FI89543B - Foerfarande foer kalibrering av en referensoscillator - Google Patents

Description

1 89543

Menetelmä referenssioskillaattorin kalibroimiseksi -Förfarande för kalibrering av en referensoscillator 5

Keksintö koskee menetelmää lämpötilakompensoidun referenssioskillaattorin kalibroimiseksi patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaisesti.

10 Lämpötilakompensoidun referenssioskillaattorin, esimerkiksi digitaalisesti lämpötilakompensoidun kideoskillaat-torin (DTCXO) toiminta perustuu muistipiiriin, johon on talletettu eri lämpötiloja vastaavien ohjausjännitteiden arvot, joilla kulloisessakin lämpötilassa saadaan jänni-15 teohjatun kideoskillaattorin (VCXO) oikea taajuus. Tarkka kalibrointi on välttämätön esim. matkapuhelinjärjestelmissä, joissa käytetään kanavavälinä 12,5 kHz. Yleisesti vaaditaan radiotaajuuden stabiilisuus vähintään +/- 1,5 ppm.

20 Tällainen DTCXO tunnetaan esimerkiksi artikkelista Takashi Miyayama ja Hisao Sakurai:'New Digital Temperature-Compensated Crystal Oscillator Effective in Narrow Band Mobile Telephone Systems', JEE, joulukuu 1988. Tässä artikkelissa selitetään myös seikkaperäisesti tällaisen oskillaattorin 25 kalibrointia. Tämän tunnetun menetelmän mukaisesti käytetään automaattista lämpötilakompensointijärjestelmää (artikkelin kuva 4), jossa kalibroitavana olevan DTCXO:n lämpötila- ja taajuusarvot talletetaan mittauslaitteiston muistiin. Eri käsittelyvaiheiden jälkeen oskillaattorin 30 ohjausarvot kirjoitetaan ROM-kirjoituslaitteella PROM-muistiin. Sen jälkeen oskillaattori- ja muistipiirit kootaan piirilevylle (artikkelin kuva 5).

Tällä tunnetulla kalibrointimenetelmällä on kuitenkin 35 puutteensa. Kalibrointia varten tarvitaan erillinen kallis mittalaite lämpötila-antureineen. Kun kalibroitu kideos-killaattori asennetaan johonkin laitteeseen, sen toimintaa 2 ο 9 5 4 3 ohjataan tämän laitteen lämpötila-anturilla, jonka omi-naiskayrä väistämättä jonkin verran poikkeaa kalibrointi-laitteesta. Tästä aiheutuu periaatteellinen taajuusepätark-kuus . Mittauslaitteen kapasiteetti muodostaa myös rajoituk-5 sen samanaikaisesti kalibroitavien piirien lukumäärälle.

Keksinnön tavoitteena on voittaa edellä mainitut ongelmat ja osoittaa sellainen lämpötilakompensoidun referenssios-killaattorin kalibrointimenetelmä, joka on helposti ja 10 edullisesti toteutettavissa. Nämä ja muut tavoitteet saavutetaan keksinnön mukaisesti patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkein.

Keksinnön oleellisena etuna on sen edullisuus, kun kalib-15 rointiin käytetään samaa laitekokonaisuutta, jossa refe-renssioskillaattori on tarkoitettu käytettäväksi. Tällä poistetaan samalla mittauslaitteiston kapasiteettirajoitus, koska jokainen laite voi toimia omana kalibroin- tiasemana. Menetelmää käytetään edullisesti laitteiden 20 tuotannossa vanhennuksen (burn in) ja lopputestauksen yhteydessä.

Keksinnön menetelmää käyttäen voidaan toteuttaa syntesoi-jaohjattu referenssioskillaattori. Tällöin voidaan myös 25 aikaansaada digitaalisesti lämpötilakompensoitu kideos- killaattori (DTCXO), joka on integroitu samalle piirille syntesoijapiirin kanssa.

Keksinnön mukaista menetelmää ja syntesoijaohjattua refe-30 renssioskillaattoria käytetään edullisesti radiopuheli messa, erityisesti solukkotyyppisessä matkapuhelimessa.

