JP2015068829A - 温度補正機能付きタイミング信号発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の発振がそれぞれ熱に対して補正される信号発生器を提供する。【解決手段】温度補正機能付きタイミング信号発生器は、基準時間信号を生成する水晶発振器１１２と、基準時間信号を受け、粗い時間単位信号を出力するように構成するディバイダー回路１１４とを有し、粗い時間単位信号は、水晶発振器１１２の温度の関数として所望の周波数に対して逸脱している実際の周波数を有する。この信号発生器は、さらに、水晶発振器１１２の周波数よりも大きな周波数を有する補間信号を生成するように構成する高周波発振器１１６を有する。有限状態マシン１２４は、温度の関数として偏差補正信号を計算し、この偏差補正信号は、ディバイダー回路１１４において抑制又は注入されるパルスの整数の数を表す整数部分と、及び残りの偏差を補正するために新しい時間単位信号パルスの出力をさらにどれくらい遅延すべきかということを表す端数部分とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、温度補正機能付きタイミング信号発生器に関する。本発明は、より詳細には、温度変化を補正するためにパルス抑制及び／又はパルス注入を使用するようなタイミング信号発生器に関する。

タイミング信号発生器が知られている。タイミング信号発生器は、タイミング信号を提供する発振器を有する。発振器は、振動周波数を安定させるために水晶共振器が使用される。原理的には、水晶発振器は非常に正確であるが、精度が温度によって左右されることが知られている。水晶は、基本的には、機械的な共振器のように機能し、温度が少しでも変化すると水晶が非常にわずかに拡大又は収縮し、これによって、共振振動数が変わる。共振振動数の変化の問題を克服するために、従来技術のいくつかのアプローチが知られている。

図１は、水晶制御発振器１、一連のバイナリーディバイダー（フリップフロップ）２、及び腕時計の針の形態である計時器の表示手段４を駆動するように構成するステッピングモーター３を有する従来技術計時器の機能図である。このような計時器では、多くの場合、水晶は、３２，７６８Ｈｚ水晶音叉共振器である。３２，７６８は２¹⁵と等しい。したがって、ディバイダーの連鎖は１５のバイナリーディバイダーを有することができ、その結果、この連鎖の出力周波数は１Ｈｚであり、これは、ステッピングモーター３を駆動するのに適している。

３２，７６８Ｈｚ水晶音叉共振器は、周波数を温度に対してプロットすると、約２５℃を中央とする放物線を定めるように通常切断される。すなわち、水晶音叉共振器は、室温で公称周波数の近くで共振するが、しかし、温度が室温から上昇又は減少すると速度を落とす。３２，７６８Ｈｚ音叉共振器用の共通の放物線の係数は、−０．０４ｐｐｍ／℃²である。

温度センサーを装備し温度変化を補正することができる計時器が知られている。特許文献ＵＳ３，８９５，４８６は、温度補正される計時デバイス及び温度補正方法について記載する。抑制補正として知られているこの特定の方法は、タイミング信号の周波数を低下させるために使用される。この方法を実装するために、意図的に多少速く動くように水晶共振器を作らなければならない。パルス抑制補正は、１０秒又は１分のような一定間隔で少ない数のサイクルをディバイダー連鎖が飛ばすようにすることを伴う。毎時間スキップするサイクルの数は、温度に依存し、プログラムされた参照テーブルによって決定される。

温度変化を補正する別の既知の方法として、パルス注入補正がある。抑制補正とは反対に、注入補正はタイミング信号の周波数を増加させることによって機能する。例えば、特許文献ＵＳ３，９７８，６５０で説明されるように、注入補正は、バイナリーディバイダーの連鎖を通して供給されるデジタル信号に追加の補正用パルスを組み入れること（注入すること）を伴う。再び、注入するパルスの数は、温度センサー及びプログラムされた参照テーブルによって決定される。

抑制補正及び注入補正の両方は、量化エラーに関係している。量化エラーは、パルスの一部のみを加えたり抑えたりすることが可能ではないということから生じる。発振器の周波数がｆである場合、量化の分解能が１秒当たり１／ｆに制限される。共振器の振動周波数がｆ＝３２７６８Ｈｚである場合、分解能は高々３０．５ｐｐｍしかなく、これは、約±１５ｐｐｍのエラーを発生させる。例えば、１ｐｐｍの分解能を得るためには、少なくとも１００万のサイクルにわたって補正することが必要である。このことは、３２７６８Ｈｚの共振器の場合には、抑制補正又は注入補正を適用する前に少なくとも３１秒待つことを意味する。したがって、この種の補正では、バイナリーディバイダー２の連鎖から出力される１Ｈｚの周波数は、３０番目のパルスまでは公称周波数からわずかに偏差を生じる傾向にあり、３１番目のパルスで累積誤差が全体として補正される。このことは、時間積算計器である腕時計では問題にならない。しかし、例えば、タイミング信号発生器の場合には、個々のパルスの精度は１ｐｐｍよりも良い必要がある。この場合、上記の温度補正方法では不十分である。したがって、本発明は、個々の発振がそれぞれ熱に対して補正される信号発生器を提供することを目的とする。

