DE602004005456T2

DE602004005456T2 - Zeitbasisarchitektur

Info

Publication number: DE602004005456T2
Application number: DE602004005456T
Authority: DE
Inventors: David Ruffieux
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2024-05-13
Also published as: JP2007500479A; WO2004102809A1; US20070008041A1; EP1634373A1; US20080191808A9; FR2854992B1; FR2854992A1; EP1634373B1; DE602004005456D1; ATE357773T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Architektur, insbesondere für eine Zeitbasis einer Uhr, die dazu bestimmt ist, eine Zeitreferenz zu erzeugen, sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer Zeitreferenz.
Auf dem Gebiet der Uhrmacherei stellt sich das Problem der Präzision der in den Uhren vorhandenen Zeitbasen, und, insbesondere bei den Chronometern, das Problem der Korrektur des von einem Resonator gesendeten Signals, um die durch die Temperatur verursachte Frequenzdrift dieses Signals zu kompensieren.
Die meisten bekannten Zeitbasen weisen einen 32kHz-Resonator vom Typ Stimmgabel auf, dessen Schnitt so gewählt wird, dass der Wärmekoeffizient erster Ordnung der Wärmecharakteristik annulliert wird. So erhält man einen Präzisionszeitmesser mit einer quadratischen Wärmecharakteristik, die zu einer Drift von –20ppb/°C² führt. Diese Drift ist aber noch zu groß und ermöglicht es nicht, eine derartige Präzision der Zeitbasis zu erhalten, dass eine damit ausgestattete Uhr die Bezeichnung Chronometer erhalten kann, zum Beispiel gemäß den Normen der Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres (COSC).
Die Uhrmacher haben sich verschiedene Lösungen ausgedacht, um die Wirkung einer solchen Drift zu reduzieren. Eine erste Lösung besteht darin, eine elektronische Kompensation durch Hemmungsregelung nach einer Messung der Temperatur durchzuführen. Diese Lösung erfordert aber, über einen geeigneten Temperaturmesswert zu verfügen und einen Schritt der Anfangskalibrierung anzuwenden. Eine andere Lösung ist in dem Dokument mit dem Titel "A microprocessor-based analog wristwatch chip with 3-seconds/year accuracy" von D. Lanfranchi, E. Dijkstra und D. Aebischer, CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique, ISSCC 1994, beschrieben. Dieses Dokument beschreibt eine Lösung, die die Verwendung eines Quarzresonators mit ZT-Schnitt mit Wärmekoeffizienten erster und zweiter Ordnung Null voraussetzt. In diesem Fall wird ein auf hoher Frequenz, in der Größenordnung von 2 MHz, arbeitender Resonator als Zeitreferenz verwendet, um zu festzustellen, ob es eine Frequenzdrift eines anderen Quarzresonators gibt, der weniger präzise ist und dessen Frequenz in der Größenordnung von 32 kHz liegt. Diese Lösung setzt aber das Hinzufügen eines ZT-Quarzresonators mit hoher Frequenz voraus, was einen hohen Verbrauch der Einheit nach sich zieht. Um dieses Problem des hohen Verbrauchs zu lösen, wird der ZT-Quarz zusammen mit einem 32 kHz-Quarz verwendet, der weniger präzise ist, aber durch einen regelmäßigen Standby-Betrieb des den ZT-Quarz verwendenden Oszillators erlaubt, einen sehr niedrigen Durchschnittsverbrauch zu erreichen. In Abhängigkeit von der Wärmeträgheit der Uhr wird die präzisere Zeitreferenz periodisch und für einen kurzen Moment eingeschaltet, um die zwei Zeitbasen erneut zu synchronisieren. Diese Lösung erfordert aber, über einen Resonator hoher Präzision mit einer sehr temperaturstabilen Frequenz zu verfügen. Andererseits führt das Hinzufügen eines Quarzresonators vom Typ ZT zu unerwünschten Mehrkosten bei der Herstellung und eine, unerwünschten Raumbedarf.
