数。该切换装置可确定在一段时间中如何在两个频率之间切换（切换模式），以满足所表示的比率。
优选地，切换装置的输入由校准控制器提供，该校准控制器可构成振荡器的一部分，或者与其分开。校准控制器可以被配置为每隔一段时间对振荡器执行一次（精细）校准，以便产生提供给振荡器的更新输入。
优选地，振荡器依靠参考时钟来校准。该参考时钟，可以由晶体振荡器生成，例如连接到微处理器的相对高频率的晶体（例如，振荡速度比本振荡器电路的目标频率快一个、两个或三个数量级的晶体）。由于校准操作可以只需要每隔一段时间执行，没有必要让高频晶体连续通电，从而通过本发明使节能成为可能。
优选地，振荡器完全集成在半导体衬底上。这使得它非常紧凑，并且能够被纳入电路中而不用增加物料成本。
所述振荡器电路的振荡器元件可以是任何合适的设计。它可以是，例如，是弛张型振荡器，或环形振荡器。然而，无论使用哪种设计，它应该能够快速地在两个频率之间切换，例如，从一个周期切换到下一个，没有来自前面的周期的频率设置的残余影响。
在一组实施例中，所述振荡器电路包括电荷存储装置，其电容值可以在第一值和第二值之间变化；所述电荷存储装置连接到电流源以形成振荡器，该振荡器被配置为当电容值等于第一值时，该振荡器在第一频率振荡，当电容值等于第二值时，该振荡器在第二频率振荡。然后，该切换装置被配置成每隔由所述输入确定的时间段，在第一和第二电容值之间切换所述电荷存储装置。
所述集成电路振荡器的操作方法，其中所述振荡器包括其电容值可以在第一值和第二值之间变化的电荷存储装置，和连接到电荷存储装置的电流源，以形成一个振荡器，该振荡器当所述电容值等于第一个值时，在第一频率振荡，并且当所述电容值等于第二个值时，在第二频率振荡。该方法可以包括每隔由所述目标频率所确定的时间段，在第一和第二电容值之间切换所述电荷存储装置，因此使得振荡器的平均输出频率接近目标频率。
所述电荷存储装置可包括一个或多个电容器。其可以在第一和第二电容值之间连续可变，但优选地，它被设置成在两个值之间离散切换。当然，本发明也可适合于使用两个以上的电容值，如三个或更多的值，随之所述切换装置被设置成在三个或更多个值之间切换。但是，目前优选的实施例仅使用两个值，因为它们容易实现，并且仍然提供了所有已描述的精确度和低功率的好处。
所述电荷存储装置可以包括：第一电容器、第二电容器和切换器，所述第一电容器永久地接入振荡器电路，所述第二电容器选择性地接入电路中（例如，与第一电容器串联或并联），所述切换器（如晶体管）设置为将所述第二电容器连入或切出电路，以便改变电荷存储装置的总电容值。优选地，所述第二电容器小于所述第一电容器，如比第一电容器的电容值小50％或10％，更优地，电容值小约3％，因此，有和没有所述第二电容器时，总电容值仅相差3％左右。
可替代地，所述电荷存储装置可以包括具有第一和第二电容值的第一和第二电容器，以及被设置为每次将第一和第二电容器中的一个或另一个接入振荡器电路的切换器。在这种情况下，优选地，第二电容值和第一电容值的差异为小50％或10％，最优为约3％。例如，电容值之比可以是33:32。
在上述两种布置中，可以理解，在实践中第一或第二电容器没有必要仅包括单一的集成结构，而是可以包括作为一单一的电荷存储器一起工作的多个电容器。在某些实施例中，在时钟周期的每一半时间内使用不同的电容器。
所述电流源可以包括电阻装置（例如，一个或多个电阻），或任何其它合适的装置（例如，有源电流源或晶体管电流源）。它可包括可编程电流源变换器。
所述切换装置可以用任何适当的方式在第一和第二电容值之间切换，以促使振荡器的平均输出频率接近目标频率。所述平均输出可以是在预定的时期（例如一个预定的周期数）上的平均输出。