本発明は、請求項１記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器を提供することである。

本発明に従って、温度補正機能付きタイミング信号発生器は、各時間単位パルスの継続時間の粗い熱に対する補正のための抑制補正及び／又は注入補正を実装する。また、この信号発生器は、さらに、抑制補正及び／又は注入補正に関連づけられた量化エラーを修正することを可能にする補間方法として、「端数抑制」を実装する。

添付図面を参照しながら以下の説明を読むことで（これらに限定されない）、本発明の他の特徴及び利点が明らかになる。

タイムベース及び周波数分割器、さらに、周波数分割器によって作動するモーター及び時間インジケーター手段を有する従来技術のクロックの基礎的な機能図である。 水晶音叉共振器及びＲＣ発振器の周波数の温度依存性を示す図である。 本発明の特定の実施形態に係る温度補正機能付きタイミング信号発生器を示す基礎的な機能ブロック図である。 図３の温度補正機能付きタイミング信号発生器の代替実装例を示す詳細な機能ブロック図である。 図４のタイミング信号発生器によって出力として提供されるタイミング信号に対する温度補正の効果を示すタイミング図である。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る温度補正機能付きタイミング信号発生器を示すブロック図である。図３のタイミング信号発生器は、出力２０を介して一連の温度補正時間単位信号パルスを提供するように設計されている。この発生器は、基準時間信号を生成するように構成する水晶発振器１２を有する。この水晶発振器は、例えば、従来の３２．７６８ｋＨｚの水晶音叉共振器に基づくことができる。図示した発生器は、さらに、基準時間信号の発振をすべて数えて、基準時間信号の３２，７６８の発振それぞれに対して１つのクロックパルスを水晶発振器から出力するように構成する周波数分割器１４を有する。

引き続き図３を参照すると、本発明に係る温度補正機能付きタイミング信号発生器が、さらに、高周波発振器１６を有することがわかる。発振器１６は、可変遅延を表すブロック３８にクロック信号を供給するように構成する。可変遅延３８は、タイミング信号のエッジのオンセットをわずかに遅延させることによって、温度変化を補正するために提供される。この可変遅延の動作をさらに説明する。高周波発振器は発生器によって提供される温度補正タイミング信号の周波数以上よりも少なくとも６桁大きい周波数を有するように選択される。好ましくは、高周波発振器の周波数は、温度補正タイミング信号の周波数よりも少なくとも１０⁷倍大きい。例えば、温度補正タイミング信号のための目標周波数が１Ｈｚである場合、高周波発振器は、１ＭＨｚ発振器、好ましくは、１０ＭＨｚ発振器である。例えば、チップ上で集積される１０ＭＨｚのＲＣ発振器である。

図示した温度補正機能付きタイミング信号発生器は、符号１７によって全体で識別される温度補正手段をさらに有する。図３を再び参照すると、温度補正手段が、温度を表す信号を出力２２を介して提供するように構成する温度信号生成ブロック１８と、ブロック１８からの信号とブロック４０によって提供される周波数比信号との両方を受け、かつ、整数及び小数の両方の偏差補正信号を出力として供給するように構成する偏差補正信号生成ブロック２４と、端数抑制指令信号を出力３７を介して可変遅延３８へと提供するために、小数偏差補正信号を入力２８を介して受け、それを前の小数偏差補正信号からの剰余に加えるように構成する小数蓄積ブロック３０と、及び入力２６を介して整数偏差補正信号を受け、出力３６を介して周波数分割手段１４のための抑制／注入指令信号を提供するように構成する「抑制／注入制御」ブロック３４とを有する。

より詳細には、温度信号生成ブロック１８は、水晶発振器１２に熱的につながれた温度センサーを有する。この温度センサーは、水晶発振器の温度を測定するように構成する。この温度センサーは、当業者に知られている任意の種類のものであってもよい。例えば、温度センサーはサーミスターとすることができる。この温度センサーは、周波数が温度に依存する発振器であってもよい。より具体的には、特定の実施形態によれば、温度センサーは、高周波発振器１６とすることができる。ブロック１８は、出力２２を介して温度信号をブロック２４へと提供するように構成する。ブロック２４は、水晶発振器１２の周波数／温度のふるまいに関するデータにアクセスすることができ、ブロック２４はこのデータと温度信号の両方を使用して所望の周波数からの水晶発振器の温度に関係する偏差を補正する偏差補正信号を提供するように構成する。前記周波数／温度に関連するデータの少なくとも一部は、ブロック２４の非揮発性メモリーに記録される。

