TWI522757B - 溫度補償式計時信號產生器 - Google Patents

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TWI522757B
TWI522757B TW103129722A TW103129722A TWI522757B TW I522757 B TWI522757 B TW I522757B TW 103129722 A TW103129722 A TW 103129722A TW 103129722 A TW103129722 A TW 103129722A TW I522757 B TWI522757 B TW I522757B
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大衛 魯菲克斯
尼古拉 斯科拉里
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微晶體股份有限公司
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Description

溫度補償式計時信號產生器
本發明係關於溫度補償式計時信號產生器。本發明更具體地係關於脈衝禁止及/或脈衝注入被用來補償溫度誤差的溫度補償式計時信號產生器。
計時訊號產生器是已知的。它們包含一用來提供計時訊號的振盪器。該振盪器通常包含一用來穩定振盪頻率的石英晶體共振器。雖然原則上石英晶體振盪器極為精確，但它們的精確度會受到溫度的不利影響。石英晶體基本上如一機械式共振器般地作用，且任何溫度上的改變將造成石英稍微地膨脹或收縮，因而改變共振頻率。為了要克服共振頻率變動的問題，在此技藝中有數種方式。
圖1為一習知的時計的功能圖，其包含一石英晶體控制的振盪器1、一系列的二位元除法器(正反器)2及一步進馬達3，其被設置來以指針的形式驅動該時計的顯示機構4。在此一時計中，該石英晶體通常是一32’768Hz的石英晶體音叉共振器。32’768等於215。因 此，該除法鏈可包含15個二位元除法器，使得該除法鏈的輸出頻率為1Hz，其適於驅動該步進馬達3。
該32’768Hz的石英晶體音叉共振器係以一種當頻率依溫度來繪製時其界定一以25℃為中心的拋物線曲線的方式被切割。換言之，一石英晶體音叉共振器將在室溫時以接近其名義上的(nominal)頻率共振，但在溫度高於或低於室溫時會慢下來。一用於32’768Hz的石英音叉共振器之常見的拋物線係數為-0.04ppm/℃2。
配備一溫度感測器且能夠補償溫度改變的時計是已知的。專利文獻US 3,895,486描述一種溫度補償式計時裝置，以及一種溫度補償方法。被稱為禁止補償(inhibition compensation)的此種特殊的方法被用來降低一計時訊號的頻率。為了要實施此方法，該石英晶體共振器必須被蓄意地製造成跑的稍微快一些。脈衝禁止補償在於讓該除法鏈以規律的間距(如，10秒或一分鐘)跳過一些週期。每次跳過的週期數和溫度有關且是由一程式化的查找表來決定。
用來補償溫度變動的另一種已知的方法是脈衝注入補償(pulse injection compensation)。和禁止補償相反地，注入補償係藉由提高計時訊號的頻率來作用。例如，如專利文獻US 3,978,650中所描述的，注入補償係在於將額外的校正脈衝結合(注入)至經由該二位元除法器鏈饋送的數位訊號中。再次地，將被注入的脈衝數量是由溫度感測器及一程式化的查找表來決定。
禁止補償及注入補償這兩者係和一量化的誤差有關。該量化的誤差係起源於不可能只添加或抑制一脈衝的一部分的事實。當該振盪器的頻率是f時，量化將解析度限制到1秒1/f。如果該共振器的振盪頻率是f=32768Hz的話，則該解析度將會低於30.5ppm，產生一大約±15ppm的誤差。為了要獲得例如1ppm的解析度，則必須要在至少1百萬個週期內進行補償。在32768Hz共振器的例子中，這表示在實施禁止或注入補償之前要等待至少31秒。因此，藉由此種補償，來自該二位元除法器鏈2的1Hz輸出的頻率會在第30個脈衝稍微偏離其名義上的頻率，且累積下來的誤差在第31個脈衝整個予以補償。這對於手錶而言不是問題，因為它是一時間總和裝置。然而，在一計時訊號產生器的例子中，每一個別的脈衝的精確度應優於1ppm。在此例子中，描述於上文中的溫度補償方法是不足的。因此，本發明的目的是要提供一種訊號產生器，其中每一振盪都被熱補償。
