CN112290935B - 一种晶体振荡器频率调整方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体振荡器频率调整电路，包括：微控制单元、飞行时间单元、晶体振荡器、步进调整单元和标准时钟信号产生单元；标准时钟信号产生单元用于产生标准时钟信号；飞行时间单元用于采集计时启动信号输入端的信号与计时停止信号输入端的信号的时间差，从输出端输出时间差值；微控制单元用于根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元的计时启动信号输入端输出计时启动信号，并基于时间差值控制步进调整单元调整步进，以调整晶体振荡器的晶振频率，调整晶振时钟信号向标准时钟信号同步。本发明实施例通过飞行时间单元采集的时间差值来调整晶体振荡器的频率，实现晶振时钟信号与标准时钟信号的同步，提高了计量精度。

Description

一种晶体振荡器频率调整方法及电路

技术领域

本发明实施例涉及晶振计量领域，尤其涉及一种晶体振荡器频率调整方法及电路。

背景技术

秒脉冲信号在不考虑抖动误差的情况下与世界协调时间是同步的，所以一般采用秒脉冲信号相邻两个上升沿之间的标准秒脉冲来计算晶振的时间周期。

在现有技术中，一般假设每一个秒脉冲信号上升沿来临时，晶振的频率也是上升沿，通过计算两个相邻秒脉冲信号上升沿之间的晶振周期个数，从而得到晶振的频率。

现有技术方案中，一般只计数晶振的完整周期个数而忽略不完整周期个数，这样，相比于实际的晶振周期，计量的并不精准。

发明内容

本发明提供一种晶体振荡器频率调整方法及电路，实现对晶振周期的精确计算和动态调整，减小计量精度的误差。

为达此目的，第一方面，本发明实施例提供了一种晶体振荡器频率调整电路，包括：微控制单元、飞行时间单元、晶体振荡器、步进调整单元和标准时钟信号产生单元；

所述标准时钟信号产生单元用于产生标准时钟信号；

所述飞行时间单元的计时启动信号输入端与所述微控制单元连接，所述飞行时间单元的第一计时停止信号输入端与所述标准时钟信号产生单元连接，所述飞行时间单元的输出端与所述微控制单元连接，所述飞行时间单元用于采集计时启动信号输入端的信号与计时停止信号输入端的信号的时间差，从输出端输出时间差值；

所述微控制单元与所述标准时钟信号产生单元、所述晶体振荡器和所述步进调整单元连接，所述步进调整单元与所述晶体振荡器连接；

所述微控制单元用于根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向所述飞行时间单元的计时启动信号输入端输出计时启动信号，并基于所述时间差值控制所述步进调整单元调整步进，以调整所述晶体振荡器的晶振频率，调整所述晶振时钟信号向所述标准时钟信号同步。

可选的，所述微控制单元具体用于比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减小/增加晶振时钟信号频率，利用时间差计算需要调整的步进值。

可选的，所述微控制单元输出的计时启动信号早于所述计时停止信号输入端的信号的整数晶振时钟信号晶振周期数为m，m≥1。

可选的，所述微控制单元包括信号处理子单元和控制子单元；所述信号处理子单元分别与所述标准时钟信号产生单元、所述晶体振荡器、所述飞行时间单元的计时启动信号输入端以及所述控制子单元连接，所述信号处理子单元用于接收标准时钟信号和晶振时钟信号，根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向所述飞行时间单元的计时启动信号输入端输出计时启动信号，并将所述标准时钟信号和所述晶振时钟信号处理后传输至所述微控制单元；

所述控制子单元与所述信号处理子单元、所述飞行时间单元的输出端以及所述步进调整单元连接，所述控制子单元用于基于所述时间差值控制所述步进调整单元调整步进。

可选的，所述信号处理子单元还用于对所述晶振时钟信号进行N倍频处理，其中N>1，且N为整数。

可选的，所述信号处理子单元为并行逻辑处理结构。

可选的，所述飞行时间单元还包括第二计时停止信号输入端，所述第二计时停止信号输入端与所述微控制单元连接，接收复原标准时钟信号。

可选的，所述步进调整单元包括数模转换器，所述数模转换器将数字信号转换为能够控制所述晶体振荡器频率改变的模拟电压信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种晶体振荡器频率调整方法，所述方法包括：

