KR100685489B1 - 디지털 주파수 편차 보상기 - Google Patents

디지털 주파수 편차 보상기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 수정 발진기로부터 출력되는 신호의 주파수 편차를 디지털적으로 보상한 디지털 주파수 편차 보상기에 관한 것이다.
본 발명은 주파수 편차를 갖는 제 1 발진 주파수를 출력하는 크리스탈 발진기와, 상기 제 1 발진 주파수를 수신하여 제 1 분주 신호를 출력하는 제 1 분주기와, 상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 1 분주 신호를 수신하여 상기 주파수 편차를 보정하는 주파수 편차 카운터와, 상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 1 분주 신호의 반전신호를 수신하여 상기 크리스탈 발진기의 온도 특성에 따른 상기 제 1 발진 주파수의 주파수 편차를 보정하는 온도 편차 카운터와, 상기 주파수 편차 카운터와 상기 온도 편차 카운터의 출력 신호를 수신하여 상기 주파수 편차가 보정된 제 2 발진 주파수를 출력하는 펄스 합성기와, 상기 제 2 발진 주파수를 수신하여 제 2 분주 신호로 출력하는 제 2 분주기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 디지털 주파수 편차 보상기는 크리스탈 발진기의 주파수 편차에도 불구하고 이를 보정하여 상대적으로 안정적인 1Hz 클락 펄스를 출력하므로, 디지털 시계 또는 계측장치 등에 적용함으로써 정확도를 높일 수 있다.
디지털, 주파수, 편차, 보상기, 분주기

Description

디지털 주파수 편차 보상기{Digial frequency deviation compensator}
도 1은 본 발명에 따른 디지털 주파수 편차 보상기에 적용된 주파수 편차 보상 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수가 설계자가 원하는 주파수보다 어느 정도 낮은 지 또는 빠른 지 여부를 판단하는 주파수 측정 장치의 일예이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 디지털 주파수 편차 보상 장치의 블록도이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에서 제안하는 디지털 주파수 편차 보상 장치에 사용된 주파수 편차 카운터 및 온도 편차 카운터의 일예이다.
도 5는 본 발명에 따른 디지털 주파수 편차 카운터에 사용된 입출력 신호들의 파형도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
311: 크리스탈 발진기 312, 318: 분주기
313 주파수 편타 카운터 314:온도 편차 카운터
315: 온도 센서 316:온도센서 데이타 설정기
317: 펄스 합성기 411, 411': 입력부
412, 412': 편차 세팅부 413, 413': 편차 고저 판별부
414, 414': 주파수 체배부
본 발명은 주파수 편차 보상기에 관한 것으로, 특히 수정 발진기로부터 출력되는 신호의 주파수 편차를 디지털적으로 보상한 디지털 주파수 편차 보상기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 디지털 시계용 크리스탈 발진기의 주파수 안정도를 기존 아날로그 보상방식의 최대 결점인 주파수편차와 온도에 따른 주파수특성 변화를 개선한 디지털 주파수 편차 보상기에 관한 것이다.
일반적으로, 디지털시계가 동작하기 위해서는 1Hz의 주기를 갖는 클락신호가 있어야 하는데, 이러한 클락신호는 발진회로로부터 얻는 것이 보통이다.
상기 발진회로에는 여러 종류가 있으나 수정편을 사용한 수정 발진기(또는 크리스탈 발진기라고도 한다)가 주파수 안정도가 우수하므로 디지털 시계에 일반적으로 적용되어 사용되고 있다.
