CN104821790A - 可靠的晶体振荡器启动方法 - Google Patents

Abstract

本方法涉及可靠的晶体振荡器启动方法，其中，将晶体经受的激励电平保持在低位，以避免晶体过载。在应用了参数的启动值(12)之后，控制激励电平，使与启动值相关的激励电平足以确保实现可靠的启动。步进式修改所述参数，以降低激励电平，直到晶体振荡器停止正常运行(17,18)为止。为了判断晶体振荡器是否停止正常运行，将晶体振荡器频率与辅助振荡器频率进行比较。将安全系数加入所述参数中，并将结果作为运行值(19)存储在非易失性存储器中。之后以启动值(13)重新启动晶体振荡器，并在一段延时后应用运行值(14)。可使用与适中激励电平相关的参数初始值确定启动值，并在必要时以步进的形式修改所述参数，以增加激励电平，直到晶体振荡器(20)启动为止。如此确定的启动值同样存储在非易失性存储器中。在后续启动过程中，被存储下来的启动值和运行值可被即刻应用。

Description

可靠的晶体振荡器启动方法

技术领域

本发明涉及一种启动晶体振荡器的方法以及用于实施该方法的包括晶体振荡器的装置。晶体振荡器被应用于电子设备的时钟，其中，可靠且精确的基准频率为必要条件。

背景技术

权利要求1的前序部分中的方法由公开号为US 7940137B2的美国专利文献所披露。将作为用于控制振荡器激励电平的参数的偏置电流在启动时设置为高值，之后再逐步降低直至振荡器信号振幅降至阈值以下。这需要使用具有昂贵高品质组件的相当复杂的电路。该电路用于监视振幅并通过反馈回路控制偏置电流。该反馈电路涉及整流、对输出信号实施模/数转换以及对控制偏置电流的数字信号实施数/模转换。这种相当复杂的信号处理还会增加功率消耗的水平。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种简单而鲁棒性好(稳定性好)且易于实施并可将振荡器的运行保持在低激励电平上的一般方法。该发明目的由权利要求1特征部分中的特征实现。

由本发明方法实现的另一有益效果在于：激励电平可自动适应单一晶体的属性，以确保晶体振荡器正常运行而不会因过载损坏。

本发明的另一目的在于提供一种实施上述本发明方法的装置。

附图说明

在下文中，将参照示出了本发明实施例的附图详细介绍本发明，其中：

图1为本发明装置的结构框图；

图2为本发明方法的具体流程图；

图3为在一优选实施例中的实施的一部分本发明方法的流程图；以及

图4为启动过程中作为时间函数的晶体振荡器输出信号的包络线示意图。

具体实施方式

图1所示设备1包括带有通常为石英晶体的晶体3的晶体振荡器2以及与该晶体3连接并用于控制该晶体的振荡器电路4。该振荡器电路4转过来由处理单元5控制。该处理单元优选为微处理器，且与诸如不间断供电的RAM的非易失性存储器6连接。非易失性存储器6包括至少一个查找表以及下文将要介绍的存储至少一个启动值和运行值的其它存储位置。

开关7被用于连接处理单元5的时钟输入端和晶体振荡器2的输出端，或可选地，被用于连接处理单元5的时钟输入端和辅助振荡器8的输出端。辅助振荡器8可由另一晶体振荡器实现，或优选地，由环形振荡器或电感电容谐振腔振荡器实现。在停机期间，该开关并未被断开，因此其处于连续运行状态。

晶体振荡器2的输出端被连接于输出端与处理单元5的另一(another)输入端连接的第一计数器9。同样地，第二计数器10被连接于辅助振荡器8和处理单元5的再一个(further)输入端之间。计数器9和10能够在处理单元5中运行，因此它们无需为单独的元件。

振荡器电路4被用于设定晶体振荡器2的激励电平。该激励电平基本为功率值，即：在晶体3中每单位时间内消耗的能量。为了获得可靠且鲁棒的晶体振荡器性能，最重要的是适当选择激励电平。