标准时钟信号产生单元产生标准时钟信号；

微控制单元接收所述标准时钟信号和晶振时钟信号，根据所述接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元发送计时启动信号；

飞行时间单元采集所述计时启动信号与计时停止信号的时间差值；

所述微控制单元基于所述时间差值控制步进调整单元调整步进，以调整晶体振荡器的晶振频率，调整所述晶振时钟信号向所述标准时钟信号同步。

可选的，所述基于所述时间差值控制所述步进调整单元调整步进，包括：

比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减小/增加晶振时钟信号频率，利用时间差计算需要调整的步进值。

本发明实施例提供的一种晶体振荡器频率调整方法及电路，通过微控制单元接收晶振时钟信号和标准时钟信号，根据晶振时钟信号和标准时钟信号向飞行时间单元提供计时启动信号，并根据飞行时间单元计算出的计时启动信号和计时停止信号的时间差值控制步进调整单元调整步进，以进一步调整晶体振荡器的晶振频率，使得晶振频率的上升沿与标准时钟信号的上升沿重合，减少在标准时钟信号两个相邻上升沿之间的不完整周期，降低计量误差。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种晶体振荡器频率调整电路结构示意图。

图2为本发明实施例提供的另一种晶体振荡器频率调整电路结构示意图。

图3为本发明实施例提供的又一种晶体振荡器频率调整电路结构示意图。

图4为本发明实施例提供的再一种晶体振荡器频率调整电路结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种晶体振荡器频率调整方法的步骤示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种晶体振荡器频率调整电路，如图1所示，一种晶体振荡器频率调整电路，包括：微控制单元100、飞行时间单元200、晶体振荡器300、步进调整单元400和标准时钟信号产生单元500；

标准时钟信号产生单元500用于产生标准时钟信号；

飞行时间单元200的计时启动信号输入端A1与微控制单元100连接，飞行时间单元200的第一计时停止信号输入端A2与标准时钟信号产生单元500连接，飞行时间单元的输出端U1与微控制单元100连接，飞行时间单元200用于采集计时启动信号输入端A1的信号与计时停止信号输入端A2的信号的时间差，从输出端U1输出时间差值；

微控制单元100与标准时钟信号产生单元500、晶体振荡器300、和步进调整单元400连接，步进调整单元400与晶体振荡器300连接；

微控制单元100用于根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元200的计时启动信号输入端A1输出计时启动信号，并基于时间差值控制步进调整单元400调整步进，以调整晶体振荡器300的晶振频率，调整晶振时钟信号向标准时钟信号同步。

标准时钟信号产生单元500为可以提供标准时钟信号的授时系统，授时系统可以是全球定位系统，它可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位、测速和高精度的标准时间，也可以是其他导航系统如格洛纳斯系统、伽利略系统、北斗系统，也可以是其它具有同步授时功能的信号源，标准时钟信号产生单元500用于产生标准时钟信号，根据标准时钟信号中相邻两个上升沿之间的晶振周期数来计量晶振的周期，其中相邻两个上升沿中前一个上升沿为第一上升沿，后一个上升沿为第二上升沿。微控制单元100接收标准时钟信号产生单元500产生的标准时钟信号和晶体振荡器300发出的晶振时钟信号，并根据接收到的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元200发送计时启动信号，计时启动信号为早于晶振时钟信号不完整周期的若干个晶振周期的信号，且与晶振信号上升沿重合，标准时钟信号中第二个上升沿作为计时结束信号，微控制单元100根据飞行时间单元200计算出的计时启动信号和计时结束信号间的时间差值来控制步进调整单元400输出调整电压，调整电压控制晶体振荡器300进行频率的调整，使得晶振时钟信号的频率和标准时钟信号的频率同步，减少在标准时钟信号两个相邻上升沿之间的不完整晶振周期。

