CN1160860C - 以降低的成本产生一温度稳定频率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种以降低的成本产生一温度稳定的方法和装置。最好采用一现有的、相对不受温度影响的、低频、低成本手表晶体和一现有的、高频、低成本却相对温度敏感的系统时钟。一连接到手表晶体和时钟上的校准模块在一基准温度下把手表晶体校准到一基准频率，并在一操作温度下把时钟校准到手表晶体，从而建立任意操作温度下时钟频率和基准频率的关系，由此提供一低成本的高精度、相对不受温度影响的时基或频率基。

Description

以降低的成本产生一温度稳定频率的方法和装置

本发明涉及在电子测量装置中使用如晶体振荡器等频率源的方法和装置。本发明尤其涉及产生一个具有一温度稳定频率的电信号以用于一较低成本数字电子测量装置例如一手持式数字万用表，增大需要一稳定时基的测量精度。

通常在电子测量装置中需要有一基准，对照它测量时间或频率。这样的基准一般由振荡电路提供，这些振荡电路适于产生一以预定频率振荡的信号。例如，对出现在一低频信号振荡之间的较高固定频率信号的振荡数进行计数提供了对该低频信号的频率测量值。类似地，对两时间点间一信号的振荡数进行计数提供了对两时间点间的时间测量。一般地，为了提供时间或频率测量值，使用一个具有假设为温度稳定或温度补偿的频率的固有振荡器(resident oscillator)。最好该振荡器有一高振荡频率以提供一时间或频率测量值中的期望分辨力。

但是，振荡器一般不具有高振荡频率、高温度稳定性和低成本。例如，一个在1.5MHz到66MHz频率范围内振荡且成本约$1的标准石英晶体在0-70度的温度范围内只有约百万分之100的频率稳定性。为有约十倍大的温度稳定性，成本需要增加到约十倍。特别是在一低成本数字电子测量装置如数字万用表(“DMM”)中，这样一个成本差非常重要。

另一方面，手表中使用的普遍存在的晶体(“手表晶体”)具有例如0.04ppm/(oC)2较高的温度稳定性，成本低于$1。但是，该手表晶体的频率为32.768KHz的较低频，以致许多种电子测量装置中所需的定时分辨力过低。

因此，需要一种以降低成本产生一温度稳定频率的方法和装置，特别用于象DMM这样的低成本数字电子测量装置。

本发明的以降低的成本产生一温度稳定频率的方法和装置通过最好在一低成本数字电子测量装置如DMM中设置一相对不受温度影响、低频、低成本的第一振荡器和一高频、低成本、但相对温度敏感的第二振荡器解决了上述问题并实现上述需要。根据本发明，一校准模块连接到第一振荡器和第二振荡器上。该校准模块适用于用一基准温度下一基准信号的频率校准第一振荡器的频率，并适用于用一操作温度下第一振荡器的频率校准第二振荡器的频率，该操作温度一般与基准温度不相等。由于假定第一振荡器的振荡频率有一可忽略的温度依从关系，所以第二振荡器的频率在该装置的理想操作温度下可与基准信号的已知频率相关。把第二振荡器的较高频率用作一个时基或频率基具有高分辨力的优点，而把第二振荡器校准到第一振荡器具有温度稳定的优点，所有都是低成本。

所以，本发明提供了一个以降低的成本产生一温度稳定频率的新颖且改进的方法和装置。比起已有技术来，使用该方法和装置的一个突出的优点是：在相同或更低的成本下有更大的频率分辨力和温度稳定性。尤其有利的是所针对的方法和装置适于用在一现有的手持式DMM中。根据以下结合附图对本发明的详细描述，将更易理解本发明的上述及其他方面、特征和优点。

图1是一根据本发明以降低的成本产生一温度稳定频率的装置的方框图。

图2是根据本发明当该装置用于一低成本数字电子测量装置中时的方框图。

图3是根据本发明以降低的成本产生一温度稳定频率的方法的流程图。

参见图1，根据本发明用来产生一温度稳定频率的装置10极利于用于受成本影响的应用中，例如用于一手持式DMM中，但是其中希望保证消除小的时间或频率差值的能力不变，由此提供一用来测量时间或频率的较高频率的时钟。