Das Dokument mit dem Titel "Resonateurs integres et base de temps incorporant de tels resonateurs" (integrierte Resonatoren und Zeitbasis, die solche Resonatoren aufweist), das Gegenstand einer französischen Patentanmeldung ist, die von der Anmelderin am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, beschreibt eine Zeitbasis, die zwei in ein Siliciumsubstrat integrierte Resonatoren aufweist, die unterschiedliche Resonanzmodi nutzen und bei unterschiedlichen Frequenzen oszillieren. Diese Resonatoren haben je eine Frequenzdrift aufgrund der sehr hohen Temperatur. Man stellt fest, dass unter den beschriebenen Herstellungsbedingungen dieser Resonatoren die Differenz zwischen den von den zwei Resonatoren gesendeten Signalen es ermöglicht, eine sehr präzise Zeitreferenz zu erhalten, deren Wärmedrift sehr gering ist. Die Annullierung des Wärmekoeffizienten erster Ordnung wird durch Differenz zwischen den Frequenzen dieser beiden Resonatoren erhalten. Die Reduzierung des Wärmekoeffizienten zweiter Ordnung wird durch eine entsprechende Ausrichtung der zwei Resonatoren in ihrem Substrat durchgeführt. Es ist dann auf der Basis solcher Resonatoren möglich, eine temperaturstabile und ausreichend präzise Zeitbasis zu konstruieren, um ihre Anwendung bei Chronometern in Betracht zu ziehen. Wie in der erwähnten Anmeldung angegeben, sind die Frequenzen solcher Resonatoren aber hoch, was auch hier zu einem zu hohen Verbrauch der Zeitbasis für tragbare Anwendungen wie Armbanduhren führt.
Es ist also der Gegenstand der Erfindung, die oben erwähnten Nachteile zu beheben, und insbesondere eine Architektur auf der Basis von Resonatoren anzugeben, deren Frequenz nicht unbedingt temperaturstabil ist, wie die Siliciumresonatoren, und die es ermöglicht, eine präzise Zeitbasis mit geringem Verbrauch zu erhalten, und dies unabhängig von den thermischen Umgebungsbedingungen.
Die Erfindung hat also eine Architektur, insbesondere für eine Zeitbasis, zum Gegenstand, deren Ausgangssignal dazu bestimmt ist, eine Zeitreferenz zu bilden, mit

– einem ersten Oszillator einer Frequenz F₁ und mit einer Eigenfrequenz F₁₀,
– eine Oszillatorschaltung, die einen zweiten Oszillator einer Frequenz F₂ aufweist, die sich von derjenigen des ersten Oszillators unterscheidet, mit einer Eigenfrequenz F₂₀, und der einen Wärmekoeffizienten erster Ordnung in einem Verhältnis λ.F₁₀/F₂₀ zum Wärmekoeffizienten erster Ordnung des ersten Oszillators hat, wobei λ ein Proportionalitätsfaktor ist,
– Mittel, um durch Frequenzdifferenz zwischen dem vom ersten Oszillator gesendeten Signal und dem von der Oszillatorschaltung gesendeten Signal eine erste temperaturstabile Zeitreferenz zu erzeugen.

Das Patent US 3,826,931 beschreibt eine ähnliche Architektur, bei der Signale jeweils unterschiedlicher Frequenzen, die von unterschiedlichen Resonatoren geliefert werden, kombiniert werden, um ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz im Wesentlichen temperaturstabil ist.
Die Architektur gemäß der vorliegenden Erfindung ist aber außerdem noch dadurch gekennzeichnet,

– dass die Resonatoren des ersten bzw. zweiten Oszillators aus Silicium sind,
– dass die Oszillatorschaltung ebenfalls einen Frequenzteiler aufweist, der die Frequenz F₂ des vom zweiten Oszillator gesendeten Signals durch den Faktor λ dividiert und das Ausgangssignal dieser Oszillatorschaltung erzeugt,
– dass sie Mittel aufweist, um die Frequenzdrift aufgrund der Temperatur des vom ersten Oszillator gesendeten Signals durch Vergleich des vom ersten Oszillator gesendeten Signals mit der ersten temperaturstabilen Zeitreferenz zu bestimmen, und
– dass sie programmierbare Korrekturmittel aufweist, die in Abhängigkeit vom Wert der Drift die Frequenz des vom ersten Oszillator gesendeten Signals teilen und das Ausgangssignal erzeugen, das eine zweite temperaturstabile Zeitreferenz bildet.

Die erfindungsgemäße Architektur kann außerdem die folgenden Merkmale aufweisen:

– die Architektur weist Mittel auf, um während einer Zählphase und während einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen der ersten Zeitreferenz die Anzahl von Impulsen zu zählen, die vom ersten Oszillator erzeugt werden, und
– die Architektur weist Mittel auf, um die Frequenzdrift zu bestimmen und die programmierbaren Korrekturmittel in Abhängigkeit von der abwärts gezählten Anzahl von Impulsen und der Anzahl von Zyklen der ersten Zeitreferenz zu steuern, während der die Zählung autorisiert wurde,
– die Architektur weist Mittel zum Versetzen in den Standby-Zustand auf, um den zweiten Oszillator intermittierend in den Standby-Zustand zu versetzen, und dass die Zählphase während einer Aktivitätsphase des zweiten Oszillators abläuft,
– die Mittel zum Versetzen in den Standby-Zustand weisen Mittel auf, die es ermöglichen, das Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden Aktivierungen in Abhängigkeit von der gewünschten Präzision für die zweite Zeitreferenz und/oder der Anzahl von Impulsen, die für den ersten Oszillator bei mindestens einer der vorhergehenden Zählphasen abwärts gezählt wurde, variieren zu lassen,
– die Architektur weist Mittel auf, um eine Temperaturinformation ausgehend von der Anzahl von Impulsen zu erzeugen, die vom ersten Oszillator in der Zählphase erzeugt werden,
– die Architektur weist Mittel auf, um Kalibrierungsinformationen der ersten temperaturstabilen Zeitreferenz zu speichern,
– die Korrekturmittel weisen einen programmierbaren Frequenzteiler auf, der einen Teilungsverhältnisbereich besitzt, der es ermöglicht, die Frequenzdriften des ersten Oszillators aufgrund der Temperatur und/oder der absoluten Präzision des ersten Oszillators zu kompensieren.