本発明に係る温度補正機能付きタイミング信号発生器が、時間単位が１秒であるような時間単位信号を提供するように構成する特定の場合には、ブロック２４が生成する偏差補正信号は、好ましくは、公称周波数からの水晶発振器１２の周波数の偏差に対応する。本発明に係る温度補正機能付きタイミング信号発生器が、時間単位が１秒とは異なるような時間単位信号を提供するように構成する場合には、基準時間信号の周波数を、秒当たりの振動数としてではなく、時間単位当たりの振動数として表現することが好ましい。したがって、公称周波数からの偏差が、水晶共振子１２の振動数として表現することが好ましいと理解できるであろう。水晶発振器の振動の整数部分と、水晶発振器の振動の残りの小数部分に対応する残余小数部分との組み合わせとして偏差が表現される。これは、ブロック２４によって提供される偏差補正信号が、周波数分割器１４へと抑制又は注入される水晶発振器のパルスの整数部分に対応する整数部分と、残るいずれの偏差をも補正するように意図された端数部分との両方を有する理由である。また、水晶発振器の周波数が公称周波数よりも高い場合、パルス抑制によって偏差の整数部分が補正され、端数抑制によって端数部分が補正されることを理解することができるであろう。他方では、水晶発振器の周波数が公称周波数よりも低い場合には、偏差の整数部分がパルス注入によって補正され、端数部分が常に端数抑制によって補正される。整数抑制又は端数抑制であるかどうかにかかわらず、タイミング信号の周波数が抑制によって増加することはない。したがって、水晶発振器の周波数が公称周波数よりも低い場合には、周波数分割器に注入されるパルスの整数の数は、タイミング信号の周波数を少なくとも所望の高さに増やすことができるほど十分大きい必要がある。その後、量化エラーに起因する過剰な補正をなくすようにわずかに周波数を低下させるために、端数抑制を使用することができる。すなわち、水晶発振器の周波数が公称周波数よりも高いか、逆に低いかによって、偏差補正信号の整数部分と端数部分は、異なる手法で組み合わせられるべきである。水晶発振器の周波数が公称周波数より高いような第１の場合には、偏差は、抑制するためのパルスの整数の数と、端数抑制に対応する残余の端数との和として表現することが好ましい。他方、水晶発振器の周波数が公称周波数より低いような第２の場合には、端数な引かれたパルスの整数の数として偏差を表現することが好ましい。

ブロック２４は、出力２６を介して偏差補正信号の整数部分を提供し、出力２８を介して偏差補正信号の端数部分を提供するように構成する。本発明によれば、偏差補正信号の端数部分は、さらに、高周波発振器１６の対応する周期の数に変換される。高周波発振器１６の振動周期が水晶発振器１２の振動周期よりも何倍も小さいので、偏差補正信号の端数部分の変換された値は、一般に、高周波発振器のいくつかの周期を超える。したがって、偏差補正信号の変換された端数部分は、精度を著しく劣化させずに高周波発振器の周期の整数倍となる。

一実施形態によれば、偏差補正信号生成ブロック２４は、選択された温度範囲に対応する偏差の値を予めロードした参照テーブルを有する。ブロック２４が受けた温度信号に基づいて、参照テーブルは、出力２６を介して整数偏差補正信号を、出力２８を介して端数偏差補正信号を提供する。上述のように、端数偏差補正信号は、高周波発振器１６の周期の整数倍として表現される。高周波発振器の周期の点でこのように偏差を表現するためには、２つの発振器１２及び１６どうしの周波数の関係を知っていることが必要となる。図示した例によれば、水晶発振器１２及び高周波発振器１６どうしの周波数の間の比に対応する周波数比信号をブロック４０からブロック２４が利用可能である。ブロック２４は、この比を、水晶発振器１２の周期の小数部分に対応する端数偏差補正信号を高周波発振器１６の周期の対応する整数の数に変換するために使用する。

当業者は、ブロック４０が周波数比を決定する方法が多数あることを理解できるであろう。別の実施形態によれば、ブロック４０は、水晶発振器の振動周期内の高周波発振器からのパルスの数をカウントすることによって、又は所定温度範囲中の異なる温度に対する比の値が予めロードされた参照テーブルを使用することによって、水晶発振器１２と高周波発振器１６の周波数の間の比を決定することができる。

ブロック２４の出力２８は、温度補正タイミング信号（出力２０を介して提供される）の各パルスの間に、端数蓄積ブロック３０に新しい偏差補正信号の端数部分を提供するように構成する。この新しい温度補正信号の端数部分は、既に端数蓄積ブロック３０にある偏差補正信号の端数の累積的な量に加えられる。偏差補正信号の端数部分が高周波発振器１６の周期の整数倍として表現されるので、端数蓄積ブロックの状態が高周波発振器の周期の累積的な数に対応する値であることを理解できるであろう。高周波発振器の周期の累積的な数が水晶発振器１２の１周期を超えるほどに増大すると常に、水晶発振器の正確に１周期が端数蓄積ブロックの内容から減じられる。このようにして、端数蓄積ブロック３０によって提供される端数抑制指令信号は、常に、偏差補正信号の整数部分の１単位よりも小さい値に対応する。端数蓄積ブロック３０の内容から減じられる水晶発振器のいずれの周期全体も、出力３２を介して抑制／注入制御ブロック３４に送られ、ここで、偏差補正信号の整数部分と合流して（加算又は減算）、抑制／噴射指令信号を構成する。しかし、本発明の代替実施形態によれば、端数蓄積ブロックに含まれる累積周期数が、それらの周期を端数蓄積ブロックの内容から減じる前に、水晶発振器１２の数周期分にまで増大することになる可能性があることを理解できるであろう。

