CN116938145A - 一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，用于在电子设备中提供准确的实时时钟信号。本发明在极低功耗的情况下产生稳定的振荡信号。本发明的超低功耗实时时钟振荡器可广泛应用于电子设备中；通过频率锁定环路用于接收基准频率信号并通过反馈控制实现频率锁定。频率锁定环路包括相位比较器、控制电压发生器和锁相环滤波器。相位比较器用于比较基准频率信号与振荡反馈信号的相位差，并将比较结果提供给控制电压发生器。控制电压发生器根据相位比较器的输出产生控制电压，用于调节振荡电路的频率。锁相环滤波器则用于滤波控制电压，以提高锁定精度。

Description

一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器
技术领域
本发明涉及时钟振荡器领域，具体而言，涉及一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器。
背景技术
时钟振荡器是电子设备中常用的元件，用于提供稳定的时钟信号。但是现有的时钟振荡器在使用的过程中存在一些不足之处仍需要进行改进，传统的实时时钟振荡器通常使用晶体振荡器作为时钟信号的源，但由于晶体振荡器的功耗较高，对电池寿命的消耗较大；其次传统的时钟振荡器通常使用晶体振荡器或RC振荡器作为振荡元件，但存在精度不高、温度漂移大等问题，因此我们对此做出改进，提出一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前存在的背景技术提出的问题。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，包括振荡电路、频率锁定环电路和增益控制电路，所述振荡电路包括RC振荡器和LC振荡器以及压电电阻压电电容振荡器和石英振荡器以及压控振荡器；
所述RC振荡器由压电电阻和压电电容连接成反馈回路；压电电阻和压电电容之间形成RC网络，RC网络与放大器一起构成了RC振荡反馈模块；
LC振荡器由电感和压电电容连接成反馈回路；电感和压电电容之间形成LC谐振回路；LC谐振回路与放大器一起构成了谐振回路模块；
压电电阻压电电容振荡器由压电电阻、压电电容和反馈网络连接在一起；压电电阻和压电电容构成了RC网络；RC网络与反馈网络一起构成了压电电阻压电电容振荡反馈模块。
作为本发明优选的技术方案，石英振荡器石英晶体通过外加电压或电流产生振荡；晶体的振荡频率由其物理特性决定；晶体与放大器一起构成了振荡电路；
压控振荡器（VCO）由电压控制元件与谐振电路和放大器相连，压控制元件包括二极管、晶体管；电压控制元件的电压变化会影响谐振电路的频率谐振电路与放大器一起构成了反馈模块。
作为本发明优选的技术方案，所述频率锁定环电路包括相锁环和环路滤波器，以及输入信号源和输出信号负载：相锁环输入信号源产生待锁定的输入信号；相比较器比较输入信号与锁定信号的相位差，并产生误差电压；
电压控制振荡器根据误差电压控制输出频率，输出锁定信号；分频器将输入信号或锁定信号分频，提供给相比较器进行比较；
锁定检测电路检测相锁环是否已经锁定，并提供锁定信号；环路滤波器将相比较器输出的误差电压进行滤波，以去除高频噪声；
放大器放大滤波器输出的误差电压，提供给电压控制振荡器进行频率调整；输入信号源产生待锁定的输入信号；输出信号负载接收经频率锁定环电路处理后的输出信号。
作为本发明优选的技术方案，所述增益控制电路包括可变增益模块，所述可变增益模块设置有输入端和可变压电电阻以及放大器和输出端，所述输入端（Input）接收待放大的信号；
所述可变压电电阻（Variable Resistor）作为可调的增益控制元件；
所述放大器（Amplifier）对输入信号进行放大处理；
所述输出端（Output）输出放大后的信号。
作为本发明优选的技术方案，所述增益控制电路还包括控制电路；所述控制电路包括控制信号源和控制信号处理电路以及控制信号转换器；
控制信号源产生用于控制增益的控制信号；控制信号处理电路对控制信号进行处理；控制信号转换器将控制信号转换为可调的压电电阻或压电电容值，并输入到可变增益模块。
作为本发明优选的技术方案，还包括时钟输出缓冲电路输入端（Input）：接收来自时钟源的输入时钟信号；
输入缓冲器（Input Buffer）：接收输入时钟信号并进行输入阻抗匹配和电平转换，以适应后续电路的工作电平；
输出缓冲器（Output Buffer）：接收输入缓冲器的输出信号，并进行输出阻抗匹配和电平转换，以适应负载要求；
