JP2004507812A - 特にｕｓｂデバイス用のクロック発生器 - Google Patents

Abstract

ＵＳＢ仕様に従って、データ伝送速度において０．２５％の精度が要求される。この精度を可能にするクロック信号を発生させるために、本発明により、水晶を使用しないクロック発生器ユニットが用いられる。本発明によるクロック発生器ユニットは、内部クロック発生器（１１）、この内部クロック発生器（１１）と接続されたパルスカウンタ（１７）、パルス数メモリ（１８）およびパルスフィルタ（１４）を有する。パルスカウンタは、同期信号（１６）の２つのパルス間の、内部で発生させられたクロックパルスの数を数える。同期信号の２つのパルスは、ＵＳＢ仕様によって伝送される。突き止められたパルス数と予定されたパルス数との間の差が評価され、パルスを抑制するパルスフィルタ（１４）を制御するために用いられる。これによって、安定したクロック信号（１３）が生じる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
本発明は、特に、ＵＳＢデバイスとの関連で用いられるクロック発生器ユニットに関する。ＵＳＢ仕様に従って、データ伝送速度に関して、特定の精度が遵守されなければならない。全速モードで、＋／−０．２５％の精度が要求される。この精度は、クロック精度を介してのみ達成され得、従って、用いられるクロックも、この高精度を有しなければならない。しかしながら、ＵＳＢバスは、明示のクロック線を含まない。従って、各デバイスは、クロックを自身で発生させなければならない。クロック信号の精度が達成されない場合、デバイスは、ＵＳＢに適合可能でない。
【０００２】
クロック信号は、通常、チップ上の回路によって発生させられ、ここで、＋／−３％の精度が達成され得る。精度を高めるために、さらなる水晶を用いることが公知である。このような水晶発振器は、例えば、Ｔｉｅｔｚｅ、Ｓｃｈｅｎｋらによる「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒ−Ｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｖｅｒｌａｇ　１９９９年、第１１版、９１０ページ〜、から公知である。この場合、水晶モジュールは、外部構成部品として実現される。しかしながら、多くの用途については、すべてのモジュールがチップ上にあることが必要または望ましい。外部水晶を用いる場合、チップにて１つまたは２つのさらなるピンが必要である。このことは、通常、望ましくなく、追加費用の原因となる。さらなる問題は、水晶の大きさである。なぜなら、例えば、スマートカードの場合、８００μｍの厚さが超過されるべきでなく、また超過され得ないからである。水晶を用いると、この基準を遵守することは不可能である。
【０００３】
従って、本発明の課題は、特に高い精度を有するクロック信号を発生させるが、水晶モジュールを使用しないクロック発生器ユニットを提示することである。
【０００４】
この課題は、クロック発生器ユニットにより解決される。このクロック発生器ユニットは、
安定したクロック信号の予定クロック周波数以上の内部クロック周波数を有するクロックパルスを発生させる内部クロック発生器と、
内部クロック発生器と接続され、同期信号によって開始値にセット可能であるパルスカウンタと、
実際値として、同期信号の先行するパルス間で、発生させられたクロックパルスの数を記憶し得るパルス数メモリと、
パルス数メモリ内に記憶された数、およびクロックパルスの規定された予定数から、発生させられたクロック信号からフィルタリングアウトされるべきパルスの数を突き止め、発生させられたクロック信号をフィルタリングして、予定値に対応する複数のクロックパルスの数が、安定したクロック信号として取り出し可能であるパルスフィルタと
を備える。
【０００５】
本発明によるクロック発生器ユニットの機能方法は、ＵＳＢ仕様に従って、例えば、全速モードにおいて、毎ミリ秒の規則的な間隔で同期パルスが伝送されることに基づく。ここで、この同期信号の周波数は、要求されるデータ伝送速度よりも、はるかに高い精度を有する。同期信号および所望の予定周波数の固定されたパルスの間隔を出発点として、同期信号の２つのインパルス間において、どれだけの数のクロック発生器のクロックインパルスを発生させなければならないかが規定される。２つの先行する同期パルス間における、パルスの予定数とパルスの実際数とを比較することによって、実際のクロック周波数が、予定周波数とどれほど異なるかが公知である。内部で発生させられたクロック信号から過剰なパルスをフィルタリングアウトすることによって、実際のクロック周波数は、必要とされる予定クロック周波数に制限され得る。
【０００６】
有利な一実施形態において、先行する２つの同期信号間のパルスの数が評価されるだけでなく、複数の周期間の平均値が形成される。これによって、周波数のゆらぎがさらに低減され得る。