当在合适的时期上（例如超过1024个周期的平均值）取平均值时，振荡器的输出基本上等于目标频率的值，或者在一个可接受的误差范围内或精度内，如+/-100ppm，接近目标频率。由于温度变化等的影响，所述振荡器的输出通常不能精确达到理论目标值。此外，根据在一个有限的周期数上的比例进行频率切换操作时，即使在理想的情况下，由于数值舍入的影响，也可能不能精确满足所述目标频率。因此，切换装置的输入可以确定为，在可允许的输入的范围内的值，它给出的输出频率在一段时间上最接近目标频率。
所述切换装置可以配置为在有限的时期上分配高、低频率周期，以便产生相对平滑的输出。例如，它可以配置为在第二频率的周期中尽可能均匀地分配第一频率的周期。可以根据一些预定的模式或分布特性在第二频率的周期中分配第一频率的周期。它可配置为使得在一段时间内的频率变动的数目最大。通过合理配置所述频率切换，所述振荡器的输出可以形成具有最小偏差的平均输出频率（即，随着时间推移累积的抖动最小）。
所述切换装置可以是任何合适的开关电路或元件。它可包括Σ-Δ调制器，设置为在一个有限的时期内，在第二频率周期之中尽可能均匀地分配第一频率周期。
为了有效地工作，所述第一和第二频率的值应跨过所述目标输出频率值。为支持一个范围内的目标输出，在某些实施例中，所述第一和第二电容值中的一个或两者可以是变化的。优选地，所述振荡器设置为，使得第一和第二频率值中的一个或最好是两个，依赖于振荡器电路内可变电流的级别。所述振荡器可以包括可编程电流源，例如包括一个可编程电阻器，或可编程电流源变换器，它可以用来调整电流的级别，从而改变所述第一或第二频率，或两者。与可通过控制切换装置实现的相对精细的输出频率调整相比，这种调整可能比较粗略。
在某些实施例中，可以进行粗略校准，其中，调整所述第一或第二频率的值，或两者，以使它们跨过目标频率（一个高于和另一个低于目标频率）。在一组实施例中，所述振荡器的粗略校准是通过调整这两个频率中的较高者，且较低的频率被确定为较高频率的固定比例，或是从所述较高频率做恒定偏移。
所述粗略校准可依靠晶体振荡器来进行，例如系统时钟。所述校准可以通过调整电流源，例如通过调整一个或多个可编程电阻来进行。电流源可以被配置为按振荡器标称频率的百分比步长来编程，例如2.5％的步长。（所述标称频率可以是两个频率中较高或较低的，或中间频率，例如两个的均值）。优选地，粗略校准的精度（例如，2.5％）比较高与较低频率之间的差异（例如，3％）更精细，于是，任何粗略校准后的残余误差，总是可以由精细的校准操作（见下文描述）校正。通常，该粗略校准可能导致的频率精度是较高或较低频率的大约+/-25,000ppm，类似于常规的校准过的RC振荡器。
附加地或可选地，精细校准操作可以产生发给切换装置的输入，使振荡器的输出频率接近目标频率。这可能会导致振荡器的最终精度大约为+/-100ppm。所述校准控制器可以在参考时间段上（依靠参考时钟测量）对振荡器在第一和第二频率中的每一个的输出周期进行计数，并可从这些计数得到切换装置的所述输入，例如，对于给定的目标输出频率，计算出振荡器应该在较低频率上执行的周期的比例。
所述校准控制器可确定何时执行粗略和/或细致的校准。可以为控制器提供目标输出频率。该控制器可以配置为：如果它确定所述第一和第二频率不再跨过目标频率（例如，当执行精细校准动作时），那么执行一次粗略校准。
粗略校准和/或精细校准可以在芯片首次上电或复位时进行。
精细校准可以按照时间表进行，如周期地，以允许温度波动，或其他可能会潜在地影响电路的因素。例如，对于目标频率32.768kHz，每隔0.25秒，或每隔31.75秒（=1111111二进制*0.25秒），或在任何其它合适的时间间隔进行精细校准。
精细校准之间的时间间隔可以是固定的或可变的。在某些实施方案中，它可能会根据与振荡器历史精确性有关的数据而变化。例如，如果振荡器被确定为相对精确的（例如，因为电路没有经受较大的温度变化），校准之间的时间间隔可能会增加。这可以延长参考时钟源可休眠的时间，从而降低功率。
