JP6425581B2 - Digital temperature compensated oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、ディジタル化した温度情報に基づいて温度変化による周波数の変動を補償するディジタル温度補償発振器に関する。 The present invention relates to a digital temperature compensated oscillator that compensates for frequency variations due to temperature changes based on digitized temperature information.
近年、高機能携帯端末、例えばスマートフォンなどのモバイル環境が、フェムトセル、ピコセル、マイクロセルというスモールセルになるに応じて、それらの基地局側クロックの周波数安定度に対する要求が厳しくなっている。そして、この高い周波数安定度が要求されるアプリケーション向けのクロックには、温度補償発振器が用いられるのが一般的である。 In recent years, as mobile environments such as high-performance mobile terminals such as smartphones become small cells such as femtocells, picocells, and microcells, the requirements for the frequency stability of their base station side clocks become severe. A temperature compensated oscillator is generally used as a clock for applications requiring this high frequency stability.
従来から、各種の温度補償発振器が知られているが、ディジタル温度補償発振器としては、温度による発振周波数の変動量が大きい温度センサを用い、温度センサによって検知された外部の温度変化情報をディジタル制御回路によってディジタルコード化するとともに、この温度ディジタルコードを基にディジタル温度補償回路によって生成されたディジタル温度補償コードをD/A変換器によってアナログ信号に変換して温度補償電圧(周波数制御電圧)を生成し、この温度補償電圧を電圧制御型発振器に入力して電圧制御型発振器の発振周波数を制御するようにした構成が知られている。そして、前記電圧制御型発振器で生成する発振周波数の環境温度に対する変化を補償するための温度補償ディジタルデータは、前記電圧制御型発振器の温度ドリフトによる発振周波数の変化をキャンセルするための補正データで、従来は多項式近似式で求めるのが一般的である。 Conventionally, various temperature-compensated oscillators are known, but as the digital temperature-compensated oscillator, a temperature sensor having a large fluctuation in oscillation frequency due to temperature is used to digitally control external temperature change information detected by the temperature sensor. The digital code is made by the circuit, and the digital temperature compensation code generated by the digital temperature compensation circuit based on the temperature digital code is converted into an analog signal by the D / A converter to generate the temperature compensation voltage (frequency control voltage) There is known a configuration in which this temperature compensation voltage is input to a voltage controlled oscillator to control the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator. The temperature compensation digital data for compensating the change of the oscillation frequency to the environmental temperature generated by the voltage controlled oscillator is correction data for canceling the change of the oscillation frequency due to the temperature drift of the voltage controlled oscillator. Conventionally, it is common to obtain by a polynomial approximation.
しかし、この多項式近似式による補正データは、本来の温度補償すべき補正データ、すなわち実測した補正データとは一致せず、補正しきれない差(以下、残差という。)を有するものである。例えば、図13に示すように、環境温度が−40〜100℃の範囲において、10次の多項式で近似した実線で表す多項式近似補正データでは、実測で求めた補正データに対する残差分を補正するために、実測補正データと多項式近似補正データとの差である点線で表す残差補正分を加える必要がある。なお、この図13において、多項式近似補正分の表示範囲は±25,000ppbであり、残差補正分の表示範囲はその10分の1の±2,500ppbである(この値は25℃の周波数で正規化した値である)。 However, the correction data based on this polynomial approximation does not match the original correction data to be temperature-compensated, that is, the actually measured correction data, and has a difference which can not be corrected (hereinafter referred to as residual). For example, as shown in FIG. 13, in the polynomial approximation correction data represented by a solid line approximated by a tenth-order polynomial in an environment temperature range of −40 to 100 ° C., the residual component to the correction data obtained by measurement is corrected. It is necessary to add a residual correction component represented by a dotted line which is the difference between the measured correction data and the polynomial approximation correction data. In FIG. 13, the display range of the polynomial approximation correction is ± 25,000 ppb, and the display range of the residual correction is one-tenth ± 2,500 ppb (this value is a frequency of 25 ° C. Normalized value with).
この残差補正分を得るためには、ある温度間隔毎に補正データを実測で求める一方、環境温度が実測による補正データに対応しない場合に、実測による補正データに基づき演算によって環境温度に対応する残差補正データを求めているのが一般的である。そして、従来においては、この残差補正データを演算で求めるための方策として、近似式として一次関数を用いたり、2次以上の高次の多項式を利用したスプライン補間を用いたり、最小二乗法を利用した近似曲線を用いることが提案されている(特許文献1)。 In order to obtain this residual correction amount, while the correction data is obtained by actual measurement for every temperature interval, when the environmental temperature does not correspond to the actual correction data, it is calculated based on the actual correction data. It is common to obtain residual correction data. In the related art, as a measure for obtaining the residual correction data by calculation, a linear function is used as an approximate expression, spline interpolation using a second or higher order polynomial, or the least squares method is used. It has been proposed to use the approximate curve used (Patent Document 1).
