可靠的晶體振蕩器啟動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種啟動晶體振蕩器的方法以及用于實施該方法的包括晶體振蕩器的裝置。晶體振蕩器被應(yīng)用于電子設(shè)備的時鐘，其中，可靠且精確的基準(zhǔn)頻率為必要條件。
【背景技術(shù)】
[0002]權(quán)利要求1的前序部分中的方法由公開號為US 7940137B2的美國專利文獻所披露。將作為用于控制振蕩器激勵電平的參數(shù)的偏置電流在啟動時設(shè)置為高值，之后再逐步降低直至振蕩器信號振幅降至閾值以下。這需要使用具有昂貴高品質(zhì)組件的相當(dāng)復(fù)雜的電路。該電路用于監(jiān)視振幅并通過反饋回路控制偏置電流。該反饋電路涉及整流、對輸出信號實施模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及對控制偏置電流的數(shù)字信號實施數(shù)/模轉(zhuǎn)換。這種相當(dāng)復(fù)雜的信號處理還會增加功率消耗的水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主要目的在于提供一種簡單而魯棒性好(穩(wěn)定性好)且易于實施并可將振蕩器的運行保持在低激勵電平上的一般方法。該發(fā)明目的由權(quán)利要求1特征部分中的特征實現(xiàn)。
[0004]由本發(fā)明方法實現(xiàn)的另一有益效果在于:激勵電平可自動適應(yīng)單一晶體的屬性，以確保晶體振蕩器正常運行而不會因過載損壞。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種實施上述本發(fā)明方法的裝置。
【附圖說明】
[0006]在下文中，將參照示出了本發(fā)明實施例的附圖詳細介紹本發(fā)明，其中:
[0007]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0008]圖2為本發(fā)明方法的具體流程圖；
[0009]圖3為在一優(yōu)選實施例中的實施的一部分本發(fā)明方法的流程圖；以及
[0010]圖4為啟動過程中作為時間函數(shù)的晶體振蕩器輸出信號的包絡(luò)線示意圖。
【具體實施方式】
[0011]圖1所示設(shè)備I包括帶有通常為石英晶體的晶體3的晶體振蕩器2以及與該晶體3連接并用于控制該晶體的振蕩器電路4。該振蕩器電路4轉(zhuǎn)過來由處理單元5控制。該處理單元優(yōu)選為微處理器，且與諸如不間斷供電的RAM的非易失性存儲器6連接。非易失性存儲器6包括至少一個查找表以及下文將要介紹的存儲至少一個啟動值和運行值的其它存儲位置。
[0012]開關(guān)7被用于連接處理單元5的時鐘輸入端和晶體振蕩器2的輸出端，或可選地，被用于連接處理單元5的時鐘輸入端和輔助振蕩器8的輸出端。輔助振蕩器8可由另一晶體振蕩器實現(xiàn)，或優(yōu)選地，由環(huán)形振蕩器或電感電容諧振腔振蕩器實現(xiàn)。在停機期間，該開關(guān)并未被斷開，因此其處于連續(xù)運行狀態(tài)。
[0013]晶體振蕩器2的輸出端被連接于輸出端與處理單元5的另一(another)輸入端連接的第一計數(shù)器9。同樣地，第二計數(shù)器10被連接于輔助振蕩器8和處理單元5的再一個(further)輸入端之間。計數(shù)器9和10能夠在處理單元5中運行，因此它們無需為單獨的元件。
[0014]振蕩器電路4被用于設(shè)定晶體振蕩器2的激勵電平。該激勵電平基本為功率值，即:在晶體3中每單位時間內(nèi)消耗的能量。為了獲得可靠且魯棒的晶體振蕩器性能，最重要的是適當(dāng)選擇激勵電平。
[0015]如果激勵電平太低，那么晶體會停止有規(guī)律地運行，反映為晶體振蕩頻率同基準(zhǔn)頻率相比會有相當(dāng)大的偏差。如果啟動時的激勵電平太低，那么啟動會失敗，晶體3根本不會開始振蕩。為了實現(xiàn)正常啟動，通常需要最低激勵電平，而該最低激勵電平因晶體不同而變化較大。另一方面，過高的激勵電平會增加晶體振蕩器的功率消耗，并對相位噪聲產(chǎn)生負面影響。此外，還會導(dǎo)致晶體振蕩器的不穩(wěn)定運行，特別是在長期施加過高激勵電平的情況下，會加速晶體老化，甚至使晶體損壞。由此，應(yīng)該將激勵電平維持在僅足夠確保晶體振蕩器正常啟動并規(guī)則振蕩的水平上。