在微控制器唤醒时，或在它唤醒之前不久，可以校准（精细和/或粗略校准）振荡器。它可以在每次微控制器唤醒，或当一个或多个进一步的条件得到满足时来完成。这种做法节能，因为用于微控制器的晶体振荡器在微控制器活动的任何时间都要运行，并且，在这些场合不需要专门针对校准振荡器而上电。
这个想法在其自己权利内被认为是新的和创造性的，因此，在本发明的另外一个方面，提供一种集成电路,包括集成的振荡器电路、晶体振荡器、电源管理元件以及校准元件，其中电源管理元件被配置为在一个或多个条件被满足时启动所述晶体振荡器，其中的校准控制器被配置为依靠所述晶体振荡器校准所述集成的振荡器，特征在于校准控制器被配置为在所述晶体振荡器被启动时依靠所述晶体振荡器校准所述集成的振荡器。
所述振荡器可以是任何类型，包括现有技术的弛张振荡器设计（例如RC振荡器），但最好是根据本发明的第一方面的振荡器。
该集成电路可以进一步包括微处理器或微控制器，它使用晶体振荡器计时，并且，在所述晶体振荡器启动的同一时间或大约在该时间启动。
可以在晶体振荡器或微处理器或微控制器启动的同时，或者在启动之前或之后一段时间之内进行校准。
所述电源管理元件可以配置为响应于计时器的输出启动晶体振荡器，该计时器使用集成的振荡器来计时。
当然，还可以在另外其他时间执行校准操作。
集成电路可以包括形成全部或部分无线电发射器或接收器的电路，所述发射器或接收器被配置为：依据时间表来发射或接收无线分组，该时间表使用所述集成振荡器作为时钟源来实现。
在任何上述方面中，振荡器电路可以配置为：当所述振荡器被校准时，输出来自于晶体振荡器的时钟信号；当所述振荡器没被校准时，输出来自于自身振荡器的时钟信号。以这种方式，所述振荡器不需要在校准期间暂停其输出。优选地，所述两个输出频率大致相同（例如，在振荡器精度的限制范围内）。从一个输出类型到另外一个的变化最好是在一个时钟周期之内，以便输出信号无缝过渡。
这个想法在其自己权利内被认为是新的和创造性的，因此，在本发明的另一的方面，提供了一种集成电路，它包括集成的振荡器电路、晶体振荡器、计时器、以及校准元件，设置为每隔一段时间依靠所述晶体振荡器校准所述集成电路，其中所述集成电路被配置为：除了所述集成振荡器被校准之外，所述计时器接收来自所述集成振荡器的时钟信号；在所述集成振荡器被校准时，所述计时器接收来自于所述晶体振荡器的时钟信号。
优选地，所述计时器在所有两个条件下，接收大致相同频率的时钟信号。通常情况下，晶体振荡器在比集成的振荡器高很多的频率上振荡（例如，高几个数量级），因此，该集成的电路可以包括多个频率乘法器或除法器，连接在计时器和晶体振荡器或集成的振荡器之间。
根据本发明任何方面的振荡器电路的输出最好发送到一个计时器，例如，与振荡器位于的同一集成电路的计时器。此计时器可以用来控制部分电路的电源状态，如微处理器、微控制器、无线电发射器元件、无线接收器元件等。
虽然已描述的根据本发明的振荡器可选地包含了校准控制器，但应该理解，在所述集成电路上，该控制器不必与振荡器其他部分的电路（如电荷存储装置）相邻，它们可能会分开。对于所述振荡器的其他元件也是这样，如切换装置。通过在所述集成电路上的微处理器或微控制器，可以全部或部分完成振荡器的某些功能。
在适当的地方，本发明任何一个方面的可选特征可以是任何其他方面的可选特征。所述某些或全部方面可以组合在一个单一的方法或装置中。
附图说明
现在将参考附图，仅以示例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：
图1是示出本发明振荡器电路实施例的关键元件的示意图;
图2是示出来自和去向所述电路的数字部分和模拟部分的信号的示意图;
图3是所述电路的数字元件的图解表示;
图4是用于确定振荡器切换模式的Σ-Δ电路的示意图;
图5是所述电路的模拟元件的图解表示;
图6是电荷泵的模拟电路的电路图;
图7是校准功能的流程图。
具体实施方式
图1形象地示出了体现本发明的32KiHz（1kibiHertz=1024赫兹）振荡器电路1的关键部分。
