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温度补偿晶体振荡器中温度依赖性迟滞的补偿

阅读:621发布:2020-05-14

专利汇可以提供温度补偿晶体振荡器中温度依赖性迟滞的补偿专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且迟滞 导致 晶体 振荡器 的晶体的 温度 依赖性 频率 特性在当温度从之前的较冷状态上升时和当温度从较热状态下级时有所不同。上升温度-频率映射多项式和下降温度-频率映射多项式被生成,并且其估值基于当前的温度和过去的温度被加权。经加权的估值被组合并用于 晶体振荡器 的基于温度的频率补偿。,下面是温度补偿晶体振荡器中温度依赖性迟滞的补偿专利的具体信息内容。

1.一种方法,包括:
对关于上升温度的第一温度-频率映射的第一估值和关于下降温度的第二温度-频率映射的第二估值进行加权,所述加权部分地基于与温度补偿晶体振荡器相关的温度测量结果,并且生成第一和第二经加权的估值;
组合所述第一和第二经加权的估值,并且生成组合的输出;以及
使用所述组合的输出补偿在所述温度补偿晶体振荡器中晶体的温度依赖性频率改变。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述第一温度-频率映射是上升多项式并且代表在从第一温度移动到高于所述第一温度的第二温度时所述晶体的第一温度-频率特性,所述第二温度-频率映射是下降多项式并且代表在从第三温度移动到低于所述第三温度的第四温度时所述晶体的第二温度-频率特性。
3.如权利要求1或2所述的方法,还包括:
确定在当前的温度测量结果与之前的温度测量结果之间的第一差值;
比较所述第一差值与阈值;以及
如果所述第一差值高于所述阈值,将与所述上升温度相对应的所述第一估值的权重增加第一数量。
4.如权利要求3所述的方法,还包括:
将与所述下降温度相对应的所述第二估值的权重降低与所述第一数量相对应的数量。
5.如权利要求3所述的方法,还包括:
确定在所述之前的温度测量结果与所述当前的温度测量结果之间的第二差值;
比较所述第二差值与阈值;以及
如果所述第二差值高于所述阈值,则导致在另一个加权事件中,将与所述下降温度相对应的所述第二估值的权重增加第二数量。
6.如权利要求5所述的方法,还包括:
将与所述上升温度相对应的所述第一估值降低与所述第二数量相对应的数量。
7.如权利要求5所述的方法,其中所述之前的温度测量结果是在最近的加权事件时的温度。
8.如权利要求1或2所述的方法,还包括:
调整与所述上升温度和下降温度相对应的所述第一和第二估值的加权,其中所述上升温度和下降温度响应于预定的时间流逝,以便分别相应于所述上升温度和所述下降温度朝着平稳加权来移动所述第一和第二估值的加权。
9.如权利要求8所述的方法,还包括:
独立于加权事件,使用计数器来确定所述预定的时间流逝。
10.如权利要求8所述的方法,还包括:
使用计数器确定所述预定的时间流逝;以及
在每个加权事件重置所述计数器以开始对响应于每个加权事件的所述预定的时间流逝进行计数。
11.一种装置,包括:
加权逻辑单元,其将第一权重应用到与上升温度相对应的第一温度-频率映射的第一估值并且生成第一经加权的估值,以及将第二权重应用到与下降温度相对应的第二温度-频率映射的第二估值并且生成第二经加权的估值;
加权控制逻辑单元,其基于与温度补偿晶体振荡器相关的温度历史测量结果确定所述第一和第二权重;以及
组合电路,其组合所述第一和第二经加权的估值并且生成组合的输出,用于补偿在所述温度补偿晶体振荡器中晶体的温度依赖性频率改变。
12.如权利要求11所述的装置,还包括:
相环,其包括反馈分频器,所述反馈分频器具有部分基于所述组合的输出确定的分频率。
13.如权利要求11或12所述的装置,其中所述第一温度-频率映射是上升多项式并且代表在从第一温度移动到高于所述第一温度的第二温度时所述晶体的第一温度-频率特性,所述第二温度-频率映射是下降多项式并且代表在从第三温度移动到低于所述第三温度的第四温度时所述晶体的第二温度-频率特性。
14.如权利要求11或12所述的装置,其中所述第一温度-频率映射是存储在第一查询表中的第一频率误差数据并且代表在从第一温度移动到高于所述第一温度的第二温度时所述晶体的第一温度-频率特性,所述第二温度-频率映射是存储在第二查询表中的第二频率误差数据并且代表在从第三温度移动到高于所述第三温度的第四温度时所述晶体的第二温度-频率特性。
15.如权利要求11或12所述的装置,其中所述加权控制逻辑单元还被配置成:
确定在当前的温度测量结果与较早的温度测量结果之间的差值;
比较所述差值与阈值;以及
如果所述差值高于所述阈值,增加所述第一估值的第一权重。
16.如权利要求15所述的装置,其中所述加权控制逻辑单元还被配置成将所述第二估值的第二权重降低与所述第一估值的第一权重的增加相对应的数量。
17.如权利要求11或12所述的装置,其中所述加权控制逻辑单元还被配置成:
确定在较早的温度测量结果与当前的温度测量结果之间的差值;
比较所述差值与阈值;以及
如果所述差值高于所述阈值,增加所述第二估值的第二权重。
18.如权利要求17所述的装置,其中所述加权控制逻辑单元还被配置成将所述第一估值的第一权重降低与所述第二估值的第二权重的增加相对应的量。
19.如权利要求15所述的装置,其中所述较早的温度测量结果是最近的加权事件的温度测量结果。
20.如权利要求11或12所述的装置,其中所述加权逻辑单元还响应预定的时间流逝,朝着平稳加权调整各第一和第二估值的所述第一和第二权重。
21.如权利要求20所述的装置,其中所述加权逻辑单元还包括:
计数器,其独立于加权事件对所述预定的时间流逝进行计数。
22.如权利要求20所述的装置,其中所述加权逻辑单元还包括:
计数器,其对所述预定的时间流逝进行计数;以及
其中,所述计数器被配置成开始对响应于每个加权事件的所述预定的时间流逝进行计数。
23.一种温度补偿晶体振荡器,包括:
温度传感器,其用于生成与所述温度补偿晶体振荡器相关的温度测量结果;
用于至少部分地基于所述温度测量结果对与上升温度相对应的第一温度-频率映射的第一估值和与下降温度相对应的第二温度-频率映射的第二估值进行加权的设备;以及用于组合经加权的第一和第二估值的设备,所述第一和第二估值用于调节所述温度补偿晶体振荡器的频率。

