CN106063128B

CN106063128B - 振荡器、发送/接收装置和用振荡器产生时钟频率的方法

Info

Publication number: CN106063128B
Application number: CN201580011563.3A
Authority: CN
Inventors: A.潘维茨; I.黑埃曼
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: DE102014204047A1; WO2015132121A1; US10594509B2; CN106063128A; EP3114767A1; EP3114767B1; US20170078113A1

Abstract

示出了一种振荡器（150）、一种用于总线系统（1）的发送/接收装置（12）和一种用于利用该振荡器（150）产生时钟频率的方法。所述振荡器（150）用于产生时钟频率（f），并且所述振荡器（150）包括：限时元件（151），所述限时元件（151）具有用于确定时钟频率（f）的频率的受频率确定的电容（1513）；和比较器（1514），其中所述比较器（1514）被构建用于识别阈值电压（UTH），所述受频率确定的电容（1513）要被充电直至所述阈值电压（UTH），并且其中所述比较器（1514）具有用于偏移补偿的可切换的电容（15147）。

Description

振荡器、发送/接收装置和用振荡器产生时钟频率的方法

技术领域

本发明涉及一种振荡器、一种用于总线系统的发送/接收装置和一种用于利用该振荡器产生时钟频率的方法，所述振荡器、所述发送/接收装置和所述方法例如可以在用于CAN总线系统的作为用于子网运行的CAN收发器的时基（Zeitbasis）的用户站中投入使用。

背景技术

对于在两个或者多个总线用户（诸如（多个）传感器、（多个）控制设备等等）之间的通信，CAN总线系统已经得到广泛流行。在CAN总线系统中，消息借助于CAN协议来传输，如其在ISO11898中的CAN规范中所描述的那样。

为了在总线系统中接收和发送消息，通常发送/接收装置得到应用，所述发送/接收装置关于CAN也被称为CAN收发器。这样的发送/接收装置在较近的时期内的一些应用情况下在CAN中被构建为用于子网运行的CAN收发器，所述CAN收发器也被称为部分网络收发器（Partial-Networking-Transceiver）。对此，所述CAN收发器要配备有高精度的时基。在这种情况下所要求的是：频率容差或时间容差在从﹣40°C至175°C的温度范围中根据抖动（Jitter）具有在+-1％至+/-1.6％之间的值。对时基的另一加重的要求在于：对于整个CAN收发器来说在接收模式下只希望电流消耗＜150μA。

该问题的解决方案可能会在于使用石英或者陶瓷共振器作为时基。然而，该解决方案由于CAN收发器的成本或者空间原因而不予考虑。

发明内容

因而，本发明的任务是提供一种振荡器、一种用于总线系统的发送/接收装置和一种用于利用该振荡器产生时钟频率的方法，所述振荡器、所述发送/接收装置和所述方法解决之前所提到的问题。尤其是应该提供一种振荡器、一种用于总线系统的发送/接收装置和一种用于利用该振荡器产生时钟频率的方法，其中成本有利地实现在CAN发送/接收装置（CAN收发器）的接收模式下只有微小的电流消耗（也就是＜150μA），并且节省空间地（platzsparend）提供高精度的时基。

该任务通过具有权利要求1所述的特征的用于产生时钟频率的振荡器来解决。该振荡器包括限时元件，所述限时元件具有：受频率确定（frequenzbestimmend）的电容，用于确定所述时钟频率的频率；和比较器，其中所述比较器被构建用于识别阈值电压，所述受频率确定的电容要被充电直至所述阈值电压，并且其中所述比较器具有用于偏移补偿的可切换的电容。

利用该振荡器可以提供具有很微小的电流消耗的成本有利的并且高精度的时基。尤其是遵守由一些使用者所要求的在从﹣40°C至175°C的温度范围中的为直至﹢/﹣1.0％频率容差或者时间容差的值，而且遵守在接收模式下电流消耗＜150μA。

此外还有利的是，所述振荡器的尺寸微小，使得该振荡器可以没有问题地被用于总线系统的发送/接收装置、尤其是被用于针对子网运行的CAN收发器。

该振荡器也适合于在更高地时控的系统（诸如CAN-HS、CAN-FD等等）中使用。在CAN-HS总线系统（HS = 高速= Highspeed）中，直至每秒500kBit（500kbps）的数据传输率是可能的。在CAN FD总线系统中，大于每秒1MBit（1Mbps）的数据传输率是可能的。

