CN104143960B

CN104143960B - 一种校正mems计时时钟的溢出补偿方法及装置

Info

Publication number: CN104143960B
Application number: CN201410331284.2A
Authority: CN
Inventors: 张斌阳; 张明雄; 傅有炜; 徐晨曦
Original assignee: HI-TREND TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Current assignee: HI-TREND TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: CN104143960A

Abstract

本发明提供一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法及装置，该方法包括：获取当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值；计算需要获得频率所需要的降频参数；以初始频率误差值为初始值进行依次累加，当累加值数值大于等于1时发生溢出1；当数值小于等于‑1时发生溢出‑1；当数值大于‑1且小于1时不发生溢出；采用值为降频参数与溢出值之和的降频比对MEMS计时时钟的实际输出频率进行降频，获得需要的频率。本发明运用0/1序列平均化MEMS计时时钟在某一温度下的初始频率误差值，实现了双向溢出补偿，扩展方案简单易行，具有成本优势。

Description

一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法及装置

技术领域

本发明属于校正时钟技术领域，涉及一种校正MEMS计时时钟方法，特别是涉及一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法及装置。

背景技术

任何数字系统都是按时钟节拍走预定功能时序来工作的，所以时钟源必不可少。在电子系统中的SOC芯片上的时钟源，常用的有石英晶振(Crystal Oscillator)及阻容振荡器(RC Oscillator)。随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术的成熟，新生的MEMS时钟(MEMS Oscillator)逐步走进市场应用。

相对于传统的石英晶振方式，MEMS时钟的最大优势在于它的可集成性。由于MEMS时钟的生产材料也是基于Si工艺，所以很容易集成于SOC片内，降低了对外部电路的需求，如对外部晶体、匹配电容、PIN脚的需求，可进一步提升系统应用的集成度。此外，MEMS时钟还具有结构简单，功耗低，体积小等优点。然而，MEMS时钟也存在缺陷，就是温度效应，即随着温度变化MEMS时钟的时钟输出频率将发生偏移。所以对于要求在宽温度范围内高稳定时钟的应用场合，必须去做相应的补偿后方可使用，比如用于实时计时的RTC(Real TimeClock，实时时钟)场合。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法及装置，用于解决现有MEMS计时时钟的输出频率随温度变化发生偏移的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，所述校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法包括：获取当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值res，0≤|res|<1；计算需要获得频率所需要的降频参数M；其中，F表示MEMS计时时钟在当前温度值下的实际输出频率值，F₀表示MEMS计时时钟的标准输出频率值；r表示分频比，随着初始频率误差值res的变化而变化，故有M-1≤r_min≤r≤r_max≤M+1，M为大于零的正整数；以res为初始值进行依次累加，即sum＝sum+res，当累加值sum数值大于等于1时发生溢出1，即溢出值ov＝1；当sum数值小于等于-1时发生溢出-1，即溢出值ov＝-1；当sum数值大于-1且小于1时不发生溢出，即溢出值ov＝0；采用降频比R＝M+ov对MEMS计时时钟的实际输出频率F进行降频，获得需要的频率f₀。

优选地，所述MEMS计时时钟的初始频率误差值res的获取过程包括：测量不同温度值下的MEMS计时时钟的实际输出频率值；获得MEMS计时时钟在不同温度值下的初始频率误差值；通过曲线拟合方法获得MEMS计时时钟的温度补偿方案；所述温度补偿方案包括补偿公式或补偿表格。