驱动放大器（Driver Amplifier）：对输出缓冲器的信号进行放大和驱动，以提供足够的电流和电压来驱动后续模块；
输出端（Output）：输出放大后的时钟信号；
电源管理电路（Power Management Circuit）：提供稳定的电源电压和电流，以保证电路的正常工作。
作为本发明优选的技术方案，还包括分频电路输入端（Input）：接收来自时钟源的输入时钟信号；
分频器（Divider）：将输入时钟信号进行频率分频，产生分频后的时钟信号；
分频比选择电路（Divider Ratio Selection Circuit）：用于选择分频器的分频比，根据具体需求进行设置；
输出端（Output）：输出分频后的时钟信号。
作为本发明优选的技术方案，还包括稳压电路输入端（Input）：接收来自电源的输入电压；
输入滤波电路（Input Filtering Circuit）：用于滤除输入电压中的噪声和纹波，以确保稳定的输入电压；
稳压器（Voltage Regulator）：对输入电压进行稳压处理，以提供稳定的输出电压；
输出滤波电路（Output Filtering Circuit）：用于滤除输出电压中的噪声和纹波，以获得更干净的稳定输出电压；
输出端（Output）：输出稳定的电压。
作为本发明优选的技术方案，还包括温度补偿电路，补偿电路根据比较器的输出信号，对电路的输出进行调整，以实现温度补偿；输出端输出经过温度补偿后的电路信号。
作为本发明优选的技术方案，还包括时钟选择电路，在电路中，A信号将作为与门的输入，B信号将作为与门的另输入；选择信号将作为与门的控制信号，当选择信号为时，与门的输出为，当选择信号为时，与门的输出与B信号相同；与门的输出将作为或门的输入，而A信号将作为或门的另输入；或门的输出就是我们选择的输出信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
在本发明的方案中：通过用于在电子设备中提供准确的实时时钟信号。该振荡器利用一种创新的电路设计，能够在极低功耗的情况下产生稳定的振荡信号。本发明的超低功耗实时时钟振荡器可广泛应用于电子设备中；
通过频率锁定环路用于接收基准频率信号并通过反馈控制实现频率锁定。频率锁定环路包括相位比较器、控制电压发生器和锁相环滤波器。相位比较器用于比较基准频率信号与振荡反馈信号的相位差，并将比较结果提供给控制电压发生器。控制电压发生器根据相位比较器的输出产生控制电压，用于调节振荡电路的频率。锁相环滤波器则用于滤波控制电压，以提高锁定精度。
附图说明
图1为本发明提供的振荡电路图；
图2为本发明提供的频率锁定环电路图；
图3为本发明提供的增益控制电路图。
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，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。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，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合，应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1：请参阅图1-3，一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，包括振荡电路、频率锁定环电路和增益控制电路，振荡电路包括RC振荡器和LC振荡器以及压电电阻压电电容振荡器和石英振荡器以及压控振荡器；
RC振荡器由压电电阻和压电电容连接成反馈回路；压电电阻和压电电容之间形成RC网络，RC网络与放大器一起构成了RC振荡反馈模块；
LC振荡器由电感和压电电容连接成反馈回路；电感和压电电容之间形成LC谐振回路；LC谐振回路与放大器一起构成了谐振回路模块；
压电电阻压电电容振荡器由压电电阻、压电电容和反馈网络连接在一起；压电电阻和压电电容构成了RC网络；RC网络与反馈网络一起构成了压电电阻压电电容振荡反馈模块。
石英振荡器石英晶体通过外加电压或电流产生振荡；晶体的振荡频率由其物理特性决定；晶体与放大器一起构成了振荡电路；
压控振荡器（VCO）由电压控制元件与谐振电路和放大器相连，压控制元件包括二极管、晶体管；电压控制元件的电压变化会影响谐振电路的频率谐振电路与放大器一起构成了反馈模块。
频率锁定环电路包括相锁环和环路滤波器，以及输入信号源和输出信号负载：相锁环输入信号源产生待锁定的输入信号；相比较器比较输入信号与锁定信号的相位差，并产生误差电压；