Keksinnön mukaista kalibrointimenetelmää selitetään seu-raavassa suoritusesimerkin avulla oheiseen piirustukseen 35 viitaten, jossa: kuviossa 1 on keksinnön prosessoripohjäistä kalibrointi- 3 89543 menetelmää havainnollistava lohkokaavio; ja kuvion 2 lohkokaaviossa on osa sinänsä tunnetun matkapuhelimen lähetinosasta syntesoijapiireineen.

5 Referenssioskillaattorin, tässä suoritusesimerkissä digitaalisesti lämpötilakompensoidun kideoskillaattorin (DTCXO), kalibrointi suoritetaan matkapuhelimen tuotannossa vanhennuksen yhteydessä. Kalibroitava laite (laitteet) asetetaan lämpötilaltaan säädettävään tilaan, sääkaappiin 10 tai säähuoneeseen, jonka lämpötilaa säädetään sinänsä tunnetulla tavalla eri arvoihin ennalta annetun ohjelman mukaisesti. Laitteeseen liitetään syöttövirtapiirit.

Keksinnön mukaisesti kalibrointi suoritetaan kalibroitavan 15 matkapuhelimen avulla, joka sisältää mikroprosessorin muisteineen. Kalibrointia varten järjestetään ulkoinen tarkka referenssitaajuus, joka liitetään kalibroitavaan matkapuhelimeen.

20 Kuviossa 1 on esitetty kalibrointimenetelmän kannalta oleelliset osat. Kalibroitava jänniteohjattu kideoskil-laattori VCXO 10 tuottaa taajuuden Fo, joka jaetaan jakajassa 5 ja johdetaan vaihevertailijalle 6. Kalibroinnin ajaksi ulkoinen tarkka referenssitaajuus Fin, esimerkiksi 25 suuruusluokkaa 10 MHz, kytketään vaihtokytkimen 15 kautta (ja mahdollisen esijakajan 16 kautta) jakajaan 7. Matkapuhelimen normaalikäytössä kytkin 15 on asennossa a, jolloin jakajalle 7 tuodaan VCO:n 14 taajuus. Jakajasta 7 skaalattu referenssisignaali johdetaan vaihevertailijalle 30 6. Vaihevertailijän lähtö johdetaan toisaalta alipääs- tösuodattimen 17 kautta jänniteohjattuun kidoskillaatto-riin 14. Toisaalta vaihevertailun tulos johdetaan matkapuhelimen toimintaa ohjaavaan prosessoriin 13, jonka kalibroinnin kannalta oleellisia osia (1-4, 9, 11, 12) 35 on tarkemmin esitelty kuvion 2 selityksen yhteydessä. Matkapuhelimen toimintalämpötilaa mittaavan lämpötila-anturin 4 signaali tuodaan myös prosessorille 13.

4 «9543

Kuvion 2 lohkokaaviossa on tarkemmin eritelty keksinnön toiminnan kannalta oleellisia komponentteja. Tässä on käytetty samoja viitenumerolta kuin kuviossa 1 osoittamaan samoja komponentteja. Kalibroitava jänniteohjattu kideos-5 killaattori VCXO 10 tuottaa taajuuden Fo, joka jaetaan jakajassa 5 ja johdetaan vaihevertailijalle 6. Kalibroinnin referenssitaajuus Fin johdetaan jakajaan 7 ja siitä edelleen jakajaan 8, josta vertailutaajuus fin johdetaan vaihevertailijaan 6. (Matkapuhelimen normaalitoiminnassa 10 jakajaan 7 tuodaan VC0:n taajuus.) Matkapuhelimen mikroprosessoriin (13 kuviossa 1) on talletettu kalibrointioh-jelma, jolla ohjataan dataväylän D kautta kalibrointia varten jakoluvut jakajille 5, 7 ja 8, niin että vaihever-tailijalle 6 saadaan verrattaviksi likimain yhtä suuret 15 taajuudet. Dataväylän kautta ohjataan myös afc-piiriä 11, 12 esim. vanhenemisen kompensoimiseksi.