优选地，所述溢出补偿方法对MEMS计时时钟的分频校正范围为[M-N，M+N]，其中，分频跨度N为大于零的正整数。

优选地，所述溢出补偿方法还包括：通过调整分频校正范围的中间值M的取值大小实现校正范围的移动。

优选地，所述溢出补偿方法还包括：通过调整分频校正范围的分频跨度N的大小实现校正范围的扩大或缩小。

本发明还提供一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置，所述校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置包括：初始频率误差值获取模块，获取当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值res，0≤|res|<1；降频参数计算模块，与所述初始频率误差值获取模块相连，计算获得频率所需要的降频参数M；其中，F表示MEMS计时时钟在当前温度值下的实际输出频率值，F₀表示MEMS计时时钟的标准输出频率值；r表示分频比，随着初始频率误差值res的变化而变化，故有M-1≤r_min≤r≤r_max≤M+1，M为大于零的正整数；累加模块，与所述初始频率误差值获取模块相连，以res为初始值进行依次累加，即sum＝sum+res；当sum数值大于等于1时发生溢出1，即溢出值ov＝1；当sum数值小于等于-1时发生溢出-1，即溢出值ov＝-1；当sum数值大于-1且小于1时不发生溢出，即溢出值ov＝0；补偿模块，与所述累加模块和降频参数计算模块分别相连，采用降频比R＝M+ov对MEMS计时时钟的实际输出频率值F进行降频，获得需要的频率f₀。

优选地，所述初始频率误差值获取模块包括：实际输出频率采集单元，测量不同温度值下的MEMS计时时钟的实际输出频率值；初始频率误差获取单元，获得MEMS计时时钟在不同温度值下的初始频率误差值；温度补偿单元，与所述实际输出频率采集单元和初始频率误差获取单元分别相连，通过曲线拟合方法获得MEMS计时时钟的温度补偿方案；所述温度补偿方案包括补偿公式或补偿表格。

如上所述，本发明所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法及装置，具有以下有益效果：

本发明运用0/1序列去平均化MEMS计时时钟在某一温度下的初始频率误差值，使得MEMS计时时钟的补偿推理论证清晰；提出了双向溢出法，在基本不需改动的情况下就加倍了正向溢出的可校正范围；所述补偿装置的数字电路实现简单，控制容易，具有成本优势；还可以通过顺次移动或增加分频跨度的方法，实现了有效扩展校正空间的目的。

附图说明

图1为本发明实施例所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法的流程示意图。

图2为本发明实施例所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置的结构示意图。

图3为本发明实施例所述的初始频率误差值获取模块的结构示意图。

元件标号说明

200 溢出补偿装置

210 初始频率误差值获取模块

211 实际输出频率采集单元

212 初始频率误差获取单元

213 温度补偿单元

220 降频参数计算模块

230 累加模块

240 补偿模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例提供一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，如图1所示，所述校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法包括：

获取当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值res，0≤|res|<1。所述初始频率误差值res即MEMS计时时钟的目标输出频率与实际输出频率的差值。

进一步，所述MEMS计时时钟的初始频率误差值res的获取过程包括：测量不同温度值下的MEMS计时时钟的实际输出频率值；获得MEMS计时时钟在不同温度值下的初始频率误差值；通过曲线拟合方法获得MEMS计时时钟的温度补偿方案；所述温度补偿方案包括补偿公式或补偿表格。

计算需要获得频率所需要的降频参数M；其中，F表示MEMS计时时钟在当前温度值下的实际输出频率值，F₀表示MEMS计时时钟的标准输出频率值；r表示分频比，随着初始频率误差值res的变化而变化，故有M-1≤r_min≤r≤r_max≤M+1，M为大于零的正整数。例如：假设MEMS计时时钟的目标输出频率为524kHz，其本身初值存在±3％的个体差异，预降频得到32kHz的RTC时钟，计时要求此RTC时钟在每个1秒钟内都准确计量，则res＝±3％，降频参数M值为16。

通常应用中r一般都不会是一个整数，但是数字电路中的计数分频都是针对整数分频比而言的，所以本发明的实现思路就是通过某些相近的整数分频频率去均匀混合，使得一段时间内达到平均意义下等效分频比的效果。就相当于下面的双向溢出法获得其某一温度下误差值的标准0/1序列。

