专利名称：在工业温度范围内保持当日时间的设备和方法
技术领域：
本发明总地涉及实时时钟电路，并且更具体地，涉及在实时时钟电路中采用两个振荡器以在电子应用的工业温度范围内生成准确的当日时间(time of day)的方法、系统和装置。
背景技术：
在计算机和嵌入式系统中，当日时间通过实时时钟(RTC)电路来追踪。除了主电源之外，RTC电路还需要通常为锂电池的次电源来在主电源停止使用时继续追踪当日时 间。RTC电路的核心是具有为32. 768kHz的典型共振频率的晶体振荡器。这样的晶体振荡器也被用在石英钟表和手表中，因此该振荡器中的特定晶体也被称为“表晶体(watchcrystal) ”。由于这种表晶体每秒生成215个时钟周期，所以基于表晶体的RTC电路可以使用用于各种电子应用中的二进制计数器电路被容易地实现。此外，表晶体需要可以由主电源和次电源这二者容易地维持的低功率消耗。一些电子应用会对RTC电路提供的时间测量的准确度提出严苛的要求。例如，在电子功率计中，对当日时间的准确度规格是这样的，从而在室温(25°C )下一日之内的时间漂移需要小于5. 78ppm(即，0.5秒/日)，而在[_25°C，60°C ]的工业温度范围内则需要小于11.57ppm(即，I秒/日)。这些准确度规格在各种电子装置中都被采取，并且一些装置甚至要求一日之内的当日时间漂移的后一规格(11. 57ppm)被应用到[_40°C，85°C ]的更广泛的温度范围。为保持高度准确的当日时间，振荡电路需要补偿由表晶体造成的温度漂移。表晶体通常以音叉结构构建。表晶体的共振频率(32. 768kHz)在翻转温度(turnovertemperature) Tt处达到峰值，并且随着温度增加或减少而下降，导致显著的平方误差。该误差ERR⑴可以被表征为ERR(T) = A+Q (T-Tt) 2ppm (I)其中A是以ppm为单位的初始误差容限，而Q是以ppm/°C 2为单位的平方系数。针对Tt和Q的一般的加工限值分别为25°C ±5°C和-0. 036ppm/°C 2±10%。因为频率是时钟周期时间的倒数，所述共振频率的漂移等于当日时间的漂移，并且频率漂移因而可以被用来表征与特定RTC电路相关联的当日时间的漂移。图IA图示说明各种表晶体中的共振频率100的误差。曲线102与标称表晶体相关联，而曲线104-106以及曲线108-110与翻转温度Tt的两种拐转情况(corner case)相关联。针对Tt的每种拐转情况，平方系数Q的两种拐转情况也都被呈现。具体地，在具有大平方系数Q的表晶体中，在_25°C，误差高达-120ppm。如果针对共振频率的误差容限为[-lOppm，IOppm]，那么大多数表晶体只可以在比上述工业温度范围中的任一个都要小得多的温度范围内工作。常规的方法是将温度测量电路集成在振荡电路中，并且将共振频率补偿到室温(接近Tt)下的标称值。图IB图示说明参照标称表晶体的各种表晶体中的共振频率的温度补偿的误差150。由于温度补偿，标称表晶体具有Oppm的固定误差(flat error)，并且因此在25°C的初始误差被修正到零。曲线154-156以及曲线158-160与翻转温度Tt的两种拐转情况相关联。因此，共振频率的温度补偿的误差在_25°C降到30ppm之下，而这仍高于前面提到的Ilppm的要求。因此,为满足Ilppm规范,表晶体必须被各别地特征化(individuallycharacterized),从而温度补偿电路可以被适当地程控。
发明内容
本发明总地涉及在电子应用中生成当日时间的集成电路。本发明的各种实施方案提供将两个振荡器集成在一个实时时钟电路中以在工业温度范围内生成准确的当日时间 的系统、装置和方法。采用主振荡器来生成第一高精度时钟，而该第一高精度时钟具有更高频率并且消耗更多功率；采用次振荡器来生成第二时钟，该第二时钟具有低频率并且消耗更少的功率，但该第二时钟可能不会满足时间准确度需求。当实时时钟被提供有充足功率(MSN模式)时，当日时间通过主振荡器被持续地追踪，但是当实时时钟由电池供电(SLEEP(休眠)模式)时，在该主振荡器以更新频率被接通来补偿当日时间中的误差的同时，当日时间通过次振荡器追踪。本发明的一个方面是实时时钟中的精密保时(time keeping)电路。该精密保时电路包括主振荡器、次振荡器、补偿电路、保时计数器以及主振荡器的温度补偿电路。