电压控制振荡器根据误差电压控制输出频率，输出锁定信号；分频器将输入信号或锁定信号分频，提供给相比较器进行比较；
锁定检测电路检测相锁环是否已经锁定，并提供锁定信号；环路滤波器将相比较器输出的误差电压进行滤波，以去除高频噪声；
放大器放大滤波器输出的误差电压，提供给电压控制振荡器进行频率调整；输入信号源产生待锁定的输入信号；输出信号负载接收经频率锁定环电路处理后的输出信号。
增益控制电路包括可变增益模块，可变增益模块设置有输入端和可变压电电阻以及放大器和输出端，输入端（Input）接收待放大的信号；
可变压电电阻（Variable Resistor）作为可调的增益控制元件；
放大器（Amplifier）对输入信号进行放大处理；
输出端（Output）输出放大后的信号。
增益控制电路还包括控制电路；控制电路包括控制信号源和控制信号处理电路以及控制信号转换器；
控制信号源产生用于控制增益的控制信号；控制信号处理电路对控制信号进行处理；控制信号转换器将控制信号转换为可调的压电电阻或压电电容值，并输入到可变增益模块。
还包括时钟输出缓冲电路输入端（Input）：接收来自时钟源的输入时钟信号；
输入缓冲器（Input Buffer）：接收输入时钟信号并进行输入阻抗匹配和电平转换，以适应后续电路的工作电平；
输出缓冲器（Output Buffer）：接收输入缓冲器的输出信号，并进行输出阻抗匹配和电平转换，以适应负载要求；
驱动放大器（Driver Amplifier）：对输出缓冲器的信号进行放大和驱动，以提供足够的电流和电压来驱动后续模块；
输出端（Output）：输出放大后的时钟信号；
电源管理电路（Power Management Circuit）：提供稳定的电源电压和电流，以保证电路的正常工作。
还包括分频电路输入端（Input）：接收来自时钟源的输入时钟信号；
分频器（Divider）：将输入时钟信号进行频率分频，产生分频后的时钟信号；
分频比选择电路（Divider Ratio Selection Circuit）：用于选择分频器的分频比，根据具体需求进行设置；
输出端（Output）：输出分频后的时钟信号。
还包括稳压电路输入端（Input）：接收来自电源的输入电压；
输入滤波电路（Input Filtering Circuit）：用于滤除输入电压中的噪声和纹波，以确保稳定的输入电压；
稳压器（Voltage Regulator）：对输入电压进行稳压处理，以提供稳定的输出电压；
输出滤波电路（Output Filtering Circuit）：用于滤除输出电压中的噪声和纹波，以获得更干净的稳定输出电压；
输出端（Output）：输出稳定的电压。
补偿电路根据比较器的输出信号，对电路的输出进行调整，以实现温度补偿；输出端输出经过温度补偿后的电路信号。
在电路中，A信号将作为与门的输入，B信号将作为与门的另输入；选择信号将作为与门的控制信号，当选择信号为时，与门的输出为，当选择信号为时，与门的输出与B信号相同；与门的输出将作为或门的输入，而A信号将作为或门的另输入；或门的输出就是我们选择的输出信号。
所述振荡电路用于产生基准频率信号，并将该信号提供给频率锁定环路。该振荡电路采用新颖的电路结构，能够有效地减小功耗并提高抗干扰能力。具体而言，振荡电路包括振荡压电电容、振荡电感和振荡晶体管。振荡压电电容和振荡电感构成谐振回路，振荡晶体管则用于控制振荡电路的启停。
所述频率锁定环路用于接收基准频率信号并通过反馈控制实现频率锁定。频率锁定环路包括相位比较器、控制电压发生器和锁相环滤波器。相位比较器用于比较基准频率信号与振荡反馈信号的相位差，并将比较结果提供给控制电压发生器。控制电压发生器根据相位比较器的输出产生控制电压，用于调节振荡电路的频率。锁相环滤波器则用于滤波控制电压，以提高锁定精度。
所述增益控制电路用于根据外部条件调节振荡电路的增益，以进一步提高抗干扰能力。增益控制电路包括放大器和增益控制器。放大器用于放大基准频率信号，增益控制器则根据外部条件调节放大器的增益。
频率锁定环电路的主要组成部分包括相锁环和环路滤波器，以及输入信号源和输出信号负载。下面是典型的频率锁定环电路的连接关系和元器件的电路原理：
相锁环，输入信号源产生待锁定的输入信号。
相比较器比较输入信号与锁定信号的相位差，并产生误差电压。
电压控制振荡器根据误差电压控制输出频率，输出锁定信号。
分频器将输入信号或锁定信号分频，提供给相比较器进行比较。
锁定检测电路检测相锁环是否已经锁定，并提供锁定信号。
环路滤波器
滤波器将相比较器输出的误差电压进行滤波，以去除高频噪声。
放大器放大滤波器输出的误差电压，提供给电压控制振荡器进行频率调整。
输入信号源产生待锁定的输入信号。