以res为初始值进行依次累加，即sum＝sum+res，当sum数值大于等于1时发生溢出1，即溢出值ov＝1；当sum数值小于等于-1时发生溢出-1，即溢出值ov＝-1；当sum数值大于-1且小于1时不发生溢出，即溢出值ov＝0。本步骤进一步可理解为；以res为初始值进行依次累加，当res的值不变时，获得累加序列sum＝{A_i}和溢出序列ov＝{B_i}；其中，i为大于0的正整数，表示元素个数；A_i＝(res·i)％1；％表示取余运算；当A_i+res≥1时，B_i＝0，B_i+1＝1；当-1<A_i+res<1时，B_i+1＝0；当A_i+res≤-1时，B_i＝0，B_i+1＝-1。

例如：假设res＝0.3，那么根据累加方法获得：

累加序列为：sum＝{0.3，0.6，0.9，0.2，0.5，0.8，0.1，0.4，0.7，0.0}；

溢出序列为：ov＝{0，0，0，1，0，0，1，0，0，1}，i＝10。

假设res＝-0.3，那么根据累加方法获得：

累加序列为：sum＝{-0.3，-0.6，-0.9，-0.2，-0.5，-0.8，-0.1，-0.4，-0.7，0.0}；

溢出序列为：ov＝{0，0，0，-1，0，0，-1，0，0，-1}，i＝10。

对于固定的res，如何去生成、或者说找到其标准0/1序列(即所述溢出序列)是本发明实现所依据的原理。由于0/1序列只有两个状态，于是也可叫做二进制序列，那么只需关心1的出现形式就能确定整个序列；同时res的另一个含义就是序列中1的出现概率。本发明提出的累加溢出序列生成法(简称溢出法)是用res代表初始误差，一个累加器(初值取sum₀＝res)不断地去累加res，即sum＝sum+res，当sum数值超过1时发生溢出，并用1标示出来。以res＝0.3为例考察累加序列sum及其溢出序列ov。容易看出，这里的溢出序列就是res的标准0/1序列。不同的res值对应的标准0/1序列都是唯一的。

采用降频比R＝M+ov对MEMS计时时钟的实际输出频率F进行降频，获得需要的频率f₀。当温度发生变化时，重新获取变化后的温度值下MEMS计时时钟的频率误差值res，继续执行本发明所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法。由于MEMS计时时钟的频率误差值res是随温度T变化而变化的，所以本发明可以在每次校正前都获取一次当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值。

即当所述sum数值发生溢出1时，即溢出值ov＝1，采用降频比R＝M+ov＝M+1对MEMS计时时钟的实际输出频率F进行降频，获得需要的频率f₀；当所述sum数值发生溢出0时，即溢出值ov＝0，采用降频比R＝M+ov＝M对MEMS计时时钟的实际输出频率F进行降频，获得需要的频率f₀；当所述sum数值发生溢出-1时，即溢出值ov＝-1，采用降频比R＝M+ov＝M-1对MEMS计时时钟的实际输出频率F进行降频，获得需要的频率f₀。

例如：设MEMS计时时钟的目标输出频率为524kHz，其本身初值存在±3％的个体差异，预降频得到32kHz的RTC时钟，计时要求此RTC时钟在每个1秒钟内都准确计量。

利用本发明的方法可以获知，res＝±3％，降频参数M值为16。

当res＝0.3时，累加序列sum＝{0.3，0.6，0.9，0.2，0.5，0.8，0.1，0.4，0.7，0.0}；

溢出序列ov＝{0，0，0，1，0，0，1，0，0，1}，i＝10。

当所述溢出序列的元素为1时，采用降频比R＝16+1＝17对MEMS计时时钟的实际输出频率进行降频(即溢出分频补偿)；当所述溢出序列的元素为0时，采用降频比R＝16+0＝16对MEMS计时时钟的实际输出频率进行溢出分频补偿；如此即可获得需要的频率f₀＝32kHz的RTC时钟。

当res＝-0.3时，累加序列sum＝{-0.3，-0.6，-0.9，-0.2，-0.5，-0.8，-0.1，-0.4，-0.7，0.0}；

溢出序列ov＝{0，0，0，-1，0，0，-1，0，0，-1}，i＝10。

当所述溢出序列的元素为-1时，采用降频比R＝16-1＝15对MEMS计时时钟的实际输出频率进行溢出分频补偿；当所述溢出序列的元素为0时，采用降频比R＝16+0＝16对MEMS计时时钟的实际输出频率进行溢出分频补偿；如此即可获得需要的频率f₀＝32kHz的RTC时钟。