补偿电路还包括XCLK累加器、更新启用生成器以及比较器逻辑部件。无论功率模式如何，XCLK累加器都对主时钟周期的等值数(equivalent number)计数至预定数XSEC,以启用针对保时计数器的一秒控制。然而，在功率敏感SLEEP模式下，XCLK累加器以次时钟周期进行计数。出于校准的目的，主时钟在每个更新周期被接通，并且由次时钟造成的时间误差此后被补偿。本发明的另一方面是在MSN和SLEEP这两种模式下，在工业温度范围内准确地追踪当日时间的方法。在MSN模式下，主时钟周期被直接累加来追踪当日时间。在SLEEP模式下，在每个次时钟周期内等值主时钟周期数被累加。校准以更新频率被实现来补偿与次时钟相关联的时间漂移。尽管针对次时钟的该校准过程仅用在SLEEP模式下，另一校准在两种功率模式下都是可应用的，以更新与一秒内主时钟周期的总数相关联的数XSEC。本发明的特定特征和优点已经在本“发明内容”部分中被整体地描述；然而，附加特征、优点和实施方案在本文中被呈现，或者这些附加特征、优点和实施方案对本领域的普通技术人员来说，在阅读本发明的附图、说明书和权利要求书的基础上将会是明显的。因此，应当理解的是，本发明的范围不应受在本“发明内容”部分中所公开的特定实施方案的限制。
将参照本发明的实施方案，本发明的实施例可以在附图中被图示说明。这些附图意图为示例性的，而不是限制性的。尽管本发明在这些实施方案的上下文中被整体地描述，应当理解的是，不意图将本发明的范围限定到这些特定实施方案。图IA图示说明各种表晶体中的共振频率的误差。图IB图示说明参照标称表晶体的各种表晶体中的共振频率的温度补偿的误差。图2图示说明根据本发明的各种实施方案的实时时钟电路中的精密保时电路的示例性框图。图3图示说明根据本发明的各种实施方案的精密保时电路中的补偿电路的示例性框图。 图4图示说明根据本发明的各种实施方案的在MSN和SLEEP这两种功率模式下每秒追踪准确的当日时间的方法。
具体实施例方式
本发明总地涉及在电子应用中生成当日时间的集成电路。本发明的各种实施方案提供将两个振荡器集成在一个实时时钟电路中以在工业温度范围内生成准确的当日时间的系统、装置和方法。在随后的说明书中，出于说明的目的，为提供对本发明的理解，阐述了具体细节。然而，对本领域的技术人员来说将会是明显的是，本发明无需这些细节也可以被实践。本领域的技术人员将意识到的是，下面描述的本发明的实施方案可以以各种方式并且使用各种结构来实现。本领域的技术人员还将意识到的是，附加的修改、变通和实施方案在本发明的范围内，作为本发明可以提供使用的附加领域。因此，下面描述的实施方案是本发明实施方案的示例说明，并且旨在避免混淆本发明。说明书中对于“一个实施方案”或“实施方案”的引用意味着结合该实施方案描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个实施方案中。在说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”等不必全部指代同一实施方案。此外，附图中部件之间或者方法步骤之间的连接并不限于是通过直接的方式起作用的连接。相反，在不脱离本发明的教导的情况下，附图中图示说明的部件之间或者方法步骤之间的连接可以被修改或者通过添加到其中的中间部件或方法步骤而被改变。在电子应用中，当日时间在两种功率模式(MSN(任务)模式和SLEEP(休眠)模式)下被一致地追踪。在MSN模式下，采用主电源并且功率/电流需求是相当灵活的，而在SLEEP模式下，使用次电源(很可能是电池)并且功率消耗不得不被抑制为低水平。在MSN和SLEEP这两种功率模式下，本发明的各种实施方案满足针对当日时间的比表晶体可以容易地满足的常规要求更严苛的准确度要求。当日时间要求的一个实例是在室温(25°C )下一日之内的时间漂移小于5. 78ppm(即，0.5秒/日)，并且在[_25°C，60°C ]的工业温度范围内小于11. 57ppm(即，I秒/日)。在本发明的各种实施方案中，两个振荡器被集成在实时时钟电路中，以在MSN和SLEEP这两种模式下在工业温度范围内生成准确的当日时间。在MSN模式下，功率预算不是那么的关键，因此高精度主振荡器(例如，AT-⑶T型晶体振荡器)尽管其潜在的大功率消耗仍可以被应用来追踪当日时间。