所述振荡器电路1包括具有第一电容器3和第二电容器4的RC振荡器2，其中还包括其他众所周知的元件（图中未示出）。切换器5（例如晶体管）在它闭合时，将第二电容器4接入电路，与第一电容器3平行。当切换器5处于断开状态时，只有第一电容器3在RC振荡电路中使用。比较器6使用所提供的参考电压向RC振荡器提供反馈，并产生振荡输出。该RC振荡器从一个可编程的电流源7接收控制电流。
RC振荡器2的输出通过校准计数器8，该计数器8被连接到控制逻辑9。所述输出在离开所述振荡器之前还通过切换器10（例如，多路复用器）。切换器10可以在RC振荡器的输出和降频转换器12的输出之间做选择，降频转换器12是由片外的16MHz的晶体振荡器11（"16MHz XOSC"）提供输入。所述降频转换器12从晶体振荡器11生成32KiHz的信号。
控制逻辑9接收来自16MHz晶体振荡器11的输入，从中它可以导出4MHz的信号，用它来校准的RC振荡器2。控制逻辑9能控制电容切换器5、输出切换器10、以及可编程电流源7。
当正确校准时，振荡器电路1输出来自RC振荡器2的信号，它实际上在32KiHz。输入电流被设置为：当所述第二电容器4被接入电路时，所述RC振荡器的输出频率稍低于32KiHz；当所述第二电容器4被切换出电路中时，RC振荡器的输出频率稍高于32KiHz。控制逻辑9控制电容器切换器5，以根据模式从一个周期到另一周期将所述第二电容器4连入和切出电路，从振荡器电路1给出在若干周期上平均为32KiHz的输出，频率抖动忽略不计。
为了实现该校准状态，控制逻辑9可以运用粗略校准操作和精细校准操作。
使用校准计数器8，控制逻辑9对出现在RC振荡器的256个脉冲期间的、来自于晶体振荡器11的4MHz脉冲的数目计数，所述RC振荡器工作在较高的频率上（即，第二电容器4切出所述电路）。如果所述RC振荡器的频率被确定为在预期频率之外，那么通过调整可编程电流源7来进行粗略校准，从而以增量形式增加或减少供给RC振荡器2的电流，直到它落入可接受的范围内。
当粗略校准是正确时，可以执行精细校准操作。控制逻辑9对出现在RC振荡器的256个脉冲期间的、来自于晶体振荡器11的4MHz脉冲的数目计数，所述RC振荡器工作在较高的频率上（即，第二电容器4切出所述电路），并再次将所述RC振荡器工作在较低的频率（即，所述第二电容器4切入到电路中）时的脉冲数进行计数。控制逻辑9使用这两个计数值来确定在一个校准时间段（例如，1024个周期）上所需的高低频周期的比例，以获得所需的32KiHz输出。这种计算将在下面详细解释。
控制逻辑9使用最新的比值来控制电容切换器5，以得到所需的周期比。Σ-Δ电路用于在所述高频周期中均匀分配低频周期，见下面的更详细解释。
在校准操作中，不可能以RC振荡器2从振荡器电路1提供精确的输出（因为它必须在每个频率上运行一定数目的周期）。因此，控制逻辑9切换输出切换器10，以提供来自振荡器1的32KiHz的输出信号，该信号来自外部晶体11。当控制逻辑9确定需要校准操作，但正在等待其执行时，也使用所述来自晶体的输出。
下面更详细描述其实现。
图2示出了如何将振荡器电路1划分为数字部分21和模拟部分22。在所述部分21、22之间的某些重要信号被示出了。
模拟部分22包括由数字部分21校准的RC振荡电路。可以执行粗略和精细校准操作。
振荡器的数字部分21，可以接收来自集成电路其他部分，如微控制器（未示出），和外部16MHz的晶体振荡器11的输入。特别是，它被配置为接受下面的输入信号：
Figure BDA00003544702600111
数字部分21可以输出下列信号：
Figure BDA00003544702600121
模拟部分22输出如下的32KiHZ时钟信号：
信号名称 说明
osc32Ki 32KiHz时钟信号。
模拟部分22由数字部分21通过以下的信号输入控制：
Figure BDA00003544702600122