当res＝0时，溢出序列为0，采用降频比R＝16+0＝16对MEMS计时时钟的输出频率进行分频，即可获得需要的频率f₀＝32kHz的RTC时钟。

本发明所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法在实际应用中是循环进行的，即为了获得需要的准确频率对MEMS计时时钟进行持续的校正，以保证获得准确频率为f₀的时钟。

上述所述溢出补偿方法对MEMS计时时钟的分频校正范围为[M-N，M+N]，其中，分频跨度N为大于零的正整数。

进一步，本发明还可以通过调整校正范围的中间值M′的取值大小实现校正范围的移动。例如，增减中间M的取值，如M₁＝M-1，如此应用M₁-1、M₁、M₁+1三个分频就实现了顺次移动调整校正区间的功能，可以覆盖更大的校正区间。此方法的优点是频率跳动小，但变动区间时中心值M需要调整。

更进一步，本发明还可以通过调整校正范围的分频跨度N实现校正范围的扩大或缩小。例如，增加频率跳动的跨度，如用M-2、M、M+2三个分频校正区间，此方法的优点是中心值M不需要调整，但频率跳动跨度稍大些。

针对MEMS计时时钟的初值一致性不好，以及随温度变化较大的问题，本发明提出上述校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法。本发明扩展了正向溢出的概念，即引进负小数累加溢出，相当于增加了ov序列的可能取值{-1，0，+1}，从而res的支持范围从0<res<1被扩展到了-1<res<1，这样同时支持负溢出的溢出生成法称为双向溢出法，得到的序列叫做双向溢出标准0/1序列。本发明是一种双向溢出补偿方法，可以根据MEMS计时时钟的误差变化情况，动态地去做分频补偿温漂影响，非常有效地提高了计时的准确度。

因为在实际应用中，res是随温度变化而变化的，故而溢出序列的元素不一定是在累加序列为0时开始累加的，所以不是完全依照上述列举的方式变化的。如此平均意义上讲，可保证输出的RTC时钟在每1秒都是准确的。

本实施例还提供一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置，所述校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置可以实现本发明所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，但本发明所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法的实现装置包括但不限于本发明所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置。

如图2所示，所述校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置200包括：初始频率误差值获取模块210，降频参数计算模块220，累加模块230，补偿模块240。

所述初始频率误差值获取模块210用于获取当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值res，0≤|res|<1。

进一步，如图3所示，所述初始频率误差值获取模块210包括：实际输出频率采集单元211，初始频率误差获取单元212，温度补偿单元213。所述实际输出频率采集单元211测量不同温度值下的MEMS计时时钟的实际输出频率值；所述初始频率误差获取单元212获得MEMS计时时钟在不同温度值下的初始频率误差值；所述温度补偿单元213与所述实际输出频率采集单元211和初始频率误差获取单元212分别相连，通过曲线拟合方法获得MEMS计时时钟的温度补偿方案；所述温度补偿方案包括补偿公式或补偿表格。

所述降频参数计算模块220与所述初始频率误差值获取模块210相连，计算获得频率所需要的降频参数M；其中，F表示MEMS计时时钟在当前温度值下的实际输出频率值，F₀表示MEMS计时时钟的标准输出频率值；r表示分频比，随着初始频率误差值res的变化而变化，故有M-1≤r_min≤r≤r_max≤M+1，M为大于零的正整数。

所述累加模块230与所述初始频率误差值获取模块210相连，以res为初始值进行依次累加，即sum＝sum+res；当sum数值大于等于1时发生溢出1，即溢出值ov＝1；当sum数值小于等于-1时发生溢出-1，即溢出值ov＝-1；当sum数值大于-1且小于1时不发生溢出，即溢出值ov＝0。