發明藉由提供依據申請專利範圍第1項所界定的溫度補償式計時信號產生器來達成上述的目的。
依據本發明，該溫度補償式計時信號產生器實施禁止補償及/或注入補償用以提供每一時間單位脈衝的持續期間的一粗略的熱補償，且該訊號產生器進一步將“分數禁止(fractional inhibition)”實施為一種內插方 法，以校正和該禁止及/或注入補償有關的量化誤差。
12‧‧‧晶體振盪器
14‧‧‧頻率除法器
20‧‧‧輸出
16‧‧‧高頻振盪器
38‧‧‧可變的延遲
18‧‧‧溫度測量方塊
17‧‧‧溫度補償式計時信號產生器
22‧‧‧輸出
24‧‧‧偏差補償訊號產生方塊
40‧‧‧方塊
30‧‧‧分數累積方塊
28‧‧‧輸入
37‧‧‧輸出
26‧‧‧輸入
34‧‧‧禁止/注入控制方塊
32‧‧‧輸出
120‧‧‧輸出
112‧‧‧晶體振盪器
114‧‧‧計數器
116‧‧‧RC-振盪器
138‧‧‧可變的延遲
117‧‧‧溫度補償式計時信號產生器
118‧‧‧功能方塊
fXT‧‧‧晶體振盪器的頻率
fRC‧‧‧RC振盪器的頻率
T‧‧‧溫度
122‧‧‧輸出
124‧‧‧偏差補償訊號產生方塊
128‧‧‧輸出
130‧‧‧功能方塊
142‧‧‧功能方塊
134‧‧‧功能方塊
i1‧‧‧理想脈衝
i2‧‧‧理想脈衝
i3‧‧‧理想脈衝
i4‧‧‧理想脈衝
1‧‧‧石英晶體控制的振盪器
2‧‧‧二位元除法器
3‧‧‧步進馬達
4‧‧‧顯示機構
本發明的其它特徵及好處將在閱讀下面以非限制性的例子的方式被提供且參考附圖的描述中浮現，其中圖1是一先前技術的時鐘的基本功能圖，其包含一時間基礎及一頻率除法器，以及一馬達及一由該頻率除法器驅動的時間指示機構；圖2是一顯示一石英晶體音叉共振器及一RC振盪器的頻率的溫度相依性的圖式；圖3是一基本的功能方塊圖，其例示一依據本發明的特殊實施例的溫度補償式計時信號產生器；圖4是一詳細的功能方塊圖，其例示圖3的溫度補償式計時信號產生器的另一種實施方式；圖5是一計時圖，其顯示對被提供作為圖4的計時訊號的輸出的計時訊號實施溫度補償的效果。
圖3是一方塊圖，其例示一依據本發明的第一實施例的溫度補償式計時信號產生器。圖3的計時訊號產生器被設計來經由一輸出20提供連續的經過溫度補償的時間單位訊號脈衝。該產生器包含一晶體振盪器12，其被設置來產生一參考時間訊號。該晶體振盪器可例如以 傳統的32.768kHz石英晶體音叉共振器為主。該被例示的產生器進一步包含一頻率除法器14，其被設置來計數該參考時間訊號的所有振盪，並在該參考時間訊號的每32’768次振盪時從該晶體振盪器輸出一時鐘脈衝。
仍然參考圖3，可被觀察到的是，本發明的該溫度補償式計時信號產生器進一步包含一高頻振盪器16。該振盪器16被設置來提供一時鐘脈衝至一代表可變的延遲的方塊38。該可變的延遲38係為了補償溫度的變動而藉由稍微延遲該計時訊號的開始緣(onset edges)而予以設置。此可變的延遲的操作將被進一步描述。該高頻振盪器被加以選擇以具有一比該產生器所提供之經過溫度補償的計時訊號的頻率的量值大至少六次方的頻率。較佳地，該高頻振盪器的頻率比該經過溫度補償的計時訊號的頻率至少大107。例如，如果該經過溫度補償的計時訊號的目標頻率是1Hz的話，則該高頻振盪器可以是一1MHz振盪器，或較佳地是一10MHz振盪器。例如，一整合在一晶片上的10MHz RC振盪器。