该振荡器的有利的其它构建方案在从属权利要求中被描述。

所述可切换的电容可能可以与受频率确定的电容串联，和/或所述用于识别阈值电压的比较器具有MOS晶体管。

该振荡器也可具有用于切换电压源的开关，以便给所述比较器供给终端电压，其中当所述开关在偏移阶段中闭合时，所述电压源与所述受频率确定的电容并联，并且其中当所述开关在偏移阶段中闭合时，所述可切换的电容可被充电到终端电压-阈值电压的电压差。

优选地，该振荡器此外还包括如下开关，所述开关用于将所述限时元件的受频率确定的电容与所述可切换的电容串联，其中所述开关在偏移阶段中断开并且在所述受频率确定的电容的充电阶段中闭合。

此外，所述振荡器还可具有用于将所述受频率确定的电容短接的开关，其中所述开关在偏移阶段中闭合并且在所述受频率确定的电容的充电阶段中断开。

该振荡器也可具有用于将比较器的MOS晶体管的漏极和栅极短接的开关，所述比较器的MOS晶体管用于识别阈值电压，其中所述开关在偏移阶段中闭合并且在所述受频率确定的电容的充电阶段中断开。

优选地，该振荡器具有：第二限时元件，所述第二限时元件如第一限时元件那样被构造；和逻辑电路，所述逻辑电路在第一与第二限时元件之间被切换来操控所述可切换的电容。

此外，之前所提到的任务还通过具有权利要求8所述的特征的用于总线系统的用户站的发送/接收装置来解决。所述发送/接收装置被构建用于通过总线系统发送或者接收总线系统的至少一个其它的用户站的消息，在所述总线系统中至少暂时地确保用户站对总线系统的总线的独自的、无冲突的访问，其中所述发送/接收装置具有振荡器和逻辑电路，所述振荡器具有第一和第二限时元件，其中所述第一和第二限时元件相同地构造，并且所述逻辑电路在所述第一与第二限时元件之间切换，并且其中所述振荡器可以如之前所描述的那样被构建。

之前所描述的用户站可以是总线系统的部分，所述总线系统具有总线和至少两个用户站，所述至少两个用户站通过所述总线彼此相连，使得所述至少两个用户站可以彼此进行通信。在这种情况下，所述至少两个用户站中的至少一个用户站具有之前所描述的发送/接收装置。

此外，之前所提到的任务还通过具有权利要求10所述的特征的用于利用振荡器产生时钟频率的方法来解决。在该方法中，该振荡器包括限时元件，所述限时元件具有受频率确定的电容和比较器。该方法包括以下步骤：利用所述比较器的可切换的电容来补偿偏移；利用所述比较器来识别阈值电压，所述受频率确定的电容要被充电直至该阈值电压；并且利用所述受频率确定的电容来确定所述时钟频率的频率。

该方法提供与之前关于振荡器所提到的优点同样的优点。

本发明的其它可能的实施方案也包括之前或者接下来关于实施例所描述的特征或者实施形式的未明确提到的组合。在此，本领域技术人员也将把单个方面作为改进或者补充添加到本发明的相应的基本形式。

附图说明

随后参照随附的附图并且依据实施例进一步描述本发明。附图中：

图1 示出了按照第一实施例的总线系统的简化方框电路图；

图2 示出了用于按照第一实施例的总线系统的发送/接收装置的振荡器的电路图；

图3 示出了图2的振荡器的限时元件的电路图；

图4 示出了用于按照第二实施例的总线系统的发送/接收装置的振荡器的部分的电路图；

图5 示出了图4的具有在偏移阶段中的开关位置的电路图；和

图6示出了图5的具有在电容的充电阶段中的开关位置的电路图。

在所述附图中，只要不另作说明，相同的或者功能相同的元素就配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了总线系统1，所述总线系统1例如可以是CAN总线系统、CAN-FD总线系统等等。总线系统1可以在车辆（尤其是机动车、飞机等等）中或者在医院中等等得到应用。