Syntesoija tuottaa charge pump-linjasta erosignaalin u/d, jolla ohjataan prosessorin laskuria 9 (up/down). Laskuri 20 toimii kun mikroprosessorin ohjelman tuottama ohjaustulo e sen sallii. Laskurin lähtö johdetaan digitaali/analogia-muuntimen 1 kautta afc-signaalina eli ohjausjännitesignaa-lina Vo oskillaattorille 10. Tällä tavoin muodostuneessa takaisinkytketyssä silmukassa säädetään eli iteroidaan 25 oskillaattorin taajuus halutuksi. Kun oikea taajuus on saavutettu, vaihevertailija 6 ilmaisee tämän signaalilla w, joka johdetaan PROM-muistipiiriin 2. Kun mikroprosessorin ohjelman tuottama 'kirjoitustila' e sen sallii, muistiin kirjoitetaan tätä oikeata taajuutta vastaavan 30 ohjausjännitteen Vo digitaalinen arvo. Samalla muistiin luetaan lämpötila-anturin 4 tuottaman signaalin analo-gia/digitaali-muuntimelta 3 saatava digitaalinen arvo. Muuntimet 1, 3, muistit 2 ja laskuri 9 on yhdistetty rinnakkaisväylällä, josta kuvion selkeyden vuoksi on 35 esitetty vain äärijohtimet.

Tämän jälkeen kalibrointi toistetaan seuraavassa lämpö- 5 ä9543 tilassa. Siten askeleittain käydään läpi koko matkapuhelimen käyttölämpötila-alue, esim. alue -25...+55 °C, ja muodostetaan muistiin 2 taulukko, jossa on kutakin lämpötilaa kohti kideoskillaattorin 10 vastaavat ohjausjänni-5 tearvot. EEPROM-muistitilan säästämiseksi kideoskillaat-tori kalibroidaan vain n. 5 °C:n välein.

Esitetty kalibrointimenetelmä voidaan toteuttaa kuvioiden mukaisessa matkapuhelinjärjestelyssä ilman kytkennällisiä 10 muutoksia, järjestämällä pelkästään vähäisiä lisäohjelmia prosessorin muistiin. Kun kussakin ennalta valitussa mit-tauslämpötilassa iteroidut analogia/digitaali-muuntimen lukemat talletetaan muistiin ja mittauspisteiden välit li-nearisoidaan, saavutetaan helposti vaadittu taa juustarkkuus . 15

Edellä esitetty viritys voidaan tuotannossa automatisoida ja yhdistää esimerkiksi vanhennustestaukseen. Mitattavat laitteet, esim. 200 matkapuhelinta kerralla, on vanhennuk-sen aikana koko ajan kytketty mittalaitteisiin. Keksinnön 20 mukaisen kalibroinnin voidaan olettaa vievän hieman lisää mittausaikaa, jolla ei kuitenkaan sinänsä ole merkitystä, koska vanhennusjakso eli lämpösykli kokonaisuudessaan käsittää useita tunteja. Lämpösykli voidaan toteuttaa esimerkiksi niin, että ensin suoritetaan viritykset kyl-25 mässä tilassa.

Käytön aikana laitteen prosessorin 13 muistista haetaan anturin 4 mittaamaa lämpötilaa vastaava ohjausjännitteen Vo digitaalinen arvo, eli muistia 2 osoitetaan anturin 4 30 tuottamalla osoitteella. Keksinnön mukaisella menetelmällä eliminoidaan lämpötilan mittauksessa tekniikan tasossa tapahtuvat virheet, koska matkapuhelin itse mittaa lämpötilan sekä kalibroinnin että käytön aikana, toisin sanoen, menetelmällä kalibroidaan myös lämpötilamittaus.

35

Keksinnön menetelmässä voidaan käyttää useampia referens-sitaajuuksia, kun jakajat 5, 7, 8 ovat ohjelmoitavia.

6 49543 Käytön aikana voidaan myös suorittaa keksinnön mukaista menetelmää soveltaen vanhenemisen kompensointi tukiaseman taajuutta referenssinä käyttäen, koska tukiaseman taajuus-tarkkuus on +/- 250 Hz.

5

Keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan monia etuja, joita jo edellä on mainittu. Lisäksi on todettava, että keksinnöllä voidaan käyttää matkapuhelimen olemassa olevia osia kalibrointiin. Ulkoisia komponentteja, esim. liitän-10 töjä tarvitaan vain vähän, jolloin laitteen koko pienenee. Menetelmässä on myös mahdollista kompensoida lähes mielivaltaisen lämpötila-ominaiskäyrän omaava kide.