ところが、この従来提案によると、近似式として一次関数を用いる場合には、実測する間隔を小さくしないと高精度に残差補正データを算出できないという不都合がある。また、2次以上の高次の多項式を利用したスプライン補間を用いた場合には、演算に用いる係数が各温度区間で異なるため、各係数を記憶しておく不揮発性メモリは多数必要となるという不都合がある。例えば、2次多項式によるスプライン補間の場合、温度区間数をMとすると不揮発性メモリのワード数は3M必要であり、3次多項式によるスプライン補間の場合は4M必要である。そして、最小二乗法を利用した近似曲線を用いた場合には、高精度に残差補正データを算出できないという不都合がある。 However, according to this conventional proposal, when using a linear function as an approximation formula, there is a disadvantage that residual correction data can not be calculated with high accuracy unless the interval to be measured is reduced. In addition, when spline interpolation using a second or higher order polynomial is used, the coefficients used for the calculation are different in each temperature section, so a large number of non-volatile memories for storing the respective coefficients are required. There is a disadvantage. For example, in the case of spline interpolation using a quadratic polynomial, if the number of temperature sections is M, the number of words in the non-volatile memory is 3 M, and in the case of spline interpolation using a cubic polynomial, 4 M is required. Then, in the case where an approximate curve using the least squares method is used, there is a disadvantage that residual correction data can not be calculated with high accuracy.
本発明は、これらの不都合を解消して、広い温度範囲にわたって高精度な温度補償が可能なディジタル温度補償発振器を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve these problems and provide a digital temperature compensated oscillator capable of accurate temperature compensation over a wide temperature range.
前記目的を達成するため本発明の請求項1に係るディジタル温度補償発振器は、環境温度の変化に対して周波数が変化する発振周波数(第1の発振周波数)を生成するとともに制御電圧によって前記第1の発振周波数の制御が可能な発振信号を生成する電圧制御型発振器と、前記環境温度の変化に対して前記電圧制御型発振器の第1の発振周波数よりも変化率が大きい発振周波数(第2の発振周波数)を生成する感温発振器と、前記電圧制御型発振器で生成された第1の発振周波数と前記感温発振器で生成された第2の発振周波数とを比較することで得られるディジタル情報を基に算出して、前記比較が行われたときの環境温度を温度ディジタルデータとして生成する温度ディジタルデータ生成部と、前記温度ディジタルデータに基づいて前記電圧制御型発振器で生成する第1の発振周波数の環境温度に対する変化を補償するための温度補償ディジタルデータを生成する温度補償回路と、ΔΣモジュレータと受動素子からなる受動型多段ローパスフィルタ(以下、LPFという。)によって構成されて前記温度補償ディジタルデータをアナログ電圧で表される前記制御電圧に変換するD/A変換器とを備え、前記温度補償回路は、本来温度補償すべき補正データと多項式近似で近似された多項式近似補正データとの差を残差補正データとし、ディジタル温度補償発振器の使用環境温度範囲内の離散する温度でサンプリング抽出し、このサンプリングした残差補正データを前記温度補償回路のメモリにあらかじめ記憶しておき、温度ディジタルデータ生成部から得られた温度ディジタルデータと、この温度ディジタルデータを挟む前後の4以上のサンプリング点に対応する残差補正データを基に、前記温度ディジタルデータにおける残差補正データをディジタルフィルタで演算し、その結果を前記温度ディジタルデータに対応する前記多項式近似補正データに加算して、温度補償ディジタルデータとするものである。
In order to achieve the above object, a digital temperature compensated oscillator according to
同じく前記目的を達成するため本発明の請求項2に係るディジタル温度補償発振器は、前記請求項1発明の構成において、前記ディジタルフィルタとしてポリフェーズFIRフィルタを用いるとともに、ポリフェーズFIRフィルタ補間(以下、FIR補間という。)に直線補間を組み合わせて残差補正データを演算するものである。
In order to achieve the above object, a digital temperature compensated oscillator according to
同じく前記目的を達成するため本発明の請求項3に係るディジタル温度補償発振器は、前記請求項2発明の構成において、使用環境温度範囲を高温側と低温側に二分し、各部分毎にサンプリング点を最高温度値と最低温度値から反対側に向けて順次設定するとともに、各部分毎に異なるFIRフィルタ補間式で演算するものである。
In order to achieve the above object, a digital temperature compensated oscillator according to
本発明の請求項1に係るディジタル温度補償発振器によれば、多項式近似による温度補正データでは対応しきれない残差分についても高精度に対応することができるので、広い温度範囲での温度補償が可能になるという効果を奏する。
According to the digital temperature compensation oscillator according to
本発明の請求項2に係るディジタル温度補償発振器によれば、請求項1発明の奏する効果に加え、ポリフェーズFIRフィルタを用いることによって、残差分について効率的な演算が可能となるという効果を奏する。
According to the digital temperature compensated oscillator of
本発明の請求項3に係るディジタル温度補償発振器によれば、前記請求項2発明の奏する効果に加えて、使用環境温度範囲の最高温度側及び最低温度側に、それぞれ1個のサンプリング点を追加すれば足り、複数のサンプリング点を追加する必要はないので、効率的であるという効果を奏する。 According to the digital temperature compensation oscillator of the present invention, in addition to the effects of the second aspect, one sampling point is added to each of the maximum temperature side and the minimum temperature side of the operating environment temperature range. If it is enough, there is no need to add a plurality of sampling points, so it is effective.