該被例示的溫度補償式計時信號產生器進一步包含溫度補償機構，其整個以標號17來予以標示。再次參考圖3，吾人可看到的是，該溫度補償機構包含一溫度測量方塊18，其被設置來經由輸出22提供一代表溫度的訊號、一偏差補償訊號產生方塊24，其被設置來接受來自方塊18的訊號以及提供一整數偏差補償訊號及一分數(fractional)偏差補償訊號這兩者作為輸出、一分數累 積方塊30，其被設置來經由一輸入28接收該分數偏差補償訊號並將其加至來自前面的分數偏差補償訊號的其餘部分(remainders)，用以經由一輸出37提供一分數禁止指令至該可變的延遲38、及一“禁止/注入”控制方塊34，其被設置來經由一輸入26接受該整數偏差補償訊號並經由一輸出36提供一禁止/注入指令訊號給該頻率除法機構14。
更詳細地，該溫度訊號產生方塊18包含一被熱耦合至該晶體振盪器12的溫度感測器。該溫度感測器被設置來測量該晶體振盪器的溫度。該感測器可以是熟習此技藝者所習知的任何一種感測器。例如，該溫度感測器可以是一熱阻器(thermistor)。該感測器亦可以是一振盪器，它的頻率對於溫度敏感。更具體地，依據一特定的實施例，該溫度感測器可以是該高頻振盪器16。方塊18被設置來經由輸出22提供一溫度訊號至方塊24。方塊24可以存取和該晶體振盪器12的頻率/溫度行為有關的資料，且方塊24被設置來使用此資料及該溫度訊號者兩者，用以提供一偏差補償訊號，用來補償該晶體振盪器之偏離一所想要的頻率之和溫度相關的頻率偏差。至少一些上述和頻率/溫度相關的資料被記錄在方塊24內的非揮發性記憶體中。依據一實施例，該偏差補償訊號產生方塊24包含一查找表(look-up table)，其預先被載入和一被選取的溫度範圍相應的偏差數值。根據該方塊24接收到的溫度訊號，該查找表經由輸出26提供一整數偏差補償 訊號及經由輸出28提供一分數偏差補償訊號。
在本發明的該溫度補償式計時信號產生器被設置來提供一時間單位訊號的的特殊例子中，該時間單位係等於1秒鐘，方塊24所產生的該偏差補償訊號較佳地相當於該晶體振盪器12的頻率偏離一名義上的(nominal)頻率的偏差。在本發明的溫度補償式計時信號產生器被設置來提供一時間單位訊號的例子中，該時間單位不是一秒鐘，該參考時間訊號的頻率可有利地被表示為每一時間單位有數個振盪，而不是被表示為每一秒有數個振盪。因此，吾人應瞭解的是，偏離該名義上的頻率的偏差較佳地被表示為該晶體振盪器12的數個振盪。該偏差將被表示為該晶體振盪器的一振盪次數的整數部分和一對應於該晶體振盪器的一個振盪的剩餘部分(remaining fraction)的分數部分。這就是該方塊24所提供的偏差補償訊號包含一相當於將被禁止或將被注入到該頻率除法器14中的該晶體振盪器的整數個脈衝數的整數部分，及一相當於要用來補償任何剩餘的偏差的分數部分的原因。吾人將進一步瞭解的是，在該晶體振盪器的頻率高於該名義上的頻率的例子中，該偏差的整數部分將藉由脈衝禁止來補償且該分數部分將藉由分數禁止來補償。另一方面，在該晶體振盪器的頻率低於該名義上的頻率的例子中，該偏差的整數部分將藉由脈衝注入來補償，而該分數部分一直都將藉由分數禁止來加以補償。不論是整數或分數，禁止永遠都不能提高計時訊號的頻率。因此，在該晶體振盪器 的頻率低於該名義上的頻率的例子中，被注入到頻率除法器內的整數個脈衝數應大到足以將該計時訊號的頻率至少提高至所想要的高度。分數禁止然後可被用來將該頻率稍微降低，用來將導因於量化誤差的任何過度補償去除掉。換言之，該偏差補償訊號的整數部分及分數部分應根據該晶體振盪器的頻率是高於或是低於該名義上的頻率作不同的結合。在該晶體振盪器的頻率高於該名義上的頻率的第一種情形中，該偏差較佳地應被表示為與禁止相應的脈衝數的整數和與分數禁止相應的分數部分的總合，而在該晶體振盪器的頻率低於該名義上的頻率的第二種情形中，該偏差較佳地應被表示為分數部分被減掉後之脈衝數的整數。
