CN106656120B - 时钟补偿电路、时钟电路和微控制器 - Google Patents

时钟补偿电路、时钟电路和微控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时钟补偿电路、时钟电路和微控制器。其中，该时钟补偿电路包括：检测电路，用于检测时钟电路中对目标电容进行调节的电容控制参数，其中，目标电容用于控制时钟电路输出的时钟频率；控制单元，连接至检测电路，用于根据检测电路检测到的电容控制参数控制目标电容，以调节时钟电路输出的时钟频率。通过本申请，解决了相关技术中时钟电路输出的时钟频率波动较大的问题。

Description

时钟补偿电路、时钟电路和微控制器
技术领域
本申请涉及电路设计领域，具体而言，涉及一种时钟补偿电路、时钟电路和微控制器。
背景技术
时钟作为微控制器中重要的一个模块，较高的精度和较宽的电源工作范围，对于提高整个芯片的性能具有较为重要的意义。通常，RC时钟由于其结构较为简单，在集成电路中被广泛应用。但是RC时钟精度往往受内部电阻、电容的精度以及电源和温度所限，不能在全温度全电压下达到非常高的精度。甚至在实际的应用中时钟在全温度范围和全电压范围内频率波动对芯片精度产生偏差达到了±2％。因此，相关技术中由于时钟所处的环境温度和电源电压大范围波动造成频率时钟波动，进而引起微控制器精度产生较大偏差。
针对相关技术中时钟电路输出的时钟频率波动较大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种时钟补偿电路、时钟电路和微控制器，以解决相关技术中时钟电路输出的时钟频率波动较大的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种时钟补偿电路。该时钟补偿电路包括：检测电路，用于检测时钟电路中对目标电容进行调节的电容控制参数，其中，目标电容用于控制时钟电路输出的时钟频率；控制单元，连接至检测电路，用于根据检测电路检测到的电容控制参数控制目标电容，以调节时钟电路输出的时钟频率。
进一步地，该检测电路包括：电压检测电路，用于检测时钟电路的电源电压，其中，电源电压为电容控制参数。
进一步地，该控制单元包括：第一转换模块，用于将电压检测电路检测到的电源电压对应的模拟信号转化为第一数字信号；第一传输模块，用于将第一数字信号输入目标电容所处的电路；以及第一控制模块，用于在目标电容所处的电路中通过第一数字信号控制目标电容的电容值，以调节时钟电路输出的时钟频率。
进一步地，该检测电路还包括：温度检测电路，用于检测时钟电路所处环境的环境温度，其中，环境温度为电容控制参数。
进一步地，该控制单元还包括：第二转换模块，用于将温度检测电路检测到的环境温度对应的模拟信号转化为第二数字信号；第二传输模块，用于将第二数字信号输入目标电容所处的电路；以及第二控制模块，用于在目标电容所处的电路中通过第二数字信号控制目标电容的电容值，以调节时钟电路输出的时钟频率。
进一步地，该第二控制模块包括：第一比较子模块，用于将检测到的环境温度与预设温度进行数值比较；第一调节子模块，用于在比较出环境温度小于预设温度的情况下，通过第二数字信号将目标电容的电容值调小至第一目标电容值；第二调节子模块，用于在比较出环境温度大于预设温度的情况下，通过第二数字信号将目标电容的电容值调大至第二目标电容值。
进一步地，该第一控制模块包括：第二比较子模块，用于将电源电压与预设电压进行数值比较；第三调节子模块，用于在比较出电源电压小于预设电压的情况下，通过第一数字信号将目标电容的电容值调小至第三目标电容值；第四调节子模块，用于在比较出电源电压大于预设电压的情况下，通过第一数字信号将目标电容的电容值调大至第四目标电容值。
进一步地，该检测电路还包括：比较器电路，设置在检测电路中，用于将检测电路检测到的电容控制参数进行模数转化处理，以转化为对应的数字信号，其中，控制单元，还用于根据对应的数字信号对目标电容进行控制，以调节时钟电路输出的时钟频率。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种时钟电路，包括上述任一项的时钟补偿电路。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种微控制器，包括该时钟电路。