まず、添付図面の図1に基づいて、本発明に係るディジタル温度補償発振器の全体構成を説明する。ディジタル温度補償発振器は、電圧制御型発振器1と、感温発振器2と、温度ディジタルデータ生成部3と、温度補償回路4と、ΔΣモジュレータ5と受動型4段LPF6からなるD/A変換器7を備えている。
First, the entire configuration of a digital temperature compensated oscillator according to the present invention will be described based on FIG. 1 of the accompanying drawings. The digital temperature compensated oscillator comprises a voltage controlled
電圧制御型発振器1の電圧制御型発振回路12は公知の構成で、外付けの振動子11を有している。電圧制御型発振器1は、環境温度の変化に対して周波数が変化する発振周波数(第1の発振周波数)を生成するとともに、受動型4段LPF6から出力される制御電圧によって前記第1の発振周波数の制御が可能な発振信号を生成するものである。この生成された前記第1の発振周波数を有する発振信号は、バッファ8に出力されて、分周回路9を経て温度ディジタルデータ生成部3の第1のカウンタ31に入力する一方、前記バッファ8からバッファ10を介して外部に出力される。
The voltage control
感温発振器2は、インバータを奇数個リング状に接続してなるリングオシレータからなり、環境温度の変化に対して前記電圧制御型発振器1で生成された第1の発振周波数よりも変化率が大きい発振周波数(第2の発振周波数)を生成するものである。この生成された前記第2の発振周波数を有する発振信号は、温度ディジタルデータ生成部3の第2のカウンタ32に出力される。
The temperature-
温度ディジタルデータ生成部3は、前記各カウンタ31,32と制御回路・温度変換回路33からなり、前記各カウンタ31,32は、前記制御回路の制御信号で制御されるものである。前記カウンタ31は電圧制御型発振器1で生成された第1の発振周波数をカウントし、前記カウンタ32は感温発振器2で生成された第2の発振周波数をカウントするもので、これらカウントされた前記各発振周波数は、制御回路・温度変換回路33で比較され、感温発振器2の発振周波数から環境温度がディジタルデータとして算出されて、温度ディジタルデータが生成されるものである。そして、この温度ディジタルデータは、前記制御回路・温度変換回路33から温度補償回路4の演算回路41に出力される。
The temperature digital
温度補償回路4は、演算回路41とメモリ42とからなり、電圧制御型発振器1で生成する第1の発振周波数の環境温度に対する変化を補償するための温度補償ディジタルデータを生成するものである。この温度補償ディジタルデータは、前記電圧制御型発振器1の温度ドリフトによる発振周波数の変化をキャンセルするための補正分であるディジタルデータで、多項式近似式で求める多項式近似補正データに、この多項式近似補正データでは補正しきれずに残る残差分をFIR補間と直線補間とにより求める残差補正データを加えて、求めるものである。
The
図2に示すように、温度補償回路4の温度ディジタルデータが入力する演算回路41は、多項式近似補正データを演算する多項式補正演算回路41aと、残差補正データを求める縦列接続されたFIR補間残差補正演算回路41bと直線補間残差補正演算回路41cとからなり、前記回路41aで求められた多項式近似補正データと、前記各回路41b,41cで求められた残差補正データは、加算器41dで加算されて、温度補償ディジタルデータとして出力される。一方、メモリ42は、多項式近似式の演算に必要な係数が記憶された多項式係数用メモリ42aと、FIR補間に必要な残差データが記憶された残差データ用メモリ42bと、同じくFIR補間に必要な係数が記憶されたFIR係数用メモリ42cとからなる。
As shown in FIG. 2, the
ここで、温度補償ディジタルデータの生成について、詳細に説明する。例えば、電圧制御型発振器1の使用環境温度範囲が−40〜100℃の範囲における多項式近似補正データは、誤差の目標値が±200ppb程度であれば、10次の多項式である、TC10=A0+A1(T−T0)+A2(T−T0)2+A3(T−T0)3+A4(T−T0)4+A5(T−T0)5+A6(T−T0)6+A7(T−T0)7+A8(T−T0)8+A9(T−T0)9+A10(T−T0)10によって演算することができる(図13参照)。ここで、TC10は多項式補正演算回路41aから出力される多項式近似補正データ、A0〜A10は多項式係数用メモリにあらかじめ記憶されている係数、(T−T0)は制御回路・温度変換回路33から出力される温度ディジタルデータである。
Here, generation of temperature compensation digital data will be described in detail. For example, polynomial approximation correction data in a use environment temperature range of the voltage
図3は、残差補正データ(図13参照)を4℃の温度間隔でサンプリングして抽出した例を示すもので、このサンプリングした残差補正データは、あらかじめ残差データ用メモリ42bに記憶されている。図4は前記4℃間隔の残差補正データのデータNo.、温度との対応関係をルックアップテーブル(以下、LUTという。)として示したものである。前記残差データ用メモリ42bには、データNo.はアドレス、残差補正データはデータとして記憶されており、前記データNo.は温度に対応づけられている。なお、図4中のi,n,Nはすべて整数で、温度間隔ΔTは{T(N)−T(0)}/Nであり、この例ではΔT=4(℃)である。
FIG. 3 shows an example in which residual correction data (see FIG. 13) is sampled and extracted at a temperature interval of 4 ° C. The sampled residual correction data is stored in advance in the
制御回路・温度変換回路33から出力される温度ディジタルデータTが、前記残差補正データのアドレスに対応する温度の場合は、前記残差データ用メモリ42bに残差補正データが記憶されているが、例えば、前記温度ディジタルデータTが図4のLUTにおける温度T(n)と温度T(n+1) の間にある場合は、演算により残差補正データを求める必要がある。図5はあらかじめサンプリングした図4に示す温度ディジタルデータと残差補正データとの関係を、温度ディジタルデータがT(n−3)〜T(n+3)の範囲について模式的に示すもので、y(T)が求める残差補正データである。
When the temperature digital data T output from the control circuit /
本実施形態においては、図5に示す残差補正データy(T)を、温度ディジタルデータTを挟む前後の4つの温度刻みであるT(n−1)、T(n)、T(n+1)、T(n+2)に対応する残差補正データを基に、4フェーズのFIR補間で演算し、その結果をさらに直線補間、換言すると1次関数による補間で演算することにより求めるものである。詳細には、FIR補間によって、図6に示すように、図5における温度ディジタルデータTを挟む前後のT(n)とT(n+1)の間を四分割して、3つの補間点を求める。ここで、補間点に対応するデータNo.はn+k/4、温度ディジタルデータはT(n+k/4)、残差補正データはy(n+k/4)であり、kは0<k≦4を満たす整数である。k=4の場合はT(n+1)となるので、補間点としては、3つの補間点T(n+1/4)、T(n+1/2)、T(n+3/4)を求めればよい。 In the present embodiment, residual correction data y (T) shown in FIG. 5 is divided into four temperature steps T (n-1), T (n), T (n + 1) which are before and after sandwiching the temperature digital data T. On the basis of the residual correction data corresponding to T (n + 2), calculation is made by 4-phase FIR interpolation, and the result is further calculated by linear interpolation, in other words, interpolation by a linear function. More specifically, as shown in FIG. 6, three interpolation points are obtained by quartering between T (n) and T (n + 1) before and after sandwiching the temperature digital data T in FIG. 5 by FIR interpolation. Here, the data No. corresponding to the interpolation point. Is n + k / 4, temperature digital data is T (n + k / 4), residual correction data is y (n + k / 4), and k is an integer satisfying 0 <k ≦ 4. In the case of k = 4, T (n + 1) is obtained. Therefore, three interpolation points T (n + 1/4), T (n + 1/2), and T (n + 3/4) may be obtained as interpolation points.