【０００７】
有利なのは、本発明によるクロック発生器ユニットが、技術、温度または消費電力といったパラメータに依存しないことである。従って、製造公差を遵守するための高価な措置が節約され得る。
【０００８】
ＵＳＢ仕様に従って、同期信号の精度は、必要とされる安定したクロック周波数の精度よりも、５より大きい係数だけ精度が高い。これによって、構成部品を調節するための十分に大きい変更領域が残る。
【０００９】
精度に関して、さらに有利であるのは、安定したクロック信号が、内部の安定したクロック信号であり、その周波数が、動作クロック信号の予定クロック周波数よりも、偶数比で高い場合である。この場合、周波数分周器が提供され、この周波数分周器は、内部の安定したクロック信号から規定の予定クロック周波数を有する動作クロック信号を発生させる。
【００１０】
パルスメモリの値および／または同期復号器の出力信号および／または信号復号器の出力信号が内部クロック発生器にフィードバックされ、これによって、内部クロック発生器の周波数が後から調整可能であり得る場合にさらに有利である。
【００１１】
本発明のさらなる詳細および実施形態は、従属請求項に記載される。
【００１２】
本発明は、以下において、例示の実施形態を参照して、より詳細に説明される。
【００１３】
ＵＳＢ接続は、図１により、２つのデバイス間で実現される。ここで、一方はＵＳＢホスト１、他方は、ＵＳＢデバイス２と表示される。ＵＳＢホスト１は、例えば、ＰＣまたはＨＵＢの役割を担う。ＵＳＢデバイス２として、同様に、ＨＵＢ、あるいは、例えば、キーボード、マウス、スキャナまたはスマートカードが用いられ得る。５ボルトの接続、および接地接続と並んで、２つのデータ線Ｄ＋およびＤ−が提供される。２つのデータ線Ｄ＋およびＤ−を介して、ＵＳＢホスト１とＵＳＢデバイス２との間でデータトラフィックが行なわれる。ＵＳＢ２の電力消費の大きさに応じて、電圧供給は、バス接続または固有の電圧供給を介して行なわれる。
【００１４】
クロック線は、ＵＳＢ仕様に従って提供されない。従って、各ＵＳＢデバイスは、固有のクロック発生器を備えなければならない。このクロック発生器は、説明の導入部にて述べられたように、高い精度要求を満たさなければならない。ＵＳＢホスト１とＵＳＢデバイス２との間のデータトラフィックを同期化するために、ＵＳＢホスト１は、全速モードにおいて１ｍｓの間隔で同期信号を送信する。これは、全速モードで、０．０５％の精度を有する。
【００１５】
図２は、次に、ＵＳＢデバイス２のクロック発生器ユニットを説明する。このクロック発生器ユニットは、要求されるデータ伝送速度の精度を達成するために入来する高精度の同期信号を利用して、内部で発生させられたクロック信号を操作する。
【００１６】
内部クロック発生器１１は、目標とされる安定した周波数よりも高い周波数の不安定なクロック信号１２を発生させる。不安定なクロック信号１２から安定したクロック信号１３を取得するために、パルスフィルタ１４内で個々のパルスが抑制される。どれだけの数のパルスが抑制されなければならないかという情報を取得するために、同期信号１６の２つのパルス間で発生させられた不安定なクロック信号１２のパルスの数が数えられ、予定パルス数と比較される。
【００１７】
同期復号器１５は、データ線Ｄ＋およびＤ−上の入力信号３から同期信号１６を復号する。同期信号１６のパルスによって、パルスカウンタ１７がリセットされる。次に、このパルスカウンタ１７は、不安定なクロック信号１２のパルスによってインクリメントされる。パルスカウンタ１７のリセットと同時に、現在のカウンタの状態がパルス数メモリ１８に書き込まれる。従って、パルスカウンタメモリに表示される値は、先行する２つの同期パルス１６間で発生させられたクロックパルス１２の数を示す。パルス数メモリ１８は、パルスフィルタ１４と接続されるので、パルスフィルタ１４は、予定パルス数と、最後の周期において発生させられたパルス数との間の差がどれだけ大きいかを評価し得る。内部クロック発生器１１のクロック周波数が、２つの同期信号周期の間、等しい状態である場合、パルスフィルタ１４の出力において、すなわち、第２の周期において、予定周波数に正確に対応する。
【００１８】
パルスフィルタ１４の出力信号、すなわち安定したクロック信号１３は、有利な形態にて、必要とされるクロック信号２０よりもはるかに高く、クロック信号と偶数の比になる。周波数分周器１９によって、その後、最後に必要とされた動作クロック信号２０が獲得される（ＵＳＢ全速の場合、その周波数は１２ＭＨｚ）。周波数カウンタ１９が４：１の比で実現される場合、安定したクロック信号の予定周波数は４８ＭＨｚである。１２ＭＨｚを有する動作クロック信号２０は、次に、同期復号器１５およびデータ信号復号器２１に供給される。
【００１９】