抑制／注入制御ブロック３４は、温度補正タイミング信号のすべての周期毎に１回、周波数分割手段１４の状態を修正するように構成する。抑制又は注入のいずれでも温度補正を行うことができることが当業者に知られている。しかし、上の項目において説明したように、抑制又は注入によって得られた温度補正は粗く（すなわち、分解能が低い）、また、本発明は、より精密な分解能で温度補正を行うことが目標の１つである。本発明は、より精密な第２の温度補正を実装するために可変遅延３８を制御するように偏差補正信号の端数部分をさらに使用することによって、この目標を達成する。

図示した実施形態によれば、可変遅延３８は、例えば、入力として端数蓄積ブロック３０から端数抑制指令信号を受け、かつ、出力信号を生成する前にゼロまでカウントダウンするように構成するデジタル計数器である。一方では、可変遅延３８が高周波発振器１６によってクロックされ、他方では、端数抑制指令信号が、高周波発振器１６の周期の整数倍として表現されることを留意すべきである。したがって、本発明に係る温度補正機能付きタイミング信号発生器の図示した実施形態が、高周波発振器１６の周期と等しい精度まで温度を補正することが可能であることを理解できるであろう。例えば、温度補正タイミング信号の目標周波数が１Ｈｚで、高周波発振器が１ＭＨｚ発振器ならば、周波数分解能は１ｐｐｍになる。

図４は、図３に示す本発明の実施形態の代替実装例としての温度補正機能付きタイミング信号発生器の機能ブロック図である。この代替実装例によれば、本発明に係るタイミング信号発生器は、秒当たり正確に１パルスのタイミング信号発生器の形態である。図４の発生器は、出力１２０を介して、温度補正１Ｈｚタイミング信号を提供するように設計されている。この発生器は、従来の水晶音叉共振器を利用した３２．７６８ｋＨｚの水晶発振器１１２を有する。図示した発生器は、さらに、水晶発振器１１２からの振動をすべて数えて、３２，７６８回の水晶発振器にカウントするたびに１つのクロックパルスを出力するように構成するカウンター１１４を有する。その後、このカウンター１１４は次の１秒のカウント（すなわち、３２．７６８）を開始するためにリセットされる。このタイミング信号発生器は、さらに、１０ＭＨｚのＲＣ発振器１１６を有する。発振器１１６は、可変遅延ブロック１３８にクロック信号を供給するように構成する。可変遅延ブロック１３８は、温度変化を補正するために設けられる。可変遅延の動作をさらに説明する。

図４に示した温度補正機能付きタイミング信号発生器は、さらに、符号１１７によって全体として識別される温度補正手段を有する。図示した温度補正手段は、機能ブロック１１８、１２４、１３０、１３４及び１４２で構成する。機能ブロック１１８は、水晶発振器１１２及びＲＣ発振器１１６から出力信号を受ける。ブロック１１８は、水晶発振器１１２の振動周期の所定数（Ｐ）の範囲内にあるＲＣ発振器１１６のパルスの数（Ｍ）をカウントするために設けられる。例えば、機能ブロック１１８は、２つの発振器からのパルスをカウントするように構成する１対のカウンターによって実装することができる。カウンターのうちの１つが水晶発振器からのＰパルスをカウントするとすぐに、別のカウンターがＲＣ発振器からのパルスをカウントすることを止める。止められたときのこの第２のカウンターの状態は、パルスカウントＭである。Ｍは、２つの発振器の温度（Ｔ）に依存する整数である。機能ブロック１１８は、温度補正タイミング信号の１周期ごとに１回Ｍ（Ｔ）を計算するように構成する。したがって、カウントＭ（Ｔ）の新しい値が毎秒計算される。さらに、ＲＣ発振器１１６は、水晶発振器１１２と熱的に接触している。したがって、２つの発振器は、同じ温度Ｔを有する。