そして、これら3つの補間点T(n+1/4)、T(n+1/2)、T(n+3/4)のそれぞれの残差補正データy(n+1/4)、y(n+1/2)、y(n+3/4)のうち、温度ディジタルデータTが位置する前後の温度ディジタルデータの残差補正データ、図6の例ではT(n+1/2)とT(n+3/4)の残差補正データを直線補間して、温度ディジタルデータTに対応する残差補正データy(T)を求めるものである。したがって、この例では、補間点T(n+1/4)に対応する残差補正データを求めなくても、残差補正データy(T)を求めることが可能である。 Then, residual correction data y (n + 1/4), y (n + 1/2), y (respectively) of these three interpolation points T (n + 1/4), T (n + 1/2), T (n + 3/4) Among n + 3/4), residual correction data of temperature digital data before and after temperature digital data T is located, and in the example of FIG. 6, residual correction data of T (n + 1/2) and T (n + 3/4) Interpolation is performed to obtain residual correction data y (T) corresponding to the temperature digital data T. Therefore, in this example, it is possible to obtain residual correction data y (T) without obtaining residual correction data corresponding to the interpolation point T (n + 1/4).
具体的には、図5に示すように、温度ディジタルデータTを挟む前後4つ、すなわち低温側2つ、高温側2つの各温度ディジタルデータT(n−1)、T(n)、T(n+1)、T(n+2)の各残差補正データy(n−1)、y(n)、y(n+1)、y(n+2)と4フェーズのポリフェーズFIRフィルタ係数c(i,j)を、以下に示す演算式に代入してFIR補間データを求める。
y(n+1/4)=c(3,1)*y(n−1)+c(3,2)*y(n)+c(3,3)*y(n+1)+c(3,4)*y(n+2)
y(n+1/2)=c(2,1)*y(n−1)+c(2,2)*y(n)+c(2,3)*y(n+1)+c(2,4)*y(n+2)
y(n+3/4)=c(1,1)*y(n−1)+c(1,2)*y(n)+c(1,3)*y(n+1)+c(1,4)*y(n+2)
y(n+1)=c(0,1)*y(n−1)+c(0,2)*y(n)+c(0,3)*y(n+1)+c(0,4)*y(n+2)
上記演算式は、上から順に、FIRフィルタ3(フェーズ3)、FIRフィルタ2(フェーズ2)、FIRフィルタ1(フェーズ1)、FIRフィルタ0(フェーズ0)にそれぞれ対応している。また、前記係数c(i,j)は、残差補正データの温度領域での遮断周波数、通過域、阻止域のフィルタ特性を考慮して求めるものであり、16タップのポリフェーズFIRフィルタにおける、上記演算式に用いた例を図7及び図8に示す。
Specifically, as shown in FIG. 5, four temperature digital data T (n-1), T (n), T (two), ie, two on the low temperature side and two on the high temperature side, sandwich the temperature digital data T. Residual correction data y (n-1), y (n), y (n + 1), y (n + 2), and four-phase polyphase FIR filter coefficients c (i, j) of n + 1) and T (n + 2) The following equation is substituted for the following equation to obtain FIR interpolation data.
y (n + 1/4) = c (3,1) * y (n-1) + c (3,2) * y (n) + c (3,3) * y (n + 1) + c (3,4) * y (n + 2)
y (n + 1/2) = c (2, 1) * y (n-1) + c (2, 2) * y (n) + c (2, 3) * y (n + 1) + c (2, 4) * y (n + 2)
y (n + 3/4) = c (1,1) * y (n-1) + c (1,2) * y (n) + c (1,3) * y (n + 1) + c (1,4) * y (n + 2)
y (n + 1) = c (0,1) * y (n-1) + c (0,2) * y (n) + c (0,3) * y (n + 1) + c (0,4) * y (n + 2) )
The arithmetic expressions correspond to the FIR filter 3 (phase 3), the FIR filter 2 (phase 2), the FIR filter 1 (phase 1), and the FIR filter 0 (phase 0) in this order from the top. Further, the coefficient c (i, j) is obtained in consideration of the filter characteristics of the cut-off frequency, the pass band, and the stop band in the temperature region of the residual correction data, and in the 16-tap polyphase FIR filter, An example used for the above-mentioned arithmetic expression is shown in FIGS. 7 and 8.