图3给出了数字部分21的体系结构的示意图。
在高电平，数字部分21包括：校准间隔计时器31；用于模拟RC振荡器的控制电路32；校准引擎33；时钟防抖和四分频的组合电路34;以及从16MHz时钟源生成32KiHz时钟的降频转换模块35。
数字部分21负责：执行振荡器的粗略校准;进行振荡器的精细校准；从振荡器产生一个精确的32KiHz时钟；以及从外部16MHz晶体振荡器11产生精确的32KiHz时钟。
校准间隔计时器31是数字部分21的主控制器。只要pwrupRcosc是高电平，它总在工作。它服务于以下几个目的：
-上电时，它可以确保该系统中的其它模块（包括模拟部分22和片外16MHz的晶体振荡器11）以正确的顺序启动;
-在RC振荡器和16MHz的晶体振荡器派生输出之间执行无缝切换;
-决定何时需要校准，并因此启动16MHz的晶体振荡器11，校准引擎33，等;以及
-当pwrupRcosc走低时，它以正确的顺序执行系统中的其它模块的安全关闭。
在正常操作期间（即在两次校准之间的时间间隔），模拟部分22的控制电路32具有模拟RC振荡器的控制权。
控制电路32完全同步设计，始终工作在RC振荡器的时钟上。
对于粗略校准，数字部分21使用6-bit的信号rcoscProgOut来控制模拟部分22。在复位或上电后，该值被设置为一个默认值。校准引擎33在运行在较高频率的RC振荡器的256个脉冲期间，对来自4MHz时钟的脉冲计数。使用该测定结果，通过可编程的电流源7来增大或减小振荡器的电流。重复此操作，直到振荡器的频率在所述期望频率以上的范围内。
在每个粗略校准周期，该值可以向上或向下步进一个值。在向上或向下变化后，校准操作在延迟8个32KiHz周期后重新启动（允许模拟部分22来解决），并再次测量输出。一旦所述粗略校准是正确的，如果rcoscCal在低电平，所述RC振荡器将运行在32KiHz的100.0％至102.5％，如果rcoscCal在低电平，它将运行在97.5%至100.0％。
利用模拟部分22的功能，精细校准选择性地以1/32来增加振荡器时段。所述精细校准算法测量振荡器的标称时段（T1）和较长时段（T2），并从中计算出在1024个时段序列中所述振荡器应该在T2运行多少个时段N，使得振荡器的平均输出频率为32KiHz（32.768千赫）。
在精细校准中，对RC振荡器的输出频率的测量与在粗略校准相同，但是针对较高频率f1和较低频率f2两者，以获得在较高频率时的4MHz脉冲的计数X1，和运行在较低频率时在256个RC振荡器周期的时间段对4MHz脉冲的计数X2。
N值的计算公式为：
N（X1，X2）=1024*（31250-X1）/（X2-X1）。
（注意31250=256*4,000,000/32,768）。
为了粗略校准的有效性，X1的值不得超过31250（如果这样，它会标记为错误，必须调整粗略校准）。X1应不低于此值2.5％（因为这是粗略校准调整的步长）。然而，由于这是一个模拟值，在实践中明智的做法是使用该范围的两倍。因此，为了有效的精细校准，X1的允许范围是[29709，31250]。
对模拟比例33/32有多大可能会偏离理想值的估计，给出了X2值的最大函数。为了处于安全一方，该值被加倍（即，34/32），它给出了X2的最大允许值，31250*34/32=33203。因此，X2的允许范围是[31250，33203]。
为了确保没有机会溢出，X1和X2使用16位计数器。
该计算包括两个减法和一个除法（因为乘1024是一个简单的10位左移）。该除法是高消耗部分，并连续完成。要注意在计算中避免截断，否则可能导致时钟频率的额外偏移。校准引擎33的一个专门的部分负责计算。所述输出值N被传递到控制电路32，用于RC振荡器。