通过本申请，采用包括以下结构的时钟补偿电路：检测电路，用于检测时钟电路中对目标电容进行调节的电容控制参数，其中，目标电容用于控制时钟电路输出的时钟频率；控制单元，连接至检测电路，用于根据检测电路检测到的电容控制参数控制目标电容，以调节时钟电路输出的时钟频率，解决了相关技术中时钟电路输出的时钟频率波动较大的问题。通过根据检测电路检测到的电容控制参数控制在时钟电路上的目标电容，从而调节时钟电路输出的时钟频率，进而达到了减小时钟电路输出的时钟频率的波动的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的时钟补偿电路的示意图；
图2是相关技术中的时钟电路的结构图；
图3是相关技术中的时钟电路的工作原理图；
图4是相关技术中的时钟电路在全电压范围内的频率变化的示意图；
图5是相关技术中的时钟电路在全温度范围内的频率变化的示意图；
图6是根据本申请实施例提供的时钟电路的结构图；
图7是根据本申请实施例提供的时钟电路在全电压范围内的频率变化的示意图；
图8是根据本申请实施例提供的时钟电路在全温度范围内的频率变化的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本申请的实施例，提供了一种时钟补偿电路。
图1是根据本申请实施例提供的时钟补偿电路的示意图。如图1所示，该时钟补偿电路包括以下结构：
检测电路10，用于检测时钟电路中对目标电容进行调节的电容控制参数，其中，目标电容用于控制时钟电路输出的时钟频率。
在本申请中，通过时钟补偿电路中的检测电路10检测时钟电路中的电容控制参数，该电容控制参数为对目标电容进行调节的参数。在本申请中的目标电容为可以控制时钟电路输出的时钟频率的电容。
控制单元20，连接至检测电路10，用于根据检测电路10检测到的电容控制参数控制目标电容，以调节时钟电路输出的时钟频率。
通过时钟补偿电路中的与检测电路10相连的控制单元20，根据检测电路10检测到的电容控制参数控制目标电容，从而调节时钟电路输出的时钟频率。
通过本申请中的时钟补偿电路中的检测电路10和控制单元20，对时钟电路进行补偿，从而调节时钟电路输出的时钟频率，减小了时钟电路输出的时钟频率的波动。
可选地，在本申请实施例提供的时钟补偿电路中，该检测电路10包括：电压检测电路10，用于检测时钟电路的电源电压，其中，电源电压为电容控制参数。
具体地，电源电压为电容控制参数时，在本申请实施例提供的时钟补偿电路的检测电路10中，包括用于检测时钟电路的电源电压的温度检测电路。检测电路10中的温度检测电路检测到时钟电路的电源电压，根据该电源电压控制目标电容，以调节时钟电路输出的时钟频率。
可选地，在本申请实施例提供的时钟补偿电路中，该控制单元20包括：第一转换模块，用于将检测电路10检测到的电源电压对应的模拟信号转化为第一数字信号；第一传输模块，用于将第一数字信号输入目标电容所处的电路；以及第一控制模块，用于在目标电容所处的电路中通过第一数字信号控制目标电容的电容值，以调节时钟电路输出的时钟频率。
例如，检测电路10检测时钟电路的电源电压为5.3V。电压检测电路检测到的电源电压对应的模拟信号转化为第一数字信号。也即，第一转换模块将5.3V转化为第一数字信号，第一控制模块在目标电容所处的电路中通过第一数字信号控制目标电容的电容值，以调节时钟电路输出的时钟频率。需要说明的是，对于以上用于举例的数值，只是举例说明，并不代表实际电路运行过程中正常调节的数字，只是对于本申请中的技术进行举例说明。
可选地，在本申请实施例提供的时钟补偿电路中，该第一控制模块包括：第二比较子模块，用于将电源电压与预设电压进行数值比较；第三调节子模块，用于在比较出电源电压小于预设电压的情况下，通过第一数字信号将目标电容的电容值调小至第三目标电容值；第四调节子模块，用于在比较出电源电压大于预设电压的情况下，通过第一数字信号将目标电容的电容值调大至第四目标电容值。
