CN101663817B - 用于时基的温度补偿的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于时基的温度补偿的方法，所述时基由石英晶体振荡器驱动，该方法包括对温度具有线性频率依赖性的第二振荡器。该方法在由第二振荡器的预定数量的脉冲(61)给出的时间间隔(62，63......)期间针对至少三个不同的温度对石英晶体振荡器的脉冲(65)进行计数。然后基于所述三个脉冲计数值来计算第二振荡器周期随温度的变化的函数。然后在任何工作温度使用所述计算出的函数来校正由温度变化导致的石英晶体振荡器的频率变化。因此，可与任何偏移考虑无关地提供温度校正，且温度校正不依赖于三个不同温度的选择。
Description
技术领域
本发明涉及由石英晶体振荡器驱动的时基的温度补偿，用于进行这样的补偿的方法和装置。
晶体振荡器是使用振动的压电材料晶体的机械共振来产生具有非常精确的频率的电信号的电子电路。该频率用于不同的应用，例如记录时间或提供用于数字集成电路的稳定的时钟信号，以及稳定无线发射器的频率。
当使用石英晶体时，其压电现象导致石英晶体的表现如同由电感器、电容器和电阻器组成的具有精确的共振频率的电路。可针对从几十千赫兹到几十兆赫兹的频率来制造这样的晶体振荡器。
这样的振荡器的常见应用领域是手表、手机、计算机以及测试和测量设备，诸如计数器、信号发生器和示波器等。
背景技术
在许多应用中使用32768Hz的音叉晶体。对由这样的32768Hz音叉晶体驱动的时基的温度补偿是已知的。音叉晶体一般被切割为使得其频率相对于温度是以25℃为中心的抛物线。这意味着音叉晶体振荡器在室温下靠近其目标频率共振、但是当温度从室温升高或降低时低于目标频率共振。32768Hz的音叉晶体的通用抛物线系数是-0.04ppm/℃2。
根据US4,537,515，已知在来自浪琴(Longine)的产品(ConquestVHP)中实现了使用第二石英作为温度计并于1985年在市场上销售。
近来提出了在电子芯片中使用集成的温度计进行热补偿。在“Journéed’étude 2002 de la SociétéSuisse de Chronométrie(SSC)”，RenéRappo，ETA S.A.期间，提出了名为“Mouvements àquartz adaptés aux nouveauxcritères COSC( 
officiel Suisse des Chronomètres)”的文章。该补偿利用从32768Hz到1Hz对计数电路的分频率的调节。在Breitling和Omega市场产品中应用了该解决方案。在第一种情况下在8分钟时段内， 在第二种情况下在四和十六分钟时段内，有一秒具有不同的持续时间，以便实现周期性表速率的精确平均。
在这些已知的解决方案中，应用了根据CH 534 913已知的在分频器链中的脉冲抑制的原理。该原理要求在任何温度振荡器频率必须总是在32768Hz的理想频率以上。确实，该方法可仅减小平均速率。周期性地，秒周期中的一个周期将大于或等于其它周期。
根据US 4,537,515的解决方案需要另外的组件，即石英温度计，这是个缺点。这增加了电子模块体积。而且，石英温度计不是标准组件且必须针对市场专门生产。
另外，两个解决方案仅允许同时校正温度和偏移。这就不可能单独调节偏移率，因为温度补偿也会受到影响。
COSC(“ 
officiel Suisse des Chronomètries”)是瑞士官方精密时计测试机构并包括对由要被授予官方精密时计状态的各个表制造商提交的运转装置进行实际测试的实验室。每个运转装置在三个不同的温度在五个位置被单独测试十五天。来自RenéRappo的上述文章提供了通过使用在不同温度加热的三个房间、在每个温度测量三个不同值并根据需要计算偏移和温度补偿来产生满足COSC要求的运转装置的方法。
发明内容
本发明的目的是提供用于分别单独测量和控制偏移率和温度补偿的方法和装置。
本发明的又一目的是提供用于产生满足COSC要求的运转装置的改进方法。
本发明的又一目的是提供与表的COSC测试的现有技术仿真相比允许使用更不复杂的测量装备的改进方法。