说明书全文

温度补偿晶体振荡器中温度依赖性迟滞的补偿

技术领域

[0001] 本发明涉及温度补偿晶体振荡器,并且更具体是关于晶体的频率响应中的温度依赖性迟滞。

背景技术

[0002] 晶体振荡器常常用于提供稳定的频率源。然而,晶体振荡器的频率稳定性受到温度的影响,并因此可使用温度补偿晶体振荡器(TCXO)从而使得由TCXO所提供的频率在存在温度变化的情况下更加稳定。
[0003] 图1示出了TCXO 100的高级框图,TCXO 100包括:晶体振荡器(XO)101,其包括晶体和振荡维持电路;以及,分数N相环(PLL)103,其将晶体振荡器的输出作为输入来接收并且提供PLL输出信号104。温度传感器105感测温度并且将温度数据提供至温度补偿电路107,该温度补偿电路107接下来使得反馈分频器控制电路109调整反馈分频器111以便修正由温度变化所导致的预期的温度变化。温度补偿电路107可利用:对所感测的温度与频率变化进行映射的查询表;或者,从所感测的温度和所测量的频率变化特征中所提取的多项式。
查询表中的温度补偿值或者多项式因数可基于设备特征,其中TCXO受热从而改变温度,以便确定适当的补偿因子。
[0004] 同时,图1提供了一种对晶体振荡器进行温度补偿的方法,期望对TCXO进行进一步改善以提供更加稳定的输出信号