例如，时钟电路运行的电源电压的范围为：2.7V～5.5V，预设电压为5V，第二比较子模块将检测到的电源电压与预设电压进行数值比较，如果检测到的电源电压为4.5V，小于预设电压5V，如果目标电容的电容值为110F，该目标电容的可调范围为50F～550F，在比较出电源电压小于预设电压的情况下，第三调节子模块将目标电容的电容值110F调小至100F。如果检测到的电源电压为5.3V，大于预设电压5V，在比较出电源电压大于预设电压的情况下，第四调节子模块将目标电容的电容值110F调大至130F。需要说明的是，对于以上用于举例的数值，只是举例说明，并不代表实际电路运行过程中正常调节的数字，只是对于本申请中的技术进行举例说明。
可选地，在本申请实施例提供的时钟补偿电路中，该检测电路10还包括：温度检测电路，用于检测时钟电路所处环境的环境温度，其中，环境温度为电容控制参数。
具体地，环境温度为电容控制参数时，在本申请实施例提供的时钟补偿电路的检测电路10中包括检测时钟电路所处环境的环境温度的温度检测电路。检测电路10中的温度检测电路检测到的时钟电路所处环境的环境温度，根据该环境温度控制目标电容，以调节时钟电路输出的时钟频率。
可选地，在本申请实施例提供的时钟补偿电路中，该控制单元20还包括：第二转换模块，用于将检测电路10检测到的环境温度对应的模拟信号转化为第二数字信号；第二传输模块，用于将第二数字信号输入目标电容所处的电路；以及第二控制模块，用于在目标电容所处的电路中通过第二数字信号控制目标电容的电容值，以调节时钟电路输出的时钟频率。
需要说明的是，在本申请中，预先建立了环境温度与电压值之间的映射关系，例如，检测电路10检测时钟电路所处环境的环境温度为25℃，环境温度25℃对应电压值为5V，检测电路10检测时钟电路所处环境的环境温度为26摄氏度，环境温度26℃对应电压值为5.1V等等。因此，温度检测电路检测到的环境温度对应的模拟信号具体是：温度检测电路检测到的环境温度对应的电压值，该电压值对应的模拟信号。也即，第二转换模块将温度检测电路检测到的环境温度对应的电压值对应的模拟信号转化为第二数字信号，第二控制模块在目标电容所处的电路中通过第二数字信号控制目标电容的电容值，以调节时钟电路输出的时钟频率。需要说明的是，对于以上用于举例的数值，只是举例说明，并不代表实际电路运行过程中正常调节的数字，只是对于本申请中的技术进行举例说明。
可选地，在本申请实施例提供的时钟补偿电路中，该第二控制模块包括：第一比较子模块，用于将检测到的环境温度与预设温度进行数值比较；第一调节子模块，用于在比较出环境温度小于预设温度的情况下，通过第二数字信号将目标电容的电容值调小至第一目标电容值；第二调节子模块，用于在比较出环境温度大于预设温度的情况下，通过第二数字信号将目标电容的电容值调大至第二目标电容值。
例如，时钟电路所处环境的环境温度的温度范围为：-40℃～125℃，预设温度为25℃，第一比较子模块将检测到的温度与预设温度进行数值比较，如果检测到环境温度为15℃，小于预设温度为25℃，如果目标电容的可调范围为50F～550F，目标电容的电容值为110F，在比较出温度小于预设电压的情况下，第一调节子模块将目标电容的电容值110F调小至100F。如果检测到环境温度为27℃，大于预设温度为25℃，在比较出温度大于预设电压的情况下，第二调节子模块将目标电容的电容值110F调大至130F。需要说明的是，对于以上用于举例的数值，只是举例说明，并不代表实际电路运行过程中正常调节的数字，只是对于本申请中的技术进行举例说明。
可选地，在本申请实施例提供的时钟补偿电路中，该检测电路10还包括：比较器电路，设置在检测电路10中，用于将检测电路10检测到的电容控制参数进行模数转化处理，以转化为对应的数字信号，其中，控制单元20，还用于根据对应的数字信号对目标电容进行控制，以调节时钟电路输出的时钟频率。
本申请中比较器电路的比较器，根据正相输入端的电位高于反相输入端，输出高电平；反相输入端的电位高于正相输入端，输出低电平的自身特性，将检测电路10检测到的电容控制参数对应的模拟信号，转化为对应的数字信号。例如，对应的数字信号为101010011，根据该二进制编码对目标电容进行控制，以调节时钟电路输出的时钟频率。