然而，在SLEEP模式下，功率预算更加关键，低功率的次振荡器优选来替换主振荡器。次振荡器可以是可能不会满足当日时间要求的相对粗的(coarse)振荡器，但是其消耗少得多的功率。已有的主振荡器可以被应用作为校准振荡器，以特定校准/更新频率被导通来补偿由次振荡器引入的时间误差。在某些简单的实施方案中，更新频率可以是固定的或者是指定的，而更复杂的实施方案可以基于被认为是次振荡器中漂移的预测的参数自动地改变更新频率。图2图示说明根据本发明的各种实施方案的实时时钟电路中的精密保时电路的示例性框图200。精密保时电路200包括AT晶体202、XOSC振荡电路204、次振荡器206、补偿电路208以及保时计数器210。AT晶体202被应用作为主振荡器。XOSC振荡电路204耦合到AT晶体202并且生成第一时钟信号XCLK。次振荡器206生成第二时钟信号ACLK。补偿电路208耦合到XOSC振荡电路204和次振荡器206这二者，并且生成每当经过精确的一秒时被启用的一秒控制CKlHz。保时计数器210耦合到补偿电路208，并且基于一秒控制CKlHz追踪当日时间。AT-⑶T型晶体202被用作主振荡器。AT-⑶T型晶体202除了沿不同的晶体取向 被切割，其与表晶体共用同一源晶体(source crystal)。AT晶体202固有地具有比表晶体更好的准确度，并且在[-20°C，70°C ]的温度范围(几乎与[_25°C，60°C ]的工业温度范围重叠)内共振频率的漂移少于± lOppm。AT-⑶T型晶体202的缺点在于其操作在比表晶体更高的频率，因此消耗更多的电流。在特定实施方案中，表晶体振荡器以32. 768kHz运行并且需要少于IuA的电流，而AT晶体振荡器以16MHz运行并且会需要IOOiiA的电流。因此，在由电池供电的RTC电路中，当主电源被关闭(即，SLEEP模式)时，尽管AT-⑶T型晶体202在工业温度范围内的合乎期望的精度，其仍无法被持续地使用。次振荡器206可以为表晶体振荡器或者自包含的(self contained) CMOS振荡器，例如张弛振荡器或者RC振荡器。RC振荡器可以为相移振荡器、环形振荡器或文氏桥振荡器。尽管次振荡器通常需要低驱动电流并且消耗少量功率，其会与相对低的准确度相关联。在特定实施方案中，表晶体振荡器仅可以需要1-2 PA的驱动电流，同时时间误差在-25 V可以达到_120ppm，即使应用温度补偿电路，在-25°C时的误差仍会达到30ppm。为处理该准确度问题，主时钟可以被用来校准次振荡器和补偿所造成的时间误差。精密保时电路200还可以包括XOSC温度补偿电路212。电路212测量温度和确定用于校准所需要的补偿量的参数。一秒之内的XOSC时钟周期数(XSEC)从温度和用于补偿由温度漂移引入的时间误差的参数获得。补偿所涉及的参数可以包括线性系数、平方系数和立方系数。当电路最早被集成时，这些参数可以根据各种晶体振荡器被预定，并且可以是使用每个专用AT晶体振荡器的熔丝或一次性可编程(OTP)存储器可编程的。因此，XOSC温度补偿电路212可以确保在[_25°C，60°C]的工业温度范围内的高保真第一时钟信号XCLK的输出。在特定实施方案中，AT晶体振荡器具有可忽略的温度漂移，而可以不需要XOSC温度补偿电路212。在两种功率模式(MSN或SLEEP)下，涉及AT晶体振荡器和次振荡器这二者，只是方式不同。在MSN模式下，AT晶体振荡器是持续有效的，通过对与第一时钟信号XCLK相关联的时钟周期计数，来追踪当日时间。次振荡器可以被频繁地接通来检验第二时钟ACLK的准确度。当功率模式被切换到SLEEP模式时，次振荡器是持续有效的，通过对与第二时钟信号ACLK的每个周期相关联的等值XCLK时钟周期计数，来追踪当日时间。AT晶体振荡器被频繁接通来识别自上一校准以来累加的时间误差，因此通过补偿电路208补偿时间误差。图3图示说明根据本发明的各种实施方案的精密保时电路中的补偿电路的示例性框图300。补偿电路300耦合到两个振荡电路OSC 302和XOSC 304，这两个振荡电路分别提供低频率时钟和高频率时钟。在一个实施方案中，OSC电路302被耦合来接收多位频率修正控制AN，以生成在200kHz的范围的10%的时钟，而XOSC 304基于AT晶体并且生成4MHz的频率。