如果激励电平太低，那么晶体会停止有规律地运行，反映为晶体振荡频率同基准频率相比会有相当大的偏差。如果启动时的激励电平太低，那么启动会失败，晶体3根本不会开始振荡。为了实现正常启动，通常需要最低激励电平，而该最低激励电平因晶体不同而变化较大。另一方面，过高的激励电平会增加晶体振荡器的功率消耗，并对相位噪声产生负面影响。此外，还会导致晶体振荡器的不稳定运行，特别是在长期施加过高激励电平的情况下，会加速晶体老化，甚至使晶体损坏。由此，应该将激励电平维持在仅足够确保晶体振荡器正常启动并规则振荡的水平上。

激励电平直接受控于振荡器电路4的参数，并由处理单元5设置。这种参数可以是振荡器电路4中的用于控制放大器增益并依此控制回路增益和激励电平的可程控偏置电流。在本领域的公知技术中，偏置电流可由可程控电流源通过被接通或断开的电流源晶体管生成。可选地，上述参数可以是可程控负载电容器的电容。通过增加负载电容而减少回路增益并降低激励电平。可程控负载电容器能够以一堆可被通断电操作的小电容值的形式来实现。在本领域中还存在其它公知技术，例如，在回路中将可程控电阻与晶体串联。

在下文中，将参照附图2详细介绍本发明的启动方法。

步骤11中的启动由外部事件触发，例如事先处于未工作状态(图4中的区间A)下的包括类似无线电接收器、移动电话、智能电话或GNSS(全球导航卫星系统)接收器等设备1的装置(在区间B的起始点)被接通电源。在启动期间，开关7将输出信号用作时钟信号的辅助振荡器8连接于处理单元5。在步骤12中，处理单元5检查运行值以及取决于实施例且属于控制晶体3激励电平的参数的启动值是否被存储于非易失性存储器6的存储位置中。在本实例中，所述控制参数为振荡器电路4中的偏置电流。

如果上述参数的值已被存储，则本发明方法继续执行步骤13。在步骤13中，处理单元5从非易失性存储器中读出启动值。之后，该启动值被使用，即：振荡器电路4中的偏置电流被设置成该值，由此使晶体3在一段时间内承受对应的激励电平。这段时间的长度刚够确保晶体振荡器2正常启动并达到正常运行的稳定状态。在这一延时之后，在步骤14中，处理单元5从非易失性存储器6中读取运行值，然后将运行值作为参数应用于振荡器电路4。激励电平由此被降低至某一电平。该电平可能不足以实现可靠的启动，但能确保已被启动的晶体振荡器2的正常运行，而不会使晶体3承受不必要的损坏或加速老化的高风险。启动过程在步骤15结束。开关7的位置被改变，从而使其将此时产生时钟信号的晶体振动器2连接于处理单元5。

如果启动值和运行值前先并未被存储于非易失性存储器6中，那么启动值会在步骤16中被确定。启动值的确定可由下文将要介绍的多种方法实现。在此之后，经确定的启动值(于图4中时间区间B的起始点)被应用。

在一段延时之后，在步骤17中，处理单元5判断晶体振荡器2(在图4中时间区间B的终点)是否正常运行。对于该判断而言，晶体振荡器2的输出信号被加以监控，而晶体振荡器2的频率被与由辅助振荡器8产生的基准信号的频率相比较。在此之后，作为判断正常运行的标准，下列条件将被使用：如果输出信号的频率偏离基准频率不超过某一预定量，则晶体振荡器2运行正常，否则晶体振荡器2运行不正常。这一检验过程可由计数器9和10完成，例如，在第一计数器9中对晶体振荡器2的周期进行计数，并在第二计数器10中对辅助振荡器10的周期进行计数，并在第二计数器10中的周期计数达到预定量时检查第一计数器9中的周期计数是否在预定的容差区间内。在这种(第一计数器9中的周期计数在预定的容差区间内)情况下，会发现晶体振荡器2运行正常。