本实施例的技术方案根据微控制单元接收到的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元发送计时启动信号，实现了根据飞行时间单元采集计时启动信号和计时结束信号间的时间差值来控制步进调整单元调整步进以调整晶体振荡器频率的目的。飞行时间单元测时精度高，最高精度可达ps级，在合适的时间向飞行时间单元发送计时启动信号以使计时启动信号与计时结束信号均落在量程内。晶振的不完整周期时间短，因此采用飞行时间单元这一高精度的测量单元测量晶振的不完整周期可以避免被测时间短所造成的误差大的问题。根据时间差值调整晶振频率，使晶振时钟信号与标准时钟信号同步，减少了在标准时钟信号两个相邻上升沿之间的不完整晶振周期。

可选的，微控制单元100具体用于比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减小/增加晶振时钟信号频率，利用时间差计算需要调整的步进值。

当晶振时钟信号超前标准时钟信号时，需要根据晶振时钟信号与标准时钟信号的差值确定需要调整的步进值来减小晶振时钟信号频率，当晶振时钟信号滞后标准时钟信号时，需要根据晶振时钟信号与标准时钟信号的差值确定需要调整的步进值来增加晶振时钟信号频率；示例性的，采用20Hz的晶振时钟信号，从标准时钟信号第一个上升沿开始计数晶振时钟信号的晶振周期的个数，第一个上升沿计数为1，当计数到21个时，标准时钟信号的第二个上升沿还未来临，认为晶振时钟信号超前了标准时钟信号，当计数到21个时标准时钟信号的第二个上升沿已经来临，认为晶振时钟信号滞后于标准时钟信号。

可选的，微控制单元输出的计时启动信号早于计时停止信号输入端的信号的整数晶振时钟信号晶振周期数为m，m≥1。

在根据飞行时间单元200计算时间差值调整晶体振荡器300频率时，需要确保飞行时间单元200的计时启动信号与计时结束信号之差落在量程内。计时结束信号为标准时钟信号的第二个上升沿，无法人为调节，因此可以控制微处理单元100，使其在合适的时间向飞行时间单元200发送计时启动信号以使计时启动信号与计时结束信号之差落在量程内。

图2为本发明实施例提供的另一种晶体振荡器频率调整电路，参考图2，可选的，微控制单元100包括信号处理子单元110和控制子单元120；信号处理子单元110分别与标准时钟信号产生单元500、晶体振荡器300、飞行时间单元200的计时启动信号输入端A1以及控制子单元120连接，信号处理子单元110用于接收标准时钟信号和晶振时钟信号，根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元200的计时启动信号输入端A1输出计时启动信号，并将标准时钟信号和晶振时钟信号处理后传输至微控制单元100；

控制子单元120与信号处理子单元110、飞行时间单元200的输出端以及步进调整单元400连接，控制子单元120用于基于时间差值控制步进调整单元400调整步进。

信号处理子单元110接收标准时钟信号产生单元500产生的标准时钟信号和晶体振荡器300发出的晶振时钟信号，并根据接收到的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元200发送计时启动信号，计时启动信号为早于晶振时钟信号不完整周期的若干个晶振周期的信号，且与晶振信号上升沿重合，标准时钟信号中第二个上升沿作为计时结束信号，控制子单元120根据飞行时间单元200计算出的计时启动信号和计时结束信号间的时间差值来控制步进调整单元400输出调整电压，调整电压控制晶体振荡器300进行频率的调整，使得晶振时钟信号的频率和标准时钟信号的频率同步，减少在标准时钟信号两个相邻上升沿之间的不完整晶振周期。

可选的，信号处理子单元110还用于对晶振时钟信号进行N倍频处理，其中N>1，且N为整数。

信号处理子单元110在接收到晶振时钟信号后，对晶振时钟信号进行N倍频处理，信号处理子单元110包括锁相环结构，通过锁相环对晶振时钟信号进行N倍频处理，增加N倍的频率，可以减小时间差值计算的误差，提高计量的精度。

可选的，信号处理子单元110为并行逻辑处理结构。

信号处理子单元110为可实现并行逻辑处理的结构，可以为现场可编程逻辑门阵列或复杂可编程逻辑器件或其他可实现并行逻辑处理的结构，本发明实施例在此不做具体限定，通过并行逻辑处理结构接收晶振时钟信号和标准时钟信号，并通过并行逻辑处理结构向飞行时间单元200发送计时启动信号。