本发明的又一目的是提供一种改进方法，该方法提供了具有更简单的编程补偿方案的装置。
本发明的目的是通过包括权利要求1或4的特征的方法和根据权利要求6的装置来实现的。
用于由石英晶体振荡器驱动的时基的温度补偿的方法包括对温度具有线性频率依赖性的第二振荡器。该方法在由第二振荡器的预定数量的脉 冲给出的时间间隔期间针对至少三个不同的温度对石英晶体振荡器的脉冲进行计数。然后基于所述三个脉冲计数值来计算第二振荡器周期随温度的变化的函数。因此，可与任何偏移考虑无关地提供温度校正，且温度校正不依赖于三个不同温度的选择。
在该方法用于针对COSC规范来检查表的情况下，仅需要提供大约8℃的一个房间和大约38℃的一个房间。尽管测量期间的温度必须稳定，但实际温度的值并不重要。可在大约室温进行又一个测量，从而允许更简单的测量方法。
可以使用临时电路进行测量，如果恰在那时候在石英和第二振荡器之间存在良好的热接触。基于允许专用集成电路简单编程的估计值，基于用于抛物线函数的三个值，可以在生产线结束时使用包括所述石英和第二振荡器的该方法来重新组装表或任何其它电子装置。而且，然后可以在稍后独立地提供石英的偏移校正。这允许使用任何石英振荡器的特性以在几天或更长的时间(例如几星期或几个月)之后达到其限制偏移值。
因为用于温度和偏移的校正具有相反的符号，所以两种类型的补偿的当前补偿值可被非常容易地检查，并因此如果例如交替地应用则可被独立地跟踪。
第二振荡器可被选择为弛张振荡器，特别地为RC振荡器，其具有基于乘积R×C的振荡频率且遵循准线性温度依赖关系。
本发明使得能够通过区分以下两个校正源并通过进行单独的测量来补偿石英表中的频率变化：
-周期性地校正温度变化，以及
-一次性地，即在制造期间，以及-可选地-如果需要特别服务则随后调节石英偏移。
该方法允许在两个制造阶段对两组补偿参数进行编程，即初始在三个编程温度处进行精确控制，随后当电子模块被置入表壳中时将所述表壳的影响引入编程。
如果估计出频率变化的原因，则能够单独地测试两个校正中的每个，这是个优点，特别是对售后服务来说。
通过在从属权利要求中描述的特征实现了更多目的和优点。
附图说明
现在参照附图举例描述本发明。
图1示出根据本发明的方法和装置中使用的温度传感器和石英晶体针对不同温度的频率偏离的示意图，
图2示出弛张电路和石英振荡器的计数脉冲的示意图，
图3示出音叉晶体的性能随温度而变化的示意图，
图4示出对由石英晶体振荡器驱动的时基进行了温度补偿的装置的示意图，
图5示出表速率的温度补偿的示意图，
图6示出通过抑制进行速率调节的示意图，
图7示出表速率和通过抑制进行调节的组合温度补偿的示意图，以及
图8示出石英振荡器的负载电容对频率相对差距的影响和相关性。
具体实施方式
本发明的一个实施例涉及一种改进电子表的速率精度的方法和集成电路。通过32768Hz的音叉晶体来驱动时基。在三个不同温度的校准过程和针对每个电路或表运转装置的特定编程之后对表速率进行了温度补偿。
根据本发明的集成电路包括具有以下输出信号的传感器：该输出信号是温度10的线性单调函数20。可使用具有随温度准线性变化的周期的弛张振荡器对石英时基的速率进行温度补偿。图1示出了温度传感器的频率偏离函数20和石英晶体的频率偏离函数30的示意图。
根据针对所讨论的温度间隔(例如从-10℃到+50℃)的双箭头42，频率偏离40例如约为200000到400000ppm。图形线20所基于的函数可通过1次多项式函数(或线性函数)来近似。
另一方面，石英本身的温度依赖性30是抛物线函数，其中根据在所关注的温度间隔上的箭头43，频率偏离40约为20到40ppm。
附图标记51、52和53指示三个不同的温度，例如约8℃、约23℃以及约38℃。这些温度被选择为在COSC验证处理中使用的三个温度附近，但是这些温度也可以被完全不同地选择。
与石英频率的变化相比，这样的弛张振荡器的灵敏度较高。周期的相对变化可达每摄氏度0.5％，例如5000ppm。石英频率的变化按绝对值计算在-10℃到50℃的范围内通常小于2ppm/℃。