因此，装置10不使用已有技术中常用的一个单独的高成本、高频率和温度稳定的时钟，而使用两个时钟：低成本、低频率及温度稳定的第一振荡器12；和低成本、低频率及温度敏感的第二振荡器14。为把这两个振荡器结合在一起，装置10还包括一校准模块16。

校准模块16适于：(1)用在基准温度下有一已知基准频率的基准频率信号18校准第一振荡器12的频率；(2)用第一振荡器12在装置10一般不同于基准温度的一任意操作温度下的频率校准第二振荡器14的频率。这里假定第一振荡器12的振荡频率有一可忽略的温度依从关系，由此第二振荡器的频率可与已知频率基准信号有关。

参见图2，上述元件最好由先存在于如DMM20这样的一个低成本数字电子测量装置中的硬件构成。目前的DMM20一般包括：接收用于校准或测量的电信号的电输入端20a；下文称作计数器26的比较器19和计数器21，连接到输入端，用来产生提供给输入端的信号中信号周期数的计数值；存储器22；和连接到存储器和计数器的处理器24，用来读取计数值和存入存储器中的数据、处理计数值和数据并将处理的计数值和数据写入存储器。

象许多电子装置一样，DMM20包括一提供时基的手表晶体，根据该时基测量和报告一天的时间。将该现有结构用作第一振荡器12较好。那么振荡器12的频率大致约为32.768KHz，该频率太低而不能提供DMM中测量信号参数理想的分辨力。

DMM还包括一用来为处理电路24定时的系统时钟，例如陶瓷谐振器，该系统时钟具有一个兆赫级的频率。尽管这种系统时钟电路的低成本方案一般为温度敏感型，但该温度敏感度对用于处理器的时钟的功能并不重要。本发明考虑到将该结构用作第二振荡器14，并考虑到用第一振荡器12根本减小第二振荡器的温度敏感度。

第一振荡器12有一输出端12a，通过该输出端12a向处理电路24提供一约为32.768KHz的时基信号28。第二振荡器14有一输出端14a，通过该输出端14a向处理器提供一时钟信号30，该时钟信号用来为处理器定时。计数器26连接到第一与第二振荡器的输出端12a与14a、以及DMM的输入端20a，用来分别接收和转换信号28、30和18以及从属信号，将它们转换成用来在处理器中处理的数字形式。

处理器24包括用来执行一计算机程序的逻辑电路，适于读取由计数器26产生和来自存储器22的数据、根据数据进行算术运算以及将结果写入存储器以为以后使用或显示给用户。本发明通过将存储器、处理器和计数器用作校准模块16而利用了这些元件。

上述硬件用来以降低的成本产生一温度稳定频率。参见图3，在开始一基准校准的步骤34中，计数器26和处理器24一起产生一预定时间内出现的基准信号18的基准温度“Tref”下振荡数的第一计数值“C1”，该预定时间为例如由第二振荡器14的时钟信号30的预定振荡数所限定的时间。该时钟信号的频率可大于基准信号的频率、小于基准信号的频率或等于基准信号的频率。不考虑这两个信号的频率间的关系，第一计数值“C1”将是出现于基准信号预定振荡数中的时钟信号振荡数。计数值“C1”对应于在基准温度下测得的基准信号频率。

仍在基准温度下，在步骤36中，计数器26产生出现于一大体相同时间内一—例如在与用于计数值“C1”的时钟信号30振荡数相同的时间期间——的第一振荡器12时基信号28的振荡数的第二计数值“C2”。计数值“C2”对应于基准温度下测得的时基信号的频率。如将要理解到的那样，无需了解基准温度值而执行步骤36。

在校准步骤38中，处理器24通过比较计数值“C1”和计数值“C2”——例如通过把计数值中的一个除以另一个——确定一校准系数“F1”。系数“F1”使时基信号的频率与基准信号18的频率相关联。然后假定(1)由改变DMM20的温度所产生的时基信号的频率变化或误差对于测量是可忽略的，或假定(2)较小误差随基准温度的温漂增大的方式是公知、易于表征且易于补偿的，从而实现更高的精度。因此，应理解最好选择基准温度位于设想供DMM使用的温度的统计学中点或模式。