发明内容

[0005] 因此,在一个实施方式中,一种方法包括:对相应于上升温度的第一温度-频率映射的第一估值和相应于下降温度的第二温度-频率映射的第二估值进行加权,该加权部分地基于与温度补偿晶体振荡器相关的温度测量结果;以及,生成第一和第二经加权的估值。该方法还包括:组合所述第一和第二经加权的估值;以及,生成组合的输出,该组合的输出用于补偿在温度补偿晶体振荡器中晶体的温度依赖性频率改变。温度-频率映射可利用在查询表中所存储的多项式或频率误差数据。
[0006] 在另一个实施方式中,一种装置包括加权逻辑单元,其用于将第一权重应用到相应于上升温度的第一温度-频率映射的第一估值并且生成第一经加权的估值,并且将第二权重应用到相应于下降温度的第二温度-频率映射的第二估值并且生成第二经加权的估值。加权控制逻辑单元基于与温度补偿晶体振荡器相关的温度测量结果确定第一和第二权重。组合电路组合第一和第二经加权的估值,并且生成组合的输出,该组合的输出用于补偿在温度补偿晶体振荡器中晶体的温度依赖性频率改变。
[0007] 在另一个实施方式中,一个温度补偿晶体振荡器包括温度传感器,以便生成与温度补偿晶体振荡器相关的温度测量结果。TCXO还包括至少部分地基于温度测量结果对相应于上升温度的第一温度-频率映射的第一估值和相应于下降温度的第二温度-频率映射的第二估值进行加权的设备,以及,组合经加权的第一和第二估值的设备,所述经加权的第一和第二估值用于调节温度补偿晶体振荡器的频率。附图说明
[0008] 图1示出了现有技术的温度补偿晶体振荡器。
[0009] 图2示出了如何通过在两个温度-频率映射多项式之间进行动态加权来补偿迟滞效应。
[0010] 图3A示出了代表由一个实施方式使用的加权算法的伪码。
[0011] 图3B示出了加权算法的一个实施方式的图形表示。
[0012] 图4A示出了时间依赖性加权事件触发器的一个实施方式,该加权事件触发器缓慢平衡与两个多项式相关的加权。
[0013] 图4B示出了时间依赖性加权事件触发器的另一实施方式,该加权事件触发器缓慢平衡与两个多项式相关的加权。
[0014] 图5是TCXO的一个实施方式的高级框图,其组合经加权的上升和下降多项式以用于温度依赖性频率补偿。
[0015] 图6示出了补偿逻辑单元的一个实施方式,其组合经加权的上升和下降多项式。
[0016] 图7示出了补偿逻辑单元的一个实施方式,其组合经加权的上升和下降数据,其中所述上升和下降数据存储在查询表中。