在特定实施方案中，由振荡电路302和304生成的时钟直接被补偿电路300用作ACLK和XCLK。在特定实施方案中，在用于补偿之前，200kHz的时钟频率可以通过12K分频器306被进一步降低到16Hz，并且16MHz的时钟频率可以通过4分频的分频器308被降低到4MHz。分频器308和308这二者可以被实现在数字计数器中。具体地，分频器306被用来以校准时间为代价改善XNUM的精度，而分频器308被用来以XNUM精度为代价改善MSN模式下的功率消耗。表I列出除XCLK和ACLK以外的补偿电路300的示例性输入和输出。A_C0UNT是 由使用者预定的多位信号，以限定两次连续校准/更新之间的次时钟周期数。AN是针对时钟ACLK的频率修正控制。XNUM是中间信号，并且其为追踪一个ACLK周期内的XCLK周期数的多位信号。XNUM被用在SLEEP模式下并且在MSN模式下是被忽略的。XNUM_0LD也是多位信号，其等于自上一更新以来的XNUM。XSEC是与一秒内的XCLK数相关联的多位信号。该值标称为是恒定的，并且当应用了 XOSC温度补偿电路时可以随温度进行更新。在每个上升沿，CKlHZ被生成为一秒控制，来逐秒启用实时时钟(RTC)中的时间追踪。在特定实施方案中，CKlHZ在MSN模式下是精确的I秒时钟，并且在SLEEP模式下可以以大约16Hz的速率更新。补偿电路300包括更新启用生成器310、XNUM计数器312、XNUM_0LD储存器314、XCLK累加器316以及比较器逻辑部件318。电路300被耦合来接收ACLK和XCLK时钟，并且生成针对随后的保时计数器的一秒控制CKlHz。更新启用生成器310被耦合来接收更新控制A_C0UNT并且生成更新启用信号。XNUM计数器312被耦合来接收更新启用、ACLK和XCLK，并且在一个实施方案中，计数器312在更新启用的上升沿处对一个ACLK周期内的XCLK周期数(XNUM)计数。XNUM_0LD储存器不断被刷新来储存来自前一更新的XNUM。信号 I 类型 I描述
更新控制信号，确定用于更新XSEC和
A.COUNT 使用者定义 XNUM的频率。在SLEEP模式下，其还确定
___何时XOSC将被供电。_
,频率-修正控制，在25°C，将次振荡器的频率 AN加工修正
___修正到 200kHz ±10% O_
权利要求
1.一种在低功率SLEEP模式下生成准确的当日时间的方法，所述方法包括以下步骤 生成第一时钟和第二时钟，所述第一时钟的频率和准确度这二者都高于所述第二时钟的频率和准确度，同时所述第一时钟与比所述第二时钟更大的功率消耗相关联； 为用于追踪所述第一时钟的周期的累加数设置初始值； 在多个连续的第二时钟周期期间，在所述多个连续的第二时钟周期的每个中将周期数加到所述累加数，并且以更新频率启用所述第一时钟来补偿所述累加数，所述周期数与所述第二时钟的周期中的所述第一时钟的周期数相关联；以及 当所述累加数增加超过目标数时使所述当日时间增加时间间隔，所述目标数与所述时间间隔中的所述第一时钟的周期数相关联。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述时间间隔是一秒的时间。
3.如权利要求I所述的方法，其中所述第一时钟和所述第二时钟分别是由主振荡电路生成的高保真时钟和由次振荡电路生成的粗时钟,并且所述主振荡电路比所述次振荡电路消耗更多的功率。
4.如权利要求I所述的方法，其中当所述第一时钟被启用时，所述累加数被补偿自上一补偿以来已经引入的误差。
5.如权利要求I所述的方法，其中当所述第一时钟被启用时，所述周期数也被校准和更新。
6.如权利要求I所述的方法，其中当所述第一时钟被启用时，所述目标数也被校准和更新。
7.如权利要求I所述的方法，其中所述第一时钟由具有基本上等于16MHz的特征频率的AT-⑶T型晶体振荡器生成。
8.如权利要求I所述的方法，其中所述第二时钟由选自第一组的振荡器生成，所述第一组由表晶体、张弛振荡器和RC振荡器构成，并且所述RC振荡器进一步选自第二组，所述第二组由相移振荡器、环形振荡器和文氏桥振荡器构成。
9.如权利要求I所述的方法，其中所述当日时间被追踪来补偿所述第二时钟的频率漂移，从而所述当日时间的准确度在不窄于[_25°C，60°C ]的工业温度范围内被基本上控制到 ±IOppm。