図9は、上述した温度ディジタルデータTが位置する前後の補間点T(n+1/2)、T(n+3/4)の残差補正データy(n+1/2)、y(n+3/4)を演算するための回路構成の一例を示す。ここで、FIRフィルタA(フェーズA)及びFIRフィルタB(フェーズB)は、FIRフィルタ0〜3(フェーズ0〜3)から選択される2つのFIRフィルタを示すものであり、この例ではFIRフィルタ1(フェーズ1)とFIRフィルタ2(フェーズ2)が対応する。補間温度位置計算回路411は、温度ディジタルデータTが入力すると、このデータTに対応する温度位置(図5における温度Tの位置)を計算し、残差データアドレス計算回路412とFIR係数アドレス計算回路413に出力する。前記残差データアドレス計算回路412は、補間に必要な残差補正データを残差データ用メモリ42bから読み出すためのデータNo.に対応するアドレスを計算する。一方、これと同時に前記FIR係数アドレス計算回路413は、前記温度位置の前後の2つのフェーズのFIRフィルタ係数を読み出すためのアドレスを計算する。
FIG. 9 calculates residual correction data y (n + 1/2) and y (n + 3/4) of the interpolation points T (n + 1/2) and T (n + 3/4) before and after the temperature digital data T described above is located An example of the circuit configuration for performing this is shown. Here, FIR filter A (phase A) and FIR filter B (phase B) indicate two FIR filters selected from
これらのアドレス計算の結果に基づき、残差データ用メモリ42bからは対応する残差補正データであるy(n−1)、y(n)、y(n+1)、y(n+2)が呼び出され、FIR係数用メモリ42cからは対応するフェーズ1とフェーズ2のFIR係数が呼び出される。そして、これらFIR係数に対応する2つのフェーズで上述の演算式に基づいてそれぞれ補間データy(n+1/2),y(n+3/4)が計算され、各補間データy(n+1/2),y(n+3/4)が加算器416で加算されて、直線補間残差補正演算回路41c(図2参照)に出力される。
Based on the results of these address calculations, the
図2に示す直線補間残差補正演算回路41cは、2つの補間データy(n+1/2),y(n+3/4)に基づいて、1次近似式により温度ディジタルデータTに対応する残差補正データy(T)を求め、この残差補正データy(T)を加算器41dに出力する。そして、前記加算器41dにおいて、多項式補正演算回路41aで求められた多項式近似補正データと前記残差補正データy(T)が加算され、温度補償ディジタルデータが生成されるのである。
The linear interpolation residual
上述のようにして温度補償回路4で生成された温度補償ディジタルデータが入力するΔΣモジュレータ5は、図1に示すように、乗算器51と、加算器52a,52b,52cと、遅延回路53a,53b,53cと、乗算器54a,54bと、量子化器55と、PWM変調器56とからなる。前記加算器52bにはディザ信号が入力されるもので、このディザ信号は、感温発振器2の出力を受けたカウンタ32の出力の下位ビットのデータからなるものである。例えば、前記感温発振器2の出力を受けたカウンタ32の出力が18ビットのデータとすると、下位の4ビット程度のデータをディザ信号とすると好適である。
The
また、量子化器55は3値以上の多値量子化器であり、例えば、「00」、「01」、「10」、「11」の4つのレベルで量子化した4値のPDM信号を、PWM変調器56に出力するとともに、加算器52cに出力する。前記PWM変調器56は、3レベル以上の多レベルのパルス幅で2値のPWM信号を出力するもので、例えば、前記量子化器55が4値(4レベル)であれば、同様に「0」、「1」、「2」、「3」の4つのレベルのパルス幅のうち、入力したPDM信号のレベルに対応するレベルのパルス幅を有する2値のPWM信号に変換して、受動型4段LPF6に出力する。一方、加算器52cには、量子化器55の出力とともに、加算器52bに入力する信号も入力し、前記加算器52cからは量子化器55による量子化誤差が出力される。
Further, the
遅延回路53a,53b,53cは、量子化誤差を1サイクル、2サイクル、3サイクル遅延させる。前記遅延回路53aの出力は、乗算器54aによって所定の係数が乗じられたうえ、加算器52aに入力される。前記遅延回路53bの出力は、乗算器54bによって所定の係数が乗じられて前記加算器52aに入力される。一方、前記遅延回路53cの出力は、直接前記加算器52aに入力される。そして、前記加算器52aには、これらの各入力に加えて、乗算器51の出力が入力され、前記各入力が加算されて各加算器52b、52cに出力されるのである。
The
受動型4段LPF6は、抵抗素子と容量素子からなるLPFを4段で構成したものである。各抵抗素子の抵抗値は、例えば、抵抗値の総和が1GΩであり、1段目の抵抗素子が700MΩで、他の3個の抵抗素子はそれぞれ100MΩに設定している。また、各容量素子の容量値は、例えば、容量値の総和が100pFであり、最終段目である4段目の容量素子が70pFで、他の3個の容量素子はそれぞれ10pFに設定している。このように、1段目の抵抗値と、最終段目の容量値を他の抵抗値あるいは容量値よりも大きく設定すると、低周波域での減衰量を大きく取れる。PWM信号はこの受動型4段LPF6を通ることでアナログ信号に変換され、このアナログ信号は、制御電圧信号として電圧制御型発振器1の電圧制御型発振回路12に入力される。
The passive four-
続いて、上述したディジタル温度補償発振器の動作について説明する。
電圧制御型発振器1が環境温度に応じた周波数(第1の発振周波数)の発振信号を生成して出力すると、この発振信号は、バッファ8からバッファ10を介して外部機器に出力される一方、前記バッファ8から分周回路9に入力される。前記分周回路9は、入力した発振周波数を分周して、カウンタ31に出力する。一方、感温発振器2は、環境温度に対して前記第1の周波数よりも変化率の大きい周波数(第2の発振周波数)の発振信号を生成して、カウンタ32に出力する。
Subsequently, the operation of the above-described digital temperature compensated oscillator will be described.