控制RC振荡器，使得在1024个时段跨度上的平均频率在32KiHz的+/-100ppm之内。RC振荡器将运行在频率为1024减去N个时段的f1（1/T1）和N个时段的频率f2（1/T2）上。当输出rcoscCal是高电平时，RC振荡器的频率降低了约1/33。
为了尽量减小定时变化，通过校准引擎33将f1和f2的周期交错。10位输入信号指定了在1024周期间隔中有多少个周期N其中rcoscCal的应该是高电平。为获得均匀分布的高频（rcoscCal=0）和低频（rcoscCal=1）周期，使用了一阶Σ-Δ电路。
图4以示意图的形式示出了Σ-Δ电路。它包括通向11位寄存器的10位加法器。输入值N进入加法器，其中它被从寄存器的输出添加到反馈。这个10位反馈值包括几乎所有从寄存器的输出的最重要的位。在数学上，该电路计算的输入值的增量倍数，模1024。确定rcoscCal的最重要的寄存器输出位将是1，每次输入值的倍数减少模1024。
精细标定的分辨率直接依赖于电容比（C2/C1）和在校准时间间隔中的脉冲数量NT（在本例中即1024）。可以得到的最小步长是一个32KiHz时段被延长了整个校准间隔的1/32时段。这意味着频率的分辨率
(1/NT)*(C2-C1)/C1=(1/1024)*(1/32)=+/-15ppm。
校准引擎33由校准间隔计时器31直接控制。启动校准要接收两个的信号：startCalib和enableCalib。所述startCalib是短脉冲用于启动校准（一个RC振荡器的周期）。所述enableCalib信号在整个校准中保持高电平。因此，所述enableCalib信号可以用来打断校准（通常是当校准完成并且有效的，但也包括pwrupRcosc走低的情况），并执行安全关机。
校准引擎33是一个完全同步的设计，除了的osc32Ki来自于模拟RC振荡器和来自校准间隔计时器31的enableCalib和startCalib信号，间隔计时器31在使用前同步。为了提高精度校准，同步电路也可以在RC振荡器脉冲计数开始之前检测出rcoscIn的上升沿。
时钟防抖和4分频的组合电路34确保晶体振荡器的时钟在被设计中的其他模块用到前达到稳定的振幅和频率。为了确保这一点，在允许通过所述时钟之前，防抖部分将500微秒的16兆赫脉冲计数。电路34的4分频部分产生用于在校准引擎33中使用的4MHz时钟。它可以通过时钟选通（只有每第四个脉冲允许通过）来实现，以使输出不具有50％的占用周期。
降频转换模块35是用来从16MHz的输入时钟产生32KiHz时钟。因为16MHz不是32KiHz的整数倍，所以它使用Σ-Δ方法，该方法可有效地给出平均频率32KiHz的时钟，但有一些周期到周期的抖动。
当RC振荡器需要重新校准并在校准操作中时，来自外部的16MHz的晶体11所产生的32KiHz的信号被用于代替RC振荡器的输出。
图5示出了振荡器电路1的模拟部分22的主要元件。包括可编程的电流和电压产生器51、电荷泵52、比较器53、数字控制模块54。
数字控制模块54包含SR锁存器等，并输出最后的时钟信号。该电荷泵52从电流和电压产生器51接收一个精确的参考电流，同时给比较器53提供一个精确的参考电压。电流发生器51的数字输入可用以至多标称频率2.5％的步长来调整所述电流，目的在于粗略校准。
图6详细地示出了电荷泵电路52。它形成了两半，每一个工作在时钟的相应的一半时段。它由CHRG1_1V2和CHRG2_1V2输入控制。CAL_1V2输入在较低和较高的频率之间选择，即，介于32*CUNIT（CAL=0）和33*CUNIT（CAL=1）之间，通过将附加电容X2_P和X1_P接入或切出电路。两个D型触发器确保通过CAL_1V2输入的电容器的切换与振荡器的信号同步地进行。还有SYNC_1V2输入，它将在高电平时停止振荡，并当它走低时用正确的相位立即重新启动振荡器。