需要说明的是，在本申请的时钟补偿电路的结构中，在较低电压范围内，根据实际的精度要求，增加若干个比较器电路，而且比较器电路需要内部做些迟滞电压，保证比较器产生数字信号不会产生紊乱。由于时钟电路的输出时钟频率与环境温度是直线关系，根据实际的温度范围，在保证精度的前提下，设计数字控制的位数；在比较器电路内部做些迟滞电压，从而保证比较器产生数字信号不会产生紊乱。
本发明实施例提供的时钟补偿电路，通过检测电路10检测时钟电路中对目标电容进行调节的电容控制参数，其中，目标电容用于控制时钟电路输出的时钟频率；控制单元20，连接至检测电路10，根据检测电路10检测到的电容控制参数控制目标电容，以调节时钟电路输出的时钟频率，解决了相关技术中时钟电路输出的时钟频率波动较大的问题。通过根据检测电路10检测到的电容控制参数控制在时钟电路上的目标电容，从而调节时钟电路输出的时钟频率，进而达到了减小时钟电路输出的时钟频率的波动的效果。
下面以对比描述进行说明。图2是相关技术中的时钟电路的结构图。如图2所示，图2中展示了一通用结构的芯片内部时钟电路结构图。一个与基准电流源成1：M正比的电流偏置加在Rtrim和R0的支路上。图3是相关技术中的时钟电路的工作原理图。如图3所示，产生一个随着时钟跳变的电压偏置(Vinp+和Vinp-)给到高速比较器的一端，另一端是通过两个可以切换的电流源给电容充放电得到一个锯齿波电压Vinn，两端电压通过高速比较器最后得到一个方波时钟；由于在芯片实际制造的过程中得到的电容电阻往往比理想标称的电容值和电阻值可能最大会有20％的偏差，导致实际做出来的内部时钟电路在没有内部校正电路的基础上很难达到很高的精度，而且即使有内部校正电路的存在，也会由于芯片所处的工作电压以及温度不同而产生大约5％的偏差。
图4是相关技术中的时钟电路在全电压范围内的频率变化的示意图。通过图4的实际测试结果中可以看出输出频率与电源电压的关系并不是直线关系，而是在电源电压较低的范围内变化较为剧烈。在图4中可以看出在全电压范围由于电源电压变化造成的输出频率变化大约为5％。
图5是相关技术中的时钟电路在全温度范围内的频率变化的示意图。如图5所示，输出频率与环境温度是直线关系，在全温度范围内由于电源电压变化造成的输出频率变化大约为±2.5％。
图6是根据本申请实施例提供的时钟电路的结构图。图6的电路中增加了本申请中的检测电路，具体地，增添了电压检测电路(Power sense)进行电源电压检测，将电源电压对应的模拟信号转化成二进制编码(模拟信号对应的数字信号)，将二进制编码(模拟信号对应的数字信号)加在C_trim电路上，控制连接在系统环路内部电容大小从而调节电路输出频率，达到对电源电压自动补偿的效果。
根据包括电压检测电路(Power sense)的时钟电路进行检测，得到结果如图7所示。图7是根据本申请实施例提供的时钟电路在全电压范围内的频率变化的示意图；通过图7的实际测试结果可以看出，在电源电压较低的范围内变化较为稳定，在全电压范围由于电源电压变化造成的输出频率变化大约为±0.6％。也即，对时钟电路进行电源电压自动补偿，从而调节时钟电路输出的时钟频率，减小了时钟电路输出的时钟频率的波动。
可选的，在图6的电路中还增加了本申请中的检测电路，具体地，增添了温度检测电路(Temperature sense)，将时钟电路所处环境的环境温度对应的模拟信号转化成二进制编码(模拟信号对应的数字信号)，将二进制编码(模拟信号对应的数字信号)加在C_trim电路上，控制连接在系统环路内部电容大小从而调节电路输出频率，达到对温度的自动补偿的效果。
根据包括温度检测电路(Temperature sense)的时钟电路进行检测，得到结果如图8所示。图8是根据本申请实施例提供的时钟电路在全温度范围内的频率变化的示意图。通过图8的实际测试结果可以看出，在全温度范围内变化较为稳定，在全温度范围之内能够达到±0.6％的精度。也即，通过对时钟电路进行温度进行自动补偿，从而调节时钟电路输出的时钟频率，减小了时钟电路输出的时钟频率的波动。