When the voltage
これら各カウンタ31,32でカウントされた各発振周波数は、制御回路・温度変換回路33で比較され、制御回路・温度変換回路33は、比較することで得られたディジタル情報から比較が行われたときの環境温度を温度ディジタルデータとして生成して、この温度ディジタルデータを演算回路41に出力する。
The oscillation frequencies counted by the
多項式補正演算回路41a、FIR補間残差補正演算回路41b及び直線補間残差演算回路41cからなる演算回路41は、入力された温度ディジタルデータから、上述したように、あらかじめ多項式係数用メモリ42a、残差データ用メモリ42b及びFIR係数用メモリからなるメモリ42に記憶されている各演算式、データ及び係数値に基づいて演算し、電圧制御型発振回路12の発振周波数の環境温度に対する変化を補償するための温度補償ディジタルデータを生成し、ΔΣモジュレータ5に出力する。
The
ΔΣモジュレータ5に入力された温度補償ディジタルデータは、量子化器55で4値(4レベル)のPDM信号に変換され、さらにPWM変調器56で4レベルのパルス幅で2値のPWM信号に変換される。そして、このPWM信号は、受動型4段LPF6によってアナログ化されることで、前記温度補償ディジタルデータがアナログ電圧で表される制御電圧に変換されて電圧制御型発振回路12に入力し、電圧制御型発振器1の発振周波数を制御するものである。
The temperature compensated digital data input to the
なお、上述の実施形態では、−40℃〜100℃の使用環境温度範囲を140の約数である4℃間隔でサンプリングしたので、使用環境温度範囲の最低温値の−40℃から高温側に向けて順次サンプリング点を決めても、あるいは最高温値の100℃から低温側に向けて順次サンプリング点を決めても、両温度値はともにサンプリング点となる。このため、温度ディジタルデータTが最低温値または最高温値とその1つ手前のサンプリング点の間にある場合には、前後4つの残差補正値を利用してFIR補間によって温度データTに対応する残差補正データを求めるには、低温側でも高温側でも使用環境温度範囲より1つ先のサンプリング点があれば足りる。すなわち、図5でいえば、T(n+1)を最高温値とすると、高温側にはT(n+2)があれば足り、T(n+3)以上は不要である。また、T(n)を最低温値とすると、低温側にはT(n−1)があれば足り、T(n−2)以下は不要である。 In the above embodiment, since the use environment temperature range of −40 ° C. to 100 ° C. is sampled at 4 ° C. intervals which is a divisor of 140, from the lowest temperature value of −40 ° C. to the high temperature side of the use environment temperature range. Even if the sampling points are sequentially determined or the sampling points are sequentially determined from the maximum temperature value of 100 ° C. toward the low temperature side, both temperature values become sampling points. Therefore, when the temperature digital data T is between the lowest temperature value or the highest temperature value and the sampling point immediately before that, the temperature data T is supported by FIR interpolation using four residual correction values before and after In order to obtain residual correction data to be corrected, it is sufficient for the low temperature side and the high temperature side to have a sampling point one ahead of the operating environment temperature range. That is, in FIG. 5, if T (n + 1) is the maximum temperature value, T (n + 2) is sufficient on the high temperature side, and T (n + 3) or more is unnecessary. If T (n) is the lowest temperature value, T (n-1) is sufficient on the low temperature side, and T (n-2) or less is unnecessary.
しかしながら、−40℃〜100℃の使用環境温度範囲を140の約数でない3℃間隔や8℃間隔でサンプリングする場合には、使用環境温度範囲の最低温値である−40℃をサンプリング点とすると、高温側では3℃間隔であれば98℃、8℃間隔であれば96℃が最高温のサンプリング点となり、最高温値である100℃はサンプリング点とはならない(図10参照)。反対に使用環境温度範囲の最高温値である100℃をサンプリング点とすると、低温側では3℃間隔であれば−38℃、8℃間隔であれば−36℃が最低温のサンプリング点となり、最低温値である−40℃はサンプリング点にはならない。 However, when sampling the use environment temperature range of -40 ° C to 100 ° C at intervals of 3 ° C or 8 ° C not a divisor of 140, the sampling point is -40 ° C, which is the lowest temperature value of the use environment temperature range. Then, on the high temperature side, the sampling point is 98 ° C. for 3 ° C. intervals and 96 ° C. for 8 ° C. intervals, and the maximum temperature value of 100 ° C. is not a sampling point (see FIG. 10). Conversely, if the sampling point is 100 ° C, which is the maximum temperature value in the operating environment temperature range, -38 ° C at 3 ° C intervals on the low temperature side and -36 ° C at 8 ° C intervals are the lowest temperature sampling points, The lowest temperature of -40 ° C does not become the sampling point.
