EP1295396A2 - Kalibriervorrichtung und -verfahren für die taktgenerierung auf einem integrierten schaltkreis - Google Patents

Kalibriervorrichtung und -verfahren für die taktgenerierung auf einem integrierten schaltkreis

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Publication number
EP1295396A2
EP1295396A2 EP01949212A EP01949212A EP1295396A2 EP 1295396 A2 EP1295396 A2 EP 1295396A2 EP 01949212 A EP01949212 A EP 01949212A EP 01949212 A EP01949212 A EP 01949212A EP 1295396 A2 EP1295396 A2 EP 1295396A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
clock
target
calibration
oscillator
calibration device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01949212A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Kranz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1295396A2 publication Critical patent/EP1295396A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation

Definitions

  • the invention relates to a calibration device and a calibration method for an oscillator located on an integrated circuit.
  • the invention relates to a frequency standard for applications in the radio range, which can be implemented with the aid of the calibration device according to the invention.
  • a frequency standard is required that works with a high degree of accuracy even when switched off or in the standby state.
  • a frequency standard e.g. for devices with a radio interface, synchronization is maintained in standby mode between two devices.
  • Devices with a radio interface typically have a high-frequency crystal oscillator (for example with a frequency of 13 MHz). However, this crystal oscillator is only active when it is switched on; the high-frequency crystal oscillator is switched off in the standby state.
  • a high-frequency crystal oscillator for example with a frequency of 13 MHz.
  • a second crystal oscillator is provided in previously known solutions, which is permanently active.
  • a clock quartz with a natural frequency of 32 kHz or 32.768 kHz is typically used for this quartz oscillator.
  • Watch crystals are characterized by a low power consumption and are therefore particularly suitable for use in standby mode.
  • a disadvantage of such a solution is that two quartz oscillators must be provided.
  • the object of the invention is to provide a suitable calibration device for realizing an accurate frequency standard, which can be constructed inexpensively and in a space-saving manner. Another object of the invention is to provide a suitable calibration method.
  • a reference oscillator which is activated from time to time.
  • This reference oscillator is the high-frequency crystal oscillator mentioned above.
  • This reference oscillator is used to calibrate the clock generation means located on the integrated circuit, which permanently generate both an internal clock and the desired target clock. These means for clock generation represent the actual frequency standard, the required accuracy being ensured by repeated calibration with the reference oscillator.
  • the calibration itself is carried out with the aid of a calibration circuit, to which both the internal clock generated by the frequency standard and the reference clock of the quartz oscillator are fed.
  • the calibration circuit determines the clock ratio between the internal clock and the reference clock and influences the target clock depending on the determined clock ratio, in order to ensure the desired frequency accuracy of the target clock.
  • the advantage of this solution is that the second, permanently active clock quartz oscillator can be omitted without replacement. On the one hand, this reduces the number of components required, which is why the frequency standard according to the invention can be constructed inexpensively. On the other hand, the space requirement decreases what is particularly important for applications in the mobile radio sector, for example in GSM mobile phones.
  • the means for clock generation comprise a local oscillator located on the integrated circuit, which generates the internal clock and the target clock, the internal clock being identical to the target clock.
  • the internal clock is not subjected to frequency division, but is used directly as the target clock.
  • the means for clock generation include a local oscillator, which is located on the integrated circuit and generates the internal clock, and a frequency divider, which is also located on the integrated circuit and the internal clock in the Converts target clock.
  • the local oscillator generates a high-frequency internal clock, which is then converted into the low-frequency target clock by means of a frequency divider. This solution allows the desired target clock to be generated with high accuracy.
  • the means for influencing the target clock can be implemented by using a programmable frequency divider.
  • a programmable frequency divider allows the target clock to be set as a function of the clock ratio determined by the calibration circuit.
  • the target frequency is changed precisely and immediately.
  • the target frequency output can be set very precisely by digitally specifying the frequency division.
  • the oscillator is not affected and therefore transient and overshoot processes can be avoided.
  • a digital fractional divider is used as the programmable divider.
  • Such a fractional divider can be used to carry out a frequency division that is accurate to a fraction, and therefore the output target frequency can be set very precisely by means of such a divider.
  • the means for influencing the target clock can also be implemented by using a tunable local oscillator.
