专利名称：产生时钟信号的电路和方法
技术领域：
本发明一般涉及电子电路，并且特别涉及产生时钟信号的电路和方法，以及包括 产生时钟信号的所述电路的实时时钟设备。
背景技术：
晶体振荡器是一种使用压电材料振动晶体的机械谐振产生具有精确频率的电信 号的电子电路。该频率通常被用来计时(例如在石英手表中)，为数字集成电路提供稳定的 时钟信号，以及稳定无线收发器的频率。最常见类型的压电谐振器是石英晶体，因此基于这 种晶体的振荡电路被称为“晶体振荡器”。石英晶体提供的精度远优于其他传统的振荡器，但是其并不完美。石英晶体对温 度变化敏感，这可能导致在包括例如实时时钟(RTC)、通信终端等的系统中的时间信息或者 时钟信号的精度的下降。一种用于补偿上述时间或者信号误差的方法是通过在晶体上增加额外的电容负 载来调节该晶体振荡器的振荡频率。另一种方法是通过删除或者插入时钟脉冲来周期性地 调整频率，从而获得优于3-5ppm的精度。因此需要一种电路和方法用以在温度变化的情况下产生更高精度的时钟信号。
发明内容
在第一实施例中，公开了一种电路。该电路包括分频器，其配置成接收振荡器产生 的振荡信号和分频比并以该分频比对振荡信号分频得到时钟信号；温度补偿电路，其配置 成测量该振荡器的温度并基于所测量到的温度生成提供给该分频器的分频比和第一数值； 以及控制系统，其配置成基于该第一数值和振荡器产生的振荡信号控制负载与振荡器的连 接。在第二实施例中，公开了一种实时时钟设备。该实时时钟设备包括上述第一实施 例中描述的电路。在第三实施例中，公开了一种方法。该方法包括测量振荡器的温度；基于振荡器的 温度生成分频比和第一数值；以该分频比对振荡器产生的振荡信号分频得到时钟信号；以 及基于该第一数值和振荡器产生的振荡信号控制负载与振荡器的连接。上文已经概括而非宽泛地给出了本公开内容的特征。本公开内容的附加特征将在 此后描述，其形成了本发明权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，可以容易地使用所 公开的构思和具体实施方式
，作为修改和设计其他结构或者过程的基础，以便执行与本发 明相同的目的。本领域技术人员还应当理解，这些等同结构没有脱离所附权利要求书中记 载的本发明的主旨和范围。
为了更完整地理解本公开以及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中
图1示出根据一个实施例的用于产生时钟信号的电路；图2示出根据一个实施例的产生时钟信号的流程图；图3示出振荡器的温度和晶体精度的关系；图4示出图1的电路的一个实施例；图5示出根据一个实施例的图4所示的控制系统运作的流程图；图6示出根据一个实施例的温度补偿电路；图7示出根据一个实施例的图6所示的温度补偿电路运作的流程图；图8示出图6所示的温度补偿电路的一个变化例；图9示出根据另一个实施例的温度补偿电路；图10示出根据一个实施例的图9所示的温度补偿电路运作的流程图；图11示出图9所示的温度补偿电路的一个变化例；以及图12示出根据一个实施例的包含图4所示的电路的实时时钟设备。除非指明，否则不同附图中的相应标记和符号一般表示相应的部分。绘制附图是 为了清晰地示出本公开内容的实施方式的有关方面，而未必是按照比例绘制的。为了更为 清晰地示出某些实施方式，在附图标记之后可能跟随有字母，其指示相同结构、材料或者过 程步骤的变形。
具体实施例方式下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示 范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。图1示出根据一个实施例的用于产生时钟信号的电路100。该电路100包括振荡 器101，分频器102，温度补偿电路103，控制系统104和负载105。以下结合图2所示的产生时钟信号的流程图详细描述图1的电路100的运作。在步骤S201中，温度补偿电路103接收一个触发信号并响应于该触发信号，例如 在该触发信号的上升沿或者下降沿，测量振荡器101的温度，然后，温度补偿电路103根据 所测量到的温度生成提供给分频器102的分频比和第一数值。在一个实施例中，该触发信号为由分频器102产生的时钟信号。在可替换的实施 例中，该触发信号可以是任何频率的一个信号。在步骤S202中，分频器202接收振荡器101产生的振荡信号和温度补偿电路103 提供的分频比，并且以该分频比对该振荡信号分频得到时钟信号。在一个实施例中，振荡器101包括一个或者多个放大器和一个反馈网络以进行频 率选择。具体地，在一个实施例中，该反馈网络可以包括机械谐振器，例如，石英晶体或者陶 瓷谐振器。可替换地，包括电阻和电容的移相电路可以被应用于该反馈网络。振荡器101的谐振频率对温度变化敏感。温度的变化可能会改变振荡器101的谐 振频率。图3示出振荡器101的温度和晶体精度的关系。谐振频率和温度的关系满足以下给出的一般公式f1 = at2+bt+c其中表示振荡器101的谐振频率，t表示温度，和a，b，c是与晶体相关的系数。a, b，c的值可以通过在三个温度点下，例如-40°C，25°C和85°C，测量振荡器101的谐振频