在图1中，总线系统1具有多个用户站10、20、30，所述用户站10、20、30分别被连接到具有第一总线芯线（Busader）41和第二总线芯线42的总线40上。所述总线芯线41、42也可以被称为CAN_H和CAN_L，并且用于在发送状态下耦合输入显性电平。通过所述总线40可以在所述各个用户站10、20、30之间传输以信号为形式的消息45、46、47。所述用户站10、20、30例如可以是机动车的控制设备或者显示设备。

如在图1中所示出的那样，所述用户站10、30分别具有通信控制装置11和发送/接收装置12。所述发送/接收装置12分别包括振荡器15。而所述用户站20具有通信控制装置11和发送/接收装置13。用户站10、30的发送/接收装置12和用户站20的发送/接收装置13分别直接被连接到所述总线40上，即使这一点在图1中未示出。

所述通信控制装置11用于控制相应的用户站10、20、30通过所述总线40与连接到该总线40上的用户站10、20、30的另一用户站的通信。所述发送/接收装置12用于发送以信号为形式的消息45、47，并且在这种情况下将振荡器15用作时基，如稍后还更详细地被描述的那样。所述通信控制装置11可以如传统的CAN控制器那样被实施。所述发送/接收装置13可以如传统的CAN收发器那样被实施。

图2示出了振荡器15的基本结构，所述振荡器15包括第一限时元件151、第二限时元件152和逻辑电路153。第一限时元件151具有电流源1510、第一开关1511、第二开关1512、电容1513和比较器1514。第二限时元件152具有电流源1520、第一开关1521、第二开关1522、电容1523和比较器1524。所述第一和第二限时元件151、152优选地同样地被构造。

在图2中，逻辑电路153关于所述第一限时元件151被构建为通过连接1531切换第一开关1511。此外，所述逻辑电路153还可以通过连接1532切换第二开关1512。

所述逻辑电路1453关于所述第二限时元件152被构建为通过连接1533切换第一开关1521。此外，所述逻辑电路153还可以通过连接1534切换第二开关1522。如在图2中所阐明的那样，所述逻辑电路153将最终得到的频率f输出给发送/接收装置12作为时基。所述频率f也可以被称作所述振荡器15的振荡频率或者时钟频率。

在振荡器15中，通过所述电容1513、1523直至确定的电压阈的充电时间来确定所述振荡频率或者时钟频率。所述比较器1514用于识别电压阈。这一点也依据图3进一步来解释。

图3更精确地示出了关于图2的电流源1510和比较器1514的的第一限时元件151。在图3中，图2的电流源1510是 MOS晶体管15100，所述MOS晶体管15100也可以被称作MOSFET（Metall-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor = 金属-氧化物半导体-场效应晶体管）。所述MOS晶体管15100的栅极电压由调节电路15101来确定。按照图3，图2的比较器1514包括电流源15141和MOS晶体管15142。所述逻辑电路153由驱动器15143来操控。

调节电路15101包括恒定电流源15102、与MOS晶体管15142同样的MOS晶体管15103、MOS晶体管15104、电阻15105、放大器15106、MOS晶体管15107和MOS晶体管15108。MOS晶体管15108的栅极不仅与MOS晶体管15100的栅极相连而且与MOS晶体管15104的栅极相连。所述MOS晶体管15100、15104、15108形成电流镜。电阻15105在其一侧上与MOS晶体管15104的漏极端子相连并且与放大器15106的反相端子相连。所述电阻15105在其另一侧上接地。MOS晶体管15103的漏极端子和栅极以及电流源15102都被连接到所述放大器15106的同相端子上。

在图3中的电路中，经过第一开关1511的电流I被确定为：

其中U_TH是所述MOS晶体管15103的阈值电压或门限电压并且是所述MOS晶体管15142的开关阈（Schaltschwelle），而且R是所述电阻15105的电阻值。

所述MOS晶体管15100、15104、15108也可以是任意其它的半导体开关或者晶体管（诸如双极晶体管等等）。

在图2或图3的电路的情况下，在第一和第二限时元件151、152中通过操纵所述开关1511、1512、1521、1522交替地借助于相应的电流源1510、1520的电流将所述受频率确定的电容1513或者1523充电直至终端电压。在不活跃的限时元件151的情况下，所述电容1513完全被放电。在不活跃的限时元件152的情况下，所述电容1523完全被放电。因此，得到预先确定的频率f，所述预先确定的频率f可以用作所述发送/接收装置12的时基。