所述补偿模块240与所述累加模块230和降频参数计算模块220分别相连，采用降频比R＝M+ov对MEMS计时时钟的实际输出频率值F进行降频，获得需要的频率f₀。

本发明运用0/1序列去平均化MEMS计时时钟在某一温度下的初始频率误差值，使得MEMS计时时钟的补偿推理论证清晰；本发明提出了双向溢出法，在基本不需改动的情况下就加倍了正向溢出的可校正范围；本发明所述补偿装置的数字电路实现简单，控制容易，具有成本优势；本发明还可以通过顺次移动或增加分频跨度的方法，实现了有效扩展校正空间的目的。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，其特征在于，所述校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法包括：

获取当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值res，0≤|res|<1；

计算需要获得频率所需要的降频参数M；其中，F表示MEMS计时时钟在当前温度值下的实际输出频率值，F₀表示MEMS计时时钟的标准输出频率值；r表示分频比，随着初始频率误差值res的变化而变化，故有M-1≤r_min≤r≤r_max≤M+1，M为大于零的正整数；

以res为初始值进行依次累加，即sum＝sum+res，当累加值sum数值大于等于1时发生溢出1，即溢出值ov＝1；当sum数值小于等于-1时发生溢出-1，即溢出值ov＝-1；当sum数值大于-1且小于1时不发生溢出，即溢出值ov＝0；

采用降频比R＝M+ov对MEMS计时时钟的实际输出频率F进行降频，获得需要的频率f₀。

2.根据权利要求1所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，其特征在于，所述MEMS计时时钟的初始频率误差值res的获取过程包括：

测量不同温度值下的MEMS计时时钟的实际输出频率值；

获得MEMS计时时钟在不同温度值下的初始频率误差值；

通过曲线拟合方法获得MEMS计时时钟的温度补偿方案；所述温度补偿方案包括补偿公式或补偿表格。

3.根据权利要求1所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，其特征在于：所述溢出补偿方法对MEMS计时时钟的分频校正范围为[M-N，M+N]，其中，分频跨度N为大于零的正整数。

4.根据权利要求3所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，其特征在于，所述溢出补偿方法还包括：

通过调整分频校正范围的中间值M的取值大小实现校正范围的移动。

5.根据权利要求3所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿方法，其特征在于，所述溢出补偿方法还包括：

通过调整分频校正范围的分频跨度N的大小实现校正范围的扩大或缩小。

6.一种校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置，其特征在于，所述校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置包括：

初始频率误差值获取模块，获取当前温度值下MEMS计时时钟的初始频率误差值res，0≤|res|<1；

降频参数计算模块，与所述初始频率误差值获取模块相连，计算获得频率所需要的降频参数M；其中，F表示MEMS计时时钟在当前温度值下的实际输出频率值，F₀表示MEMS计时时钟的标准输出频率值；r表示分频比，随着初始频率误差值res的变化而变化，故有M-1≤r_min≤r≤r_max≤M+1，M为大于零的正整数；

累加模块，与所述初始频率误差值获取模块相连，以res为初始值进行依次累加，即sum＝sum+res；当sum数值大于等于1时发生溢出1，即溢出值ov＝1；当sum数值小于等于-1时发生溢出-1，即溢出值ov＝-1；当sum数值大于-1且小于1时不发生溢出，即溢出值ov＝0；

补偿模块，与所述累加模块和降频参数计算模块分别相连，采用降频比R＝M+ov对MEMS计时时钟的实际输出频率值F进行降频，获得需要的频率f₀。

7.根据权利要求6所述的校正MEMS计时时钟的溢出补偿装置，其特征在于，所述初始频率误差值获取模块包括：

实际输出频率采集单元，测量不同温度值下的MEMS计时时钟的实际输出频率值；

初始频率误差获取单元，获得MEMS计时时钟在不同温度值下的初始频率误差值；

温度补偿单元，与所述实际输出频率采集单元和初始频率误差获取单元分别相连，通过曲线拟合方法获得MEMS计时时钟的温度补偿方案；所述温度补偿方案包括补偿公式或补偿表格。