很显然，晶体振荡器2的输出信号和基准信号不必共享相同的频率，辅助振荡器8也不必非常精确，而只需了解晶体振荡器2频率与辅助振荡器8频率之间的名义关系即可。其中，晶体振荡器2频率与辅助振荡器8频率名义上是相同的，对于晶体振荡器2是否正常运行的判断可由单一的递加/递减计数器完成。该递加/递减计数器进行递加计数，以响应其中一个振荡器信号，例如晶体振荡器2的信号，以及进行递减计数，以响应其中另一个振荡器信号，例如辅助振荡器8的信号。如果计数的绝对值不大于预定阈值，那么可发现晶体振荡器2运行正常。

如果在步骤17中发现晶体振荡器运行正常，则继续执行步骤18中的方法，其中参数被按照降低激励电平的方式修改，并返回步骤17，在步骤17中再次判断晶体振荡器2是否仍然运行正常。该参数每次被修改一步长。现存多种修改该参数以降低激励电平的方法。如果该参数为偏置电流，则其每次可被衰减一固定步长，或如果该参数为例如负载电容，则其每次可被增加一固定步长。或该参数可被设置为处理单元5从被存储在非易失性存储器6的查找表中读出的下一个值，其中，查找表中的值分别构成了递减或递增级数(序列数值)。还可以利用多个查找表，其中，各查找表与振荡器电路4的其它属性的影响激励电平的不同值相关。例如，两个偏置电流查找表可被使用，其中，各查找表分别与振荡器电路4的负载电容所假定的两个值中的一个相关。作为变形，还可以在两种情况下使用相同的查找表，但要使用该查找表中负载电容的两个值的不同的条目集合，尽管负载电容的两个值的条目集合可能会出现重合。振荡器电路2输出信号上参数的步进式修改效果，即振荡器电路2输出电压上参数的步进式修改效果，呈现于图4中的时间区间C内。

如果在步骤17中(图4中的时间区间C的终点)，处理单元5已发现振荡器电路2已经停止正常运行，在图4中反映为振荡器电路输出信号振幅在时间区间D起始点上的衰竭。那么上述方法执行步骤19，即：在参数值中加入安全系数，并将结果作为运行值存储在非易失性存储器6中。优选地，被添加的安全系数被选为已被用于该参数的值，且晶体振荡器2在该值上已被发现可以正常运行。在参数为负载电容情况下，被添加的安全系数还可以是负数。在使用查找表的情况下，除与当前值间隔开多个索引的固定差异的一条或多条其它条目之外，运行值可被简单选为最后值。在这种情况下，安全系数可根据查找表中不同条目之间的差异而变化。在固定步长被使用的情况下，一个或多个步长可作为固定安全系数而被加入至上述最后值中。

总之，上述方法执行步骤13，即：处理单元5再次从非易失性存储器6中读出启动值并使用该启动值。在一段延时后，上述方法接着执行步骤14，即：处理单元5从非易失性存储器6中读出运行值并使用该运行值，以及以步骤15结束，正如步骤12中启动值和运行值被发现已存在于非易失性存储器6中的情况那样。

在此之后，启动值被再次使用，而当晶体振荡器2在一段延时(图中的时间区间D)后被认为运行正常时(图4中的开放式时间区间F的起始点)，上述参数被设置为运行值。

图2中步骤16处的启动值确定过程可通过将启动值简单设置为几乎能够确保，如可能性为95％或更多的适当启动的某一值而实现，例如，该值可以是如图3a步骤20中示出的由晶体3制造商设置的规定最大激励电平。

然而，为了避免因过载晶体3而引起增加的损坏风险及高功率消耗的消极结果，使用不比上述确保晶体振荡器2可靠启动所需的激励电平大很多的激励电平，也有利于启动。为此，由于如图3b所示的启动方法趋于缩短确定运行值所需的时间，所以优选使用该启动方法。