图2示出了弛张电路和石英振荡器的计数脉冲的示意图。一方面，弛张振荡器允许通过对给定数量的脉冲61进行计数来生成随温度变化的时间窗W(T)。在具有相同的虚拟起始点的情况下，附图标记62与初始温度T1相关，而附图标记63与不同的温度T2处的时间间隔的长度相关。尽管脉冲61的数量是预定并相等的，但因为两个时间间隔不同，所以选择两个附图标记62和63来示出时间间隔的长度。
在不同的实施例中，生成时间窗W(T1)、W(T2)的脉冲61的数量可以不同，但是接着必须调整用于计算差分时间窗的随后步骤。例如，如果在T2使用了在T1使用的脉冲数量的3/2，则相关的时间间隔是W′(T2)＝2/3×W(T2)，这里，W(T2)是用相同数量的脉冲61生成的时间间隔。
另一方面，石英频率允许通过对另一给定数量的脉冲65进行计数来生成可被视为独立于温度的参考窗W2，即，数字64。然后可以生成通过在等于两个窗之差W＝W(T2)-W(T1)的时间64期间对石英振荡器的脉冲65进行计数而获得的、表示弛张振荡器周期随温度变化的信号P(T)。固有的(由于对脉冲进行计数)，量P(T)是由弛张振荡器周期给出的取决于温度的整数。选择W(T)的长度以对所述差获得足够多数量的脉冲。举三个例子，脉冲61的数量可被选择为相当于10秒、1分钟或10分钟。所述数量也可被选择为提供更长或更短的测量时间。
换句话说，对由弛张振荡器发出的给定数量的脉冲61进行计数。弛张振荡器生成这些脉冲所需的时间取决于弛张振荡器的温度，从而生成不同长度的时间窗W(T)。因此时间62处的点与初始温度T1相关而时间63处的点与不同的温度T2处的时间间隔的长度相关。如后面所述，该方法使用并需要在不同的温度T3处的额外时间窗W(T3)。
针对每个温度(T1，T2和T3)对根据石英频率生成的脉冲进行计数，则存在根据石英频率生成的不同数量的脉冲，从而产生与脉冲65的数量相关的所述差的参考窗W2，其中图2的图示基于虚拟的(相同)起始点。
因此上述步骤允许测量从弛张振荡器得出的时段D1T1、D2T2和D3T3以及要在下面说明的校准步骤中使用的石英频率YT1、YT2和YT3与额定 值32768赫兹相比的相对差距。其中T1、T2和T3是三个不同的温度，其中对获得窗W2的脉冲的描述分别与T1和T2或T2和T3或T1和T3之间的窗相关。本领域技术人员已知图1所示的抛物线函数30足以由三个值限定，这是因为指数为二的多项式方程是具有三个系数的二次(平方)方程。因此完全可以基于三个脉冲计数值来计算第二振荡器周期随温度的变化20的函数，但是当然可针对更多不同的温度使用多于三个脉冲计数值。然后补偿步骤使用所述计算出的函数来在任何工作温度(即温度T，其中T＜T1、T1＜T＜T2、T2＜T＜T3或T3＜T成立)校正由温度变化导致的石英晶体振荡器101的频率变化。
为了控制最终产品，本发明的一个实施例使用两分钟上的时间积分以示出温度校正的值和偏移校正的值。稍后结合图7示出该示例。
图3示出音叉晶体的频率性能71随温度72变化的示意图。频率73被示出为在接收到值0的理想频率附近变化。标记Q用于取决于温度的校正，K用于独立于温度的校正，即与偏移校正相关。
已知音叉晶体频率73的变化可由根据温度72的二次函数描述。Tinv是石英呈现最高频率的温度，通常在25℃附近。该漂移的补偿需要性质相同但符号相反的函数Q(T)。可使用脉冲P(T)的数量的二次转换来生成该函数。
信号Q(T)必须满足若干条件以使得温度补偿最优地适配在表中使用的石英101和弛张振荡器105。用于石英振荡器的温度补偿的校准过程需要石英频率和弛张振荡器周期的三对值。校准包括测量从弛张振荡器得出的时段D1T1、D2T2和D3T3以及石英频率YT1、YT2和YT3与额定值32768Hz相比的相对差距。其中T1、T2和T3是三个不同的温度，例如图1中具有附图标记51、52或53的温度，其中，这些温度的绝对值不重要。所获得的函数Y(D)允许对编程二次热补偿Q(T)所需的参数进行明确的计算，这是由于图1所示的抛物线函数30足以由三个这样的值限定。必须注意，不必知道温度值51、52和53来进行该校准过程。
因为该过程参考额定值32768Hz，所以在哪个时间进行校准不重要。可在具有时基的表或其它电子装置的任何生产阶段进行该校准过程。