在步骤40中，处理器将校准系数“F1”写入存储器以备以后使用。在制造DMM期间一般最好执行上述所有的步骤，可将系数“F1”存入ROM或其他常驻存储器22中的非易失性存储器。但是，同样也可在使用DMM20期间执行上述步骤，需要时可由用户将系数“F1”存入易失性存储器或非易失性存储器中。

在测量从属信号时，在步骤42中，计数器26通过对一预定时间内时基信号28的振荡数进行计数而产生该预定时间内从属信号振荡数的第三计数值“C3”。该预定时间便于用时基信号或时钟信号30的预定振荡数表示，或根据某个其他时基确定。

类似地并且概念上并行，在步骤44中，计数器通过对经过相同预定时间的时钟信号30的振荡数进行计数产生从属信号振荡数的第四计数值“C4”。

在步骤46中，处理器通过比较计数值“C3”和“C4”——例如通过将这两个值中的一个除以另一个——确定第二校准系数“F2”。该第二校准系数使操作温度下第二振荡器14的频率与第一振荡器12的频率相关联。

为建立操作温度下时钟信号的频率与基准信号的频率的关系，在步骤48中，处理器24从存储器电路22中读取第一校准系数“F1”。然后，在最终校准步骤50中，处理器确定一整体校准系数“Fcal”，该系数“Fcal”建立操作温度下第二振荡器14的振荡频率与基准温度下提供给装置10的基准频率的关系。具体地说，处理器例如通过使校准系数相乘而将第二校准系数“F2”与第一校准系数作比较。然后处理器在频率校正步骤52中将“Fcal”施加到测量值中，校正振荡器14中频率漂移的测量值。

正象上述比较的一个例子那样，假定步骤38包括构成比例关系“C1/C2＝F1”，步骤46包括构成比例关系“C3/C4＝F2”。那么，“Fcal＝F1×F2”，通过对时钟信号振荡数的计数得到的频率测量值应乘以“Fcal”，以调整时钟信号中的频率误差。这些等式对那些普通技术人员来说显而易见。

在测量步骤56中，将整体校准系数“Fcal”施加到一用第二振荡器14的振荡作为一个基准在装置10中确定的所测时间或频率值上，从而校正第二振荡器的频率中的温度变化误差。因此，该装置获得一个低成本时间或频率测量值，该值相对不受操作温度和基准温度间差值的影响。

虽然当上述硬件一般存在于低成本电子测量装置中时使用它时较好，不过那些普通技术人员也易理解可用不脱离本发明原理的等效电路实现上述功能。

虽然手表晶体的振荡频率有一较小的温度系数，不过其温度依从关系基本上随温度的平方变化。但是，漂移的幅度保持在温度合理范围内较小的值。例如，假定一个典型的手表晶体具有一个约为0.04ppm/(℃)2的温漂，而一个廉价的系统时钟具有一个高温漂。温度变化10℃，手表晶体就会有一个比系统时钟的温漂小100倍的温漂。即使温度变化100℃之多，手表晶体也产生比系统时钟小得多的频率误差。在DMM中，频率漂移与手表晶体温度的平方依从关系尤其被缓和了，因为常把DMM规定在一较窄温度范围内工作，例如±5℃。

当使用手表晶体时，本发明另外的好处在于随其温度的频率漂移是众所周知的。因此，在本发明另一个实施例中，装置10可使用一连接到第一振荡器12上的补偿模块，其中测量温度并用公知技术补偿第一振荡器的振荡频率。具体地说，具有随温度接近线性变化特性——例如在一二极管结两端有2mV/℃电压——的一个装置可用于最初在基准温度下校准电压并将其存入存储电路22之处。

应认识到，尽管以降低的成本产生一温度稳定频率的具体方法和装置已显示为优选例子，不过除了已提到的结构以外，在不脱离本发明的原理的情况下可采用其他的结构。例如，尽管优选使用一现有DMM的元件以便于在此描述，不过在不脱离本发明的原理的情况下可使用本领域公知的其他或另外的元件。作为一个特殊的例子，可把一现有或另外的模-数转换器与一处理器一起使用以产生计数值C1-C4。