图3为本发明实施例提供的又一种晶体振荡器频率调整电路结构示意图，参考图3，可选的，飞行时间单元200还包括第二计时停止信号输入端A3，第二计时停止信号输入端A3与微控制单元100连接，接收复原标准时钟信号。

标准时钟信号产生单元500通常为导航系统，当导航系统在运动时，可能导致产生的标准时钟信号受到遮挡，使标准时钟信号无法发送到微控制单元100，应对这种情况，可以采用微控制单元100生成与标准时钟信号产生单元500产生的标准时钟信号一样的复原标准时钟信号，该信号向飞行时间单元200提供第二计时停止信号，两路飞行时间单元信号消除相对误差，提高处理精度。

图4为本发明实施例提供的再一种晶体振荡器频率调整电路结构示意图，参考图4，可选的，第二计时停止信号输入端A3还可以与信号处理子单元110连接，接收复原标准信号。

可选的，步进调整单元400包括数模转换器410，数模转换器410将数字信号转换为能够控制晶体振荡器300频率改变的模拟电压信号。

晶体振荡器300是压控型器件，可以通过改变电压值来控制频率的改变，数模转换器410将时间差值经过一定计算后的数字信号转换为能够控制晶体振荡器300频率改变的模拟电压信号，控制晶体振荡器300频率的调整。

本实施例的技术方案，通过采用微控制单元比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减少/增加晶振时钟信号频率，精准有效，利用飞行时间单元测量的时间差值计算需要调整的步进值，采集方法具体有效，解决了时间过短难以计算或者计算不够精确的问题，通过实时动态的调整，提高计量精度，减小计量误差。

图5为本发明实施例提供的一种晶体振荡器频率调整方法，该方法可以应用于本发明任意实施例提供的晶体振荡器频率调整电路。参考图5和图1，一种晶体振荡器频率调整方法的步骤包括：

S101：标准时钟信号产生单元500产生标准时钟信号；

标准时钟信号产生单元500用于产生标准时钟信号，标准时钟信号产生单元500可以采用授时系统，利用授时系统发出的信号作为标准时钟信号。

S102：微控制单元100接收标准时钟信号和晶振时钟信号，根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元200发送计时启动信号；

微控制单元100接收晶体振荡器300产生的晶振时钟信号和标准时钟信号产生单元500产生的标准时钟信号，并根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元200发送计时启动信号，让飞行时间单元200开始计时。

S103：飞行时间单元200采集计时启动信号与计时停止信号的时间差值；

飞行时间单元200用于计算计时启动信号与计时结束信号之间的时间差值，并将时间差值发送给微控制单元100。

S104：微控制单元100基于时间差值控制步进调整单元调整步进，以调整晶体振荡器的晶振频率，调整晶振时钟信号向所述标准时钟信号同步。

微控制单元100对飞行时间单元发送的时间差值进行一定的计算并将计算结果作为步进调整单元400的输入，步进调整单元400输出的步进值控制晶体振荡器300频率的调整，从而使晶振时钟信号与标准时钟信号同步。

本实施例的技术方案实现了根据计时启动信号和计时结束信号间的时间差值控制步进调整单元调整步进以调整晶体振荡器频率的目的，减少了在标准时钟信号两个相邻上升沿之间的不完整晶振周期，降低了计量精度的误差。

可选的，基于时间差值控制步进调整单元调整步进，包括：

比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减小/增加晶振时钟信号频率，利用时间差计算需要调整的步进值。

当晶振时钟信号超前标准时钟信号时，需要根据晶振时钟信号与标准时钟信号的差值确定需要调整的步进值来减小晶振时钟信号频率，当晶振时钟信号滞后标准时钟信号时，需要根据晶振时钟信号与标准时钟信号的差值确定需要调整的步进值来增加晶振时钟信号频率；示例性的，采用20Hz的晶振时钟信号，从标准时钟信号第一个上升沿开始计数晶振时钟信号的晶振周期的个数，第一个上升沿计数为1，当计数到21个时，标准时钟信号的第二个上升沿还未来临，认为晶振时钟信号超前了标准时钟信号，当计数到21个时标准时钟信号的第二个上升沿已经来临，认为晶振时钟信号滞后于标准时钟信号。