输出信号负载接收经频率锁定环电路处理后的输出信号。
电路原理是基于相锁环的工作原理。当输入信号与锁定信号相位差发生变化时，相比较器将产生相应的误差电压。经过滤波器和放大器处理后，误差电压作为控制信号输入到电压控制振荡器，使其输出频率发生变化，直到输入信号与锁定信号相位差为零，实现频率锁定。锁定检测电路用于检测相锁环是否已经锁定。
增益控制电路是一种用于调整电路增益的电路，常用于音频放大器、射频放大器和运算放大器等应用。
增益控制电路的主要组成部分包括可变增益模块和控制电路。下面是典型的增益控制电路的连接关系和元器件的电路原理：
可变增益模块：
输入端接收待放大的信号。
可变压电电阻或可变压电电容作为可调的增益控制元件。
放大器对输入信号进行放大处理。
输出端输出放大后的信号。
控制电路：
控制信号源产生用于控制增益的控制信号。
控制信号处理电路对控制信号进行处理，例如放大、滤波等。
控制信号转换器将控制信号转换为可调的压电电阻或压电电容值，并输入到可变增益模块。
电路原理是基于可变增益模块的工作原理。通过调节可变压电电阻或可变压电电容的值，可以改变放大器的增益。控制电路产生的控制信号经过处理和转换，作为可变增益模块的控制信号，调节增益的大小。当控制信号改变时，可变增益模块的增益也相应改变，从而实现增益的控制。
输入端接收来自时钟源的输入时钟信号。
输入缓冲器接收输入时钟信号并进行输入阻抗匹配和电平转换，以适应后续电路的工作电平。
输出缓冲器接收输入缓冲器的输出信号，并进行输出阻抗匹配和电平转换，以适应负载要求。
驱动放大器对输出缓冲器的信号进行放大和驱动，以提供足够的电流和电压来驱动后续模块。
输出端输出放大后的时钟信号。
电源管理电路提供稳定的电源电压和电流，以保证电路的正常工作。
电路原理是基于输入缓冲器、输出缓冲器和驱动放大器的工作原理。输入缓冲器接收来自时钟源的输入时钟信号，并进行输入阻抗匹配和电平转换，以适应后续电路的工作电平。输出缓冲器接收输入缓冲器的输出信号，并进行输出阻抗匹配和电平转换，以适应负载要求。驱动放大器对输出缓冲器的信号进行放大和驱动处理，以提供足够的电流和电压来驱动后续模块。电源管理电路提供稳定的电源电压和电流，以确保电路的正常工作
分频电路是用于将输入时钟信号进行频率分频的电路。以下是典型的分频电路的连接关系和元器件的电路原理：
输入端接收来自时钟源的输入时钟信号。
分频器将输入时钟信号进行频率分频，产生分频后的时钟信号。
分频比选择电路用于选择分频器的分频比，根据具体需求进行设置。
输出端输出分频后的时钟信号。
电路原理是基于分频器的工作原理。分频器接收输入时钟信号，并根据分频比选择电路设置的分频比进行频率分频。其原理可以通过计数器实现，当计数器计数到一定值时，产生脉冲来输出分频后的时钟信号，然后重新从零开始计数。分频比选择电路用于选择分频器的具体分频比，可以使用开关、编码器或者可编程分频器等元器件来实现，根据具体需求进行设置。输出端将分频后的时钟信号输出，并提供给需要的电路模块使用
稳压电路输入端接收来自电源的输入电压。
输入滤波电路用于滤除输入电压中的噪声和纹波，以确保稳定的输入电压。
稳压器对输入电压进行稳压处理，以提供稳定的输出电压。
输出滤波电路用于滤除输出电压中的噪声和纹波，以获得更干净的稳定输出电压。
输出端输出稳定的电压。
电路原理是基于稳压器的工作原理。稳压器接收输入电压，并通过内部的反馈回路来监测和调整输出电压，以使其保持在设定的稳定值。稳压器可以采用线性稳压器或开关稳压器的形式。线性稳压器通过不同的调节元件（如晶体管或运放）来对输入电压进行调节，以获得稳定的输出电压。开关稳压器采用开关器件（如）来调节输入电压，以提供稳定的输出电压。输入滤波电路和输出滤波电路用于滤除输入和输出电压中的噪声和纹波，以确保稳定的电压输出。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，包括振荡电路、频率锁定环电路和增益控制电路，所述振荡电路包括RC振荡器和LC振荡器以及压电电阻压电电容振荡器和石英振荡器以及压控振荡器；所述RC振荡器由压电电阻和压电电容连接成反馈回路；压电电阻和压电电容之间形成RC网络，RC网络与放大器一起构成了RC振荡反馈模块；LC振荡器由电感和压电电容连接成反馈回路；电感和压电电容之间形成LC谐振回路；LC谐振回路与放大器一起构成了谐振回路模块；压电电阻压电电容振荡器由压电电阻、压电电容和反馈网络连接在一起；压电电阻和压电电容构成了RC网络；RC网络与反馈网络一起构成了压电电阻压电电容振荡反馈模块，石英振荡器石英晶体通过外加电压或电流产生振荡；晶体的振荡频率由其物理特性