Die Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung eines Signals, das dazu bestimmt ist, eine Zeitreferenz zu bilden, zum Gegenstand, das die folgenden Schritte aufweist:

– Erzeugung einer ersten Frequenz durch einen ersten, einen Resonator aus Silicium aufweisenden Oszillator mit einer Eigenfrequenz F₁₀,
– Erzeugung einer zweiten Frequenz, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet, durch einen zweiten, einen Resonator aus Silicium aufweisenden Oszillator mit einer Eigenfrequenz F₂₀, wobei der Wärmekoeffizient erster Ordnung des ersten Oszillators im Wesentlichen gleich dem Wärmekoeffizient erster Ordnung des zweiten Oszillators, multipliziert mit dem Verhältnis F₂₀/λ.F₁₀ ist, wobei λ ein Proportionalitätsfaktor ist,
– Erzeugung einer ersten temperaturstabilen Zeitreferenz durch Frequenzdifferenz zwischen dem vom ersten Oszillator gesendeten Signal und dem vom zweiten Oszillator gesendeten Signal, nach Teilung dieses letzteren durch den Faktor λ,
– Bestimmung der Frequenzdrift aufgrund der Temperatur des vom ersten Oszillator gesendeten Signals durch Vergleich des vom ersten Oszillator gesendeten Signals mit der ersten Zeitreferenz,
– Korrektur der Frequenz des vom ersten Oszillator gesendeten Signals in Abhängigkeit vom Wert der Drift, um das eine zweite Zeitreferenz bildende Ausgangssignal zu erzeugen.

Die Erfindung nutzt diese Merkmale, um auf einfache Weise ausgehend von Siliciumresonatoren eine ausreichend präzise Zeitreferenz zu erzeugen, um den Anforderungen des COSC zu entsprechen. Insbesondere erfordert die Erfindung keine Verwendung von Resonatoren großer Präzision oder die sehr temperaturstabil sind, wie die ZT-Quarzresonatoren, die teuer sein oder die Abmessung und die Herstellungskomplexität der Zeitbasis erhöhen können. Außerdem ermöglicht eine Herstellung auf der Basis von Siliciumresonatoren, die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei verschiedenen Anwendungen in Betracht zu ziehen, insbesondere bei denjenigen, die bereits integrierte Schaltungen auf der Basis von Silicium verwenden, wie zum Beispiel die Taschencomputer, persönliche Assistenten oder andere elektronische Vorrichtungen mit reduzierten Abmessungen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die nur als Beispiel dient und sich auf die beiliegenden Figuren bezieht. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild einer Zeitbasis, wie sie in der erwähnten Parallelanmeldung beschrieben ist;
2 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Zeitbasis,
3 ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb des Steuerblocks CTRL beschreibt, der in der erfindungsgemäßen Architektur enthalten ist.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Zeitbasis, die die Frequenzdifferenz der von zwei Oszillatoren stammenden Signale verwendet, die je einen Siliciumresonator aufweisen. In dieser Figur arbeitet der erste Oszillator OSC1 mit einer niedrigeren Frequenz als der Oszillator OSC2. Am Ausgang des zweiten Oszillators befindet sich ein Frequenzteiler DIV2, der dem zweiten Oszillator OSC2 zugeordnet ist und eine Frequenzteilung durch eine ganze Zahl λ durchführt, wobei diese beiden Komponenten zusammen eine Oszillatorschaltung definieren (die in den 1 und 2 gestrichelt symbolisch dargestellt ist). Die Frequenzdifferenz zwischen dem vom ersten Oszillator OSC1 stammenden Signal S1 und dem vom zweiten Oszillator OSC2 stammenden Signal S2 nach Frequenzteilung durch einen Faktor λ bildet eine Zeitreferenz REF, deren Frequenz stabil ist, wenn das Verhältnis zwischen den Frequenzen der Umkehrwert des Verhältnisses ihres Wärmekoeffizienten erster Ordnung ist.