本实施例的技术方案，通过微控制单元接收晶振时钟信号和标准时钟信号并根据接收的晶振时钟信号和标准时钟信号向飞行时间单元发送计时启动信号，标准时钟信号为飞行时间单元的计时结束信号，飞行时间单元计算计时启动信号和计时结束信号之间的时间差值，并将时间差值发送给微控制单元，微控制单元根据时间差值控制步进调整单元调整步进值以进一步控制晶体振荡器频率的调整，使得晶振频率的上升沿与标准时钟信号的上升沿重合减少在标准时钟信号两个相邻上升沿之间的不完整周期，采用微控制单元比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减小/增加晶振时钟信号频率，精准有效，解决了时间过短难以计算或者计算不够精确的问题，通过对晶振频率的调整，提高了计量精度，减小了计量误差。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种晶体振荡器频率调整电路，其特征在于，包括：微控制单元、飞行时间单元、晶体振荡器、步进调整单元和标准时钟信号产生单元；

所述标准时钟信号产生单元用于产生标准时钟信号；

所述飞行时间单元的计时启动信号输入端与所述微控制单元连接，所述飞行时间单元的第一计时停止信号输入端与所述标准时钟信号产生单元连接，所述飞行时间单元的输出端与所述微控制单元连接，所述飞行时间单元用于采集计时启动信号输入端的信号与计时停止信号输入端的信号的时间差，从输出端输出时间差值；

所述微控制单元与所述标准时钟信号产生单元、所述晶体振荡器和所述步进调整单元连接，所述步进调整单元与所述晶体振荡器连接；

所述微控制单元用于根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向所述飞行时间单元的计时启动信号输入端输出计时启动信号，并基于所述时间差值控制所述步进调整单元调整步进，以调整所述晶体振荡器的晶振频率，调整所述晶振时钟信号向所述标准时钟信号同步。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述微控制单元具体用于比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减小/增加晶振时钟信号频率，利用时间差计算需要调整的步进值。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述微控制单元输出的计时启动信号早于所述计时停止信号输入端的信号的整数晶振时钟信号晶振周期数为m，m≥1。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述微控制单元包括信号处理子单元和控制子单元；所述信号处理子单元分别与所述标准时钟信号产生单元、所述晶体振荡器、所述飞行时间单元的计时启动信号输入端以及所述控制子单元连接，所述信号处理子单元用于接收标准时钟信号和晶振时钟信号，根据接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向所述飞行时间单元的计时启动信号输入端输出计时启动信号，并将所述标准时钟信号和所述晶振时钟信号处理后传输至所述微控制单元；

所述控制子单元与所述信号处理子单元、所述飞行时间单元的输出端以及所述步进调整单元连接，所述控制子单元用于基于所述时间差值控制所述步进调整单元调整步进。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述信号处理子单元还用于对所述晶振时钟信号进行N倍频处理，其中N>1，且N为整数。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述信号处理子单元为并行逻辑处理结构。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述飞行时间单元还包括第二计时停止信号输入端，所述第二计时停止信号输入端与所述微控制单元连接，接收复原标准时钟信号。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述步进调整单元包括数模转换器，所述数模转换器将数字信号转换为能够控制所述晶体振荡器频率改变的模拟电压信号。

9.一种晶体振荡器频率调整方法，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的晶体振荡器频率调整电路执行，所述方法包括：

标准时钟信号产生单元产生标准时钟信号；

微控制单元接收所述标准时钟信号和晶振时钟信号，根据所述接收的标准时钟信号和晶振时钟信号向飞行时间单元发送计时启动信号；

飞行时间单元采集所述计时启动信号与计时停止信号的时间差值；

所述微控制单元基于所述时间差值控制步进调整单元调整步进，以调整晶体振荡器的晶振频率，调整所述晶振时钟信号向所述标准时钟信号同步。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于所述时间差值控制所述步进调整单元调整步进，包括：

比对晶振时钟信号与标准时钟信号的相对超前/滞后关系，确认减小/增加晶振时钟信号频率，利用时间差计算需要调整的步进值。

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