方塊24被設置來經由輸出26提供該偏差補償訊號的整數部分及經由輸出28提供該偏差補償訊號的分數部分。在(經由輸出20提供的)該經過溫度補償的計時訊號的每一脈衝期間，輸出28提供一新的偏差補償訊號的分數部分至分數累積方塊30。該新的偏差補償訊號的分數部分被加到已經在該分數累積方塊30內的偏差補償訊號的分數部分的累積量。當該偏差補償訊號的分數的累積量成長至超出該晶體振盪器12的一個週期時，該累積器即滿溢但攜載輸出(carry output)並沒有被累積。以此方式，包含在該分數累積方塊30內的經過累積的該偏差補償訊號的分數部分永遠都小於晶體振盪器12的一個週期。該攜載輸出經由輸出32被轉送至該禁止/注入控 制方塊34，它在該處和該偏差補償訊號的整數部分合併(被加入或被減掉)，用以構成該禁止/注入指令訊號。然而，吾人應瞭解的是，依據本發明的其它實施例，可讓該偏差補償訊號的累積的分數部分數在將這些週期從該分數累積方塊的內容中減掉之前增加，直到它等於該晶體振盪器12的至少數個週期為止。
依據本發明，該偏差補償訊號的分數部分被進一步轉換成該高頻振盪器16的一等效的週期數。因為該高頻振盪器16的振盪週期比該晶體振盪器12的振盪週期小了許多倍，所以該偏差補償訊號的該分數部分的該經過轉換的數值通常超出數個該高頻振盪器的週期。因此，該偏差補償訊號之經過轉換的分數部分可被調高至該高頻振盪器的一整數週期數而不會顯著地喪失精確度。
將該累積的偏差補償訊號的分數表示為該高頻振盪器16的週期的整數值必須要知道兩個振盪器12及16的頻率之間的關係。因此，本發明提供的溫度補償機構17進一步包含一頻率比決定電路，其被設置來測量晶體振盪器12的頻率和該高頻振盪器16的頻率之間的比率。在圖3的方塊圖所示的特殊實施例中，該頻率比決定電路是該溫度測量方塊18的一部分且經由輸出40被提供至方塊30。方塊30使用此比率來將該累積的偏差補償訊號的分數(其相當於該晶體振盪器12的一週期的分數部分)轉換成該高頻振盪器16的週期的一相應的整數值。熟習此技藝者將可瞭解的是，方塊40有許多種方式來決 定該頻率比。依據不同的實施例，方塊40可藉由計算在該晶體振盪器的一個振盪週期之內來自該高頻振盪器的脈衝數量、或藉由使用一預先載入了在一給定的溫度範圍內用於不同溫度的比率數值的查找表來決定該晶體振盪器12的頻率與該高頻振盪器16的頻率之間的比率。
該禁止/注入控制方塊34被設置來在該經過溫度補償的計時訊號的頻率的每個週期校正該頻率除法機構14的狀態一次。熟習此技藝者知曉的是，不論是禁止或是注入都可提供溫度補償。然而，如在上文中提到的，經由禁止或注入而得到的溫度補償是粗略的(即，具有有限的解析度)，且本發明的目標即是要提供一具有更精細的解析度的溫度補償。本發明係藉由進一步使用該偏差補償訊號的分數部分來控制該可變的延遲38以實施一第二更細微的溫度補償來達成此目標。
依據該被例示的實施例，該可變的延遲38例如是一數位計數器，其被建構來從該分數累積方塊30接收該分數禁止指令訊號作為輸入，並在產生一輸出訊號之前倒數到零。吾人應注意到的是，一方面，該可變的延遲38是被該高頻振盪器16計時，而另一方面，該分數禁止指令訊號被表示為該高頻振盪器16的一整數的週期數。因此，吾人將可瞭解的是，一依據本發明之溫度補償式計時信號產生器的該被例示實施例的溫度補償可達到等於該高頻振盪器16的一個週期的精確度。例如，如果該經過溫度補償的計時訊號的頻率的目標頻率是1Hz且該高頻振 盪器是一1MHz的振盪器的話，則該頻率解析度將會是1ppm。
圖4是一功能方塊圖，其例示一相當於圖3所示之本發明的實施例的另一種實施方式的溫度補償式計時信號產生器。依據此另一種實施方式，本發明的計時訊號產生器採用的是每秒1個脈衝的形式的計時訊號產生器。圖4的產生器被設計來經由一輸出120提供一經過溫度補償的1Hz計時訊號。該產生器包含一以傳統的石英晶體共振器為基礎之32.768kHz晶體振盪器112。該被例示的產生器更包含一計數器114，其被設置來計數來自該晶體振盪器112的所有振盪，並在每一次它計數至32’768個振盪時即輸出一時鐘脈衝。該計數器然後被重設以開始下一個一秒鐘(即，32’768)的計數。該計時訊號產生器更包含一10MHz的RC-振盪器116。該振盪器116被設置來提供一時鐘訊號至一可變的延遲方塊138。該可變的延遲方塊138被設置來補償溫度的變動。該可變的延遲的操作將被進一步描述。