10.如权利要求I所述的方法，其中所述更新频率大致为每分钟一次，并且所述累加数以基本上等于每分钟一次的频率被补偿。
11.一种根据功率预算生成准确的当日时间的方法，所述方法包括以下步骤 根据功率预算在MSN模式和SLEEP模式之间确定一模式，所述MSN模式要求比所述SLEEP模式更高的功率预算； 生成第一时钟和第二时钟，所述第一时钟的频率和准确度这二者都高于所述第二时钟的频率和准确度，同时所述第一时钟与比所述第二时钟更大的功率消耗相关联； 为用于对所述第一时钟的周期计数的累加数设置初始值； 根据所述模式增加所述累加数，其中在所述MSN模式下，在多个连续的第一时钟周期的每个中，使所述累加数增加一；以及在所述SLEEP模式下，在多个连续的第二时钟周期的每个中，使所述累加数增加周期数，并且所述第一时钟以更新频率被启用来补偿所述累加数，所述周期数与所述第二时钟的周期中的所述第一时钟的周期数相关联；以及 当所述累加数增加超过目标数时使所述当日时间增加时间间隔，所述目标数与所述时间间隔中的所述第一时钟的周期数相关联。
12.如权利要求11所述的方法，其中在所述SLEEP模式下，当所述第一时钟被启用时，所述周期数和所述目标数这二者被校准和更新。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述时间间隔为一秒的时间。
14.一种实时时钟电路中的精密保时电路，所述电路包括 主振荡器，所述主振荡器生成第一时钟，所述主振荡器在MSN模式下是持续有效的，而在SLEEP模式下仅被启用来进行校准和补偿；· 次振荡器，所述次振荡器生成第二时钟，所述次振荡器在所述SLEEP模式下是持续有效的，所述第一时钟的频率和准确度这二者都高于所述第二时钟的频率和准确度，同时所述第一时钟与比所述第二时钟更大的功率消耗相关联； 补偿电路，所述补偿电路耦合到所述主振荡器和所述次振荡器，所述补偿电路根据所述MSN模式和所述SLEEP模式使累加数增加所述第一时钟的多个周期，并且生成表示时间间隔的控制； 保时计数器，所述保时计数器耦合到所述补偿电路，所述保时计数器在接收到所述控制时使所述当日时间增加所述时间间隔。
15.如权利要求14所述的精密保时电路，其中所述次振荡器被耦合来接收多位加工修正，所述多位加工微调被用来程控所述第二时钟的频率。
16.如权利要求14所述的精密保时电路，还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路补偿由于温度漂移造成的主振荡器的误差，其中根据所述主振荡器被程控的多个参数用于校准所需的补偿量。
17.如权利要求14所述的精密保时电路，其中在所述SLEEP模式下，在多个连续的第二时钟周期的每个中，周期数被加到所述累加数，并且所述第一时钟以更新频率被启用来补偿所述累加数，所述周期数与所述第二时钟的周期中的所述第一时钟的周期数相关联。
18.如权利要求14所述的精密保时电路其中所述第一时钟由具有基本上等于16MHz的 特征频率的AT-⑶T型晶体振荡器生成。
19.如权利要求14所述的精密保时电路，其中所述第二时钟由选择第一组的振荡器生成，所述第一组由表晶体、张弛振荡器和RC振荡器构成，并且所述RC振荡器进一步选自第二组，所述第二组由相移振荡器、环形振荡器和文氏桥振荡器构成。
20.如权利要求14所述的精密保时电路，其中在所述SLEEP模式下，当所述第一时钟被启用时，所述周期数和所述目标数这二者被校准和更新。
全文摘要
本发明的各种实施方案总地涉及实时时钟电路，并且更具体地涉及将两个振荡器集成在一个实时时钟电路中以在工业温度范围内生成准确的当日时间的系统、装置和方法。采用主振荡器来生成第一高精度时钟，而该第一高精度时钟具有更高频率并且消耗更多功率；采用次振荡器来生成具有低频率并且消耗更少功率的第二时钟，但该第二时钟可能不会满足时间准确度要求。当实时时钟被提供有充足功率(MSN模式)时，当日时间通过主振荡器被持续地追踪，但当该实时时钟由电池供电(SLEEP模式)时，通过该次振荡器来追踪当日时间，同时该主振荡器以更新频率被接通来补偿当日时间中的误差。
文档编号G04G3/04GK102759881SQ201210092070
公开日2012年10月31日 申请日期2012年3月30日 优先权日2011年3月31日
发明者B·J·怀特, N·T·哈克特 申请人:美信集成产品公司