具体实施方式

[0017] 温度补偿晶体振荡器(Temperature compensated crystal oscillator,TCXO)使用石英晶体作为谐振器,其基于组件在工作期间所经历的温度漂移显示出迟滞。该温度依赖性迟滞导致在当温度从之前的较冷状态上升时以及当温度从较热状态下降时所述晶体的温度依赖性频率特性产生差异。此处描述的实施方式使用(例如来自产品测试环境的)特征化数据,以便通知在前馈温度补偿系统中的补偿电路。
[0018] 从成本度来看,此处所描述的实施方式的优势在于,此处所描述的补偿方法不使用反馈来对迟滞进行补偿。对单个晶体的所有特征描述能够通过利用此处所描述的方法在部件被装运之前进行。因此,该方法在前馈补偿系统中是有效的。
[0019] 参考图2,迟滞效应通过在由曲线201和203所表示的两个温度-频率映射多项式之间的动态加权来补偿,该加权是基于由多项式205经加权的平均值所得的温度的历史。在其它实施方式中,相应于这些曲线的频率误差数据可存储在查询表中。在图2的图示中,在曲线205中,每个多项式被同样地加权。一个多项式201——其称为“上升”多项式——代表了在从低温度移动到高温度时设备的温度-频率特性。其它多项式203——其称为“下降”多项式——代表了在从高温度移动到低温度时设备的温度-频率特性。温度历史数据随后被提供至权重计算算法,该算法决定在以当前温度测量结果评估上升和下降多项式时要应用哪种多项式混合。
[0020] 在稳定的、高度可控的环境中执行对单个石英晶体的特征描述(characterization)。在一个特征描述方法中,执行温度循环,其中晶体放入炉中并且温度循环变化以便在TCXO中实现迟滞效应。例如,TCXO的温度从低温度加热,并且将在上升轨迹上取得的温度/频率对用于提取上升多项式的系数或者用于生成被存储在查询表中的频率误差数据。另外,TCXO的温度升高至高温度,并随后该温度下降,并且将在下降轨道上取得的频率对用于提取下降多项式的系数。
[0021] 一个实施方式设置温度漂移(excursion)阈值,其在被触发时创建权重更新事件。参考图3A,高级伪码300表示由实施方式使用的加权算法。图3B以图形方式表示该算法。因此,分析了每个被提供至加权算法的温度测量结果。参考图3A,如果当前温度(Ti)大于在最后一次加权事件时的温度(To)的量高于阈值(Tthr),则上升多项式(WR)的估值的权重升高,并且下降多项式(WF)的估值的权重降低。然而如果当前温度的权重小于在阈值数的温度,则下降多项式WF的估值的权重升高,并且上升多项式WR的估值的权重降低。不是评估多项式,而是评估可基于温度来查询在查询表中的频率误差。当测量温度在所存储的值之间时,评估逻辑单元可在所存储的频率误差值之间进行内插。
[0022] 图3B以图形方式显示了加权算法。每个正加权事件——例如事件301a、301b和301c——导致上升多项式的加权的增加并且下降多项式的加权的降低。例如,如果阈值设为1℃,则从最后一次加权阈值事件在正方向上漂移1℃将增加上升多项式的权重并且降低下降多项式的权重。相反,如在加权事件303a和303b所示,从最后一次加权阈值事件在负方向上关于温度移动1℃造成下降多项式的权重的增加以及上升多项式的权重的降低。虚线——例如305a、305b、305c和305d——显示为下一加权事件设置的阈值。
[0023] 另外,参考图4A和4B,加权算法可响应时间依赖性加权事件触发器,其缓慢地趋向于权重,从而使得上升和下降多项式(或者上升和下降查询表数据)的估值的混合朝着相等方向的混合移动。这是因为迟滞可表现为动态效应(特别是如果分使得石英晶体表现出类似迟滞的效应的话),其不会永久地调整部件的特性。时间触发器可以是非常久的,例如数十分钟或者甚至是几小时使得调整非常缓慢。在图4A中所示的实施方式中,时间依赖性加权触发器可仅当系统关于一时间阈值量没有达到加权事件时才触发。也就是说,如所示,每个加权事件都重置时间触发器。因此,参考图4A,如果在401发生加权事件(根据图3A或3B),则在403重置时间计数器。如果在405,时间已超出时间阈值而没有发生加权事件,则加权算法将上升和下降多项式(或查询表数据)的估值的加权朝着相等(equality)方向移动。