通过一个流程图，图7所示出了某些用于振荡器电路1的校准过程的主要步骤。复位后进行校准，或自从上次校准过去了一段指定的时间，或16MHz晶体振荡器11开始启动（calSync高电平）。如果X1和X2确定是在正确的范围以外，执行粗略校准，直到它们在其范围内。然后执行精细校准，确定值fineProg，控制高低频振荡的比例。
在校准操作中，振荡器的输出来自于外部晶体振荡器11。
因此，已描述了一种精确的基于RC的振荡器电路。虽然已经描述的该电路参考了32KiHz的输出频率，但可以理解，任何需要的输出频率都可以。

Claims (36)

1.一种集成振荡器电路，包括：
振荡器，配置为在第一频率和第二频率之间切换；以及
切换装置，配置为接收表示目标频率的输入，并且，每隔由所述输入所确定的时间段，在所述第一和第二频率之间切换所述振荡器，以促使所述振荡器的平均输出频率接近于所述目标频率。
2.根据权利要求1所述的集成振荡器电路，其中，在所述第一和第二频率中的较高频率低于两个频率中较低频率的两倍。
3.根据权利要求2所述的集成振荡器电路，其中，在所述第一和第二频率中的较高频率比两个频率中的较低频率高出不到10%。
4.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，其中，所述第一和第二频率的其中之一是能够增量调节的，并且所述第一和第二频率之间的差别大于频率能够被调节的最小增量。
5.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，其中，所述切换装置被配置为接收输入，所述输入包括或编码了表示所述第一和第二频率之间的切换比例的值。
6.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，包括：校准控制器，所述校准控制器配置为向所述切换装置提供表示所述目标频率的输入，并进一步配置为每隔一段时间校准所述振荡器，以给所述切换装置提供更新的输入。
7.根据权利要求6所述的集成振荡器电路，其中，所述校准控制器被配置为在所述第一和第二频率中的每一个的参考时间段上，对振荡器输出周期计数，并从这些计数推导出至切换装置的输入。
8.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，包括依靠参考时钟校准所述振荡器的装置。
9.根据权利要求8所述的集成振荡器电路，配置为：当振荡器被校准时输出来自于晶体振荡器的时钟信号；并且，当所述电路没有被校准时，输出来自于配置为在第一频率和第二频率间之间切换的所述振荡器的时钟信号。
10.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，包括：电荷存储装置，其电容值可以在第一值和第二值之间变化；以及电流源，所述电流源连接到所述电荷存储装置，以形成振荡器，该振荡器配置为当所述电容值等于所述第一值时在所述第一频率振荡，而当所述电容值等于所述第二值时在所述第二频率振荡，其中所述切换装置配置为每隔由所述输入确定的时间段，在第一和第二电容值之间切换所述电荷存储装置。
11.根据权利要求10所述的集成振荡器电路，其中，所述电荷存储装置包括永久接入所述振荡器电路中的第一电容器，以及选择性地接入所述电路的第二电容器。
12.根据权利要求10所述的集成振荡器电路，其中，所述电荷存储装置包括分别具有第一和第二电容值的第一和第二电容器，以及切换器，所述切换器设置为一次将所述第一电容器和第二电容器中的一个或另一个接入所述振荡器电路。
13.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，其中，所述切换装置被配置为依据预定的模式或分布特性将第一频率的周期分布在第二频率的周期中。
14.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，其中，所述切换装置包括Σ-Δ调制器，所述Σ-Δ调制器被设置为在有限的时间段内，将第一频率的频率周期尽可能均匀地分布在第二频率的频率周期中。