  • the internal clock generated can be influenced by varying resistances and / or capacitances and / or control voltages or control currents. Since the target clock is either identical to the internal clock or is derived from it by frequency division, this can also influence the generated target clock. This allows the target clock to be set as a function of the clock ratio determined by the calibration circuit.
  • This analog embodiment which can be produced with little structural effort, enables the target clock generated to be varied continuously and represents an inexpensive alternative to the use of digital frequency dividers.
  • the reference oscillator changes periodically from the passive state to the active state and vice versa from the active state back to the passive state.
  • the local oscillator is therefore calibrated at regular intervals and therefore the deviations of the generated target clock from the desired target clock are within narrow tolerance limits.
  • an external timer which controls the transition of the reference oscillator from the passive state to the active state and vice versa from the active state back to the passive state. This is the easiest way to activate and activate the reference oscillator at regular intervals to have the local oscillator calibrated.
  • the external timer can also take over other control processes, so that the additional construction work is put into perspective.
  • the generated target clock itself to control the transition of the reference oscillator from the passive state to the active state and vice versa from the active state back to the passive state. If you use the generated target clock to control the calibration cycle, you only need to use a simple additional counter module instead of a complete timer circuit. The use of the target cycle to control the calibration cycle thus allows a simple and cost-saving solution with little effort on components.
  • the transition of the reference oscillator from the passive state to the active state and vice versa from the active state back to the passive state takes place synchronized with the switching on and off of the overall system.
  • the reference clock is used to generate the target clock instead of the internal clock.
  • the target clock is derived from the robust and frequency-accurate crystal oscillator. This is particularly advantageous if disturbances of the local oscillator must be expected during the calibration process.
  • the calibration process is synchronized with the switching on and off of the entire system, it is advantageous to derive the target clock during the calibration process from the reference oscillator because the reference oscillator is less disturbed by switching on and off than the local oscillator.
  • switching on the power amplifier for transmission in GSM mobile phones leads to disturbances in the local oscillator because, on the one hand, the supply voltage drops and, on the other hand, there is high-frequency interference.
  • the transition of the reference oscillator from the passive state to the active state is triggered by an external fault signal.
  • the target clock is derived from the reference oscillator in the event of a fault.
  • quartz oscillator Because of the high frequency accuracy and stability of quartz crystals, it is advisable to use a quartz oscillator as the reference oscillator.
  • the invention is particularly suitable for use in devices for sending and receiving data. It is particularly important for mobile devices such as cell phones. tig that the device needs a small number of components and can be built small.
  • the calibration method according to the invention for clock generation on an integrated circuit offers the particular advantage that the reference oscillator does not have to be permanently in the active state, but is only converted from the passive state to the active state for carrying out the calibration. This makes the use of a permanently active watch quartz superfluous.
  • Fig.l is a schematic overview of the calibration device according to the invention.
  • a local oscillator 2 is provided on an integrated circuit and remains active even in standby mode. This local oscillator 2 generates an internal clock 3 of 307.2 kHz, which is fed to the digital programmable frequency divider 4.
  • the frequency divider 4 is also located on the integrated circuit and remains active in the standby mode. In accordance with the division ratio specified by the parameters m and n, the frequency divider 4 converts the internal clock 3 into the target clock 5.
  • m gives the integer part and n the fractional part of the division ratio related to the denominator 128, so that:
  • the internal clock is 307.2 kHz
  • the target clock serving as the frequency standard is 1.6 kHz.
  • the local oscillator 2 Since the internal clock 3 generated by the local oscillator 2 does not have the required long-term stability, the local oscillator 2 must be recalibrated at certain intervals. This is done by resetting the parameters m and n of the programmable frequency divider 4. For the calibration, the reference oscillator 6 is switched on and generates a reference clock 7 by means of the quartz crystal 9, which in the example shown is 13 MHz.
  • Both 'of the internal clock 3 and the reference clock 7 are supplied to the calibration circuit 8 which detects the timing relationship between the internal clock and reference clock. For this purpose, the number of clock cycles of the reference oscillator 6 is counted within a certain period of time, this period of time being determined by
  • 1024 clocks of the slower local oscillator 2 is determined.
  • the slower the local oscillator 2 vibrates the longer the measurement period and the more clocks of the reference oscillator 6 are counted.
  • a frequency of the local oscillator of 307.2 kHz one results Measuring time of 3.33 milliseconds, and 43,333.3 cycles of the reference oscillator 6 are counted in this period.
