SE501190C2 - Digitalt styrd kristalloscillator - Google Patents

Description

501 190 2 kan vara godtycklig och varierar kraftigt med tiden.

Exempelvis visar US-A-4 868 514 en apparat och en metod för digital kompensering av oscillatordrift. Detta avser att tillhandahålla fasinriktning mellan två klocksignaler som går med nästan samma frekvens varvid en variabel digital fördröjning utmatar en korrigerad klocksignal vars fas är inriktad med den andra klockans fas. US-A-5 079 519 visar en digital faslåst slinga för en logisk grindgrupp, varvid anordningen bibehåller en fastställd fasfördröjning mellan en ingångssignal och en utgångssignal genom att en räknare väljer en lämplig avtappnings- punkt på en fördröjningslinje. Det brittiska dokumentet GB-A-2 236 223 visar en liknande digital faslåst slinga, vilken också innefattar en avtappad fördröjningslinje som alstrar en mångfald signaler med olika faser, av vilka en signal väljs genom en selektionskrets. Ytterligare dokument som US-A-5 012 198, US-A-4 795 985 och US-A-4 677 648 utgör andra exempel på denna teknik med en fördröjningslinje i enlighet med tekniken ståndpunkt.

Tekniken med att välja en digital lösning istället för den konventionella med VCO är bland annat följande: - En digital lösning kan enkelt integreras i en användarspe- cifik integrerad krets (ASIC).

- Mekanismer för felövervakning kan i ett digitalt system enkelt realiseras och läggas till. I det analoga fallet blir detta svårare eftersom den analoga styrsignalen torde behöva mätas.

- En digital lösning är vidare i allmänhet mera konstruktions- och produktionsvänlig i förhållande till en analog lösning.

Gemensamt för alla dessa olika lösningar enligt teknikens ståndpunkt är att det kommer att uppstå problem om fördröjningen med tiden förändras till en grad att man kommer att befinna sig nära den maximalt eller minimalt möjliga fördröjningen som kan erhållas med den variabla fördröjningslinjen. För fall där man förväntar sig stora förändringar i fördröjningen måste då fördröjningslinjen omfatta ett stort fördröjningsintervall för 501 190 3 .att man enkelt skall kunna behålla den låsta fasinriktningen i kopplingen. Ett sådant stort faslåsningsintervall ger i sin tur förhållandevis sämre fasupplösning och/eller fasnoggrannhet. Ett annat sätt är att genom en logikkoppling tillse att man kan hoppa tillbaka t. ex 2n i absolut fas med fördröjningslinjen och låsa in faslåsningsslingan på nytt någonstans i mitten av det justerbara området för fördröjningslinjen.

Att hoppa tillbaka en period (2n) i fördröjningen är inte trivialt eftersom steglängden.i olika exemplar av samma krets kan variera kraftigt och vara t.ex. av storleksordningen 0,1 - 0,3 ns, förutom att en viss tid krävs för att säkerställa att den relativa fasen överensstämmer efter fashoppet, varför med nöd- vändighet märkbara diskontinuiteter kan förväntas med en sådan 'teknik.

Det finns följaktligen ett behov av en enkel lösning på problemet att få en oscillator att troget följa fasen för en extern eller intern referenssignal som med tiden förändrar sin fas med många hela perioder men med bibehållen kontinuerlig fas för utsignalen från oscillatorn utan att några fashopp eller transienter uppträder i utsignalen.

Redogörelse för uppfinningen I enlighet med en metod och en anordning enligt den föreliggande uppfinningen skapas en möjlighet att addera eller subtrahera ett obegränsat antal små fördröjningssteg till en klocksignal från en oscillator, varvid utnyttjas en fördröjningslinje med ett begränsat antal seriekopplade små fördröjningselement där sig- nalen tappas av efter ett digitalt valbart antal fördröjnings- steg.

I enlighet med ett första syfte med den föreliggande uppfinningen uppnås ett obegränsat antal steg av given storlek i fördröjning genom att momentant växla till en andra fördröjningslinje, varvid det momentana bytet sker genom att från en aktiv fördröjningslin- 501 190 4 je koppla över till en icke aktiv men infasad fördröjningslinje som reglerats på så att den icke aktiva fördröjningslinjen har en fördröjning som lämpligen är en klockperiod större eller mindre än den aktiva fördröjningslinjens fördröjning, och varigenom den lokala oscillatorns fas kan bibehållas kontinuerlig även om fasen för referenssignalen kontinuerligt förändrar sig, t.ex. att det finns en liten bestående frekvensskillnad mellan den egna oscillatorns frekvens och referenssignalens frekvens.