因此，按照本实施例的振荡器15具有简单的MOS晶体管作为比较器1514。在所述振荡器15中，所述电容1513从0V被充电直至所述MOS晶体管15103的阈值电压或门限电压U_TH。所述阈值电压或门限电压U_TH可具有从0.4至0.8V的值。该原理的优点是同时在微小的切换延迟的情况下有微小的电流消耗。调节电路15101根据相应的阈值电压U_TH来产生所述电容1513的充电电流。

因此，所述振荡器15可以提供用于所述发送/接收装置12的所要求的精确的、节省电流的、成本有利的并且节省空间的时基。

图4示出了按照第二实施例的振荡器150的第一限时元件151和逻辑电路153。所述振荡器150的第二限时元件在图4中未示出，然而以与所述第一限时元件151相同的方式被构造，而且同样被连接到所述逻辑电路153上。

在按照本实施例的振荡器150中，所述比较器1514具有电压源15144、第一开关15145、第二开关15146、电容15147和第三开关15148，所述电压源15144规定充电过程的终端电压U_End。图4中的电流源1510被实施，使得所述充电电流由于固定的终端电压U_End是固定的或者与所述终端电压U_End成比例。

图4的元件15144至15146用于偏移补偿。为了清楚起见，在图4中没有示出在所述逻辑电路153与所述开关1511、1512、15145、15146、15148之间的连接。

如在图5中所示出的那样，所述开关1512、15145、15148在偏移阶段中闭合。如在图6中所示出的那样，所述开关1511、15146在所述受频率确定的电容1513的充电阶段期间闭合。在所述电压源15144上的终端电压U_End是可自由选择的电压，所述受频率确定的电容1513被充电直至所述可自由选择的电压。所述比较器1514因此是具有被切换的电容的比较器或者SC比较器（SC=开关电容（switched capacitor））。

在所述第一限时元件151中，也在图4或图5和图6的电路的情况下通过利用逻辑电路153操纵所述开关1511、1512交替地借助于所述电流源1510的电流将所述受频率确定的电容1513充电直至所述终端电压U_End。在不活跃的第一限时元件151的情况下，所述电容1513完全被放电。所述第二限时元件起与已经关于第一实施例所描述的那样相同的作用。

在偏移阶段中，在图5的电路的情况下，通过闭合第三开关15148来短接MOS晶体管15142的漏极和栅极。借此，也被称为门限电压的阈值电压U_TH被映射在MOS晶体管15142的栅极上。同时，也可被称作串联电容的电容15147被接在所述MOS晶体管15142的栅极与所述电压源15144之间。该电压源15144确定了针对所述受频率确定的电容1513的稍后的充电斜坡（Aufladerampe）的终端。所述电容15147被充电到由终端电压U_End与阈值电压U_TH构成的电压差UDiff，使得适用：

。

在偏移阶段之后进行充电阶段，所述充电阶段最后确定了所述振荡器150的频率f并且以图6来示出。在这种情况下，终端电压源的电容15147被接到完全被放电的受频率确定的电容1513上。当然，事先结束了在所述MOS晶体管15142的栅极与漏极之间的短路。作为结果，现在来自电容15147的负电压在该初始时刻附在所述MOS晶体管15142的栅极上。现在，所述受频率确定的电容1513如此长地被充电，直至达到所述终端电压U_End。所述MOS晶体管15142的栅极电压总是以所述电压差来跟随在所述受频率确定的电容1513上的电压，所述电压差被存储在所述电容15147上。因此，在达到所述终端电压U_End时，同时达到所述阈值电压U_TH，而且所述比较器1514停止该过程。

所述第二限时元件以与所述第一限时元件151相同的方式工作。

因此，也在所述振荡器150中通过所述第一限时元件151的电容1513或所述第二限时元件152的电容1523直至确定的电压阈的充电时间来确定振荡频率或者时钟频率，所述电压阈在本实施例中是阈值电压U_TH。