已在以上说明书中使用的术语和词句在其中用作描述用语而并不作为限定，而无意用除其中所示或所述特征或部分的相同部分之外的术语和词句，可知本发明的范围仅由以下的权利要求书的限定。

Claims (9)

1.在一低成本数字信号测量装置中，有适于在较低的第一频率下产生第一信号的第一振荡器，第一频率有第一预定温度依从关系，还有适于在较高的第二频率下产生第二信号的第二振荡器，第二频率具有大体大于第一预定温度依从关系的第二预定温度依从关系，一种产生一温度稳定频率的方法，包括以下步骤：

通过对一基准温度下一基本相同时间段内一基准信号的第一振荡数与第一信号的第二振荡数进行计数、和比较所述第一振荡数与第二振荡数，确定第一校准系数；

通过对一操作温度下一基本相同时间段内第一信号的第三振荡数与第二信号的第四振荡数进行计数、和比较所述第一振荡数与第二振荡数，确定第二校准系数；

通过比较所述第一校准系数和第二校准系数建立所述操作温度下第二信号振荡数与相应基准信号振荡数的关系。

2.根据权利要求1的方法，其中所述比较所述第一振荡数与所述第二振荡数的步骤包括用所述第二振荡数除所述第一振荡数，其中所述比较所述第三振荡数与所述第四振荡数的步骤包括用所述第四振荡数除所述第三振荡数，以及其中所述比较所述第一校准系数与所述第二校准系数的步骤包括用所述第二校准系数乘以所述第一校准系数。

3.根据权利要求1的方法，其中所述比较所述第一振荡数与所述第二振荡数的步骤包括用所述第一振荡数除所述第二振荡数，其中所述比较所述第三振荡数与所述第四振荡数的步骤包括用所述第三振荡数除所述第四振荡数，以及其中所述比较第一校准系数与所述第二校准系数的步骤包括用所述第二校准系数乘以所述第一校准系数。

4.根据权利要求1的方法，还包括作为所测温度和由于温度的已知频率偏差的函数温度补偿第一振荡器的步骤。

5.一种产生一温度稳定频率的电路，包括：

一电输入端，适用于接收一电信号；

第一振荡器，适用于向所述电输入端提供较低频率的第一信号，所述第一信号的频率有第一预定温度依从关系；

第二振荡器，适用于向所述电输入端提供一较高频率的第二信号，所述第二信号的频率有第二预定温度依从关系，该关系基本大于所述第一预定温度依从关系；

一存储电路，适用于存储预定的第一校准系数，该系数建立第一预定温度下所述第一信号的振荡频率与一基准信号的振荡频率的关系；

一校准模块，具有一校准输入端和一输出端，所述校准输入端连接到所述电输入端，所述输出端连接到所述存储电路，该模块用来在任意操作温度下用第一振荡器的频率校准第二振荡器的频率，其中所述校准模块适用于：对一基本相同时间段内的所述第一信号与所述第二信号的振荡数进行计数；从所述存储电路中读取所述第一校准系数；比较所述第一信号的所述振荡数与所述第二信号的所述振荡数以形成第二校准系数；以及通过比较所述第一校准系数与所述第二校准系数在所述操作温度下建立所述第二信号的振荡频率与所述基准信号频率的关系。

6.根据权利要求5的电路，其中所述校准模块适用于通过把所述第一校准系数和所述第二校准系数中的一个除以另一个来比较所述第一校准系数和所述第二校准系数。

7.根据权利要求5的电路，其中所述校准模块适用于对一基本相同时间段内所述第一信号与所述基准信号的振荡数进行计数，以及比较所述第一信号的所述振荡数与所述基准信号的所述振荡数以形成所述第一校准系数。

8.根据权利要求7的电路，其中所述校准模块适用于通过把所述第一信号的所述振荡数和所述基准信号的所述振荡数中的一个除以另一个来比较所述第一信号的所述振荡数与所述基准信号的所述振荡数。

9.根据权利要求8的电路，还包括一连接到第一振荡器上的温度补偿模块，适用于作为所测温度和由于温度的已知频率偏差的函数对第一振荡器的频率在其操作温度内的变化进行补偿。

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