率来确定。在一个实施例中，分频器102是一个可编程η分频计数器，该计数器包括级联的触 发器。该分频器102是可编程的，例如通过在一个终端用户可操作的寄存器中存储一个期 望分频比η。在输入振荡信号的每个上升沿和/或下降沿，该触发器翻转，也就是改变状态。 一旦对应分频比η的状态被检测到，该分频器102即输出一个时钟脉冲，同时该触发器被复 位。通过这种方式，在每次复位脉冲之间的计数值即为η。在步骤S203中，控制系统104基于第一数值和振荡器101产生的振荡信号控制负 载105与振荡器101的连接。在一个实施例中，如图4所示，控制系统104包括计数器1041，寄存器1042，比较 器1043和控制模块1044。以下结合图5所示的流程图详细描述控制系统104的运作。计数器1041耦合到振荡器101和分频器102以分别接收该振荡器101产生的振 荡信号和分频器102产生的时钟信号。在步骤S501中，计数器1041对振荡信号的振荡计数并且响应于时钟信号被复位。 在一个实施例中，计数器1041对振荡信号的振荡计数并且在时钟信号的上升沿或者下降 沿被复位。计数器1041输出的计数值被施加到比较器1043的第一输入端，例如，正输入端。寄存器1042是可编程的，其接收来自温度补偿电路103的第一数值并存储该第一 数值。该第一数值被施加到该比较器1043的第二输入端，例如，负输入端。在步骤S502中，比较器1043比较计数器1041提供的计数值和寄存器1042提供的 第一数值。基于比较结果，例如，当计数值超过第一数值时，比较器1043的输出改变状态。 通常，比较器可以用逻辑门电路实现。例如，一个简单的1-比特比较器可以采用两个非门 和两个与门实现，一个多比特比较器可以采用级联的多个简单比较器实现。在一个实施例 中，比较器1043通过级联四个4-比特比较器实现，并且先比较高比特位。如果一个比较结 果已经获得，就不需要再比较低比特位。控制模块1044耦合到比较器1043以接收该比较器1043的输出。如果比较被满 足，那么在步骤S503中，控制模块1044将负载105连接到振荡器101 ；如果比较不被满足， 那么在过程S504中，控制模块1044将负载105与振荡器101的连接断开。在一个实施例中，当计数值小于或者等于第一数值时，比较器1043的输出保持恒 定状态，例如，逻辑低或者逻辑高，并且负载105与振荡器101断开。一旦计数值超过第一数 值，该比较器1043的输出改变状态，例如，从逻辑低变至逻辑高或者从逻辑高变至逻辑低， 由此控制模块1044将负载105连接至振荡器101。在一个实施例中，该控制模块1044是 一个η沟道增强型M0SFET，比较器1043的输出被施加到该MOSFET的栅极。当比较器1043 的输出为逻辑高时，MOSFET的源极和漏极之间形成导电沟道并且负载105被连接到振荡器 101。当比较器1043的输出是逻辑低时，沟道被截断并且负载105与振荡器101的连接被 断开。在可替换的实施例中，也可以使用P沟道M0SFET，双极型晶体管，或者二极管。在一个实施例中，该负载105是一个容性负载，其包括，例如，一个电容或者多个 电容。在一个可替换的实施例中，该负载105是一个感性负载，其包括，例如，一个电感或者 多个电感。
当负载105为等效于加在振荡器101两端的并联容性负载时，该振荡器101产生 的振荡信号的频率被减慢。当负载105为等效于加在振荡器101两端的串联容性负载时， 该振荡器ιο 产生的振荡信号的频率被加快。该容性负载的电容值被设置为使得|f\-f2 > IHz，例如，约15pF或者20pF。可以理解，在电路100的另一个实施例中，振荡器101可以是一个外部元器件而不 包括在电路100中。图6示出根据一个实施例的温度补偿电路。如图6所示，温度补偿电路103包括温度传感器1031，模/数转换器1032，计算器 1033和处理模块10；34。以下结合图7所示的流程图详细描述图6的温度补偿电路103的运作。在步骤S701中，温度传感器1031响应于一个触发信号，例如在该触发信号的上升 沿或者下降沿，测量振荡器101的温度并生成模拟温度值。在一个实施例中，提供给温度传感器1031的触发信号为分频器102产生的频率 为IHz的时钟信号。如此，温度传感器1031每1秒钟对温度进行一次测量。在可替换的实 施例中，该触发信号可以是频率为，例如l/60Hz或者1/3600HZ的信号。