利用图4或图5和图6的电路来补偿了：所述MOS晶体管15142的阈值电压U_TH是微小的并且经受过程容差以及过程容差在温度范围内剧烈地波动。因此，所述识别电压阈的比较器1514的与温度有关的延迟时间可以作为主要误差源在产生精确的时钟频率f时被排除。此外，在所述振荡器150中不再必要的是：花费大地利用按照图3的调节电路15101来产生所述电容1513的充电电流，所述调节电路15101根据相应的阈值电压U_TH来产生所述电容1513的充电电流。因为在按照本实施例的振荡器150中不再必需图3的调节电路15101，因此所述按照图3的调节电路15101作为其它的误差源被删去。

利用图4或图5和图6的电路也避免了：由于在所述电容1513上微小的电压升高速度，所述振荡器150的切换延迟大。利用图4或图5和图6的电路，在所述电容1513上的电压提升更大，使得所述MOS晶体管15142的门限电压U_TH更快地被超过，并且所述驱动器15143的输入更快地向下拉。

概括地，在比较器1514中，所述延迟时间和温度相关性是微小的。用于发送/接收装置12的按照本实施例的振荡器150具有特别微小的电流消耗，所述特别微小的电流消耗在所要求的150μA之下。此外，在从﹣40℃至175℃的温度范围内的频率容差或时间容差在为+/-1.6％的值之下。此外，因为在硅上只存在很微小的面积消耗（Flaechenverbrauch），所以所述振荡器150还可以非常成本有利地和节省空间地来实现。

因此，所述振荡器150具有类似于例如石英等等的微小的电流消耗。此外，所述振荡器150在所希望的从﹣40℃至175℃的温度范围内具有非常好的频率稳定性。所述振荡器150相对于石英或陶瓷共振器的优点也在于所述振荡器150的微小的机械灵敏度、快速的起振和微小的成本。除此之外，石英或陶瓷共振器还要求在集成电路（IC）上有一至两个端子（管脚（Pins））。在石英或陶瓷共振器中，用于连接焊眼（焊接区（Bondpad））的空间已经大于所介绍的解决方案（即所述振荡器150）。

此外，按照本实施例的总线系统以与按照第一实施例的总线系统1相同的方式被构造。

按照所述第一和第二实施例的振荡器15、150、发送/接收装置12、用户站10、20、30、总线系统1和方法的所有之前所描述的构建方案可以单个地或者以所有的可能的组合得到应用。附加地，尤其是如下的修改方案是可设想的。

依据基于所述CAN协议的总线系统来描述按照所述第一和第二实施例的之前所描述的总线系统1。然而，按照所述第一和/或第二实施例的总线系统1也可以是另一类型的通信网络。有利的、然而不是必要条件的是：在所述总线系统1中，至少在确定的时间段内确保用户站10、20、30对总线线路40或者该总线线路40的共同信道的独自的、无冲突的访问。

尤其是，按照所述第一实施例和/或第二实施例的总线系统1是CAN网络或者CAN-HS网络或者CAN FD网络或者FlexRay网络。

在按照所述第一和第二实施例的总线系统1中的用户站10、20、30的数量和布局是任意的。尤其是，在所述第一或者第二实施例的总线系统1中也可以只存在用户站10或者用户站30。

之前所描述的实施例的功能性可以在收发器或发送/接收装置12或收发器或者CAN收发器或者收发器-芯片组或者CAN收发器-芯片组中被实现或者也可以在通信控制装置11等等中被实现。附加地或者可替换地可以集成到现有的产品中。尤其是可能的是：所考虑的功能性或者在收发器中被实现为单独的电子组件（芯片）或者被嵌入在其中只存在电子组件（芯片）的被集成的总解决方案中。

Claims

1.用于产生时钟频率（f）的振荡器（150），所述振荡器（150）具有：

第一限时元件（151），所述第一限时元件（151）具有比较器（1514）和用于确定所述时钟频率（f）的频率的受频率确定的电容（1513），

其中所述比较器（1514）被构建用于识别阈值电压（U_TH），所述受频率确定的电容（1513）要被充电直至所述阈值电压（U_TH），并且

其中所述比较器（1514）具有用于偏移补偿的能切换的电容（15147），

其中所述比较器（1514）为了识别阈值电压（U_TH）而具有MOS晶体管（15142），所述MOS晶体管（15142）的栅极与所述能切换的电容（15147）的一端相连，