図２は、一方では、水晶音叉共振器を有する水晶発振器の典型的な周波数ｆ_XTの温度依存性曲線を示し、他方では、ＲＣ発振器の周波数ｆ_RCの典型的な温度依存性曲線を示す図である。図の水平及び垂直方向のスケールは同じではないが、ＲＣ発振器１１６の周波数ｆ_RCの温度に応じた変化率が、一般に、水晶発振器１１２の周波数ｆ_XTの変化率よりも相当に大きいことを理解できるであろう。さらに、温度に応じたＲＣ発振器の周波数の変化は、実質的に線形である。したがって、カウントＭ（Ｔ）と温度Ｔの関係が所定の動作範囲内で一義的（明白）であるように発振器を選択することができる。このようにして、機能ブロック１１８にて計算されるカウントＭ（Ｔ）を温度信号として使用することができる。このパルスカウントＭ（Ｔ）は、次の式（１）で計算することができる。
Ｍ（Ｔ）＝ｆｌｏｏｒ（Ｐ ＊ ｆ_RC ／ ｆ_XT）； （１）
ここで、周波数ｆ_RC及びｆ_XTが両方とも温度Ｔに依存する（本出願で使用する「ｆｌｏｏｒ」、「ｃｅｉｌｉｎｇ」及び「ｓａｗｔｏｏｔｈ」の各関数は、Wikipediaのエントリー「floor and ceiling functions」（インターネットＵＲＬ：http://en.wikipedia.org/wiki/Floor_and_ceiling_functions）において定義されている。このエントリーを参照によって本明細書に組み込む。）。

図４の機能ブロック１１８を、図３の温度信号生成ブロック１８の特定の実装例と考えることができることに注目することは有益である。

温度信号Ｍ（Ｔ）は、機能ブロック１１８の出力１２２を介して、偏差補正信号生成ブロック１２４に提供される。図示した例によれば、偏差補正信号生成ブロック１２４は、所定の動作範囲内の温度信号Ｍ（Ｔ）のいずれの値に対しても偏差補正信号を供給するために較正データを用いて構成される有限状態マシンを有する。較正されると、この有限状態マシンは、動作範囲内のＭ（Ｔ）のいずれの新しい値に対しても水晶発振器１１２の偏差（偏差＝ｆ_XT−３２，７６８）を計算することができる。偏差補正信号生成ブロック１２４は、１Ｈｚ温度補正タイミング信号ごとに１回新しい偏差補正信号を提供するように構成する。すなわち、偏差補正信号の新しい値が、新しいカウントＭ（Ｔ）ごとに提供される。

有限状態マシンの構成は、非常に単純であることができる。実際に、音叉水晶共振器の周波数−温度ふるまいが、放物線によって緊密に近似することができることは広く知られている。したがって、単純な２次多項式フィッティングによって、合理的に良好な精度を有する水晶発振器１１２の動作が可能となる。予めロードされた参照テーブルを使用する代わりに多項式フィッティングで計算することの利点は、多項式フィッティングでは、３つの異なる温度Ｔ_L、Ｔ₀及びＴ_H（図２に示される）に対してだけしか、温度信号Ｍ（Ｔ）、及び周波数ｆ_XT（Ｍ）の値を予めロードすることが必要ではないからである。さらに、上述のように、公称周波数は３２，７６８Ｈｚである。すなわち、２¹⁵Ｈｚである。これは、水晶共振器の公称周波数を２進数１，０００，０００，０００，０００，０００としても表現することができることを意味する。したがって、１０進の周波数偏移ｆ_XT−３２，７６８が、２進表記では、ｆ_XT−１，０００，０００，０００，０００，０００になることになる。温度に関連する周波数偏移が公称周波数と比較して小さいので、二進数の周波数偏移のモジュラスにおいては、非ゼロの桁が、重みが小さいいくつかの桁においてのみあってよい。この特徴に関連した利点の１つは、周波数偏移を計算するために、より単純なアルゴリズムを選ぶことが可能になり、したがって、必要な計算量を減らすことができることにある。

偏差補正信号生成ブロック１２４が周波数偏移の整数部分（以下、文字「Ｋ」で表す）を計算するだけではなく、所定数の二進小数位置まで偏差の端数部分（以下、文字「ｎ」で表す）を計算するということに留意することは重要である。したがって、ｆ_XT−３２，７６８＞０である場合、総周波数偏差はＫ＋ｎと等しい。ここで、０＜ｎ＜１である。Ｋとｎは、次の２つの式（２）及び（３）でそれぞれ計算することができる。
Ｋ＝ｆｌｏｏｒ（ｆ_XT−３２，７６８） （２） （Ｋは正の整数又はゼロである）
ｎ＝ｆ_XT−３２，７６８−Ｋ （３） （０≦ｎ＜１）