在其它实施方式中,比如在图4B中所示,时间依赖性加权可独立于加权事件进行操作,并且如果在405中超过时间阈值时,则在407中朝着相等方向移动加权。这就是说,时间计数器与加权时间无关,因为其不会通过加权事件而被重置。
[0024] 参考图5,高级框图示出了TXCO 500的一个实施方式,其组合经加权的上升和下降多项式用于温度依赖性频率的补偿。TCXO 500包括晶体振荡器501和锁相环502。温度传感器503将温度数据提供至温度依赖性频率补偿505,其利用例如图3A和3B中所描述的上升和下降多项式对频率进行补偿。该补偿块的输出可被用于调整反馈分频器507,以便调整PLL的输出信号的频率。
[0025] 图6示出了组合经加权的上升和下降多项式的补偿方法的一个实施方式。当前温度601由温度传感器(未显示在图6中)提供。当前温度被提供至多项式评估块602,其基于(例如在产品测试期间)确定的上升系数和当前温度来生成上升多项式数据。上升系数可被存储到非易失性存储器(未显示在图6中)。当前温度还被提供至多项式评估块603,其基于(例如在产品测试期间)确定的下降系数和当前温度来生成下降多项式数据。下降系数可被存储到非易失性存储器(未显示在图6中)。所述系数随后被提供至加权逻辑单元605,其通过由加权控制逻辑单元607所确定的权重来加权由多项式估值提供的值。在所示示例中,由块602提供的被评估的上升多项式通过如下方式加权,例如将所提供的值乘以一个(从0到64的)值。类似地,由块603提供的被评估的下降多项式通过如下方式加权,例如将所提供的值乘以一个(从0到64的)值。加法器608组合经加权的值。在该实施方式中,被组合的值随后通过在分频器块609中将被组合的值除以64回到的全尺寸(full scale)从而使得被组合的值缩放回完全值,其随后被提供至分频器控制块以协助控制PLL的反馈分频器值。要注意的是,被组合的值提供了64倍的全尺寸值。因此,为了相等加权,每个被评估的多项式可乘以
32。如果上升多项式被给定更大的权重,例如,上升多项式乘以34,则下降多项式将乘以30。
以下方程式代表了在图6中所利用的实施方式:
[0026]
[0027] 其中,在图6所示的实施方式中,N为64。
[0028] 加权控制逻辑单元607包括衰减计时器611和权重补偿计算块615。衰减计时器是以下计数器:其对图4A和4B的流程图所示的时间进行计数并且提供控制信号617,以便在该计数器已经计数到时间阈值时通知权重补偿计算块平衡权重。在图6的实施方式中,重置计时器信号619可被用来在发生加权事件时(或者至少是在重置或其它事件时)重置衰减计时器。在其它实施方式中,比如如图4B中所示,衰减计时器自由运行并且不响应于加权事件被重置。权重控制逻辑单元607和权重补偿计算块615可根据图3A和3B操作。
[0029] 图7示出了一个实施方式,其中频率误差数据被存储在查询表中而不是作为多项式的系数。当前温度601被提供至上升查询表评估逻辑单元701和下降查询表评估逻辑单元703。查询表评估逻辑单元701基于温度测量结果从上升查询表705重新获得频率误差(并且根据需要进行内插),以及将频率误差数据提供至加权逻辑单元605。类似地,下降查询表评估逻辑单元703基于温度测量结果从下降查询表707重新获得频率误差(并且根据需要进行内插),以及将频率误差数据提供至加权逻辑单元605。
[0030] 虽然被显示为单独的块,但是在图6和7中所描述的并且此处以各种图像、流程图和伪码所显示的功能可以被部分地或整体地实现在以下元器件中,所述元器件为:可编程逻辑单元,例如微控制器;离散数字逻辑单元,包括计数器、乘法器和状态机;或者,硬件和/或(在可编程处理器上运行的)软件的任意组合,所述可编程处理器例如适合于特定实施例微控制器
[0031] 因此,已经从各个方面描述了关于解决对温度补偿晶体振荡器进行温度依赖性频率补偿的迟滞效应。此处所阐明的本发明的描述是说明性的,并且无意于限制如在后续权利要求中所阐明的本发明的保护范围。此处所公开的实施方式的其它变体和修改可基于此处所阐明的描述做出,而不会偏离如在后续权利要求中所阐明的本发明的保护范围。
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