I enlighet med ett andra syfte med den föreliggande uppfinningen blir efter en sådan momenten växling den tidigare aktiva fördröj- ningslinjen passiv och förbereds för en nästan momentan växling på ett motsvarande sätt när fasen ytterligare förändrat sig i sådan utsträckning att det är lämpligt att på nytt förskjuta tiden för fördröjningslinjen med t. ex. en klockperiod men med bibehållen kontinuerlig låsning av oscillatorn utsignal.

I enlighet med en första utföringsform av den föreliggande uppfinningen består den använda fördröjningslinjeuppsättningen av två separata fördröjningslinjer med digitalt valbara av- tappningar för att åstadkomma en aktiv och en passiv fördröj- ningslinje för fasinriktning av signalen från oscillatorn.

I enlighet med en andra utföringsform av den föreliggande uppfinningen består den använda fördröjningslinjeuppsättningen av en fördröjningslinje med två uppsättningar av digitalt valbara avtappningar för att åstadkomma en aktiv och en passiv för- dröjningslinje för fasinriktning av signalen från oscillatorn.

Figurbeskrivning Uppfinningen kommer att beskrivas i form av belysande utförings- former med hjälp av de bifogade ritningarna i vilka: Fig. J. visar en anordning enligt teknikens ståndpunkt för fasinriktning av en lokal klocka, exempelvis en kristalloscillator mot en extern referens, 501 190 5 Fig. 2 visar en anordning enligt teknikens ståndpunkt för fasinriktning av en lokal klocka mot en oönskad intern fördröjning, Fig. 3 visar förenklat en anordning i enlighet med den föreliggande uppfinningen för kontinuerlig inriktning av en lokal oscillator med hjälp av två alternerande fördröjningslinjer, Fig. 4 visar förenklat en anordning i enlighet med den föreliggande uppfinningen för kontinuerlig inriktning av en lokal oscillator med hjälp av en fördröjnings- linje med två oberoende avtappningar, Fig. 5 visar i form av blockschema en tillämpning som utnytt- jar tre uppsättningar oscillatorer i enlighet med den föreliggande uppfinningen.

Belysande utföringsform Figur 1 visar i form av ett blockschema förenklat enligt teknikens ståndpunkt en faskompensering av en intern oscillator i förhållande till en extern referenssignal vilken vidare även är föremål för en extern fördröjning. Detta exempel enligt teknikens ståndpunkt förutsätter att oscillatorn har principiellt samma frekvens som referensen eftersom kopplingen endast kompenserar för fasfel. Vidare kommer i detta fall förr eller senare att krävas en återställning av den variabla fördröjningen med åtminstone plus eller minus en period för att inte hamna utanför fördröjningslinjens justeringsomràde.

På motsvarande sätt visar figur 2 i form av ett blockschema en faskompensering vid en lokal oscillator i enlighet med samma princip som visas i figur 1. Den oönskade fördröjningen till- kommer till exempel genom att för en klockstyrning krävs allmänt en buffring för att kunna förse samtliga digitala kretsar på ett kort med en gemensam samtidig klocka. Denna buffring fördröjer 501 190 6 klocksignalen vilket följaktligen introducerar ett fasfel vilket markeras genom blocket oönskad fördröjning. Denna oönskade fördröjning kan variera beroende på variationer i använda kretsar. För att fastställa en given fas för den egna klockan används då en fix extra fördröjning som är större än den oönskade fördröjningen och med hjälp av en fasjämförare och en variabel fördröjning kan fasen för den egna klockan efter den oönskade varierande fördröjningen fastläggas i enlighet med funktionen i figur 2. Genom att den oönskade fördröjningen kan kompenseras bort på detta sätt är det då möjligt att arbeta vid en högre klockningsfrekvens och bibehålla samtidighet än vad som annars skulle vara möjligt.