このため、例えば図10に示すように、温度ディジタルデータTがサンプリング点でない使用環境温度範囲の最高温値とその1つ手前のサンプリング点T(n)の間にある場合には、前後4つの残差補正データを利用してFIR補間によって温度データTに対応する残差補正データを求めるには、最高温値より2つ先までのサンプリング点T(n+1)、T(n+2)が必要となる。したがって、余分なサンプリング点を設定して、その残差補正データを実測から求める必要があり、上の例では、最低温値をサンプリング点とすると、3℃間隔では−43℃〜104℃の範囲、また、8℃間隔では−46℃〜112℃の範囲、がそれぞれ実測範囲となるので、実測温度範囲が必要以上に広がってしまうという不都合がある。 Therefore, for example, as shown in FIG. 10, when the temperature digital data T is between the maximum temperature value of the operating environment temperature range which is not the sampling point and the sampling point T (n) one before that, In order to obtain residual correction data corresponding to temperature data T by FIR interpolation using residual correction data, sampling points T (n + 1) and T (n + 2) up to two points after the maximum temperature value are required. . Therefore, it is necessary to set an extra sampling point and obtain residual correction data from the actual measurement. In the above example, if the lowest temperature value is the sampling point, the range of -43 ° C to 104 ° C at 3 ° C interval Also, since the range of −46 ° C. to 112 ° C. is an actual measurement range at an interval of 8 ° C., there is a disadvantage that the actual measurement temperature range is expanded more than necessary.
この不都合を解消するためには、最低温値と最高温値とをサンプリング点とし、これらサンプリング点から所定の温度間隔で反対側に向けてサンプリング点を決定していき、使用環境温度範囲のほぼ中央、使用環境温度範囲が−40℃〜100℃であれば25℃付近で互いに交錯する状態とし、例えば、一方側のサンプリング点は中央部から他方側に2つ設け、他方側のサンプリング点は中央部から一方側に1つ設けるようにする。そして、図11に示す高温側では上述した演算式を用いて、残差補正データy(n+1)と等しい補間データ0はFIRフィルタ0(フェーズ0)に対応する式、補間データ1はFIRフィルタ1(フェーズ1)、に対応する式、補間データ2はFIRフィルタ2(フェーズ2)に対応する式、補間データ3はFIRフィルタ3(フェーズ3)に対応する式、によってそれぞれ求めることができる。
In order to solve this problem, the lowest temperature value and the highest temperature value are used as sampling points, and sampling points are determined from the sampling points toward the opposite side at a predetermined temperature interval, and it is possible to If the operating environment temperature range is -40 ° C to 100 ° C, they cross each other at around 25 ° C. For example, two sampling points on one side are provided from the center to the other side, and the sampling points on the other side are One is provided from the center to one side. Then, on the high temperature side shown in FIG. 11, the
一方、図12に示す低温側では、上述の演算式とは異なる次の演算式を用いて計算する。
y(n+1)=c(0,4)*y(n−1)+c(0,3)*y(n)+c(0,2)*y(n+1)+c(0,1)*y(n+2)
y(n+1/4)=c(1,4)*y(n−1)+c(1,3)*y(n)+c(1,2)*y(n+1)+c(1,1)*y(n+2)
y(n+1/2)=c(2,4)*y(n−1)+c(2,3)*y(n)+c(2,2)*y(n+1)+c(2,1)*y(n+2)
y(n+3/4)=c(3,4)*y(n−1)+c(3,3)*y(n)+c(3,2)*y(n+1)+c(3,1)*y(n+2)
この演算式は、上から順に、残差補正データy(n)と等しい補間データ0を求めるFIRフィルタ0(フェーズ0)、補間データ1を求めるFIRフィルタ1(フェーズ1)、補間データ2を求めるFIRフィルタ2(フェーズ2)、補間データ3を求めるFIRフィルタ3(フェーズ3)に、それぞれ対応している。また、係数c(i,j)は、図7及び図8に示したものを用いればよい。
なお、各演算式との関係で、説明の便宜上、図11ではT(n+1)を最高温値、図12ではT(n)を最低温値としている。
On the other hand, on the low temperature side shown in FIG. 12, calculation is performed using the following operation equation different from the above-described operation equation.
y (n + 1) = c (0,4) * y (n-1) + c (0,3) * y (n) + c (0,2) * y (n + 1) + c (0,1) * y (n + 2) )
y (n + 1/4) = c (1,4) * y (n-1) + c (1,3) * y (n) + c (1,2) * y (n + 1) + c (1,1) * y (n + 2)
y (n + 1/2) = c (2, 4) * y (n-1) + c (2, 3) * y (n) + c (2, 2) * y (n + 1) + c (2, 1) * y (n + 2)
y (n + 3/4) = c (3, 4) * y (n-1) + c (3, 3) * y (n) + c (3, 2) * y (n + 1) + c (3, 1) * y (n + 2)
In this arithmetic expression, an FIR filter 0 (phase 0) for obtaining
Note that T (n + 1) is the highest temperature value in FIG. 11 and T (n) is the lowest temperature value in FIG. 12 due to the relationship with each arithmetic expression.