  • the determined number of 13 MHz cycles is indirectly proportional to the division ratio.
  • the following program shows how the parameters m and n for the programmable frequency divider can be obtained from the number fcnt of 13 MHz clock cycles. The number 8,320,000 results from this
  • the fractional part n of the division ratio allows the division ratio to be set exactly.
  • the target cycle 5 can thus be kept constant with an accuracy of 250 ppm; at a frequency of 1.6 kHz, this corresponds to a frequency error of less than 0.4 Hz.
  • the internal clock frequency is divided not only by a factor of 162, but by a factor 163 increased by 1 in order to obtain the frequency of the target clock.
  • the fractional part n of the division ratio can be taken into account evenly distributed over 128 division cycles.
  • the respective division cycle is indicated in the lower line, and the associated division ratio in the upper line.
  • the integer part m is modified every fourth cycle. After 108 division cycles, m is changed for the last time.

Landscapes

  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

Zur Erzeugung eines genauen Frequenznormals (5) auf einem integrierten Schaltkreis wird vorgeschlagen, in gewissen Zeitabständen einen Referenzoszillator (6) zu aktivieren und den lokalen Oszillator (2) zu kalibrieren. Dazu ist eine Kalibrierschaltung (8) vorgesehen, die das Taktverhältnis zwischen internem Takt (3) und Referenztakt (7) ermittelt. Das ermittelte Taktverhältnis dient zur Programmierung eines Frequenzteilers (4). Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz in Mobilfunkgeräten.

Description

Beschreibung
Kalibriervorrichtung und -verfahren für die Taktgenerierung auf einem integrierten Schaltkreis
Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung sowie ein Kalibrierverfahren für einen auf einem integrierten Schaltkreis befindlichen Oszillator. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Frequenznormal für Anwendungen im Funkbereich, welches mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung verwirklicht werden kann.
In vielen Applikationen wird ein Frequenznormal benötigt, das auch im ausgeschalteten Zustand bzw. im Standby-Zustand mit einer hohen Genauigkeit arbeitet. Mit einem derartigen Frequenznormal kann z.B. bei Geräten mit Funk-Schnittstelle die Synchronisation im Standby-Betrieb zwischen zwei Geräten aufrechterhalten werden.
Geräte mit Funk-Schnittstelle weisen typischerweise einen hochfrequenten Quarzoszillator (beispielsweise mit einer Frequenz von 13 MHz) auf. Dieser Quarzoszillator ist allerdings nur im eingeschalteten Zustand aktiv; im Standby-Zustand ist der hochfrequente Quarzoszillator ausgeschaltet.
Um die Funktion des Frequenznormals auch im ausgeschalteten Zustand bzw. im Standby-Zustand aufrechterhalten zu können, ist bei bisher bekannten Lösungen ein zweiter Quarzoszillator vorgesehen, der permanent aktiv ist. Typischerweise wird für diesen Quarzoszillator ein Uhrenquarz mit einer Eigenfrequenz von 32 kHz oder 32,768 kHz verwendet. Uhrenquarze zeichnen sich durch eine geringe Leistungsaufnahme aus und sind daher für eine Verwendung im Standby-Zustand besonders geeignet. Nachteilig an einer derartigen Lösung ist, daß zwei Quarzos- zillatoren vorgesehen werden müssen. Aufgabe der Erfindung ist es, zur Realisierung eines genauen Frequenznormals eine geeignete Kalibriervorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche kostengünstig und platzsparend aufgebaut werden kann. Aufgabe der Erfindung ist außerdem, ein geeignetes Kalibrierverfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kalibriervorrichtung für die Taktgenerierung auf einem integrierten Schaltkreis gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Kalibrierverfahren gemäß Anspruch 16 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung ist lediglich ein Referenzoszillator vorgesehen, der von Zeit zu Zeit aktiviert wird. Bei diesem Referenzoszillator handelt es sich um den oben erwähnten hochfrequenten Quarzoszillator. Dieser Referenzoszillator dient zur Kalibrierung der auf dem integrierten Schaltkreis befindlichen Mittel zur Taktgenerierung, die permanent sowohl einen internen Takt als auch den gewünschten Zieltakt erzeugen. Diese Mittel zur Taktgenerierung stellen das eigentliche Frequenznormal dar, wobei die erforderliche Genauigkeit durch wiederholtes Kalibrieren mit dem Referenzoszillator sichergestellt wird.