그러나 상기 수정 발진기의 주파수 안정도는 수정편을 가공하는 방법 및 가공정밀도에 따라 +/- 수십에서 수백 피피엠(ppm)의 주파수 편차와 온도변화에 따른 주파수 특성변화를 가지므로 정확한 디지털 시계를 제작하기 위해서는 수정 발진기의 주파수 편차를 필수적으로 보상하여 적용하여야 한다는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래에 사용되 고 있는 수정 발진기의 주파수 편차를 디지털적으로 보상할 수 있는 디지털 주파수 편차 보상기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 수정 발진기의 주파수 편차와 온도 편차를 보상하여 안정적인 1Hz의 클락 신호를 출력할 수 있는 디지털 주파수 편차 보상기를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 디지털 주파수 편차 보상기는 주파수 편차를 갖는 제 1 발진 주파수를 출력하는 크리스탈 발진기와, 상기 제 1 발진 주파수를 수신하여 제 1 분주 신호를 출력하는 제 1 분주기와, 상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 1 분주 신호를 수신하여 상기 주파수 편차를 보정하는 주파수 편차 카운터와, 상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 1 분주 신호의 반전신호를 수신하여 상기 크리스탈 발진기의 온도 특성에 따른 상기 제 1 발진 주파수의 주파수 편차를 보정하는 온도 편차 카운터와, 상기 주파수 편차 카운터와 상기 온도 편차 카운터의 출력 신호를 수신하여 상기 주파수 편차가 보정된 제 2 발진 주파수를 출력하는 펄스 합성기와, 상기 제 2 발진 주파수를 수신하여 제 2 분주 신호로 출력하는 제 2 분주기를 구비한다.
본 발명에서, 상기 제 1 분주 신호의 반주기 동안 출력되는 상기 제 2 발진 주파수는 상기 주파수 편차 카운터에 의하여 보정된 제 1 클락 신호를 포함하고, 상기 제 1 분주 신호의 나머지 반주기 동안 출력되는 상기 제 2 발진 주파수는 상기 온도 편차 카운터에 의하여 보정된 제 2 클락 신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 디지털 주파수 편차 보상기는 온도를 감지하기 위한 온도 센서와, 상기 크리스탈 발진기의 온도 특성에 따른 주파수 편차 특성 데이타를 저장하고 있으며, 상기 온도 센서에서 감지된 상기 온도를 수신하여 상기 온도에 따라 변하는 주파수 편차에 관한 특성 데이타를 상기 온도 편차 카운터에 인가하는 온도특성 데이타 설정기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제 1 분주기와 상기 제 2 분주기의 분주 정도는 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제 2 분주기로부터 출력되는 상기 제 2 분주 신호의 주파수는 1Hz인 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예인 디지털 주파수 편차 보상기에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 주파수 편차 보상기에 적용된 주파수 편차 보상 방법을 설명하는 도면이다.
도 1의 (a)는 발진 주파수(F)가 4.194304Mhz인 크리스탈 발진기로부터 출력되는 클락 신호의 일예이다. 즉, 1초에 4194304 번 토글링하는 클락신호가 출력된다. 구간(p1)은 이처럼 이상적인 발진 주파수를 가질 경우를 나타낸다. 그런데, 메이커로부터 구입한 수정편을 사용한 수정진동자의 발진 주파수는 제조과정의 기계적, 전기적 및 사용환경에 따라 설계자가 원하는 발진 주파수(4.194304Mhz)보다 더 빠르거나 더 느릴 수 있으며, 이는 발진 주파수의 오차로 나타나게 된다.
도 1의 (a)에서, 구간(p2)은 발진 주파수가 이상적인 발진 주파 수(4.194304Mhz)보다 빠른 경우를 나타내고, 구간(p3)은 발진 주파수가 이상적인 발진 주파수(4.194304Mhz)보다 느린 경우를 나타낸다. 이때 발생하는 주파수 편차를 "fd"로 표시하기로 한다.
도시된 바와 같이, 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수(F)보다 빠른 경우, 구간(p1)동안 4194304 번 토글링하게 된다. 이 경우, 설계자가 원하는 이상적인 경우에 비교하여 구간(p1-p2) 동안 플러스 주파수 편차(fd)가 발생한다. 따라서, 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수가 이상적인 발진 주파수(F)보다 빠른 경우, 구간(p1) 동안의 발진 주파수는 "F+fd"로 표시될 수 있다.
이에 대하여, 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수(F)보다 느린 경우, 구간(p3)동안 4194304 번 토글링하게 된다. 이 경우, 설계자가 원하는 이상적인 경우에 비교하여 구간(p3-p1) 동안 마이너스 주파수 편차(fd)가 발생한다. 따라서, 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수가 이상적인 발진 주파수(F)보다 느린 경우, 구간(p1) 동안의 발진 주파수는 "F-fd"로 표시될 수 있다.