このように、上述の実施形態においては、最高温値、最低温値をともにサンプリング点にして、高温側の演算式と低温側の演算式は、各フェーズの係数の順番を反対にし、かつ、フェーズ1〜3に対応する順番も反対にした異なる式を用いることにより、温度ディジタルデータTが使用環境温度範囲の最高温値、または最低温値とその1つ手前のサンプリング点T(n)の間にあっても、前後4つの残差補正データを利用してFIR補間によって温度データTに対応する残差補正データを求める際に、使用環境温度範囲外の余分に必要なサンプリング点は、高温側でも低温側でも1つで足りるものである。
As described above, in the above-described embodiment, both the highest temperature value and the lowest temperature value are sampling points, and the high temperature side computing equation and the low temperature side computing equation reverse the order of the coefficients of each phase, and By using a different equation in which the order corresponding to
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、ディジタルフィルタでの演算に用いる残差補正データのサンプリング点は、温度ディジタルデータを挟む前後の4つに限らない。また、多項式近似補正データを求める多項式は、10次に限らず、例えば、7次〜9次の多項式でも精度的に問題ない。
さらに、FIR補間演算式に使用する係数も上述のものに限らない。さらに、高温側と低温側で異なった演算式を使う場合に使用環境温度範囲を二分する位置は、中央部分に限らない。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, sampling points of residual correction data used for calculation with a digital filter are not limited to four before and after sandwiching temperature digital data. Further, the polynomial for obtaining the polynomial approximation correction data is not limited to the 10th order, but may be a 7th to 9th polynomial, for example.
Furthermore, the coefficients used in the FIR interpolation equation are not limited to those described above. Furthermore, when using different arithmetic expressions on the high temperature side and the low temperature side, the position dividing the operating environment temperature range is not limited to the central portion.
1 電圧制御型発振器
2 感温発振器
3 温度ディジタルデータ生成部
4 温度補償回路
5 ΔΣモジュレータ
6 受動型4段LPF
7 D/A変換器
11 振動子
12 電圧制御型発振回路
31,32 カウンタ
33 制御回路・温度変換回路
41 演算回路
41a 多項式補正演算回路
41b FIR補間残差補正演算回路
41c 直線補間残差補正演算回路
41d 加算器
42 メモリ
42a 多項式係数用メモリ
42b 残差データ用メモリ
42c FIR係数用メモリ
51 乗算器
52a,52b,52c 加算器
53a,53b,53c 遅延回路
54a,54b 乗算器
55 量子化器
56 PWM変調器
411 補間温度位置計算回路
412 残差データアドレス計算回路
413 FIR係数アドレス計算回路
414 FIRフィルタA演算回路
415 FIRフィルタB演算回路
416 加算器
7 D /
Claims (3)
前記環境温度の変化に対して前記電圧制御型発振器の第1の発振周波数よりも変化率が大きい発振周波数(第2の発振周波数)を生成する感温発振器と、
前記電圧制御型発振器で生成された第1の発振周波数と前記感温発振器で生成された第2の発振周波数とを比較することで得られるディジタル情報を基に算出して、前記比較が行われたときの環境温度を温度ディジタルデータとして生成する温度ディジタルデータ生成部と、
前記温度ディジタルデータに基づいて前記電圧制御型発振器で生成する第1の発振周波数の環境温度に対する変化を補償するための温度補償ディジタルデータを生成する温度補償回路と、
ΔΣモジュレータと受動素子からなる受動型多段ローパスフィルタによって構成されて前記温度補償ディジタルデータをアナログ電圧で表される前記制御電圧に変換するD/A変換器とを備え、
前記温度補償回路は、本来温度補償すべき補正データと多項式近似で近似された多項式近似補正データとの差を残差補正データとし、ディジタル温度補償発振器の使用環境温度範囲内の離散する温度でサンプリング抽出してメモリにあらかじめ記憶しておき、前記温度ディジタルデータ生成部から得られた温度ディジタルデータと、この温度ディジタルデータを挟む前後の4以上のサンプリング点に対応する残差補正データを基に、前記温度ディジタルデータにおける残差補正データをディジタルフィルタで演算し、その結果を前記温度ディジタルデータに対応する前記多項式近似補正データに加算して、温度補償ディジタルデータとすることを特徴とするディジタル温度補償発振器。 A voltage controlled oscillator that generates an oscillation frequency (first oscillation frequency) whose frequency changes in response to a change in environmental temperature and generates an oscillation signal whose control of the first oscillation frequency is possible by a control voltage;
A temperature-sensitive oscillator that generates an oscillation frequency (second oscillation frequency) whose change rate is larger than a first oscillation frequency of the voltage controlled oscillator with respect to a change in the environmental temperature;
The comparison is performed based on digital information obtained by comparing the first oscillation frequency generated by the voltage controlled oscillator with the second oscillation frequency generated by the temperature-sensitive oscillator. A digital temperature data generation unit for generating the ambient temperature at the same time as digital temperature data;
A temperature compensation circuit for generating temperature compensated digital data for compensating a change with respect to the environmental temperature of the first oscillation frequency generated by the voltage controlled oscillator based on the temperature digital data;
A digital multi-stage low pass filter comprising a Δ 多 段 modulator and a passive element, and D / A converter for converting the temperature compensated digital data into the control voltage represented by an analog voltage;
The temperature compensation circuit takes the difference between the correction data originally to be temperature-compensated and the polynomial approximation correction data approximated by polynomial approximation as residual correction data, and performs sampling at discrete temperatures within the operating temperature range of the digital temperature compensation oscillator. Based on the temperature digital data obtained from the temperature digital data generation unit and residual correction data corresponding to four or more sampling points before and after sandwiching the temperature digital data, they are extracted and stored in a memory in advance. Digital temperature compensation characterized in that residual correction data in the temperature digital data is calculated by a digital filter, and the result is added to the polynomial approximation correction data corresponding to the temperature digital data to obtain temperature compensation digital data. Oscillator.
The operating environment temperature range is divided into high temperature side and low temperature side, sampling points are set sequentially from the maximum temperature value and the minimum temperature value to the opposite side for each part, and calculation is performed using different FIR filter interpolation formulas for each part A digital temperature compensated oscillator as claimed in claim 2, characterized in that:
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