Figur 3 visar i form av ett blockschema en anordning i enlighet med den föreliggande uppfinningen för att faslàsa mot en refe- rensklocka varvid samtidigt en icke önskad fördröjning FD kompen- seras. Anordningen i enlighet med uppfinningen tillåter en digitalt kontinuerligt stegvis variabel ändring av fördröjningen och kompensering av fasen med ett i princip oändligt antal steg.

Anordningen i«enlighet med figur 3 innefattar en lokal klockpuls- generator 2 i form av en kristall-oscillator X0 vars utsignal skall kompenseras för fördröjningen FD i t.ex. enibuffringsanord- ning 3 varvid den egna klockans fas önskas överensstämma med en extern referens 1. Den externa referensen 1 avses ha samma frekvens som den lokala kristalloscillatorn X0. För fasjäm- förelsen. med den yttre referensen används enligt teknikens ståndpunkt en fasjämförare 5 vilken styr en kontroll-logik 4.

Kontroll-logiken innefattar därvid enligt teknikens ståndpunkt upp- och nedräknare som styr två variabla fördröjningslinjer 10 och ll parallellt kopplade i serie med den lokala klockpuls- generatorn 2. Vardera fördröjningslinjen 10 och 11 består i sin tur av ett ändligt antal små fördröjningselement, varvid en fördröjning erhålls genom att digitalt styra att signalen tas efter ett visst antal av sådana inkrementella fördröjningssteg.

Vidare innefattar kopplingen en selekteringskrets vilken styrd av kontroll-logiken väljer signalen från endera av de variabla fördröjningslinjerna 10 och ll för att vidare matas ut till “so1 190 7 buffringsanordningen 3 med den inte helt kända och eventuellt varierande fördröjningen FD. Utgångarna från.de två variabla för- dröjningslinjerna 10 och 11 matas även till en ytterligare fasjämförare 7 vilken principiellt arbetar på samma sätt som fasjämföraren 5. Kontroll-logiken arbetar vidare med den förutsättningen i den belysande föredragna utföringsformen att fasjämföraren 7 i detta belysande exempel dessutom avses på sina ingångar matas med signaler som har en absolut fasdifferens 2Nn, där N är ett positivt eller negativt heltal och skilt från noll.

I den föredragna belysande utföringsformen är N = -1 eller +1, vilket är gynnsammastzmed avseende på fördröjningslinjen. Fasjäm- föraren 7 matar sedan i sin tur en styrsignal till kontroll- logiken 4.

Funktionen för anordningen enligt figur 3 kommer härvid att vara följande. De variabla digitala fördröjningslinjerna 10 och ll stegas genom kontroll-logiken med ledning av styrsignalen från fasjämföraren i enlighet med teknikens ståndpunkt så att signalfasen ut från både den variabla fördröjningslinjen 10 och den variabla fördröjningslinjen ll båda var för sig kommer att kompensera för fördröjningen FD i buffringsanordningen 3 för att den egna klockans fas skall överensstämma med den externa referensen 1. Kontroll-logiken kommer därvid att med sina räknare styra de variabla fördröjningslinjerna 10 och ll så att den ena kommer att ligga i en första halva av sitt hela fördröjningsin- tervall medan den andra kommer att motsvarande ligga i en andra halva av sitt hela fördröjningsintervall, dvs det kommer att skilja exempelvis exakt 2n i absolut fas mellan deras utgångar som matar selekteringskretsen 6.

Kontroll-logiken 4 styr selekteringskretsen att välja den ena insignalen vilken då sänds vidare till i detta fallet buffringsa- nordningen 3. Fasfel mellan signalen från kristalloscillatorn 2 och den externa referensen kommer kontinuerligt i små diskreta steg att hela tiden kompenseras. Om den sålunda aktiva för- dröjningskretsen som alltså lämnar signalen som distribueras av selekteringskretsen 6 till buffringsanordningen 3 kommer att 501 190 8 börja närma sig sin gräns för faskompenseringen kommer kontroll- logiken, enligt i sig känd teknik, att kommendera selekterings- kretsen att växla över och i stället släppa igenom signalen från den andra fördröjningslinjen, vilken alltså hittills varit icke aktiv signalgivare. växlingen mellan dessa variabla fördröj nings- linjer sker momentant på den egna klockan då de principiellt har samma relativa fas, eftersom den absoluta fasen i den belysande föredragna utföringsformen skiljer med exakt 2n mellan de två fördröjningslinjerna 10 och ll.