图4示出对由石英晶体振荡器101驱动的时基进行了温度补偿的装置100的示意图。石英振荡器101包含在通过电接触105与控制单元102连接的封装中。控制单元102可根据可以使用稳定的石英振荡器101的任何 应用(即需要温度补偿的时基的表、GPS装置和其它装置)而包括不同的控制电路。通常这样的控制单元102可在专用集成电路内实现。根据本发明，所述控制单元102包括弛张电路103。为了进行校准，石英振荡器101通过热连接器104与包含在控制单元102中的弛张电路103热连接。应当注意热连接器104以及电连接器线105在生产线中可间歇地使用，即，最终装置可包括不同的热连接器104和/或不同的电连接，只要在装置的最终安装阶段内实现了紧密热接触即可。电路103还可在控制单元102之外。
本发明基于以下理解：该方法和装置执行两个不同的校正步骤。这些步骤称为“预置”和“抑制”，下面结合图5和图6予以说明。
图5示出了表速率的温度补偿的示意图。MINV是当表处于石英转变温度时的速率。附图标记71示出时基的长度，例如以任意单位表示的与时基相关的“秒”。在该图示中，可认为线71示出了秒的正确长度。MT对应于水平线72，例如对应于在温度T的更长(频率更低)的不正确速率的长度。因此在热补偿周期内引入了更短的秒73。字母Q与图3所示的补偿相关联。校正使得更短的秒的线73和线71之间的面积83等于剩余时间中的线72和71之间的面积82。根据图5应当清楚示意图没有按比例绘制。
根据图5实现的“预置”过程设置开始计数值。则计数到最大计数的数小于当在零处开始时的数。
然后结合图6来示出“抑制”过程，图6示出通过抑制进行的速率调节的示意图。通过在定期的间隔处***更长的秒时段来获得与温度无关的该校正。在这方面，图6的实施例在假设根据图5的校正已经执行的情况下开始。因此在Minv处被校正了的MT中，MT已被偏移。应当注意，如果温度保持恒定，则根据图6的偏移校正也可独立地且在图5的校正之前执行。水平线172与未校正的石英振荡器相关。尽管附图标记172示出时基的长度，例如以任意单位表示的与时基相关的“秒”，但预期要校正的时基是线171。
因此Minv对应于水平线172，例如对应于未校正速率的更短(频率更高)的长度。在偏移补偿周期内引入了更长的秒173。字母K与图3所示的补偿相关联。校正使得更长的秒的线173和线171之间的面积183等于剩余时间中的线172和171之间的面积182。根据图6应当清楚示意图没有按比例绘制。
抑制的过程包括在计数器的输入处除去给定数量的脉冲。因此最大计数是经抑制的脉冲的数量加上计数器范围的和。由两个方法导致的修改具有相反的符号并示意地对应于图1中的矢量Q和K。
优选地首先编程函数“预置”并进行正校正。这相当于加速表速率或提高石英频率。校正取决于温度并且可基于在不同的温度获得的三个计数值来直接计算。石英的热漂移被补偿为使得速率恒定并且等于石英转变温度TINV处的速率。出于实际目的，通过周期性地***更短的秒来获得校正Q。例如，每四分钟有一秒的时段短于其它的秒时段。
速率校正“抑制”还被称为“偏移校正”，对应于图3中的矢量K。该校正是负的。这等同于降低表速率或具有温度补偿的时基的另一电子装置的定时信号。速率的该数字调节方法是众所周知的且用在大多数石英表中。通过周期性地***更长的秒来进行抑制。例如，每四分钟一秒时段长于其它秒时段以便降低速率。该校正不取决于温度。值K基于温度补偿之后的平均速率的测量来计算。由于温度补偿的在前调节，随后在生产流程中可在任何温度应用速率调节过程。这允许放松频率调节期间的环境约束。一般而言，对于不具有经温度补偿的速率的表，调节包括消除在室温或给定的温度设置(例如人佩戴的表的平均温度)的速率误差。
而且，为了区分测量期间的两个函数，如图7所示周期性且交替地(例如每两分钟)进行温度补偿和抑制。正确的时间线是虚线271。秒的“不正确”长度由线272表示。通过由偏移校正导致的更长的秒274和由温度校正导致的更短的秒273来校正该时基。校正274被固定地编程而校正273是在装置的当前温度下的当前校正。更短的时基部分的面积283等于更长的时基部分的面积284，即装置的用户看到装置在时间线271上工作。
该校准过程具有以下优点：
-用于温度补偿或“预置”的校正Q和用于抑制或“偏移校正”的校正K具有相反的符号。