[0016]激勵電平直接受控于振蕩器電路4的參數(shù)，并由處理單元5設(shè)置。這種參數(shù)可以是振蕩器電路4中的用于控制放大器增益并依此控制回路增益和激勵電平的可程控偏置電流。在本領(lǐng)域的公知技術(shù)中，偏置電流可由可程控電流源通過被接通或斷開的電流源晶體管生成?？蛇x地，上述參數(shù)可以是可程控負載電容器的電容。通過增加負載電容而減少回路增益并降低激勵電平?？沙炭刎撦d電容器能夠以一堆可被通斷電操作的小電容值的形式來實現(xiàn)。在本領(lǐng)域中還存在其它公知技術(shù)，例如，在回路中將可程控電阻與晶體串聯(lián)。
[0017]在下文中，將參照附圖2詳細介紹本發(fā)明的啟動方法。
[0018]步驟11中的啟動由外部事件觸發(fā)，例如事先處于未工作狀態(tài)(圖4中的區(qū)間A)下的包括類似無線電接收器、移動電話、智能電話或GNSS (全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))接收器等設(shè)備I的裝置(在區(qū)間B的起始點)被接通電源。在啟動期間，開關(guān)7將輸出信號用作時鐘信號的輔助振蕩器8連接于處理單元5。在步驟12中，處理單元5檢查運行值以及取決于實施例且屬于控制晶體3激勵電平的參數(shù)的啟動值是否被存儲于非易失性存儲器6的存儲位置中。在本實例中，所述控制參數(shù)為振蕩器電路4中的偏置電流。
[0019]如果上述參數(shù)的值已被存儲，則本發(fā)明方法繼續(xù)執(zhí)行步驟13。在步驟13中，處理單元5從非易失性存儲器中讀出啟動值。之后，該啟動值被使用，即:振蕩器電路4中的偏置電流被設(shè)置成該值，由此使晶體3在一段時間內(nèi)承受對應(yīng)的激勵電平。這段時間的長度剛夠確保晶體振蕩器2正常啟動并達到正常運行的穩(wěn)定狀態(tài)。在這一延時之后，在步驟14中，處理單元5從非易失性存儲器6中讀取運行值，然后將運行值作為參數(shù)應(yīng)用于振蕩器電路4。激勵電平由此被降低至某一電平。該電平可能不足以實現(xiàn)可靠的啟動，但能確保已被啟動的晶體振蕩器2的正常運行，而不會使晶體3承受不必要的損壞或加速老化的高風(fēng)險。啟動過程在步驟15結(jié)束。開關(guān)7的位置被改變，從而使其將此時產(chǎn)生時鐘信號的晶體振動器2連接于處理單元5。
[0020]如果啟動值和運行值前先并未被存儲于非易失性存儲器6中，那么啟動值會在步驟16中被確定。啟動值的確定可由下文將要介紹的多種方法實現(xiàn)。在此之后，經(jīng)確定的啟動值(于圖4中時間區(qū)間B的起始點)被應(yīng)用。
[0021]在一段延時之后，在步驟17中，處理單元5判斷晶體振蕩器2 (在圖4中時間區(qū)間B的終點)是否正常運行。對于該判斷而言，晶體振蕩器2的輸出信號被加以監(jiān)控，而晶體振蕩器2的頻率被與由輔助振蕩器8產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號的頻率相比較。在此之后，作為判斷正常運行的標(biāo)準(zhǔn)，下列條件將被使用:如果輸出信號的頻率偏離基準(zhǔn)頻率不超過某一預(yù)定量，則晶體振蕩器2運行正常，否則晶體振蕩器2運行不正常。這一檢驗過程可由計數(shù)器9和10完成，例如，在第一計數(shù)器9中對晶體振蕩器2的周期進行計數(shù)，并在第二計數(shù)器10中對輔助振蕩器10的周期進行計數(shù)，并在第二計數(shù)器10中的周期計數(shù)達到預(yù)定量時檢查第一計數(shù)器9中的周期計數(shù)是否在預(yù)定的容差區(qū)間內(nèi)。在這種(第一計數(shù)器9中的周期計數(shù)在預(yù)定的容差區(qū)間內(nèi))情況下，會發(fā)現(xiàn)晶體振蕩器2運行正常。