Die Kalibrierung selbst wird mit Hilfe einer Kalibrierschal- tung durchgeführt, der sowohl der vom Frequenznormal erzeugte interne Takt als auch der Referenztakt des Quarzoszillators zugeführt werden. Die Kalibrierschaltung ermittelt das Takt- verhältnis zwischen dem internen Takt und dem Referenztakt und beeinflußt den Zieltakt in Abhängigkeit vom dem ermittel- ten Taktverhältnis, um so die gewünschte Frequenzgenauigkeit des Zieltakts zu gewährleisten.
Vorteil dieser Lösung ist, daß der zweite, permanent aktive Uhrenquarz-Oszillator ersatzlos entfallen kann. Dadurch redu- ziert sich zum einen die Zahl der erforderlichen Bauteile, weshalb das erfindungsgemäße Frequenznormal kostengünstig aufgebaut werden kann. Zum anderen sinkt der Platzbedarf, was insbesondere für Anwendungen im Mobilfunkbereich, beispielsweise bei GSM-Handys, von Bedeutung ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung um- fassen die Mittel zur Taktgenerierung einen auf dem integrierten Schaltkreis befindlichen lokalen Oszillator, der den internen Takt sowie den Zieltakt erzeugt, wobei der interne Takt mit dem Zieltakt identisch ist . Bei dieser einfachen und kostengünstig zu realisierenden Ausführungsform der Erfindung wird der interne Takt keiner Frequenzteilung unterworfen, sondern unmittelbar als Zieltakt verwendet.
Gemäß einer anderen vorteilhaf en Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Taktgenerierung einen lokalen Oszil- lator, der sich auf dem integrierten Schaltkreis befindet und den internen Takt erzeugt, sowie einen Frequenzteiler, der sich ebenfalls auf dem integrierten Schaltkreis befindet und den internen Takt in den Zieltakt umwandelt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erzeugt der lokale Oszillator ei- nen hochfrequenten internen Takt, der dann mittels eines Frequenzteilers in den niederfrequenten Zieltakt umgesetzt wird. Diese Lösung erlaubt es, den gewünschten Zieltakt mit hoher Genauigkeit zu erzeugen.
Die Mittel zur Beeinflussung des Zieltakts lassen sich durch Verwendung eines programmierbaren Frequenzteilers realisieren. Ein derartiger programmierbarer Frequenzteiler erlaubt die Einstellung des Zieltakts in Abhängigkeit von dem durch die Kalibrierschaltung ermittelten Taktverhältnis. Bei Umpro- grammierung des programmierbaren Frequenzteilers erfolgt eine präzise, sofortige Änderung der Zielfrequenz. Durch die digitale Vorgabe der Frequenzteilung läßt sich die ausgegebene Zielfrequenz sehr genau einstellen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Oszillator nicht beeinflußt, und deshalb können Ein- und Überschwingvorgänge vermieden werden. Es ist von Vorteil, wenn als programmierbarer Teiler ein digitaler fraktionaler Teiler verwendet wird. Mittels eines derartigen fraktionalen Teilers läßt sich eine auf Bruchteile genaue Frequenzteilung durchführen, und deshalb ist die aus- gegebene Zielfrequenz mittels eines derartigen Teilers sehr genau einstellbar.
Die Mittel zur Beeinflussung des Zieltakts lassen sich auch durch Verwendung eines durchstimmbaren lokalen Oszillators realisieren. Durch Variation von Widerständen und/oder Kapazitäten und/oder von Steuerspannungen bzw. Steuerströmen läßt sich der erzeugte interne Takt beeinflussen. Da der Zieltakt entweder mit dem internen Takt identisch ist oder durch Frequenzteilung aus diesem hervorgeht, läßt sich dadurch auch der erzeugte Zieltakt beeinflussen. Dies erlaubt eine Einstellung des Zieltakts in Abhängigkeit von dem durch die Kalibrierschaltung ermittelten Taktverhältnis.
Diese mit geringem baulichen Aufwand herstellbare analoge Ausführungsform ermöglicht eine kontinuierliche Variation des erzeugten Zieltakts und stellt eine preisgünstige Alternative zur Verwendung digitaler Frequenzteiler dar.