Wie in der erwähnten Parallelanmeldung beschrieben, erhält man, wenn die zwei Oszillatoren OSC1, OSC2 so gewählt werden, dass die vorhergehende Bedingung erfüllt wird, eine Annullierung des Wärmekoeffizienten erster Ordnung für die Zeitreferenz REF, und somit eine stabile Frequenzdifferenz, obwohl jeder der zwei Oszillatoren eine starke Wärmedrift aufweist.
Wenn nämlich die Frequenz F₁ des ersten Oszillators OSC1 in erster Näherung derart ist, dass gilt: F1(ΔT) = F10·(1 + α1·ΔT)wobei ΔT eine Temperaturschwankung, α₁ der Wärmekoeffizient erster Ordnung des Oszillators OSC1 und F₁₀ seine Eigenfrequenz ist, und wenn die Frequenz F₂ des zweiten Oszillators OSC2 in erster Näherung derart ist, dass gilt: F2(ΔT) = F20·(1 + α2·ΔT)wobei α₂ der Wärmekoeffizient erster Ordnung des Oszillators OSC2 und F₂₀ seine Eigenfrequenz ist, und außerdem die folgende Bedingung erfüllt ist: λ·α1·F10 = α2·F20 dann erhält man nach Teilung der Frequenz des zweiten Oszillators OSC2 durch einen Faktor λ eine Frequenz F'₂ derart, dass gilt: F'2(ΔT) = F2(ΔT)/λ =(F20/λ)·(1 + α2·ΔT) = (F10·α1/α2)(1 + α2·ΔT).
Außerdem erhält man durch Differenz zwischen F'₂ und F₁ eine Frequenz F_R derart, dass gilt FR(ΔT) = F'2(ΔT) – F1(ΔT) = F10·(α1 – α2)/α2d.h. unter Vernachlässigung der Wärmekoeffizienten höherer Ordnungen eine temperaturunabhängige Frequenz, die diejenige der Zeitreferenz REF ist. Wie oben angegeben, sieht die oben erwähnte Anmeldung ebenfalls Mittel vor, um den Wärmekoeffizienten zweiter Ordnung der Frequenzdifferenz F_R zu annullieren oder stark zu reduzieren.
2 zeigt schematisch eine Architektur, insbesondere für eine Zeitbasis, die das soeben erwähnte Prinzip verwendet. Die Architektur weist einen ersten Oszillator OSC1 auf, der mit einer niedrigeren Frequenz arbeitet als ein zweiter Oszillator OSC2. Programmierbare Korrekturmittel wirken auf den Ausgang des ersten Oszillators OSC1 ein, indem sie eine programmierbare Teilung der Frequenz des vom ersten Oszillator OSC1 gesendeten Signals S1 durchführen und so die Ausgangs-Zeitreferenz RTC der Zeitbasis erzeugen. Die programmierbaren Korrekturmittel werden gemäß dem Beispiel der 2 von einem programmierbaren Teiler realisiert, der eine Frequenzteilung durch einen Faktor N am vom ersten Oszillator gesendeten Signal S1 durchführt.
Ein zweiter Teiler DIV2 wirkt auf den Ausgang des zweiten Oszillators OSC2, indem er eine Frequenzteilung durch eine ganze Zahl λ durchführt und ein Signal S2 erzeugt, dessen Differenz mit dem Ausgang S1 des ersten Oszillators OSC1 eine erste Zeitreferenz REF bildet. Wie vorher erläutert, wählt man die Oszillatoren so, dass mindestens der Wärmekoeffizient erster Ordnung des Signals REF Null ist. Auf diese Weise ist die Frequenz der ersten Zeitreferenz REF temperaturstabil.
Die erfindungsgemäße Zeitbasis weist außerdem einen Kalibrierungsblock CAL auf, der in einer Anfangskalibrierungsphase verwendet wird, und der im Normalbetrieb außerhalb dieser Kalibrierungsphase als Speichermittel für die von der Kalibrierung stammenden Daten dient.
Dieser Kalibrierungsblock CAL ist mit einem Steuerblock CTRL verbunden, dessen Aufgabe es ist, den programmierbaren Teiler DIV1 zu steuern, der mit dem ersten Oszillator OSC1 mit geringem Verbrauch verbunden ist. Dieser Steuerblock verwendet zu diesem Zweck das vom ersten Oszillator OSC1 erzeugte Signal S1, das Signal der stabilen Referenz REF und die Daten D_CAL, die im Kalibrierungsblock gespeichert sind und aus der Kalibrierungsphase stammen. Andererseits erzeugt dieser Steuerblock CTRL Steuersignale MV, die es ermöglichen, den Oszillator OSC2 in den Standby-Zustand zu versetzten oder im Gegenteil zu aktivieren, während der Oszillator OSC1 seinerseits durchgehend arbeitet.