示於圖4中的該溫度補償式計時信號產生器亦包含溫度補償機構，其整體被標號117所標示。該被例示的溫度補償機構是由功能方塊118，124，130及134所構成。功能方塊118接收來自於該晶體振盪器112及該RC-振盪器116的輸出訊號。方塊118被設置來計數落入到該晶體振盪器112的一預定的振盪週期數(P)之內的該RC-振盪器116的脈衝數(M)。例如，功能方塊118 可被實施為具有一對計數器，其被設置來計數來自這兩個振盪器的脈衝。一旦該等計數器中的一者計數到P個來自該晶體振盪器的脈衝時，另一個計數器即停止計數來自該RC-振盪器的脈衝。當該第二個計數器被停止時，它的狀態即為脈衝數M。M是一個整數，它和這兩個振盪器的溫度(T)有關。該功能方塊118被設置來在該溫度補償計時訊號的每一個週期計算一次M(T)。因此，每一秒都有一用於總數M(T)的新數值被計算出來。此外，該RC-振盪器116和該晶體振盪器112熱接觸。因此，這兩個振盪器具有相同的溫度T。
圖2是一圖表，其一方面顯示一包含石英晶體音叉共振器的晶體振盪器的頻率fXT的一典型的溫度相依性曲線，另一方面則顯示一RC-振盪器的頻率fRC的溫度相依性曲線。雖然該圖表的水平及垂直刻度並不相同，但可看出來的是，該RC-振盪器116的頻率fRC隨著溫度變動的變動率大體來說比該晶體振盪器112的頻率fXT隨著溫度變動的變動率大很多。此外，一RC-振盪器的頻率隨著溫度的變動大致是直線的。此外，該等振盪器可被選擇，使得該總數M(T)和該溫度T之間的關係在一預定的操作範圍內是義意明確的(不含混的)。在該功能方塊118中被算出來的該總數M(T)因而可被用作為一溫度訊號。該溫該脈衝總數M(T)可用下面的等式(1)來計算：M(T)=floor(P*fRC/fXT)； (1)其中頻率fRC和fXT這兩者都和溫度T相關(使用於本申 請案中的“floor”函數被界定在維基百科(Wikipedia)中的“floor and ceiling functions”項目中。此說明藉此參照而被併於本文中)。
值得在此指出的是，圖4的功能方塊118可被視為圖3的溫度訊號產生方塊18的一特殊的實施例。
該溫度訊號M(T)經由功能方塊118的輸出122被提供至偏差補償訊號產生方塊124。根據該被例示的例子，該偏差補償訊號產生方塊124包含一有限狀態機器，其被建構有校正資料，用以提供用於一預定的操作範圍內的該溫度訊號M(T)的任何數值的偏差補償訊號。一旦經過校正，該有限狀態機器即能夠計算用於該石英晶體振盪器112在該預定的操作範圍內的任何新的M(T)數值的偏差(偏差=fXT-32’768)。該偏差補償訊號產生方塊124被設置來在每一個1Hz溫度補償訊號時提供一次新的偏差補償訊號。換言之，該偏差補償訊號的新的數值被提供給每一新的總數M(T)。
組建該有限狀態機器可以是相當簡單。實際上，音叉石英晶體共振器的頻率-溫度行為近似一拋物線是已知的。而且，可用二次多項式匹配法來以相當良好的精確性預測該晶體振盪器112的行為。用多項式匹配法而不是用預先載入的查找表來計算的好處在於多項式匹配法只須要預先載入用於三個不同溫度TL、T0及TH(示於圖2中)的溫度訊號M(T)及頻率fXT(M)的數值即可。
很重要且應指出的是，該偏差補償訊號產生 方塊124不只計算該頻率偏差的整數部分(在下文中以字母“K”來表示)，更計算該偏差的分數部分(在下文中以“n”來表示)，其可達到該等分數二進位位置的一預定的數字。接著，在fXT-32’768>0的例子中，總頻率偏差等於K+n，其中0<n<1。K及n可分別用下面的兩個等式(2)及(3)來計算：K=floor(fXT-32’768) (2)(K是正整數或0)
n=fXT-32’768-K (3)(0≦n<1)。
再者，在fXT-32’768<0的例子中，K及n可分別用下面的兩個等式(2)及(3)來計算：K=floor(fXT-32’768) (2’)(K是負整數)