如此，温度传感器 1031，例如每1分钟或者每1小时对温度进行一次测量。在步骤S702中，模/数转换器1032耦合到温度传感器1031以接收模拟温度值并 将该模拟温度值转换成数字温度值。在一个实施例中，模/数转换器1032优选地具有16 比特的分辨率，也就是说，模/数转换器1032能够在输入模拟温度值的范围内产生216量化 阶数。该模/数转换器1032的分辨率可以根据实际需要来设置。在一个可替换的实施例 中，模/数转换器1032具有8比特的分辨率。在步骤S703中，计算器1033耦合到模/数转换器1032以接收数字温度值并基于 该数字温度值计算振荡器101的谐振频率。具体地，在一个实施例中，首先计算器1033近 似地通过以下方程计算温度T = sk+1 (方程 1)其中T表示温度，s，1是与设备相关，例如与温度传感器1031相关的系数，其可以 预存在计算器1033中，和k表示从模/数转换器1032接收到的数字温度值。然后，计算器1033基于计算得到的温度T，近似地通过以下方程计算当前温度下 振荡器101的谐振频率= aT2+bT+c (方程 2)其中表示振荡器101的谐振频率，和a，b，c是与晶体相关的系数，其可以预存 在计算器1033中。在一个实施例中，计算器1033是一个硬件计算器，例如通过乘法器电路和加法器 电路实现。可替换地，计算器1033实现的功能可以由软件实现。在步骤S704中，处理模块1034耦合到计算器1033以接收振荡器101的谐振频率。 根据振荡器101的谐振频率，处理模块1034首先将振荡器101的谐振频率的整数部分或者 振荡器101的谐振频率的整数部分加1作为分频比，并且近似地通过以下公式计算第一数 值
权利要求
1.一种电路，其包括分频器，其配置成接收振荡器产生的振荡信号和分频比并以所述分频比对所述振荡信 号分频得到时钟信号；温度补偿电路，其配置成测量所述振荡器的温度并基于所测量到的温度生成提供给所 述分频器的所述分频比和第一数值；以及控制系统，其配置成基于所述第一数值和所述振荡器产生的振荡信号控制负载与所述 振荡器的连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制系统包括计数器，其配置成接收所述振荡信号和所述时钟信号，对所述振荡信号的振荡计数，并 且响应于所述时钟信号被复位；寄存器，其配置成接收来自所述温度补偿电路的所述第一数值并提供所述第一数值； 比较器，其配置成比较所述计数值和所述第一数值；以及控制模块，其配置成接收所述比较器的输出，并且当所述比较被满足时将所述负载连 接到所述振荡器，当所述比较不被满足时将所述负载与所述振荡器的连接断开。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述温度补偿电路包括 温度传感器，其配置成测量所述振荡器的温度并生成模拟温度值；模/数转换器，其配置成接收所述模拟温度值并将所述模拟温度值转换成数字温度值；计算器，其配置成接收所述数字温度值并基于所述数字温度值计算所述振荡器的谐振 频率；以及处理模块，其配置成接收所述振荡器的谐振频率并基于所述振荡器的谐振频率计算提 供给所述分频器的所述分频比和所述第一数值。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述计算器配置成通过以下方程计算所述振荡器 的温度
5.根据权利要求3所述的电路，其中所述处理模块配置成通过以下公式计算所述第一 数值其中m表示第一数值，其为最接近^^的整数，表示所述振荡器的谐振频率，
6.根据权利要求3所述的电路，其中所述温度补偿电路还包括功率控制模块，其配置 成接收所述时钟信号和所述振荡信号并响应于所述时钟信号和所述振荡信号将功率源连 接到所述温度传感器、所述模/数转换器、所述计算器和所述处理模块，或者将所述功率源 与所述温度传感器、所述模/数转换器、所述计算器和所述处理模块的连接断开。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述温度补偿电路还包括电压调节器，其耦合到 所述功率源并配置成对所述功率源提供的电压进行稳压。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述温度补偿电路包括温度传感器，其配置成测量所述振荡器的温度并生成模拟温度值；模/数转换器，其配置成接收所述模拟温度值并将所述模拟温度值转换成数字温度值；地址转换器，其配置成接收所述数字温度值并将所述数字温度值转换成地址；以及获取模块，其包括存储器，其中所述获取模块配置成接收所述地址并在所述存储器中 从所述地址处获取提供给所述分频器的所述分频比和所述第一数值。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述温度补偿电路还包括功率控制模块，其配置 成接收所述时钟信号和所述振荡信号并响应于所述时钟信号和所述振荡信号将功率源连 接到所述温度传感器、所述模/数转换器、所述地址转换器和所述获取模块，或者将所述功 率源与所述温度传感器、所述模/数转换器、所述地址转换器和所述获取模块的连接断开。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述温度补偿电路还包括电压调节器，其耦合到 所述功率源并配置成对所述功率源提供的电压进行稳压。