Das Betriebsprinzip dieser Architektur und die verschiedenen Ausführungsvarianten werden nachfolgend ausführlicher angegeben.
Der Kalibrierungsblock CAL enthält im Speicher einen Wert der Frequenz der stabilen Referenz REF. Dieser Wert wird in einer Anfangskalibrierungsphase erhalten, während der man diese stabile Referenz mit einer sehr präzisen externen Referenz vergleicht. Hierzu kann man zum Beispiel die Zeit messen, die im Vergleich mit dieser externen Referenz nötig ist, um eine gegebene Anzahl von Impulsen der stabilen Referenz REF zu zählen, eine Anzahl zum Beispiel gleich 10⁶, um eine Präzision des ppm (10^–6) zu erhalten. Der Wert der Frequenz der stabilen Referenz REF wird dann erhalten, indem das Verhältnis zwischen der gezählten Anzahl von Impulsen und der mittels der externen Referenz gemessenen Kalibrierungsdauer gebildet wird. Wenn die Kalibrierungsdauer 1,872s beträgt, beträgt die Frequenz der stabilen Referenz REF 10⁶/1,872 = 0,534 MHz. In Abhängigkeit von der gewünschten Präzision der Messung kann die Anzahl von Impulsen höher sein, aber die Kalibrierungszeit ist dann proportional um so länger.
Der Wert der Frequenz der stabilen Referenz REF, der durch Kalibrierung erhalten wird, wird im Kalibrierungsblock CAL gespeichert, zum Beispiel mit einer Präzision in der Größenordnung des ppm. Die Anfangskalibrierung kann bei Umgebungstemperatur erfolgen, ohne die Präzision der Messung zu beeinträchtigen, da die Temperaturdrift der stabilen Referenz REF sehr gering ist. Der Wert dieser Referenzfrequenz wird nicht-flüchtig im Kalibrierungsblock CAL gespeichert, um beim Normalbetrieb außerhalb der Kalibrierung der Zeitbasis verfügbar zu sein.
Der Steuerblock CTRL verwendet diese Kalibrierungsinformation, um ausgehend vom Ausgangssignal S1 des ersten Oszillators OSC1 und vom stabilen Referenzsignal REF ein Steuersignal zu erzeugen, das die Korrekturmittel steuert. Im Beispiel der 2 ermöglicht dieses Steuersignal, den Teilungsfaktor N des ersten programmierbaren Teilers DIV1 einzustellen, der auf den Ausgang des ersten Oszillators OSC1 einwirkt.
Die Bestimmung dieses Steuersignals wird durch das Ablaufdiagramm der 3 beschrieben. In diesem Ablaufdiagramm läuft eine Zählphase ab, während der parallel ein Zählen der Impulse des vom ersten Oszillator OSC1 gesendeten Signals S1 und ein Zählen der Impulse der stabilen Referenz REF stattfindet.
Der Bestimmungsprozess beginnt, wenn im Schritt 30 der zweite Oszillator OSC2 mit Hilfe eines Aktivierungssignals MV aktiviert wird, das vom Steuerblock CTRL erzeugt wird. Die stabile Referenz REF steht dann für die folgenden Phasen zur Verfügung. Dann folgt eine Rücksetzungsphase 20, während der der Wert des die Impulse der stabilen Referenz REF zählenden Zählers N_R auf Null zurückgesetzt wird, ein Flag Ende, das das Ende der Zählphase anzeigt, wird auf den Wert NEIN gesetzt, und der Wert des die Impulse des vom ersten Oszillator OSC1 gesendeten Signals S1 zählenden Zählers N₁ wird auf Null zurückgesetzt.
Der Wert des Zählers N_R wird im Schritt 21 inkrementiert, wenn nach einer Latenzzeit (Schritt 22) entsprechend der Periode der stabilen Referenz REF nach Vergleich im Schritt 23 festgestellt wird, dass der Wert des Zählers N_R unter einem vorbestimmten Wert M bleibt. Der Wert M entspricht so der Anzahl von Impulsen der stabilen Referenz REF, die die Dauer der Zählphase definieren. Wenn der Wert des Zählers N_R den Wert M erreicht, endet der Prozess des Zählens der Impulse der stabilen Referenz REF im Schritt 24, in dem das Flag Ende auf den Wert JA gesetzt wird, was das Ende der Zählphase anzeigt. Wenn die Zählphase im Schritt 24 endet, wird im Schritt 31 der zweite Oszillator OSC2 wieder in den Standby-Zustand versetzt, indem ein Signal MV des Versetzens des zweiten Oszillators OSC2 in den Standby-Zustand erzeugt wird.