n=fXT-32’768-K (3’)(0≦n<1永遠為真)且總頻率偏差永遠都等於K+n(其中K是負的，這表示應使用脈衝注入而不是使用脈衝禁止)。
如在參考圖3時已說明過的，n基本上相當於該晶體振盪器的一週期的一特定的部分，在這個期間，該經過溫度補償的1Hz計時訊號的一新的脈衝的開始應被延遲，用以進行溫度補償。然而，吾人將瞭解的是，如果一1Hz訊號的一特殊的脈衝被延遲的話，則接下來的脈衝亦必須被延遲(否則的話下一個脈衝將被縮短)。因此，該延遲應將n及前一脈衝的延遲數值這兩者考慮進去。仍然參考圖4，可以看出的是，方塊124的輸出128被設置來將一新的偏差補償訊號的分數部分n提供至代表一加法器的功能方塊130。配合一由D正反器所構成的暫存器(其 被稱為D)，功能方塊130如一累計器般地作用，在該方塊中，該新的偏差補償訊號的分數部分的數值n被加至和前面的功能禁止指令訊號的累積相對應的數值nACC中。
如在前面參考圖3時提到的，當該偏差補償訊號的分數的累積量成長至超出該晶體振盪器12的一個週期時，該累積器即滿溢但相對應的攜載輸出並沒有被累積。因此，吾人將瞭解的是，功能方塊130係以nACC永遠小於該晶體振盪器112的一個週期的持續時間的方式來操作。此外，該攜載輸出立即被該加法器132當作1額外的單位加至該偏差補償訊號的該整數部分(K-1)。換言之，當加法器132滿溢時，1單位被加至該偏差補償訊號的該整數部分，使得它的值從K-1變成K。
和上文中關於圖3的實施例所作的描述相類似地，該偏差補償訊號的該累積的分數部分從該加法器130的輸出被提供至功能方塊134。功能方塊134將nACC轉換成該RC-振盪器116的等效週期數nINT。因為相當於10MHz的該振盪週期比相應的32’768kHz的振盪週期小了許多倍，所以該經過轉換的數值nINT通常超出該RC-振盪器數個週期。因此，該nINT可被調高至一整數週期數而不會顯著地喪失精確度。“nINT”可用下面的等式(4)來計算：nINT=floor(nACC*M/P) (4)其中M是該功能方塊118所算出來的M(T)及P是該晶體振盪器112在M被計數期間的振盪週期數。此外，該 M/P比係相當於該晶體振盪器12的一個週期的長度，其係用等於該RC-振盪器的週期為單位來表示。
一新的偏差補償訊號的整數部分K-1可被取得，用來在該1Hz經過溫度補償的計時訊號的每一週期校正該頻率除法機構114的狀態一次。根據該被例示的實施例，該偏差補償訊號的該整數部分K-1相當於該晶體振盪器112的32.768kHz脈衝數，其在該1Hz經過溫度補償的計時訊號的一特定的週期期間應被禁止。如在上文中說明過的，脈衝禁止補償和脈衝注入補償一樣可提供一比30.5ppm差的解析度。如之前說明過的，為了要達到和1ppm一樣好的解析度，本發明亦使用該偏差補償訊號的分數部分n，用以控制該可變的延遲138，用以用一更細微的解析度來實施一第二等級的溫度補償。
和前一例子相同地，該可變延遲138可以例如是一數位計數器，其由該RC-振盪器116計時且被建構來接受該功能方塊134提供的分數禁止指令訊號nINT。因為該nINT係用等於該RC-振盪器的振盪週期為單位來表示，所以該可變的延遲138可用達到等於該10MHz RC-振盪器的一個周期(其為10-7秒)的精確度來進行溫度補償。
圖5為一計時圖表，其顯示對圖4的計時訊號產生器當作輸出所提供的計時訊號進行溫度補償的效果。參考圖5，第一條線顯示一理想的每一秒1個脈衝(1pps)訊號，其可被一被完美地補償的計時訊號產生 器產生。示於該圖中的該等理想脈衝的上升緣分別被標示為i1、i2、i3及i4。位在邊緣i1及i2之間的雙箭頭代表振盪週期T(在此例子中是1秒)。
圖5的第二條線顯示實際的脈衝，其將由圖4的功能方塊114在沒有任何溫度補償下提供。該第二條線的該未經過補償的頻率等於該晶體振盪器112用32’768除過之後的頻率。如圖所見，該未經補償的訊號顯著地偏離該理想訊號。此偏差大致上係部分地因為該共振器被製造的方式，部分地因為環境溫度的變動。如在圖5中可見到的，該未經補償的訊號實際上比理想訊號快。