Erittäin edulliseksi keksinnön mukainen referenssioskil-15 laattori muodostuu, kun se integroidaan samalle piirille syntesoijan kanssa, jolloin matkapuhelimen kokoa edelleen voidaan pienentää ja tehon kulutusta alentaa.

Kokeissa on havaittu, että käyttämällä tarkkuusluokkaa 10 20 ppm olevaa kidettä saavutetaan keksinnön kalibrointi-menetelmällä referenssioskillaattori, jonka tarkkuus on parempi kuin 0,3 ppm, edellyttäen että digitaali/analogia-muuntimella ja lämpötilamittauksessa käytetään riittävää resoluutiota.

25 30 35

Claims (9)

1. Menetelmä matkapuhelimen lämpötilakompensoidun refe-renssioskillaattorin (DTCXO) kalibroimiseksi, jossa a) lämpötilaltaan säädettävään tilaan asetetaan lämpötila-5 ilmaisin (4) sekä kalibroitava referenssioskillaattori (10), johon liitetään syöttövirtapiirit, b) referenssioskillaattorin (10) ohjaustulo (Vo) ja lähtö ( Fo ) liitetään kalibrointipiiriin, jolla oskillaattorin taajuus kalibroidaan, 10 c) tilan lämpötila säädetään kalibrointi jakson aikana useaan mittauslämpötilaan, d) referenssioskillaattorin (10) taajuus (Fo) säädetään ka-librointipiirin ohjaussuureella (Vo) kulloisessakin lämpötilassa haluttuun arvoon, jolloin lämpötilailmaisimen (4) 15 osoittama lämpötila-arvo ja tässä lämpötilassa käytettyyn ohjaussuureeseen verrannollinen ohjausarvo (Vo) talletetaan matkapuhelimen muistiin (2), jolloin referenssioskillaattorin (10) lähtötaajuutta käytön aikana ohjataan lämpötilailmaisimen (4) antaman lämpötila-20 osoitteen avulla muistista (2) haettuun ohjausarvoon verrannollisella ohjaussuureella (Vo), tunnettu siitä, että kalibrointipiirin osana käytetään matkapuhelimen omaa taa-juussyntesoijapiiriä (5-8) siten, että referenssioskillaat-25 torin (10) takaisinkytkettyyn silmukkaan, joka käsittää taa-juussyntesoijapiirin, kytketään tarkka referenssitaajuus (Fin), jota verrataan referenssioskillaattorin taajuuteen (fo) syntesoijapiirin vaihevertailijän (6) avulla, jolloin syntesoijapiirin avulla muodostetaan referenssioskillaatto-30 rin ohjausjännite (Vo).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötilailmaisimena käytetään laitekokonaisuuden lämpötila-anturipiiriä (4), jolloin lämpötila-arvot muunne- 35 taan (3) muistiin (2) talletettavaksi digitaaliseksi arvoksi . 8 *95*3

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa c) kalibrointi suoritetaan diskreetein, edullisesti 5°C välein, jolloin käytön aikana ohjaus-logiikalla ja ohjelmalla suoritetaan referenssioskillaatto- 5 rille johdetun jännitearvon (Vo) interpolointi, edullisesti lineaarinen interpolointi, muistiin (2) talletettujen diskreettien lämpötila-arvojen välillä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel-10 mä, tunnettu siitä, että kalibrointivaiheet suoritetaan laitteen vanhennustestauksen aikana .

5. Lämpötilakompensoitu referenssioskillaattori, tunnettu siitä, että se kalibroidaan jonkin edellisen patenttivaati- 15 muksen mukaisella menetelmällä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen oskillaattori, tunnettu siitä, että se on digitaalisesti lämpötilakompensoitu kide-oskillaattori (DTCXO), ja että se on integroitu samalle pii- 20 rille syntesoijapiirin (5 - 8) kanssa.

7. Radiopuhelin, tunnettu siitä, että se sisältää patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukaisen referenssioskillaattorin.

7 89543

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen radiopuhelin, tunnettu siitä, että sillä lisäksi käytön aikana suoritetaan lämpöti-lakalibrointi tukiasemalta vastaanotetun ohjaussignaalin perusteella.

9 o 9 51 3