其中所述振荡器（150）此外还具有用于将所述比较器（1514）的所述MOS晶体管（15142）的漏极和栅极短接的开关（15148），其中所述开关（15148）在偏移阶段中闭合并且在所述受频率确定的电容（1513）的充电阶段中断开。

2.根据权利要求1所述的振荡器（150），

其中所述能切换的电容（15147）能够与所述受频率确定的电容（1513）串联。

3.根据权利要求1或2所述的振荡器（150），

所述振荡器（150）此外还具有用于切换电压源（15144）的开关（15145），以便给所述比较器（1514）供给终端电压（U_End），

其中当所述开关（15145）在偏移阶段中闭合时，所述电压源（15144）与所述受频率确定的电容（1513）并联，并且

其中当所述开关（15145）在所述偏移阶段中闭合时，所述能切换的电容（15147）能够被充电到终端电压（U_End）-阈值电压（U_TH）的电压差。

4.根据权利要求1或2所述的振荡器（150），

所述振荡器（150）此外还具有如下开关（15146），所述开关（15146）用于将所述第一限时元件（151）的受频率确定的电容（1513）与所述能切换的电容（15147）串联，

其中所述开关（15146）在偏移阶段中断开并且在所述受频率确定的电容（1513）的充电阶段中闭合。

5.根据权利要求1或2所述的振荡器（150），

所述振荡器（150）此外还具有用于将所述受频率确定的电容（1513）短接的开关（1512），

其中所述开关（1512）在偏移阶段中闭合并且在所述受频率确定的电容（1513）的充电阶段中断开。

6.根据权利要求1或2所述的振荡器（150），所述振荡器（150）此外还具有：

第二限时元件（152），所述第二限时元件（152）如所述第一限时元件（151）那样被构造，并且

逻辑电路（153），所述逻辑电路（153）在所述第一限时元件（151）与所述第二限时元件（152）之间被切换来操控所述能切换的电容（1513）。

7.用于总线系统（1）的用户站（10；30）的发送/接收装置（12），

其中所述发送/接收装置（12）用于通过所述总线系统（1）发送或者接收所述总线系统（1）的至少一个其它的用户站的消息（45；46；47），在所述总线系统（1）中至少暂时地确保用户站（10、20、30）对所述总线系统（1）的总线（40）的独自的、无冲突的访问，

其中所述发送/接收装置（12）具有振荡器（15；150）和逻辑电路（153），所述振荡器（15；150）具有第一和第二限时元件（151、152），

其中所述第一和第二限时元件（151、152）相同地构造，而且所述逻辑电路（153）在所述第一和第二限时元件（151、152）之间被切换，并且

其中所述振荡器（150）能根据上述权利要求之一被构建。

8.总线系统（1），其具有：

总线（40），和

至少两个用户站（10；20；30），所述至少两个用户站（10；20；30）通过所述总线（40）彼此相连，使得所述至少两个用户站（10；20；30）能够彼此进行通信，

其中所述至少两个用户站（10；20；30）中的至少一个用户站具有根据权利要求7所述的发送/接收装置（12）。

9.用于利用振荡器（150）产生时钟频率（f）的方法，其中所述振荡器（150）包括限时元件（151），所述限时元件（151）包括受频率确定的电容（1513）和比较器（1514），其中所述方法包括如下步骤：

利用所述比较器（1514）的能切换的电容（15147）来补偿偏移；

利用所述比较器（1514）来识别阈值电压（U_TH），所述受频率确定的电容（1513）要被充电直至所述阈值电压（U_TH），其中所述比较器（1514）为了识别阈值电压（U_TH）而具有MOS晶体管（15142），所述MOS晶体管（15142）的栅极与所述能切换的电容（15147）的一端相连，其中所述振荡器（150）此外还具有用于将所述比较器（1514）的所述MOS晶体管（15142）的漏极和栅极短接的开关（15148），其中所述开关（15148）在偏移阶段中闭合并且在所述受频率确定的电容（1513）的充电阶段中断开；并且

利用所述受频率确定的电容（1513）来确定所述时钟频率（f）的频率。