本发明实施例还提供了一种时钟电路，该时钟电路包括本发明实施例提供的任意一种时钟补偿电路。本发明提供的任意一种时钟补偿电路的时钟电路，根据调节时钟电路输出的时钟频率，从而减小了时钟频率的波动，进而达到了减小微控制器精度的偏差的效果，进而达到了减小时钟电路输出的时钟频率的波动的效果。
需要说明的是，上述的时钟电路中包含的时钟补偿电路与上述实施例中的时钟补偿电路相同或类似，涉及的具体内容或功能在上述实施例中详细阐述，在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种微控制器，该微控制器包括本发明实施例提供的时钟电路。本发明提供的微控制器，根据调节时钟电路输出的时钟频率，从而减小了时钟电路输出的时钟频率的波动，保证了包含微控制器的芯片的精度偏差。
需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种时钟补偿电路，其特征在于，包括：
检测电路，用于检测时钟电路中对目标电容进行调节的电容控制参数，其中，所述目标电容用于控制所述时钟电路输出的时钟频率；
控制单元，连接至所述检测电路，用于根据所述检测电路检测到的所述电容控制参数控制所述目标电容，以调节所述时钟电路输出的时钟频率，其中，所述检测电路包括：电压检测电路，用于检测所述时钟电路的电源电压，所述电源电压为所述电容控制参数；
其中，所述控制单元包括：第一转换模块，用于将所述电压检测电路检测到的所述电源电压对应的模拟信号转化为第一数字信号；第一传输模块，用于将所述第一数字信号输入所述目标电容所处的电路；以及第一控制模块，用于在所述目标电容所处的电路中通过所述第一数字信号控制所述目标电容的电容值，以调节所述时钟电路输出的时钟频率；或者，
所述检测电路还包括：比较器电路，设置在所述检测电路中，用于将所述检测电路检测到的电容控制参数进行模数转化处理，以转化为对应的数字信号，其中，所述控制单元，还用于根据所述对应的数字信号对所述目标电容进行控制，以调节所述时钟电路输出的时钟频率。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述检测电路还包括：
温度检测电路，用于检测所述时钟电路所处环境的环境温度，其中，所述环境温度为所述电容控制参数。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述控制单元还包括：
第二转换模块，用于将所述温度检测电路检测到的所述环境温度对应的模拟信号转化为第二数字信号；
第二传输模块，用于将所述第二数字信号输入所述目标电容所处的电路；以及
第二控制模块，用于在所述目标电容所处的电路中通过所述第二数字信号控制所述目标电容的电容值，以调节所述时钟电路输出的时钟频率。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第二控制模块包括：
第一比较子模块，用于将检测到的所述环境温度与预设温度进行数值比较；
第一调节子模块，用于在比较出所述环境温度小于所述预设温度的情况下，通过所述第二数字信号将所述目标电容的电容值调小至第一目标电容值；
第二调节子模块，用于在比较出所述环境温度大于所述预设温度的情况下，通过所述第二数字信号将所述目标电容的电容值调大至第二目标电容值。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一控制模块包括：
第二比较子模块，用于将所述电源电压与预设电压进行数值比较；
第三调节子模块，用于在比较出所述电源电压小于所述预设电压的情况下，通过所述第一数字信号将所述目标电容的电容值调小至第三目标电容值；
第四调节子模块，用于在比较出所述电源电压大于所述预设电压的情况下，通过所述第一数字信号将所述目标电容的电容值调大至第四目标电容值。
6.一种时钟电路，其特征在于，包括：权利要求1至权利要求5中任一项所述的时钟补偿电路。
7.一种微控制器，其特征在于，包括：权利要求6中所述的时钟电路。
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