根据这一方法，处理单元5在步骤21处将启动值设置为存储在非易失性存储器6中的初始值，并将其作为参数值使用。该初始值的选择以能够有诸如50％的适中概率实现适当启动为标准。该初始值可以事先在实验室中确定，其为能够使晶体振荡器代表集中的一半样本正常启动并运行的值。在步骤22中，处理单元5通过监测晶体振荡器2的输出信号判断晶体振荡器2是否运行正常。如果是正常运行的话，该方法执行步骤23，即处理单元5将当前参数值，即初始值，作为启动值存储在非易失性存储器6中。如果晶体振荡器2运行不正常，处理单元5则在步骤24中以增加激励电平的方法修改参数，之后返回步骤22判断晶体振荡器2是否运行正常：如果晶体振荡器2运行不正常，那么步骤24和22被重复执行；如果晶体振荡器2运行正常，上述方法执行步骤23，即：处理单元5将启动值设置为当前被应用的参数值，并将其存储在非易失性存储器6中。

正常运行的标准优选与应用于步骤17(如图2所示)中的那些标准相同，但也可使用其它标准。在每个情况下，在步骤24中，参数值可再次由固定量修改，其中，除相反的符号之外，该固定量可以相同，或优选较大，以确保实现快速启动。但是，上述修改还可以基于与步骤18中使用的那一查找表相同的查找表，但从相反的方向遍历其中的数据。此外，为了确保实现快速启动，可以仅使用存储在该查找表中的部分值，而跳过其它值。举例来说，在该查找表中存在以0～42索引的值，在步骤18中这些值被相继使用，而在步骤24中，仅有以42、32、24、13、6、0索引的条目被用作候选。

不可避免地，需要在一方面期望尽可能短的启动时间和另一方面有利于将晶体3的损坏风险及能量消耗保持在较低水平的低激励电平之间有所取舍。因为与启动值相关的激励电平仅被短暂使用，因此为了查找到合适的启动值，可能导致启动值距最优值偏离较远的启动值的粗略确定过程是可以接受的，由此可以缩短启动时间。该最优值为与相当大于启动所需电平的激励电平相关的值。

如果在第一启动过程中启动值和运行值在被确认之后已被存储于非易失性存储器6中，那么上述启动过程可被相当大地简化为总是直接执行步骤12至步骤13(图2所示)。然而，如果该启动过程因诸如晶体3属性变化等原因而失败，那么总是可以返回至“第一启动”类型，重新确定并存储启动值和运行值。

参考符号列表

1      设备

2      晶体振荡器

3      晶体

4      振荡器电路

5      处理单元

6      非易失性存储器

7      开关

8      辅助振荡器

9      计数器

10     计数器

11-23  方法步骤

Claims (18)

1.一种启动晶体振荡器(2)的方法，所述晶体振荡器(2)包括晶体(3)和连接于非易失性存储器(6)的振荡器电路(4)，所述振荡器电路内配置有控制所述晶体(3)激励电平的参数，所述方法包括：

将所述参数的值设置为能够使相关激励电平足够高以确保所述晶体振荡器(2)开始振荡的启动值；

修改所述参数的值，以便使所述晶体(3)的激励电平单调降低，同时监测所述晶体振荡器(2)，

其特征在于，所述方法还包括：

在监测所述晶体振荡器(2)期间，确定使所述晶体振荡器(2)中止正常运行的所述参数的衰竭值，并将所述晶体振荡器信号的周期计数偏离基准信号的周期计数的量不超过预定量的这一条件作为正常运行的标准使用；以及