本発明を明確にするために、上述の数の例がさらに用いられる。不安定なクロック信号１２の周波数は、約３％上へずれるので、発生させられた周波数は４９．４４ＭＨｚである。従って、同期信号周期が１ｍｓである間、４９．４４０クロック信号が発生させられ、他方、予定パルス数４８．０００は、対応して、４８ＭＨｚである。従って、１．４４０パルスが、好適には、等しい間隔で抑制されなければならない。従って、この場合、パルスは、ほぼ３３個おきにフィルタリングアウトされる。
【００２０】
データ信号復号器２１は、次に、１２ＭＨｚの予定周波数を利用して、線Ｄ＋およびＤ−を介して付与される入力信号３を復号し、復号された出力信号２２としてさらなる処理のために出力される。
【００２１】
データの送信は、当然同様に、等しい安定した１２ＭＨｚのクロック周波数を用いて行なわれる。
【００２２】
図３の拡大された例示の実施形態において、内部クロック発生器３１は、後から調節可能に構成される。同期信号１６、およびパルス数メモリ１８にファイルされた値を用いて、およびデータ信号復号器２１の出力信号を使用して、内部クロック発生器３１によって発生させられた周波数が後から調節される。これによって、不安定なクロック信号１２と、安定したクロック信号１３との間の差は、最初からはるかに小さくなる。
【００２３】
制御挙動を改善するさらなる可能性は、先行する同期信号周期のパルスの数が評価されるだけでなく、複数の先行する周期間の平均値が形成されることである。これによって、出現するパルス数の極値は、はるかに小さくなる。
【００２４】
当然、本発明は、ＵＳＢ全速モードに限定されず、低速モードでも適用可能である。しかしながら、ここで、要求される精度は１．５％であり、これは、はるかに容易に達成され得る。
【００２５】
さらに、十分に正確な同期信号が利用可能である場合、本発明は、他の用途に適用可能である。
【００２６】
（符号の説明）
１　ＵＳＢホスト
２　ＵＳＢデバイス
３　入力信号
１１、３１　内部クロック発生器
１２　不安定なクロック信号
１３　安定したクロック信号
１４　パルスフィルタ
１５　同期復号器
１６　同期信号
１７　パルスカウンタ
１８　パルス数メモリ
１９　周波数分周器
２０　動作クロック信号
２１　データ信号復号器
２２　出力信号
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＵＳＢ標準仕様による、２つのデバイスの接続を示す。
【図２】図２は、クロック発生器ユニットの第１の簡単な例示の実施形態をブロック回路図で示す。
【図３】図３は、図２のクロック発生器ユニットの第２の拡大された例示の実施例を、同様にブロック回路図で示す。

Claims (6)

1. クロック発生器ユニットであって、
   安定したクロック信号の予定クロック周波数よりも高いか、または等しい内部クロック周波数を有するクロックパルス（１２）を発生させる内部クロック発生器（１１、３１）と、
   該内部クロック発生器（１１、３１）と接続され、同期信号（１６）によって開始値にセット可能であるパルスカウンタ（１７）と、
   実際値として、該同期信号（１６）の先行するパルス間の、該発生させられたクロックパルスの数を記憶し得るパルス数メモリ（１８）と、
   該パルス数メモリ（１８）内に記憶された数、およびクロックパルスの規定された予定数から、該発生させられたクロック信号（１２）からフィルタリングアウトされるべきパルスの数を突き止め、該発生させられたクロック信号（１２）をフィルタリングして、予定値に対応する複数のクロックパルスの数が、安定したクロック信号（１３）として取り出し可能であるパルスフィルタ（１４）と
   を備える、クロック発生器ユニット。
2. 前記パルス数メモリ（１８）は、前記同期信号（１６）の先行する２つのパルス間の、前記発生させられた複数のクロックパルスを含むことを特徴とする、請求項１に記載のクロック発生器ユニット。
3. 前記パルス数メモリ（１８）は、前記同期信号（１６）の、複数の先行するパルス間で発生させられたクロックパルスの平均数を含むことを特徴とする、請求項１に記載のクロック発生器ユニット。
4. 前記同期信号（１６）は、同期復号器（１５）によって入力信号（３）から突き止められ、前記安定したクロック信号（１３）は、該同期復号器（１５）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載のクロック発生ユニット。
5. 前記同期信号（１６）は、ＵＳＢ仕様に従って提供された同期信号であることを特徴とする、請求項１に記載のクロック発生器。
6. 前記安定したクロック周波数（１３）は、前記パルスフィルタ（１４）の出力において、動作クロック信号（２０）の、必要とされる予定周波数よりも、偶数比で高く、前記安定したクロック信号（１３）からの分割によって、前記パルスフィルタ（１４）の出力にて該動作信号（２０）を発生させる周波数分周器（１９）が提供されることを特徴とする、請求項１に記載のクロック発生器ユニット。