Während die soeben beschriebenen Schritte 21, 22 und 23 ablaufen, wird der Wert des Zählers N₁ im Schritt 11 inkrementiert, wenn nach einer Latenzzeit (Schritt 12) entsprechend der Periode des Signals S1 durch Untersuchung des Werts des Flags Ende festgestellt wird, dass die Zählphase nicht beendet ist.
Wenn dagegen das Flag Ende durch seinen Wert anzeigt, dass die Zählphase beendet ist, wird dann im Schritt 33 der Wert des Teilungsfaktors N, der dazu bestimmt ist, den Teiler DIV1 zu programmieren, als die Anzahl N₁ von Impulsen des Oszillators mit geringem Verbrauch wie abwärts gezählt, multipliziert mit dem Wert der Frequenzreferenz, die durch Anfangskalibrierung F_R erhalten wird, und dividiert durch die Anzahl von Zyklen M der Frequenzreferenz, während der die Zählung autorisiert ist, festgelegt. Man erhält also am Ausgang des programmierbaren Teilers ein derartiges Frequenzsignal F'1, dass gilt: F'1 = F1/N =(F1/N1)·(M/FR)d.h. ein Signal der Frequenz 1 Hz, das also die Sekunde angibt.
Wenn nun die Augenblicksfrequenz F1 des ersten Oszillators OSC1 zunimmt, d.h. die abwärts gezählte Anzahl von Impulsen N₁ zunimmt, ist der an den Teiler DIV1 angelegte Wert des Teilungsfaktors N proportional höher. Nach einer solchen Programmierung des ersten Teilers DIV1 mit dem Wert wird die Zeitreferenz RTC am Ausgang der Vorrichtung so nachgestellt.
Die vorbestimmte Anzahl M von Impulsen für die stabile Referenz REF wird so gewählt, dass zum Beispiel etwa eine Million Impulse im ersten Oszillator OSC1 gezählt wird. Diese Anzahl von Impulsen muss in Abhängigkeit von der für die Zeitbasis gewünschten Präzision angepasst werden. Je höher sie ist, desto größer ist die erhaltene Präzision, aber desto höher ist der Durchschnittsverbrauch der Vorrichtung.
Um den Verbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu reduzieren, wird nur der Oszillator OSC1, der auf der niedrigsten Frequenz arbeitet, permanent angeregt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der zweite Oszillator OSC2 intermittierend in den Standby-Zustand versetzt. Die stabile Referenz REF steht also nur in dem Betriebsmodus zur Verfügung, in dem der Oszillator OSC2 aktiviert ist.
Dadurch kann eine deutliche Verringerung des Verbrauchs der Vorrichtung erhalten werden. Mit einer Frequenz des Oszillators mit geringem Verbrauch nahe einem MHz und einer Frequenzdifferenz in der Größenordnung von 100 kHz muss man mit zehn Sekunden Anfangskalibrierung rechnen, um die stabile Frequenzreferenz REF zu erhalten, aber nur mit einer Sekunde, um zu einer Zählung von einer Million von Zyklen des Oszillators OSC1 zu kommen, der durchgehend versorgt wird. Man erhält eine Zeitbasis mit der Sekunde präzise auf ppm.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es die Wärmeträgheit der Einrichtung, in die sie montiert ist, zum Beispiel eine Uhr, die die Aktivierungsrate des Oszillators mit hoher Frequenz bestimmt. Aufgrund des hohen Werts der Wärmedrift eines Resonators (in der Größenordnung von 30ppm/°C) muss das Nachstellen des Teilungsfaktors N mindestens bei jedem Zehntelgrad während einer Temperaturschwankung erfolgen. Mit einer Trägheit in der Größenordnung von 1°C/min muss also der Oszillator mit höherer Frequenz OSC2 alle 6s für eine Dauer von 1s aktiviert werden, wodurch der für den Betrieb der Einheit notwendige Verbrauch um einen Faktor 6 im Vergleich mit einer Vorrichtung reduziert wird, bei der die zwei Oszillatoren durchgehend arbeiten würden.
Die Herstellungspräzision des Resonators liefert eine bis auf ±0,05% präzise absolute Frequenzreferenz. Eine Drift von 30ppm/°C in einem Temperaturbereich von ±15°C erzeugt ebenfalls eine Gesamtdrift in der gleichen Größenordnung. Wenn man also einen programmierbaren Teiler DIV1 verwendet, der in der Lage ist, ein Teilungsverhältnis zwischen 99,9% und 100,1% des Werts der Frequenz des durchgehend versorgten Oszillators OSC1 zu erzeugen, kann man auf einen Schlag die absolute Präzision und die Wärmeschwankungen kompensieren, ohne eine irgendeine vorhergehende Einstellung der Resonatoren durchzuführen.