决定；晶体与放大器一起构成了振荡电路；压控振荡器由电压控制元件与谐振电路和放大器相连，压控制元件包括二极管、晶体管；电压控制元件的电压变化会影响谐振电路的频率谐振电路与放大器一起构成了反馈模块，所述频率锁定环电路包括相锁环和环路滤波器，以及输入信号源和输出信号负载：相锁环输入信号源产生待锁定的输入信号；相比较器比较输入信号与锁定信号的相位差，并产生误差电压；电压控制振荡器根据误差电压控制输出频率，输出锁定信号；分频器将输入信号或锁定信号分频，提供给相比较器进行比较；锁定检测电路检测相锁环是否已经锁定，并提供锁定信号；环路滤波器将相比较器输出的误差电压进行滤波，以去除高频噪声；放大器放大滤波器输出的误差电压，提供给电压控制振荡器进行频率调整；输入信号源产生待锁定的输入信号；输出信号负载接收经频率锁定环电路处理后的输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，所述增益控制电路包括可变增益模块，所述可变增益模块设置有输入端和可变压电电阻以及放大器和输出端，所述输入端（Input）接收待放大的信号；所述可变压电电阻（VariableResistor）作为可调的增益控制元件；所述放大器（Amplifier）对输入信号进行放大处理；所述输出端（Output）输出放大后的信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，所述增益控制电路还包括控制电路；所述控制电路包括控制信号源和控制信号处理电路以及控制信号转换器；控制信号源产生用于控制增益的控制信号；控制信号处理电路对控制信号进行处理；控制信号转换器将控制信号转换为可调的压电电阻或压电电容值，并输入到可变增益模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，还包括时钟输出缓冲电路输入端（Input）：接收来自时钟源的输入时钟信号；输入缓冲器（Input Buffer）：接收输入时钟信号并进行输入阻抗匹配和电平转换，以适应后续电路的工作电平；输出缓冲器（Output Buffer）：接收输入缓冲器的输出信号，并进行输出阻抗匹配和电平转换，以适应负载要求；驱动放大器（Driver Amplifier）：对输出缓冲器的信号进行放大和驱动，以提供足够的电流和电压来驱动后续模块；输出端（Output）：输出放大后的时钟信号；电源管理电路（Power Management Circuit）：提供稳定的电源电压和电流，以保证电路的正常工作。
5.根据权利要求4所述的一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，还包括分频电路输入端（Input）：接收来自时钟源的输入时钟信号；分频器（Divider）将输入时钟信号进行频率分频，产生分频后的时钟信号；分频比选择电路（Divider RatioSelection Circuit）：用于选择分频器的分频比，根据具体需求进行设置；输出端（Output）：输出分频后的时钟信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，还包括稳压电路输入端（Input）：接收来自电源的输入电压；输入滤波电路（InputFiltering Circuit）：用于滤除输入电压中的噪声和纹波，以确保稳定的输入电压；稳压器（Voltage Regulator）：对输入电压进行稳压处理，以提供稳定的输出电压；输出滤波电路（Output Filtering Circuit）：用于滤除输出电压中的噪声和纹波，以获得更干净的稳定输出电压；输出端（Output）：输出稳定的电压。
7.根据权利要求6所述的一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，还包括温度补偿电路，补偿电路根据比较器的输出信号，对电路的输出进行调整，以实现温度补偿；输出端输出经过温度补偿后的电路信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于压电材料的超低功耗实时时钟振荡器，其特征在于，还包括时钟选择电路，在电路中，A信号将作为与门的输入，B信号将作为与门的另输入；选择信号将作为与门的控制信号，当选择信号为时，与门的输出为，当选择信号为时，与门的输出与B信号相同；与门的输出将作为或门的输入，而A信号将作为或门的另输入；或门的输出就是我们选择的输出信号。
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