圖5中的第三條線顯示當脈衝禁止被用於一粗略的溫度補償時該功能方塊114所提供的實際脈衝。如第三條線所示之脈衝禁止式粗略的溫度補償是已知的。脈衝禁止具有減慢頻率的效果，因此讓頻率更接近該理想的頻率。然而，脈衝禁止只能將下一個脈衝的開始延遲數個該晶體振盪器的振盪週期；亦即約1/32’768Hz，或換言之，31微秒。該解析度因而是約30ppm。
圖5的第四條線顯示由圖4的計時訊號產生器所提供之經過溫度補償的計時訊號。如可觀察到的，該經過溫度補償的計時訊號和第一條線的理想的1pps訊號幾乎完美地同步。該可變的延遲能夠用一等於該RC-振盪器的振盪週期的解析度(其約為1/107秒，或換言之為0.1微秒)來延遲下一個脈衝的開始。因此，該解析度約為0.1ppm。
該被描述的溫度補償式計時信號產生器的一項好處為，它可具有一非常低的能量耗損。確實，除了該高頻振盪器之外，該計時訊號產生器的構件只需要很小的電力。因此，依據本發明的一較佳的實施例，為了節約能源，該高頻振盪器在每一時間單位的大部分時間都被關閉，且只在需要它的時候才被啟動。
更具體地，將這種實施方式應用到圖4所示的特殊例子中可觀察到的是，當一像是圖4的10MHzRC-振盪器116的振盪器被啟動時，須要約120微秒來讓頻率穩定。當振盪穩定時，在該晶體振盪器的P個週期的期間計數該RC-振盪器的脈衝數M(T)典型地是在約1000微秒的期間被實施。最後，實施分數禁止只須要少數的RC-振盪器的週期。因此，該RC-振盪器典型地在每秒鐘操作1.1毫秒。這相當於一約1/900的工作循環。該RC-振盪器的電力消耗因而可以相同的比率被節省。
本發明已參考某些特定的實施例加以描述，應被理解的是，這些實施例並不是要用來限制本發明。事實上，實施例的各種修改、改變及/或實施例之間的結合對於熟習此技藝者而言將變得很明顯且不偏離下面的申請專利範圍所界定的範圍。尤其是，由方塊18提供至方塊24(圖3)的溫度訊號不一定要根據該晶體振盪器12的頻率和該高頻振盪器16的頻率之間的比率。該溫度訊號亦可以只根據該晶體振盪器12的頻率和該高頻振盪器16的頻率之間的差異。此差異例如可藉由將參考時間訊號和 該內插訊號相混合來獲得。
最後，吾人應瞭解的是，如果圖3的高頻振盪器或圖4的RC-振盪器實質地偏離了其名義上的頻率，這將不再是問題。該頻率比M/P被規律地更新，較佳地在該經過溫度補償的計時訊號的每一週期被更新一次。
112‧‧‧晶體振盪器
114‧‧‧計數器
116‧‧‧RC-振盪器
117‧‧‧溫度補償式計時信號產生器
118‧‧‧功能方塊
120‧‧‧輸出
122‧‧‧輸出
124‧‧‧偏差補償訊號產生方塊
128‧‧‧輸出
130‧‧‧功能方塊
132‧‧‧加法器
134‧‧‧功能方塊
138‧‧‧可變的延遲

Claims (10)

  1. 一種溫度補償式計時信號產生器，用來產生一連串經過溫度補償的時間單位訊號脈衝，該時間單位是一隨意地預定的時間間隔，該計時訊號產生器包含：一晶體振盪器(12；112)，其被建構來產生一參考時間訊號，及一除法器電路(14，114)，其被設置來接受該參考時間訊號作為輸入並輸出一粗略的時間單位訊號，該參考時間訊號及該粗略的時間單位訊號每一者都具有一偏離一相應之所想要的頻率的實際頻率，該實際頻率為該晶體振盪器的溫度的函數；一高頻振盪器(16；116)，其被建構來產生一內插訊號(interoperation signal)，其具有一大於該晶體振盪器的實際頻率(fXT)的實際頻率(fRC)；一溫度訊號產生電路(18；118)，其包含一溫度感測器，其和該晶體振盪器(12；112)熱接觸且被建構來週期性地提供並更新該晶體振盪器的溫度的一數位溫度訊號代表；一有限狀態機器(24；124)，其被建構有校正資料，用以為每一時間單位訊號脈衝計算一偏差補償訊號，其為該數位溫度訊號(M(T))的一函數，該偏差補償訊號包含一整數部分(K-1)，其為將被禁止或被注入到該除法器電路(14；114)中的脈衝數的整數的代表及一分數部分(n)，其為一新的時間單位訊號脈衝的輸出應有多少被進一步延遲以補償任何剩下的偏差的代表； 