11.根据权利要求1所述的电路，还包括耦合到所述分频器的所述振荡器，其配置成产 生所述振荡信号并提供所述振荡信号给所述分频器。
12.根据权利要求1所述的电路，其中所述负载是容性负载。
13.根据权利要求12所述的电路，其中所述容性负载的电容值被设置成使得|fi-f2|> 1Hz，其中表示当所述负载与所述振荡器断开时所述振荡信号的频率，f2表示当所述负载 与所述振荡器连接时所述振荡信号的频率。
14.根据权利要求1所述的电路，其中所述计数器在以下情况之一被复位所述时钟信 号的上升沿，和所述时钟信号的下降沿。
15.根据权利要求1所述的电路，其中所述振荡器包括石英晶体。
16.一种实时时钟设备，其包括根据权利要求1所述的电路。
17.根据权利要求16所述的实时时钟设备，还包括日历，其中所述日历配置成接收所 述时钟信号并且显示时间。
18.一种方法，其包括测量振荡器的温度；基于所述振荡器的温度生成分频比和第一数值；以所述分频比对所述振荡器产生的振荡信号分频得到时钟信号；以及基于所述第一数值和所述振荡器产生的振荡信号控制负载与所述振荡器的连接。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述控制步骤包括对所述振荡器器产生的振荡信号的振荡计数，并且响应于所述时钟信号对所述振荡重 新计数，以生成计数值；比较所述计数值和所述第一数值； 当所述比较被满足时将所述负载连接到所述振荡器；以及 当所述比较不被满足时将所述负载与所述振荡器的连接断开。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述生成步骤包括 基于所述振荡器的温度生成模拟温度值；将所述模拟温度值转换成数字温度值；基于所述数字温度值计算所述振荡器的谐振频率；以及基于所述振荡器的谐振频率计算所述分频比和所述第一数值。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述生成步骤包括 基于所述振荡器的温度生成模拟温度值；将所述模拟温度值转换成数字温度值； 将所述数字温度值转换成地址；以及 从所述地址获取所述分频比和所述第一数值。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述负载是容性负载。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述容性负载的电容值被设置成使得|fi-f2|> 1Hz，其中表示当所述负载与所述振荡器断开时所述振荡信号的频率，f2表示当所述负载 与所述振荡器连接时所述振荡信号的频率。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述振荡器包括石英晶体。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述计算所述振荡器的谐振频率的步骤包括 通过以下方程计算所述振荡器的温度T = sk+1其中T表示所述振荡器的温度，S，1是与设备相关的系数，和k表示所述数字温度值；以及通过以下方程计算所述振荡器的谐振频率 fi = aT2+bT+c其中表示所述振荡器的谐振频率，a, b，c是与所述振荡器相关的系数，和T表示所 述振荡器的温度。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述计算所述第一数值的步骤包括 通过以下公式计算所述第一数值
全文摘要
一种电路包括分频器，其配置成接收振荡器产生的振荡信号和分频比并以分频比对振荡信号分频得到时钟信号；温度补偿电路，其配置成测量振荡器的温度并基于所测量到的温度生成提供给分频器的分频比和第一数值；以及控制系统，其配置成基于第一数值和振荡器产生的振荡信号控制负载与振荡器的连接。
文档编号H03L1/02GK102118160SQ20091020678
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者葛绍献 申请人:意法半导体研发(深圳)有限公司