また、ｆ_XT−３２，７６８＜０の場合でも、Ｋ及びｎは、上記と同じ２つの式で計算することができる。
Ｋ＝ｆｌｏｏｒ（ｆ_XT−３２，７６８） （２’）（ただし、Ｋは負の整数である）
ｎ＝ｆ_XT−３２，７６８−Ｋ （３’）（０≦ｎ＜１は常に真である）
また、総周波数偏差は、常に、Ｋ＋ｎである（Ｋが負の場合、パルス抑制ではなく、パルス注入を使用すべきであることを意味する）。図３の実施形態に関する説明と同様に、機能ブロック１２４は、さらに、ｎ（偏差補正信号の端数部分）を等価なＲＣ発振器１１６の周期の数ｎｐに変換する。１ＭＨｚに対応する振動周期が３２．７６８ｋＨｚに対応する振動周期よりも何倍も小さいので、偏差補正信号の端数部分ｎの変換された値ｎｐは、一般に、ＲＣ発振器のいくつかの周期を超える。したがって、精度を過剰に落とさずに、ｎｐを整数の数の周期に丸めることができる。「ｎｐ」は、次の式（４）で計算することができる。
ｎｐ＝ｆｌｏｏｒ（ｎ＊Ｍ／Ｐ）（４）
ここで、Ｍは、機能ブロック１１８によって計算されるＭ（Ｔ）であり、Ｐは、Ｍがカウントされる水晶発振器１１２の振動周期の数である。

図３に関連して既に説明したように、ｎｐは、基本的に、温度を補正するために温度補正１Ｈｚタイミング信号の新しいパルスのオンセットが遅延するべきＲＣ発振器の周期の数に対応する。しかし、１Ｈｚ信号の特定のパルスが遅延する場合、以下のパルスも遅延しなければならない（さもないと、次のパルスが短すぎることになる）ことを理解できるであろう。したがって、遅延は、ｎｐ及び前のパルスの遅延の値の両方を考慮に入れるべきである。引き続き図４を参照すると、ブロック１２４の出力１２８が、新しい偏差補正信号の端数部分ｎｐを菱形の機能ブロック１３０へと提供するように構成することを理解できるであろう。機能ブロック１３０は、新しい偏差補正信号の端数部分の値ｎｐが前の端数抑制指令信号に対応する値ｎ_INTに加えられるようなアキュムレーターとしてはたらく。前の端数抑制指令信号値ｎ_INTは、機能ブロック１４２によって提供される。例えば、機能ブロック１４２は、Ｄフリップフロップで構成するレジスターとすることができる。

機能ブロック１３０は、機能ブロック１３４と連係して、さらに、次の決定を行うように構成する。
If ｎｐ＋ｎ_INT≧Ｍ／Ｐ then ｎ_INT’＝ｎｐ＋ｎ_INT−Ｍ／Ｐ
else ｎ_INT’＝ｎｐ＋ｎ_INT
ここで、ｎ_INT’は、新しい端数抑制指令信号であり、温度を補正するために温度補正１Ｈｚタイミング信号の新しいパルスのオンセットが遅延するべきＲＣ発振器の周期の数に対応する。Ｍは、機能ブロック１１８によって計算されるＭ（Ｔ）であり、比Ｍ／Ｐは、ＲＣ発振器の周期と等しい単位で表現される水晶発振器１１２の１周期の長さに対応する。

ｎ_INTがＭ／Ｐよりも常に小さいように機能ブロック１３０及び１３４が作動することを上記から理解できるであろう。さらに、Ｍ／Ｐは、水晶発振器１１２の１周期の期間に対応し、したがって、偏差補正信号の蓄積された端数部分から減じられるいずれの量Ｍ／Ｐも、機能ブロック１３４によって、偏差補正信号Ｋ−１の整数部分に、付加的な１単位として直ちに加えることができる。すなわち、偏差補正信号の蓄積された端数部分から量Ｍ／Ｐが減じられるたびに、偏差補正信号の整数部分に１単位が加えられ、値がＫ−１からＫに変わるようにされる。

新しい偏差補正信号の整数部分Ｋは、１Ｈｚ温度補正タイミング信号のすべての周期毎に１回周波数分割手段１４の状態を修正するために利用可能である。図示した実施形態によれば、偏差補正信号の整数部分Ｋは、１Ｈｚ温度補正タイミング信号の特定の１周期の間に抑制されるべき水晶発振器１１２の３２．７６８ｋＨｚのパルスの数に対応する。上の項目で説明したように、パルス抑制補正は、パルス注入補正のように、高々３０．５ｐｐｍの分解能しか提供することができない。上述のように、１ｐｐｍほどに良好な分解能を達成するために、本発明は、さらに、はるかに高い分解能で秒レベルの温度補正を実装するように可変遅延１３８を制御するために、偏差補正信号の端数部分ｎｐを使用する。

前の例でのように、可変遅延１３８は、例えば、ＲＣ発振器１１６によってクロックされ、機能ブロック１３４によって提供される端数抑制指令信号ｎ_INT’を受けるように構成するデジタル計数器とすることができる。ｎ_INT’がＲＣ発振器の振動周期と等しい単位で表現されるので、可変遅延１３８によって、１０ＭＨｚのＲＣ発振器の周期（１０^-7秒である）と等しい精度まで温度を補正することが可能になる。