15.根据前面任一权利要求所述的集成振荡器电路，包括可编程电流源，其中所述振荡器被设置为：使得第一或第二频率的其中之一或两者的频率值依赖于所述振荡器电路中变化电流的级别。
16.一种集成电路振荡器的操作方法，其中，所述振荡器被配置为在第一频率和第二频率之间切换，所述方法包括：
接收表示目标频率的输入；以及
每隔由所述目标频率所确定的时间段，将所述振荡器在第一和第二频率之间切换，以促使所述振荡器的平均输出频率接近所述目标频率。
17.如权利要求16所述的方法，其中，在所述第一和第二频率中的较高频率低于两个频率中较低频率的两倍。
18.如权利要求17所述的方法，其中，在所述第一和第二频率中的较高频率比两个频率中的较低频率高出不到10%。
19.如权利要求16-18中任一项所述的方法，其中，所述目标频率的值在第一和第二频率之间。
20.如权利要求16-19中任一项所述的方法，其中，所述输入包括或编码了表示所述第一和第二频率之间切换比例的值。
21.如权利要求16-20中任一项所述的方法，还包括每隔一段时间校准所述振荡器，以产生表示所述目标频率的更新的输入。
22.如权利要求16-21中任一项所述的方法包括在所述第一和第二频率中的每一个的参考时间段上，对振荡器输出周期计数，并从这些计数推导出表示所述目标频率的输入。
23.如权利要求16-22中任一项所述的方法，包括：依靠参考时钟对所述振荡器校准。
24.如权利要求16-23中任一项所述的方法，包括：依据预定的模式或分布特性切换所述振荡器以将所述第一频率的周期分布在所述第二频率的周期中。
25.如权利要求16-24中任一项所述的方法，包括：通过调整所述第一或第二频率的值以跨过所述目标频率，来对所述振荡器粗略校准。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述值的调整包括调整电流源。
27.如权利要求25或26所述的方法，包括：在所述集成电路振荡器上电时进行所述粗略校准。
28.一种集成电路，包括如权利要求1-15中任一项所述的集成振荡器电路，并且还包括微处理器。
29.如权利要求28所述的集成电路，包括进一步的时钟源，其中，所述电路被配置为提供能够在所述振荡器电路的输出和所述进一步的时钟源的输出之间切换的输出。
30.如权利要求28或29所述的集成电路，被配置成响应于所述微处理器的唤醒，校准所述振荡器。
31.一种集成电路，包括集成振荡器电路、晶体振荡器、电源管理元件以及校准元件，其中，所述电源管理元件被配置为当一个或多个条件满足时启动所述晶体振荡器，所述校准元件被配置为在所述晶体振荡器被启动时依靠所述晶体振荡器校准所述集成振荡器。
32.如权利要求31所述的集成电路，包括如权利要求1到15中任一项所述的集成振荡器电路。
33.如权利要求31或32所述的集成电路，还包括设置为接收来自于所述晶体振荡器的时钟信号的微处理器，其中所述电路被设置为在所述晶体振荡器启动的同时或接近同时启动所述微处理器。
34.一种集成电路，包括集成振荡器电路、晶体振荡器、计时器、以及设置为每隔一段时间依靠所述晶体振荡器校准所述集成振荡器的校准元件，其中，所述集成电路被配置为：除了所述集成振荡器被校准时外，所述计时器都接收来自所述集成振荡器的时钟信号，而在所述集成振荡器被校准时，所述计时器接收来自于所述晶体振荡器的时钟信号。
35.如权利要求34所述的集成电路，被配置为：在被校准时和没有被校准时，所述计时器接收的时钟信号的频率基本上相同。
36.如权利要求28-35中任一项所述的集成电路，包括形成全部或部分无线电发射器或接收器的电路，所述发射器或接收器被配置为：依据时间表来发射或接收无线分组，所述时间表通过使用所述集成振荡器作为时钟源来实现。
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