Aufgrund der Tatsache, dass man über eine temperaturstabile Zeitreferenz REF und ein vom ersten Oszillator OSC1 stammendes Signal verfügt, das eine gute Temperaturlinearität aufweist (wenn man die Wirkung des Wärmekoeffizienten zweiter Ordnung vernachlässigt), wird der Wert des durchgehend angeschlossenen ersten Oszillators OSC1 eine direkte Anzeige der Temperatur der Oszillatoren, und dies mit einer guten Linearität, in Zahlenform und mit einer Präzision in der Größenordnung von 1/30 °C.
In diesem Fall ist es notwendig, in der Kalibrierungsphase die Anfangstemperatur T₀ zu messen und für diese Temperatur die Anzahl von Impulsen N₁₀ des ersten Oszillators OSC1 während der vorbestimmten Anzahl M von Impulsen abwärts zu zählen. Diese Prozedur des Abwärtszählens ist gleich der vorher beschriebenen Zählphase, die außerhalb der Kalibrierungsphase im normalen Betriebsmodus verwendet wird. Diese Anfangswerte T₀ und N₁₀ werden wie die Frequenz der Referenz F_R in nicht-flüchtiger Weise im Kalibrierungsblock gespeichert. Bei Normalbetrieb wird die Temperatur dann nach jeder Zählphase ausgehend von der Anzahl von Impulsen N₁ des vom ersten Oszillator stammenden Signals S1 in Abhängigkeit von der erhaltenen Anzahl N₁ und gemäß folgender Formel neu bewertet: T = T0 + (N1 – N10)/(N10·α1)
Vorteilhafterweise weist der Steuerblock CTRL also Mittel auf, um die Temperaturabweichung ΔT = T – T₀ zu bestimmen und gemäß dem Schritt 35, der gestrichelt in 3 dargestellt ist, den Wert dieser Temperaturabweichung gemäß folgender Formel zu erzeugen: ΔT =(N1 – N10)/(N10·α1)
Aus diesen Betrachtungen ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungsvarianten der Erfindung, die entweder diese Temperaturinformation an sich nutzen, indem sie sie in einer Anwendung vom Typ Thermometer auswerten, oder einfach diese Information nutzen, um die Dauer der Standby-/Aktivierungsphasen des Oszillators OSC2 bestmöglich zu regeln und es so zu ermöglichen, den Verbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung maximal zu reduzieren.
So wird gemäß dem Diagramm der 3 das Zeitintervall, das zwischen einem Versetzen in den Standby-Zustand und der folgenden Aktivierung abläuft, durch eine Latenzzeit (Schritt 32) eines Werts τ_v bestimmt, der einer Anzahl von Impulsen des vom ersten Oszillator OSC1 stammenden Signals S1 entspricht. Dieser Wert kann feststehend sein, und in diesem Fall in Abhängigkeit von der gewünschten Präzision der Zeitreferenz RTC und der möglichen maximalen Wärmedrift bestimmt werden. Dieser Wert kann auch nach jeder Zählphase bestimmt werden, zum Beispiel durch eine Methode der linearen Vorhersage der gemessenen Frequenzdrift durch den Korrekturfaktor N oder direkter gemäß dem in 3 vorgeschlagenen Beispiel durch den Schritt 40 ausgehend vom Wert N₁, wie er nach dem Schritt 13 abwärts gezählt wird.
Zusammenfassend kann die beschriebene Erfindung nicht nur bei der Herstellung von Zeitbasen, sondern auch bei jeder Anwendung vom Typ Thermometer verwendet werden, die eine große Präzision erfordert.

Claims

Architektur, deren Ausgangssignal dazu bestimmt ist, eine Zeitreferenz zu bilden, mit – einem ersten einen Resonator aufweisenden Oszillator (OSC1) einer Frequenz F₁, der eine Eigenfrequenz F₁₀ hat und ein Ausgangssignal (S1) erzeugt, – eine Oszillatorschaltung, die einen zweiten einen Resonator aufweisenden Oszillator (OSC2) einer Frequenz F₂, die sich von derjenigen des ersten Oszillators (OSC1) unterscheidet, und eine Eigenfrequenz F₂₀ enthält, – wobei der zweite Oszillator (OSC2) einen Wärmekoeffizienten erster Ordnung α₂ in einem Verhältnis λ.F₁₀/F₂₀ zum Wärmekoeffizienten erster Ordnung α₁ des ersten Oszillators (OSC1) hat, wobei λ ein Proportionalitätsfaktor ist, – Mittel, um durch Frequenzdifferenz zwischen dem vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten Signal (S1) und dem von der Oszillatorschaltung gesendeten Signal (S2) eine erste temperaturstabile Zeitreferenz (REF) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Resonatoren des ersten bzw. zweiten Oszillators aus Silicium sind, – dass die Oszillatorschaltung außerdem einen Frequenzteiler aufweist, der die Frequenz F₂ des vom zweiten Oszillator (OSC2) gesendeten Signals durch den Faktor λ dividiert und das Ausgangssignal (S2) der Oszillatorschaltung erzeugt, – dass sie Mittel (CTRL) aufweist, um die Frequenzdrift aufgrund der Temperatur des vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten Signals (S1) durch Vergleich des vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten Signals (S1) mit der ersten temperaturstabilen Zeitreferenz (REF) zu bestimmen, und – dass sie programmierbare Korrekturmittel (DIV1) aufweist, die in Abhängigkeit vom Wert der Drift die Frequenz des vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten Signals (S1) teilen und das Ausgangssignal erzeugen, das eine zweite temperaturstabile Zeitreferenz (RTC) bildet.