[0022]很顯然，晶體振蕩器2的輸出信號和基準(zhǔn)信號不必共享相同的頻率，輔助振蕩器8也不必非常精確，而只需了解晶體振蕩器2頻率與輔助振蕩器8頻率之間的名義關(guān)系即可。其中，晶體振蕩器2頻率與輔助振蕩器8頻率名義上是相同的，對于晶體振蕩器2是否正常運行的判斷可由單一的遞加/遞減計數(shù)器完成。該遞加/遞減計數(shù)器進行遞加計數(shù)，以響應(yīng)其中一個振蕩器信號，例如晶體振蕩器2的信號，以及進行遞減計數(shù)，以響應(yīng)其中另一個振蕩器信號，例如輔助振蕩器8的信號。如果計數(shù)的絕對值不大于預(yù)定閾值，那么可發(fā)現(xiàn)晶體振蕩器2運行正常。
[0023]如果在步驟17中發(fā)現(xiàn)晶體振蕩器運行正常，則繼續(xù)執(zhí)行步驟18中的方法，其中參數(shù)被按照降低激勵電平的方式修改，并返回步驟17，在步驟17中再次判斷晶體振蕩器2是否仍然運行正常。該參數(shù)每次被修改一步長?，F(xiàn)存多種修改該參數(shù)以降低激勵電平的方法。如果該參數(shù)為偏置電流，則其每次可被衰減一固定步長，或如果該參數(shù)為例如負載電容，則其每次可被增加一固定步長?；蛟搮?shù)可被設(shè)置為處理單元5從被存儲在非易失性存儲器6的查找表中讀出的下一個值，其中，查找表中的值分別構(gòu)成了遞減或遞增級數(shù)(序列數(shù)值)。還可以利用多個查找表，其中，各查找表與振蕩器電路4的其它屬性的影響激勵電平的不同值相關(guān)。例如，兩個偏置電流查找表可被使用，其中，各查找表分別與振蕩器電路4的負載電容所假定的兩個值中的一個相關(guān)。作為變形，還可以在兩種情況下使用相同的查找表，但要使用該查找表中負載電容的兩個值的不同的條目集合，盡管負載電容的兩個值的條目集合可能會出現(xiàn)重合。振蕩器電路2輸出信號上參數(shù)的步進式修改效果，即振蕩器電路2輸出電壓上參數(shù)的步進式修改效果，呈現(xiàn)于圖4中的時間區(qū)間C內(nèi)。
[0024]如果在步驟17中(圖4中的時間區(qū)間C的終點)，處理單元5已發(fā)現(xiàn)振蕩器電路2已經(jīng)停止正常運行，在圖4中反映為振蕩器電路輸出信號振幅在時間區(qū)間D起始點上的衰竭。那么上述方法執(zhí)行步驟19，即:在參數(shù)值中加入安全系數(shù)，并將結(jié)果作為運行值存儲在非易失性存儲器6中。優(yōu)選地，被添加的安全系數(shù)被選為已被用于該參數(shù)的值，且晶體振蕩器2在該值上已被發(fā)現(xiàn)可以正常運行。在參數(shù)為負載電容情況下，被添加的安全系數(shù)還可以是負數(shù)。在使用查找表的情況下，除與當(dāng)前值間隔開多個索引的固定差異的一條或多條其它條目之外，運行值可被簡單選為最后值。在這種情況下，安全系數(shù)可根據(jù)查找表中不同條目之間的差異而變化。在固定步長被使用的情況下，一個或多個步長可作為固定安全系數(shù)而被加入至上述最后值中。
[0025]總之，上述方法執(zhí)行步驟13，即:處理單元5再次從非易失性存儲器6中讀出啟動值并使用該啟動值。在一段延時后，上述方法接著執(zhí)行步驟14，即:處理單元5從非易失性存儲器6中讀出運行值并使用該運行值，以及以步驟15結(jié)束，正如步驟12中啟動值和運行值被發(fā)現(xiàn)已存在于非易失性存儲器6中的情況那樣。
[0026]在此之后，啟動值被再次使用，而當(dāng)晶體振蕩器2在一段延時(圖中的時間區(qū)間D)后被認為運行正常時(圖4中的開放式時間區(qū)間F的起始點)，上述參數(shù)被設(shè)置為運行值。
[0027]圖2中步驟16處的啟動值確定過程可通過將啟動值簡單設(shè)置為幾乎能夠確保，如可能性為95 %或更多的適當(dāng)啟動的某一值而實現(xiàn)，例如，該值可以是如圖3a步驟20中示出的由晶體3制造商設(shè)置的規(guī)定最大激勵