-两个调节完全独立。优选地在热补偿Q之后进行偏移的校正K的编程，以允许偏移接近其限制值，这是由于频率的变化是对数变化。
-可在将石英安装到电子装置中之后(例如在交付时将运转装置(表芯)安装到表盒中之后)并通过考虑在较长时段(几小时或几天)积分的存储温度的独立速率，进行通过抑制对偏移校正的精确调节。
-石英振荡器与附近的物体(如运转装置)敏感相关。因此石英振荡 器将在组装电子模块之后并进一步在将经组装的装置嵌入表壳中之后受到影响。
如果在石英转变温度处的频率高于32768Hz，则可使用具有更大的频率调节容限的石英。通过常见的温度补偿方法，图3的抛物线上的所有点对于给定的温度隙(例如0℃到50℃)必须高于额定值32768Hz。这是因为使用抑制的校正仅可向下校正ppm差距，这意味着减小石英速率。
图8示出石英振荡器的负载电容对于频率相对差距的影响和相关性。该实施例示出由于更有利的电容性负载而导致的振荡器稳定性的改进。具有额定负载电容CL0的例如32768Hz石英的标准规格仅考虑室温附近的容限。在这种模式下，与集成电路相关联的石英性能的温度特性必须使用高于32768Hz(图3中的0ppm水平)的值，且这就足够了。图8示出了频率的相对差距随负载电容CL的变化。这针对两个不同的温度示出：在接近室温的转变温度Tinv处的差距91，和在5℃温度处的差距92。为了在任何温度保证高于32768Hz的频率，应当清楚工作点必须以低于CL0的CL值向左偏移。在该点的特性曲线的斜坡更陡；由电容干扰引入的频率相对变化具有更大的幅度并因此更不稳定。
尽管参考了32768Hz的音叉晶体，但应当清楚如果测量三个温度值以提供温度变化的近似抛物线函数的参数，则可以使用任何不同类型的石英晶体。应当注意在不同的温度获得四个或更多值允许获得用于对温度变化的更高阶函数进行编程的参数。唯一重要的是第二振荡器的灵敏度要显著高于(＞10倍，优选地＞100倍或更多)石英振荡器对于温度的灵敏度。
Claims (6)
1.一种用于时基的温度补偿的方法，所述时基由具有关于温度的抛物线频率特性的石英晶体振荡器(101)驱动，其中使用对温度具有线性频率依赖性(20)的第二振荡器(103)，该方法包括以下步骤：
-在由所述第二振荡器(103)的预定数量的脉冲(61)给出的时间间隔期间针对至少三个不同的温度(51，52，53)对所述石英晶体振荡器(101)的脉冲(65)进行计数，其中针对每个温度被计数了的所述脉冲(65)对于所述每个温度而言是有代表性的，
-基于针对所述至少三个不同的温度(51，52，53)所计数的所述石英晶体振荡器(101)的脉冲(65)的数量来计算所述第二振荡器周期随温度的变化(20)的函数以及石英频率随温度的变化(30)的函数，以及
-使用所述第二振荡器周期随温度的变化(20)的函数来在任何工作温度校正由温度变化导致的所述石英晶体振荡器(101)的频率变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述石英晶体振荡器(101)被安装为与所述第二振荡器(103)间歇地热(104)和电(105)连接，用于估计所述石英晶体振荡器(101)的为抛物线的变化(30)的函数的参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少三个温度被选择为接近8℃、接近38℃以及接近23℃。
4.一种具有温度补偿了的时基的装置，包括石英晶体振荡器(101)和对温度具有线性频率依赖性(20)的第二振荡器(103)，其特征在于，所述装置还包括基于根据权利要求1-3之一所述的方法的编程温度补偿来提供校正信号(73，173，273，274)的控制单元(102)。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述石英晶体振荡器(101)是32768Hz的音叉振荡器。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，所述第二振荡器(103)是弛张振荡器或RC振荡器。
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