Architektur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: – Mittel (10, 11, 12, 13), um während einer Zählphase und während einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen (M) der ersten Zeitreferenz (REF) die Anzahl von Impulsen (N₁) zu zählen, die vom ersten Oszillator (OSC1) erzeugt werden, und – Mittel (33), um die Frequenzdrift zu bestimmen und die programmierbaren Korrekturmittel in Abhängigkeit von der abwärts gezählten Anzahl von Impulsen (N1) und der Anzahl von Zyklen (M) der ersten Zeitreferenz (REF) zu steuern, während der die Zählung autorisiert wurde.
Architektur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (MV) zum Versetzen in den Standby-Zustand aufweist, um den zweiten Oszillator (OSC2) intermittierend in den Standby-Zustand zu versetzen, und dass die Zählphase während einer Aktivitätsphase des zweiten Oszillators (OSC2) abläuft.
Architektur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (MV) zum Versetzen in den Standby-Zustand Mittel aufweisen, die es ermöglichen, das Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden Aktivierungen in Abhängigkeit von der gewünschten Präzision für die zweite Zeitreferenz (RTC) und/oder der Anzahl von Impulsen (N1), die für den ersten Oszillator (OSC1) bei mindestens einer der vorhergehenden Zählphasen abwärts gezählt wurde, variieren zu lassen.
Architektur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel aufweist, um eine Temperaturinformation ausgehend von der Anzahl von Impulsen (N1) zu erzeugen, die vom ersten Oszillator (OSC1) in der Zählphase erzeugt werden.
Architektur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel aufweist, um Kalibrierungsinformationen der ersten temperaturstabilen Zeitreferenz (REF) zu speichern.
Architektur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturmittel einen programmierbaren Frequenzteiler aufweisen, der einen Teilungsverhältnisbereich besitzt, der es ermöglicht, die Frequenzdriften des ersten Oszillators (OSC1) aufgrund der Temperatur und/oder der absoluten Präzision des ersten Oszillators (OSC1) zu kompensieren.
Zeitbasis, die eine Architektur nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Thermometer, das eine Architektur nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Uhrenteil, das eine Architektur nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Verfahren zur Erzeugung eines Signals, das dazu bestimmt ist, eine Zeitreferenz zu bilden und die folgenden Schritte aufweist: – Erzeugung eines ersten Ausgangssignals (S1) einer ersten Frequenz F₁ durch einen ersten einen Resonator aus Silicium aufweisenden Oszillator (OSC1) mit einer Eigenfrequenz F₁₀, – Erzeugung einer zweiten Frequenz F₂, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet, durch einen zweiten einen Resonator aus Silicium aufweisenden Oszillator (OSC2) mit einer Eigenfrequenz F₂₀ und mit einem Wärmekoeffizienten erster Ordnung α₂ in einem Verhältnis λ.F₁₀/F₂₀ zum Wärmekoeffizienten erster Ordnung α₁ des ersten Oszillators (OSC1), wobei λ ein Proportionalitätsfaktor ist, – Teilung der Frequenz F₂ des vom zweiten Oszillator (OSC2) gesendeten Signals durch den Faktor λ, um ein zweites Ausgangssignal (S2) zu erzeugen, – Erzeugung einer ersten temperaturstabilen Zeitreferenz (REF) durch Frequenzdifferenz zwischen dem vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten ersten Signal (S1) und dem zweiten Ausgangssignal (S2), – Bestimmung der Frequenzdrift aufgrund der Temperatur des vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten Signals (S1) durch Vergleich des vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten Signals (S1) mit der ersten Zeitreferenz (REF), – Korrektur der Frequenz des vom ersten Oszillator (OSC1) gesendeten Signals (S1) in Abhängigkeit vom Wert der Drift, um das eine zweite Zeitreferenz (RTC) bildende Ausgangssignal zu erzeugen.