図５は、図４のタイミング信号発生器によって出力として提供されるタイミング信号に対する温度補正の効果を示すタイミング図である。図５を参照して、１番目の線は、理想的な１パルス／秒（１ｐｐｓ）信号を示しており、これは、完全に補正されたタイミング信号発生器によって作ることができる。図示した理想的なパルスの立ち上がりエッジには、ｉ１、ｉ２、ｉ３及びｉ４とそれぞれラベル付けした。エッジｉ１とｉ２の間に位置する両端に矢印付きの矢は、振動周期Ｔ（この例では、１秒）を表す。

図５の２番目の線は、温度補正が何らされない状態での図４の機能ブロック１１４によって伝えられる実際のパルスを示す。２番目の線の補正されていない信号の周波数は、水晶発振器１１２の周波数を３２，７６８で割った値と等しい。図から明らかなように、補正されていない信号は、理想的な信号から顕著に逸脱している。この偏差は、一般には、部分的には共振器が作られた方法に起因しており、部分的には大気温度の変化に起因している。図５でわかるように、補正されていない信号は、実際に、理想的な信号と比べて速い。実際に、パルス抑制及びパルス遅延の両方が周波数を遅くする影響を与えるので、図４の発振器１１２における音叉水晶共振器は、過剰に速いように作らなければならない。しかし、温度補正がパルス抑制及びパルス注入の両方を使用する実施形態では、共振器が過剰に速くなければならないというような必要性はないことに留意すべきである。

図５の３番目の線は、粗い温度補正のためにパルス抑制を使用する場合に機能ブロック１１４によって伝えられる実際のパルスを示す。第３の線に示されるようなパルス抑制による粗い温度補正が知られている。パルス抑制は、周波数を低下させる効果があり、これによって、周波数が理想的な周波数に近くなる。しかし、パルス抑制は、水晶発振器の振動周期（約１／３２，７６８Ｈｚ、すなわち、３１μｓ）の倍数によってのみ次のパルスのオンセットを遅延させることができる。したがって、分解能は約３０ｐｐｍである。

図５の４番目の線は、図４のタイミング信号発生器によって伝えられる温度補正タイミング信号を示す。観察することができるように、この温度補正タイミング信号は、１番目の線の理想的な１ｐｐｓ信号とほとんど完全に同期している。その可変遅延によって、ＲＣ発振器の振動周期（約１／１０⁷ｓ、すなわち、０．１μｓ）と等しい分解能で、次のパルスのオンセットを遅延させることができる。したがって、分解能は約０．１ｐｐｍである。

説明した温度補正機能付きタイミング信号発生器の利点の１つは、非常に低いエネルギー消費であることができることである。実際に、高周波発振器を除いて、タイミング信号発生器の部品はパワーをほとんど必要としない。したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、エネルギーを節約するために、各時間単位の大部分で高周波発振器をシャットダウンして必要時にのみオンにされる。

より具体的には、図４に示す特定の例にこの手法を適用すると、図４の１０ＭＨｚのＲＣ発振器１１６のような発振器がオンにされた場合、周波数が安定するために約１２０μｓを必要とすることを観測することができる。発振が安定すると、水晶発振器のＰ周期の間に、ＲＣ発振器のパルスＭ（Ｔ）の数をカウントする動作は、典型的には、約１，０００μｓの間に行われる。最後に、端数抑制を実装することには、ＲＣ発振器のわずかな時間しか必要としない。したがって、ＲＣ発振器は、典型的には、毎秒１．１ミリ秒の間作動する。これは約１／９００の負荷サイクルに対応する。これと同じ比率で、ＲＣ発振器の電力消費を縮小することができる。

最後に、図３の高周波発振器又は図４のＲＣ発振器がその公称周波数から相当に逸脱していても問題ではないということを理解できるであろう。実際に、周波数比Ｍ／Ｐは、規則的に更新される。これは、好ましくは、温度補正タイミング信号の周期ごとに１回更新される。

Claims (11)