选中所述参数的某一值，以使与该值相关的激励电平超出与所述衰竭值相关的激励电平一定安全系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以离散步长执行对于所述参数的值的修改。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在每一步中，从所述非易失性存储器(6)中的查找表中读取所述参数的值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从事先在步进式修改过程中被使用过的所述参数的值中选出运行值。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述参数中被选中的值作为运行值存储在所述非易失性存储器(6)内。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，选择所述参数的启动值作为所述晶体(3)的规定最大激励电平值。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述参数的启动值是从所述非易失性存储器(6)中被读取的。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，以使相关激励电平足以保证所述晶体振荡器(2)至少有50％的概率能够正常运行为标准选择初始值，来确定所述参数的所述启动值，并监测所述晶体振荡器(2)，

如果发现所述晶体振荡器(2)运行不正常，则修改所述参数的值，以单调增加所述晶体的激励电平，同时监测所述晶体振荡器(2)，直到所述晶体振荡器(2)运行正常为止；

在所述晶体(3)的激励电平至少与同所述参数的值相关的激励电平一样高的情况下，而该情况为所述晶体振荡器(2)被发现为正常运行，则将所述参数的值作为所述启动值存储于所述非易失性存储器(6)内。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从所述非易失性存储器(6)中读取所述参数的初始值。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的方法，其特征在于，其进一步包括：

将所述参数的值设置为所述启动值，并且在一段延时之后，

将所述参数的值修改为所述运行值。

11.用于执行权利要求1至10中任意一项所述方法的装置，其特征在于，包括：

晶体振荡器(2)，其包括晶体(3)以及与所述晶体连接的用于设定所述晶体(3)的激励电平的振荡器电路(4)；

辅助振荡器(8)，其提供基准信号以及至少一个连接于所述晶体振荡器和所述辅助振荡器的计数器(9,10)；

处理单元(5)，其确定至少一个控制所述激励电平的参数并将所述参数提供给所述振荡器电路(4)，所述处理单元(5)用于：

将所述参数的值设置为使与之相关的激励电平足够确保所述晶体振荡器(2)开始正常运行的启动值；

修改所述参数的值以使所述晶体(3)的激励电平单调降低，同时使所述晶体振荡器(2)被监测，直到所述晶体振荡器停止正常运行为止；

并将所述晶体振荡器(2)信号的周期计数偏离基准信号的周期计数的量不超过预定量的这一条件作为正常运行的标准使用，确定使所述晶体振荡器(2)中止正常运行的所述参数的衰竭值；以及

选中所述参数的某一值，以使与该值相关的激励电平超出与所述衰竭值相关的激励电平一定安全系数。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述参数的修改为步进式修改，而所述非易失性存储器(6)包括查找表；所述查找表内存储有应用于所述步进式修改的所述参数的离散值。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，从事先在步进式修改过程中被使用过的所述参数的值中选出运行值。

14.根据权利要求11至13中任意一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元与用于存储所述参数的启动值和所述参数的运行值的非易失性存储器连接，而且所述处理单元用于将选中的所述参数的值作为运行值存储在所述非易失性存储器中。

15.根据权利要求11至14中任意一项所述的装置，其特征在于，所述参数的启动值为存储在所述非易失性存储器中的预定值。

16.根据权利要求11至15中任意一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元(5)通过以下步骤确定所述参数的启动值：

以使相关激励电平足以保证所述晶体振荡器(2)至少有50％的概率能够正常运行为标准选择初始值，并监测所述晶体振荡器(2)是否正常运行；

如果发现所述晶体振荡器(2)运行不正常，则修改所述参数的值，以单调增加所述晶体的激励电平，同时监测所述晶体振荡器(2)，直到所述晶体振荡器(2)运行正常为止；

在所述晶体(3)的激励电平至少与同所述参数的值相关的激励电平一样高的情况下，该情况为所述晶体振荡器(2)被发现为正常运行的情况，则将所述参数的值作为所述启动值存储于所述非易失性存储器(6)内。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述参数的初始值为存储在所述非易失性存储器(6)中的预定值。

18.根据权利要求11至17中任意一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元(5)还用于：

将所述参数的值设置为所述启动值，并且在一段延时之后，

将所述参数的值修改为所述运行值。