一粗略的補償電路(34；126)，其被設置來接受每一新的偏差補償訊號的該整數部分(K-1)及用來為每一時間單位訊號脈衝注入或禁止數個該參考時間訊號的脈衝至該除法電路(14；114)中，該脈衝的數量係依據該偏差補償信號的整數部分而定；一分數累積電路(30；130，D)，其被設置來為每一時間單位訊號脈衝接受該偏差補償訊號的一新的分數部分(n)，及用來藉由將該偏差補償訊號的該等分數部分(n)中的該新的分數部分加至前面的累積的偏差補償訊號分數部分來互動地計算一新的累積的偏差補償訊號分數部分(nACC)；一比例轉換電路(24，40；118，124)，其配設置來週期地提供及更新一數位頻率比訊號(M/P)，其為該高頻振盪器(16；116)的頻率相比於該晶體振盪器(12；112)的頻率的比率(fRC/fXT)的代表，及進一步被設置來藉由將該累積的偏差補償訊號(nACC)轉換成該內插訊號的一相應的週期數來產生一分數禁止指令訊號(nINT)；一可變的延遲電路(38，138)，其被設置來接受每一新的分數禁止指令訊號(nINT)並將下一個時間單位訊號脈衝的輸出延遲一和該內插訊號的相對應的週期數的持續時間長度。
  2. 如申請專利範圍第1項之溫度補償式計時信號產生器，其中該高頻振盪器(16；116)的該實際頻率(fRC) 對溫度敏感，且該高頻振盪器和該晶體振盪器(12；112)熱接觸，及其中該溫度訊號產生電路(18；118)被設置來接受該內插訊號作為輸入且被建構來計算一數位溫度訊號M(T)，該數位溫度訊號是溫度(T)的代表。
  3. 如申請專利範圍第2項之溫度補償式計時信號產生器，其中該溫度訊號產生電路(18；118)亦接受該參考時間訊號作為輸入，且被建構來根據該高頻振盪器(16；116)的實際頻率相比於該晶體振盪器(12；112)的實際頻率的比率(fRC/fXT)計算該數位溫度訊號M(T)。
  4. 如申請專利範圍第1項之溫度補償式計時信號產生器，其中該偏差補償訊號的整數部分(K-1)係從和小於該頻率偏差相應之最大整數的數值(K)推導出(K=floor(fXTactual-fXTdesired))，且該偏差補償訊號的分數部分(n)等於該頻率偏差的分數部分(n=fXTactual-fXTdesired-K)。
  5. 如申請專利範圍第1項之溫度補償式計時信號產生器，其中如果該新的累積的偏差補償訊號分數部分(nACC)等於不小於該晶體振盪器(112)的一個週期的話，則該晶體振盪器的一個週期從該新的分數禁止指令訊號中被減掉且一個單位被加至該偏差補償訊號的該整數部分(K-1)。
  6. 如申請專利範圍第1項之溫度補償式計時信號產生器，其中該高頻振盪器(16；116)具有一頻率(fRC)，它是該等經過溫度補償的時間單位訊號脈衝的頻率的至少 106倍。
  7. 如申請專利範圍第1項之溫度補償式計時信號產生器，其中該晶體振盪器包含32’768Hz的音叉石英晶體共振器。
  8. 如申請專利範圍第1項之溫度補償式計時信號產生器，其中該高頻振盪器是一RC-振盪器，其對溫度具有一單一頻率的相依性，及其中該RC-振盪器的一平均溫度係數係比在相同的操作溫度範圍內的該第一振盪器的溫度係數的絕對值(modulus)的平均值至少大一個次方。
  9. 如申請專利範圍第1項之溫度補償式計時信號產生器，其中該RC-振盪器所產生的該內插訊號在室溫具有一約10MHz的頻率。
  10. 如申請專利範圍第3項之溫度補償式計時信號產生器，其中該溫度訊號產生器被建構來藉由計數多少個內插訊號的脈衝落入到一和該參考時間訊號的一預定的脈衝數相應的第一時間間隔內來計算該溫度的該數位溫度訊號的代表。
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