1. 連続的な温度補正時間単位信号パルスを生成するための温度補正機能付きタイミング信号発生器であって、
   前記時間単位は、所定の時間間隔であり、
   前記タイミング信号発生器は、
   基準時間信号を生成するように構成する水晶発振器（１２、１１２）、及び前記基準時間信号を入力として受け、かつ、粗い時間単位信号を出力するように構成するディバイダー回路（１４、１１４）であって、前記基準時間信号及び前記粗い時間単位信号はそれぞれ、前記水晶発振器の温度の関数として実際の周波数が対応する所望の周波数から逸脱している、水晶発振器（１２、１１２）及びディバイダー回路（１４、１１４）と、
   前記水晶発振器の周波数（ｆ_XT）よりも大きな周波数（ｆ_RC）を有する補間信号を生成するように構成する高周波発振器（１６、１１６）と、
   前記水晶発振器（１２、１１２）と熱的に接触する温度センサーを有し、前記水晶発振器の温度を表すデジタル温度信号を周期的に供給及びリフレッシュするように構成する温度信号発生回路（１８、１１８）と、
   時間単位信号パルスそれぞれに対して、前記デジタル温度信号の関数として、前記ディバイダー回路（１４、１１４）において抑制又は注入されるパルスの整数の数を表す整数部分、及び残るいずれの偏差をも補正するために新しい時間単位信号パルスの出力がさらにどのくらい遅延されるべきかということを表す端数部分を有する偏差補正信号を計算するために、較正データを用いて構成する有限状態マシン（２４、１２４）と、
   前記新しい偏差補正信号それぞれの整数部分を受けるように構成し、各時間単位信号パルスに対して、前記ディバイダー回路（１４； １１４）における前記基準時間信号のパルスをいくつか注入又は抑制する粗い補正回路（３４、１２６）であって、前記基準時間信号のパルスの数は、前記偏差補正信号の整数部分に依存する、粗い補正回路（３４、１２６）と、
   前記水晶発振器（１２、１１２）の周波数に対する前記高周波発振器（１６、１１６）の周波数の比（Ｍ／Ｐ）を表すデジタル周波数比信号を定期的に提供しリフレッシュするように構成し、さらに、各時間単位信号パルスに対応する偏差補正信号の端数部分（ｎ）を前記補間信号の周期の対応する数（ｎｐ）へと変換するように構成する周波数変換回路（２４、４０；１１８、１２４）と、
   各時間単位信号パルスに対して、前記補間信号の周期の数（ｎｐ）の新しい１つを受け、かつ、前記補間信号の周期の数（ｎｐ）の新しい１つを前の端数抑制指令信号（ｎ_INT）に加えることによって、新しい端数抑制指令信号（ｎ_INT’）を反復して計算するように構成する端数蓄積回路（３０；１３０、１３４）と、及び
   前記新しい端数抑制指令信号（ｎ_INT’）をそれぞれ受け、かつ、前記補間信号の対応する数の周期の継続時間の分次の時間単位信号パルスの出力を遅延させるように構成する可変遅延回路（３８、１３８）と
   を有することを特徴とする温度補正機能付きタイミング信号発生器。
2. 前記新しい端数抑制指令信号（ｎ_INT’）の値が前記水晶発振器（Ｍ／Ｐ）の１周期以上である場合、前記新しい端数抑制指令信号の値から前記水晶発振器（Ｍ／Ｐ）の１周期が減じられ、前記偏差補正信号の前記整数部分（Ｋ）に１単位が加えられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
3. 前記高周波発振器（１６、１１６）は、前記温度補正時間単位信号パルスの周波数よりも少なくとも１０⁶倍大きな周波数（ｆ_RC）を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
4. 前記水晶発振器は、３２，７６８Ｈｚの音叉水晶共振器を有する
   ことを特徴とする請求項１、２及び３のいずれかに記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
5. 前記温度補正時間単位信号パルスの周波数は１Ｈｚである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
6. 前記高周波発振器（１６、１１６）は、チップ上で集積されて、少なくとも１ＭＨｚの周波数（ｆ_RC）を有するＲＣ発振器である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
7. 前記高周波発振器（１６、１１６）は、少なくとも１０ＭＨｚの周波数を有する
   ことを特徴とする請求項６の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
8. 基準時間信号の周波数（ｆ_XT）が対応する所望の周波数より高い場合、前記偏差補正信号の整数部分（Ｋ）は、周波数偏移のモジュラス以下の最大の整数であり、ディバイダー回路において抑制されるパルスの整数の数に対応し、前記偏差補正信号の端数部分（ｎ）は、前記周波数偏移の端数部分のモジュラスと等しい
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれに記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
9. 前記基準時間信号の周波数が対応する所望の周波数よりも低い場合、前記偏差補正信号の整数部分（Ｋ）は、前記周波数偏移のモジュラス以上の最も小さな整数と等しく、前記ディバイダー回路に注入されるパルスの整数の数に対応し、前記偏差補正信号の端数部分（ｎ）は、前記周波数偏移の端数部分のモジュラスに１を減じた値である
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
10. 前記高周波発振器は、時間単位ごとに１回断続的に動作するように構成し、
    前記可変遅延回路は、発振器が開始し、安定させるのに十分な時間を与えられた後、前記発振器が再び止められる前に、時間単位ごとに１回、次の時間単位信号パルスのオンセットの遅延を調整するために、前記高周波発振器を使用するように構成される
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。
11. 前記周波数変換回路（２４、４０；１１８、１２４）は、前記発振器が開始し、安定するために十分な時間を与えられ、前記発振器が再び止められる前に、第１の時間間隔の外で、時間単位ごとに１回発生する周期的な第２の時間間隔の間に前記デジタル周波数比信号をリフレッシュする
    ことを特徴とする請求項１０に記載の温度補正機能付きタイミング信号発生器。

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