Genom ett sådant kommando från kontroll-logiken 4 till selekte- ringskretsen kommer följaktligen den tidigare aktiva variabla fördröjningslinjen att bli passiv medan den passiva kretsen blir aktiv. Om fasdriften härefter fortsätter så att gränsen passeras för fördröjningsregleringen för den nu passiva kretsen ställer kontroll-logiken om räknevärdet för denna så att den kommer att hoppa Zn framåt eller bakåt i fas. Detta fashopp kommer dock ej att påverka den egna klockans fas som kontinuerligt matas via den aktiva fördröjningslinjen. Efter att fashoppet på 2n genomförts kan den passiva fördröjningslinjens relativa fas åter erhållas lika med den aktiva fördröjningslinjens fas med hjälp av fas- jämföraren 7 och kontroll-logiken. För att göra denna återin- fasning finns nu alltså ingen kritisk tidsperiod. Genom att hela tiden växla mellan de variabla fördröjningarna 10 och 11 på detta sätt och sedan justera den icke aktiva fördröjningslinjen erhålls att fördröjningen kan justeras med ett oändligt antal enhetssteg utan att hamna utanför fasjusteringsomràdet och utan att den utgående signalfasen kommer att involveras i det annars nöd- vändiga fashoppet N x 2n, där N är ett positivt eller negativt heltal.

I figur 4 visas i en ytterligare utföringsform i enlighet med den föreliggande uppfinningen en anordning som i stället för två separata variabla fördröjningslinjer 10, 11 använder sig av en enda digital fördröjningslinje 15 vilken här är försedd med dubbla uppsättningar signaluttag. Övriga block 1 - 7 motsvarar lika funktionsblock som i figur 3. vardera signaluttaget i för- 4501 190 9 dröjningslinjen väljs digitalt genom två styringångar vilka i likhet med figur 3 kontrolleras av styrkontroll-logiken 4. I detta fall är alltså själva fördröjningslinjen 15 aktiv hela tiden och i stället arbetar man med en aktiv och en icke aktiv signalavtappning av fördröjningslinjen. Funktionen blir då i övrigt identisk med funktionen diskuterad med avseende på figur 3. Denna senare lösning har dock den fördelen att eventuella tillverkningstoleransskillnader avseende fördröjningsstegen i separata fördröjningslinjer som 10 och 11 i figur 3 kommer att undvikas genom lösningen enligt figur 4.

I figur 5 visas slutligen en belysande användningstillämpning av klockoscillatoranordningen i enlighet med den föreliggande upp- finningen. Anordningen enligt blockschemat i figur 5 arbetar i denna tillämpning med tre olika plan betecknade A, B och C och försedda med var sin kristallstyrda klockoscillator X0, men upp- ställningen kan givetvis utökas med ytterligare plan. Via en respektive selektor SA, SB och SC väljs en referens eller master med hjälp en underhållslogik MLl, ML2 respektive ML3 vilka med var sin styrledning M1, M2 och M3 påverkar valet av referens vid selektor SA, SB och SC. Varje oscillator X0 styrs och faskompen- seras mot den valda referensen enligt den föreliggande uppfin- ningen i enlighet med figur 3 eller 4. Kontroll-logiken CLA, CLB respektive CLC matar en felindikeringssignal CLERR till respekti- ve underhållslogik ML1, ML2 och ML3. Denna felindikeringssignal erhålls principiellt med hjälp av fasjämföraren 5 i figur 4 eller 5. Felindikeringssignalen anger att ett viss plan inte längre klarar att fasa in sin lcristalloscillator X0 mot en given referensfas. Detta indikerar alltså att ett fel finns men genom den redundans som finns i systemet kan den oscillator som är felaktig exkluderas ur systemet tills att felet åtgärdas och systemets totala funktion påverkas därmed inte. Genom kopplingen i enlighet med den föreliggande uppfinningen är följaktligen möjligt att kontinuerligt övervaka och styra fasen ut från varje plan så att denna fas överensstämmer med fasen för de två andra planen i normalfallet när inget fel föreligger. Som framgår av systemet kan principiellt vilket som helst av planen A, B eller 501 190 10 C tjänstgöra som referens och om ett plan skulle bli felaktigt finns fortfarande två plan kvar som principiellt kan kontrollera varandra tills att en felaktig oscillator X0 har àtgärdats.