Es ist von Vorteil, wenn der Referenzoszillator in periodi- sehen Abständen vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt vom aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand übergeht . Somit erfolgt in regelmäßigen Abständen eine Kalibrierung des lokalen Oszillators und daher bewegen sich die Abweichungen des erzeugten Zieltakts vom gewünschten Zieltakt innerhalb enger Toleranzgrenzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein externer Timer vorgesehen, der den Übergang des Referenzoszillators vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und um- gekehrt vom aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand steuert. Dies stellt die einfachste Möglichkeit dar, den Referenzoszillator in regelmäßigen Abständen zu aktivieren und eine Kalibrierung des lokalen Oszillators zu veranlassen. Der externe Timer kann auch noch andere Steuervorgänge übernehmen, so daß sich der bauliche Mehraufwand relativiert.
Es ist von Vorteil, den erzeugten Zieltakt selbst zur Steuerung des Übergangs des Referenzoszillators vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt vom aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand zu verwenden. Wenn man den erzeugten Zieltakt zur Steuerung des Kalibrierzyklus ver- wendet, ist anstelle einer kompletten Timerschaltung nur die Verwendung eines einfachen zusätzlichen Zählerbausteins erforderlich. Die Verwendung des Zieltakts zur Steuerung des Kalibrierzyklus erlaubt also eine einfache und kostensparende Lösung bei geringem Aufwand an Bauteilen.
Es ist von Vorteil, wenn der Übergang des Referenzoszillators vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt vom aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand synchronisiert mit dem Ein- und Ausschalten des Gesamtsystems erfolgt. Bei vielen Applikationen im Funkbereich ist es notwendig, das Funkgerät in regelmäßigen Abständen einzuschalten und die Verbindung mit der Basisstation herzustellen. Dies gilt beispielsweise für die Verbindung zwischen Basisstation und Handy gemäß dem GSM-Standard. Es ist von Vorteil, bei derartigen Systemen den Kalibriervorgang an das Einschalten des Gesamtsystems zu koppeln.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird während der Zeitspannen, in denen sich der Refe- renzoszillator im aktiven Zustand befindet, anstelle des internen Takts der Referenztakt zur Erzeugung des Zieltakts herangezogen. Während der Kalibrierung wird der Zieltakt also von dem robusten und frequenzgenauen Quarzoszillator abgeleitet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn während des Kalibriervorgangs mit Störungen des lokalen Oszillators gerechnet werden muß. Insbesondere wenn der Kalibriervorgang synchronisiert mit dem Ein- und Ausschalten des Gesamtsystems erfolgt, ist es von Vorteil, den Zieltakt während des Kalibriervorgangs vom Referenzoszillator abzuleiten, weil der Referenzoszillator durch Ein- und Ausschaltvorgänge weniger stark gestört wird als der lokale Oszillator.
Beispielsweise führt das Einschalten des Leistungsverstärkers für den Sendebetrieb bei GSM-Handys zu Störungen des lokalen Oszillators, weil zum einen die Versorgungsspannung absinkt, und weil zum anderen eine hochfrequente Einstreuung erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Übergang des Referenzoszillators vom passiven Zustand in den aktiven Zustand durch ein externes Storsignal veranlaßt. Unabhängig vom Kalibriervorgang wird der Zieltakt hier bei Vorliegen einer Störung vom Referenzoszillator abgeleitet. Obwohl die Störung den lokalen Oszillator beeinflußt, bleibt ein stabiles Frequenznormal gewährleistet .
Wegen der hohen Frequenzgenauigkeit und -Stabilität von Schwingquarzen empfiehlt es sich, als Referenzoszillator einen Quarzoszillator vorzusehen.
Es ist von Vorteil, das Taktverhältnis zwischen internem Takt und Referenztakt wiederholt durch die Kalibrierschaltung zu ermitteln, bis das Ergebnis im wesentlichen unverändert bleibt. Wenn der lokale Oszillator beispielsweise wegen einer Temperaturdrif oder wegen Schwankungen der Versorgungsspan- nung einen ungleichmäßigen internen Takt erzeugt, dann wird so lange gemessen, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist .
Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz in Ge- raten zum Senden und Empfangen von Daten. Insbesondere bei Mobilfunkgeräten wie beispielsweise bei Handys ist es wich- tig, daß das Gerät mit einer geringen Zahl von Bauteilen auskommt und klein gebaut werden kann.
Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren für die Taktgenerie- rung auf einem integrierten Schaltkreis bietet insbesondere den Vorteil, daß der Referenzoszillator sich nicht permanent im aktiven Zustand befinden muß, sondern nur zur Durchführung der Kalibrierung aus dem passiven Zustand in den aktiven Zustand überführt wird. Dadurch wird die Verwendung eines per- manent aktiven Uhrenquarzes überflüssig.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter beschrieben. Es zeigen:
Fig.l eine schematische Übersicht über die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung;
Fig.2 den ganzzahligen Anteil m des Teilungsverhältnisses des programmierbaren Frequenzteilers als Funktion der internen Frequenz;
Fig.3 den fraktionalen Anteil n des Teilungsverhältnisses des programmierbaren Frequenzteilers als Funktion der internen Frequenz.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung 1 dargestellt, mit der sich ein genaues Frequenznormal 5, bei- spielsweise für den Einsatz in Mobilfunkgeräten, verwirklichen läßt . Auf einem integrierten Schaltkreis ist ein lokaler Oszillator 2 vorgesehen, der auch im Standby-Betrieb aktiv bleibt. Dieser lokale Oszillator 2 erzeugt einen internen Takt 3 von 307,2 kHz, der dem digitalen programmierbaren Fre- quenzteiler 4 zugeführt wird. Der Frequenzteiler 4 befindet sich ebenfalls auf dem integrierten Schaltkreis und bleibt im Standby-Modus aktiv. Entsprechend dem durch die Parameter m und n vorgegebenen Teilungsverhältnis wandelt der Frequenzteiler 4 den internen Takt 3 in den Zieltakt 5 um. Dabei gibt m den ganzzahligen Anteil und n den auf den Nenner 128 bezogenen fraktionalen Anteil des Teilungsverhältnisses an, so daß gilt :
Teilungsverhaltnis = m +
128
In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel beträgt der interne Takt 307,2 kHz, während der als Frequenznormal dienende Zieltakt 1,6 kHz beträgt. Das benötigte Teilungsverhältnis ergibt sich durch Division beider Frequenzen zu 192, und daher ist m=192 und n=0.
Da der vom lokalen Oszillator 2 erzeugte interne Takt 3 nicht die erforderliche Langzeitstabilität aufweist, muß der lokale Oszillator 2 in gewissen Abständen neu kalibriert werden. Dies geschieht durch Neufestsetzen der Parameter m und n des programmierbaren Frequenzteilers 4. Zur Kalibrierung wird der Referenzoszillator 6 eingeschaltet und erzeugt mittels des Schwingquarzes 9 einen Referenztakt 7, der im dargestellten Beispiel 13 MHz beträgt .
Sowohl' der interne Takt 3 als auch der Referenztakt 7 werden der Kalibrierschaltung 8 zugeführt, die das Taktverhältnis zwischen internem Takt und Referenztakt ermittelt . Dazu wird die- Zahl der Takte des Referenzoszillators 6 innerhalb einer bestimmten Zeitspanne gezählt, wobei diese Zeitspanne durch
1024 Takte des langsameren lokalen Oszillators 2 bestimmt wird. Je langsamer der lokale Oszillator 2 schwingt, desto länger ist die Meßdauer, und desto mehr Takte des Referenzoszillators 6 werden gezählt. Beispielsweise ergibt sich bei einer Frequenz des lokalen Oszillators von 307,2 kHz eine Meßdauer von 3,33 Millisekunden, und in dieser Zeitspanne werden 43.333,3 Takte des Referenzoszillators 6 gezählt.
Die ermittelte Zahl von 13 -MHz-Takten ist indirekt proportional zum Teilungsverhältnis. Das nachfolgend aufgeführte Programm zeigt, wie aus der Zahl fcnt von 13 MHz-Takten die Parameter m und n für den programmierbaren Frequenzteiler erhalten werden können. Die Zahl 8.320.000 ergibt sich dabei aus
13 MHz x 1024
1,6 kHz
fcnt =(long) (13E6/fosc * 1024);
/* Berechnung der Parameter m, n für den */
/* programmierbaren Frequenzteiler */
/* fcnt ist die Zahl der 13 MHz Takte, */
/* die innerhalb von 1024 Takten des lokalen Oszillators */
/* gezählt werden */ m=(long) 8320000/fcnt ; /* ganzzahliger Anteil
/* der Division */ n=(long) 8320000%fcnt ; /* Rest der Division */ n=(n*128)/fcnt; /* nur die ersten 7 Bits */ if (n>63) /* 7-Bit 2er Komplement */
{ n=- (128-n) ; m++;
}
In Fig. 2 ist der ganzzahlige Anteil m des Teilungsverhältnisses als Funktion der vom lokalen Oszillator erzeugten Fre- quenz aufgetragen. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang: je höher die interne Frequenz ist, desto größer muß m gewählt werden, um zu dem gewünschten Zieltakt 5 zu gelangen.