Claims (8)

501 190 ll PATENTKRAV

1. Förfarande för fasinriktning vid en lokal frekvensstabil oscillator (2) vars fas och frekvens avviker från en intern eller extern referens (1) genom användning av en fasjämförare (5) och en digitalt stegvis variabel fördröjningslinje för inriktning av fasen för signalen från den lokala frekvensstabila oscillatorn mot den interna eller externa referensfrekvensfasen (1), k ä n - n e t e c k n a t av växling mellan en aktiv fördröjningslinje (10, 11) och en icke aktiv fördröjningslinje (ll, 10) i serie: med signalen från oscillatorn (2) när den aktiva fördröjningslinjen närmar sig sin fasjusteringsgräns, varvid det i absolut fas skiljer exakt en hel klockperiod eller flera hela klockperioder mellan den aktiva och den icke aktiva fördröjningslinjen samt att vid växlingen bytes funktion så att den tidigare aktiva fördröjningslinjen fortsätt- ningsvis utgör den icke aktiva fördröjningslinjen medan den icke aktiva fortsättningsvis utgör den aktiva fördröjningslinjen fram till tidpunkten för en ny växling, för erhållande av en för- dröjningsmässigt obegränsat kontinuerlig stegvis fasinriktning av signalen från den lokala oscillatorn (2) gentemot den interna eller externa referensfasen (1), justering av den icke aktiva fördröjningslinjen med åtminstone plus eller minus en klockperiod för oscillatorn (2) när denna icke aktiva fördröjningslinje hamnar nära gränsen för sin fasregleringsförmåga så att den relativa fasen från den icke aktiva fördröjningslinjen även fortsättningsvis kommer att överensstämma med fasen ut från den aktiva fördröjningslinjen.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av' användning av två distinkta parallella lika stegvis variabla fördröjningslinjer (10, ll) vilka i fördröjning i förhållande till varandra fås att skilja åtminstone motsvarande en hel period vid oscillators (2) frekvens.

3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av 501 190 12 användning av en stegvis variabel fördröjningslinje (15) vilken försetts med två uppsättningar av avtappningar vilka i fördröjning i förhållande till varandra fås att skilja åtminstone motsvarande en hel period vid oscillators (2) frekvens.

4. Anordning för fasinriktning av signalen från en lokal frekvensstabil oscillator mot en given referensfrekvens in- nefattande en fasjämförare (5), räknelogik och en digitalt stegvis variabel fördröjningslinje, k ä n n e t e c k n a d av att innefatta en ytterligare fasjämförare (7) samt en selekteringskrets (6), varvid selekteringskretsen styrs av en kontroll-logik (4) innefattande räknelogiken, att den variabla fördröjningslinjen i serie med oscillatorn (2) är parallellt uppdelad i en första fördröjningslinje och en andra fördröjningslinje vilka med hjälp av den ytterligare fasjämföraren (7) ger samma relativa fasfördröjning, varvid den första fördröjningslinjen genom selekteringskretsen sätts att vara aktiv medan.den andra fördröjningslinjen blir icke aktiv och den icke aktiva fördröjningslinjen erhåller en absolut fas som skiljer plus eller minus en hel period eller flera hela perioder från oscillatorns (2) svängningsfrekvens, att selekteringskretsen matar vidare signalen från den fördröjningslinje som sätts att vara aktiv.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att den första och andra variabla fördröjningslinjen utgörs av två distinkt åtskilda stegvis variabla fördröjningslinjer (10, 11).

6. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att den första och andra variabla fördröjningslinjen utgörs av en enda stegvis variabel fördröjningslinje (15) vilken är försedd med två separata styrbara avtappningar.

7. Anordning enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att denna exklusive ett resonatorelement, företrädesvis en kvartskristall, för oscillatorn (2) bildar en integrerad kretsmodul. A501 190 13

8. Anordning enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att denna inkluderande ett resonatorelement, företrädesvis en kvartskristall, för oscillatorn (2) utgör en LSI-modul.