In Fig. 3 ist der fraktionale Anteil n des Teilungsverhält- nisses als Funktion der (hier in vergrößertem Maßstab aufgetragenen) Frequenz des lokalen Oszillators dargestellt. Man erkennt jeweils ein sägezahnartiges Anwachsen von n mit steigender Frequenz, wobei n Werte von -64 bis +63 annimmt. Jedesmal, wenn der zugehörige ganzzahlige Anteil m des Teilungsverhältnisses um 1 inkrementiert wird, geht der fraktio- nale Anteil n von n=63 auf n=-64 über.
Der fraktionale Anteil n des Teilungsverhältnisses erlaubt eine exakte Einstellung des Teilungsverhältnisses. Damit läßt sich der Zieltakt 5 mit einer Genauigkeit von 250 ppm konstant halten; bei einer Frequenz von 1,6 kHz entspricht dies einem Frequenzfehler von weniger als 0,4 Hz.
Im folgenden soll eine Möglichkeit diskutiert werden, wie der fraktionale Anteil n bei der Frequenzteilung berücksichtigt werden kann. Es soll von dem Beispiel m=162, n=27 ausgegangen werden. Dies bedeutet, daß der interne Takt 3 einer Frequenzteilung um
27
162
128 unterworfen werden soll . Der fraktionale Anteil wird dadurch
'128 \ berücksichtigt, daß in jeder vierten Taktperiode
27 J des Zieltakts die interne Taktfrequenz nicht nur um den Faktor 162, sondern um den um 1 erhöhten Faktor 163 geteilt wird, um die Frequenz des Zieltakts zu erhalten. Auf diese Weise kann der fraktionale Anteil n des Teilungsverhältnisses gleichmäßig über 128 Teilungszyklen verteilt berücksichtigt werden .
Dies ist in der folgenden Tabelle veranschaulicht. In der unteren Zeile ist der jeweilige Teilungszyklus angegeben, in der oberen Zeile das zugehörige Teilungsverhältnis. Jeden vierten Takt wird der ganzzahlige Anteil m modifiziert. Nach 108 Teilungszyklen wird m zum letzten Mal verändert.
Für den Fall n>63 würde man grundsätzlich den ganzzahligen Anteil m des Teilungsverhältnisses um 1 inkrementieren, dies aber alle Teilungszyklen unterlassen.
128 - n

Claims

Patentansprüche
1. Kalibriervorrichtung (1) für die Taktgenerierung auf einem integrierten Schaltkreis, welche aufweist: - Mittel zur Taktgenerierung (2; 4), welche sich auf dem integrierten Schaltkreis befinden und welche sowohl einen internen Takt (3) als auch einen Zieltakt (5) erzeugen;
- einen Referenzoszillator (6) , der sich in einem aktiven Zustand oder in einem passiven Zustand befinden kann, wobei er in seinem aktiven Zustand einen Referenztakt (7) liefert;
- eine Kalibrierschaltung (8) , der der interne Takt (3) und der Referenztakt (7) zugeführt werden und die das Taktverhältnis zwischen internem Takt (3) und Referenztakt (7) er- mittelt;
- Mittel zur Beeinflussung des Zieltakts (5) in Abhängigkeit von dem durch die Kalibrierschaltung (8) ermittelten Taktverhältnis .
2. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Taktgenerierung einen auf dem integrierten Schaltkreis befindlichen lokalen Oszillator (2) umfassen, der den internen Takt (3) sowie den Zieltakt (5) erzeugt, wobei der interne Takt (3) mit dem Zieltakt (5) identisch ist.
3. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Taktgenerierung umfassen: - einen lokalen Oszillator (2) , der sich auf dem integrierten Schaltkreis befindet und den internen Takt (3) erzeugt, sowie
- einen Frequenzteiler (4) , der sich auf dem integrierten Schaltkreis befindet und den internen Takt (3) in den Ziel- takt (5) umwandelt.
4. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Beeinflussung des Zieltakts (5) zumindest teilweise dadurch realisiert sind, daß es sich bei dem Fre- quenzteiler (4) um einen programmierbaren Frequenzteiler handelt, wobei der ausgegebene Zieltakt (5) in Abhängigkeit von dem durch die Kalibrierschaltung (8) ermittelten Taktverhältnis einstellbar ist.
5. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es sich bei dem programmierbaren Frequenzteiler um einen digitalen fraktionalen Teiler handelt .
6. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Beeinflussung des Zieltakts (5) zumindest teilweise dadurch realisiert sind, daß es sich bei dem lokalen Oszillator (2) um einen durchstimmbaren lokalen Oszilla- tor handelt, wobei der Zieltakt (5) durch Variation von Widerständen und/oder Kapazitäten und/oder von SteuerSpannungen bzw. Steuerströmen in Abhängigkeit von dem durch die Kalibrierschaltung (8) ermittelten Taktverhältnis einstellbar ist .
7. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Referenzoszillator (6) in periodischen Abständen vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt vom akti- ven Zustand zurück in den passiven Zustand übergeht.
8. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein externer Timer vorgesehen ist, der den Übergang des Refe- renzoszillators (6) vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt vom aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand steuert .
9. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zieltakt (5) zur Steuerung des Übergangs des Referenzos- zillators (6) vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt vom aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand verwendet wird.
10. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Übergang des Referenzoszillators (6) vom passiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt vom aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand synchronisiert mit dem Ein- und Ausschalten des Gesamtsystems erfolgt.
11. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß während der Zeitspannen, in denen sich der Referenzoszillator (6) im aktiven Zustand befindet, anstelle des internen Takts (3) der Referenztakt (7) zur Generierung des Zieltakts (5) herangezogen wird.
12. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Übergang des Referenzoszillators (6) vom passiven Zustand in den aktiven Zustand durch ein externes Störsignal veranlaßt wird.
13. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es sich bei dem Referenzoszillator (6) um einen Quarzoszillator (6; 9) handelt.
14. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kalibrierschaltung das Taktverhältnis zwischen internem Takt (3) und Referenztakt (7) wiederholt ermittelt, bis das Ergebnis im wesentlichen unverändert bleibt.
15. Gerät zum Senden und Empfangen von Daten, enthaltend eine Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. Kalibrierverfahren für die Taktgenerierung auf einem integrierten Schaltkreis (2) , wobei auf dem integrierten Schaltkreis Mittel zur Taktgenerierung (2; 4) vorhanden sind, welche sowohl einen internen Takt (3) als auch einen Zieltakt (5) erzeugen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Schritte :
(a) Überführen eines Referenzoszillators (6) aus einem passi- ven Zustand in einen aktiven Zustand, wobei der Referenzoszillator (6) in seinem aktiven Zustand dem integrierten Schaltkreis einen Referenztakt (7) liefert;
(b) Ermitteln des Taktverhältnisses zwischen dem internen Takt (3) und dem Referenztakt (7) ; (c) Beeinflussen des Zieltakts (5) in Abhängigkeit von dem
Taktverhältnis zwischen dem internen Takt (3) und Referenztakt (7) .
17. Kalibrierverfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Taktgenerierung einen auf dem integrierten Schaltkreis befindlichen lokalen Oszillator (2) umfassen, der den internen Takt (3) sowie den Zieltakt (5) erzeugt, wobei der interne Takt (3) mit dem Zieltakt (5) identisch ist.
18. Kalibrierverfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Taktgenerierung umfassen:
- einen lokalen Oszillator (2) , der sich auf dem integrierten Schaltkreis befindet und den internen Takt (3) erzeugt, sowie - einen Frequenzteiler (4) , der sich auf dem integrierten Schaltkreis befindet und den internen Takt (3) in den Ziel- takt (5) umwandelt.
19. Kalibrierverfahren nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Frequenzteiler (4) ein programmierbarer Frequenzteiler ist, und daß das Beeinflussen des Zieltakts durch Programmieren des Frequenzteilers (4) erfolgt.
20. Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es sich bei dem lokalen Oszillator (2) um einen durchstimmba- ren Oszillator handelt, und daß das Beeinflussen des Ziel- takts (5) durch Variation von Widerständen und/oder Kapazitäten und/oder von Steuerspannungen bzw. Steuerströmen erfolgt.
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