즉, 상기 구간(p1)은 시간으로 표시하면 1초에 해당하는 구간이므로, 구간(p1) 동안 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수(F)보다 빠른 경우에는 "F+fd(이하에서는 F+fd를 빠른 발진 주파수 "Ff"로 표시하기로 한다)"로 표시할 수 있을 것이고, 발진 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수(F)보다 느린 경우에는 "F-fd"로 표시할 수 있을 것이다(이하에서는 F-fd를 느린 발진 주파수 "Fs"로 표시하기로 한다).
도 1의 (b)는 본 발명에서 제안하는 빠른 발진 주파수(Ff)의 주파수 편차 보상 방법을 설명하는 도면이다.
먼저, 도시된 바와 같이, 1초 구간(p1) 동안 빠른 발진 주파수(Ff)의 주파수가 F+fd인 경우, 주파수 편차(fd)에 해당하는 클락의 펄스 수(즉, 주파수 편차(fd)에 해당하는 펄스 수)를 카운트한다. 그리고, 다음 1 초의 주기 동안에 상기 주파수 편차(fd)에 해당하는 클락의 펄스 수를 감산하는 과정을 먼저 거친다. 따라서, 빠른 발진 주파수(Ff)의 주파수는 설계자가 원하는 발진 주파수(F)와 동일하게 된다.
도 1의 (c)는 본 발명에서 제안하는 느린 발진 주파수(Fs)의 주파수 편차 보상 방법을 설명하는 도면이다.
도 1의 (b)와 마찬가지로, 도시된 바와 같이, 1초 구간(p1) 동안 느린 발진 주파수(Fs)의 주파수가 F-fd인 경우, 주파수 편차(fd)에 해당하는 클락의 펄스 수(즉, 주파수 편차(fd)에 해당하는 펄스 수)를 카운트한다. 그리고, 다음 1 초의 주기 동안에 상기 주파수 편차(fd)에 해당하는 클락의 펄스 수를 2배 가산하는 과정을 거친다. 이처럼, 주파수 편차(fd)를 2배 보상한 후, 다음 1 초 후부터는 도면에 도시된 바와 같이 발진 주파수(F)를 맞추기 위하여 "2fd"를 먼저 보상하도록 함으로써, 1 초 동안에 설계자가 원하는 발진 주파수(F)가 출력될 수 있도록 한다.
도 1의 (b) 및 (c)에서 알 수 있듯이, 본원 발명에 따른 디지털 주파수 편차의 보정 방법은 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수(Ff=F+fd)의 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수(F)보다 빠른 경우에는 그에 대응하는 주파수 편차(fd)를 감산하고, 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수(Fs=F-fd)의 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수(F)보다 느린 경우에는 그에 대응하는 주파수 편차(fd)의 2배를 보상하여 설계자가 원하는 발진 주파수(F)로 보정한다.
다시 표현하면, 주파수 편차(fd)가 플러스 편차일때는 다음 1 초의 주기 동안에 감산(Ff-fd)되도록 주파수 Ff와 fd를 합성하고, 주파수 편차(fd)가 마이너스편차일때는 그에 해당하는 클락 펄스수를 다음 1초의 주기 동안에 가산(주파수Fs+fd)한 후 다음 1 초 주기부터는 늦은 발진 주파수(Fs)와 2체배한 클락 펄스수(2fd)를 디지털적으로 합성하여 출력함으로서 주파수편차가 정확히 보상된 발진 주파수(F)를 얻는 원리이다.
이하에서는 위에서 설명한 디지털 주파수 편차 보상 방법을 구현하는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 2에는 크리스탈 발진기로부터 출력되는 발진 주파수가 설계자가 원하는 주파수보다 어느 정도 낮은 지 또는 빠른 지 여부를 판단하는 주파수 측정 장치가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명에서 제안하는 디지털 주파수 편차 보상 장치의 일예가 도시되어 있다.
도 2의 크리스탈 발진기(212)는 도 3의 크리스탈 발진기(311)로서 사용되는 것으로, 도 2의 주파수 측정 장치를 이용하여 크리스탈 발진기(212)의 주파수를 측정하는 이유는 크리스탈 발진기(212)의 발진 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수와 어느 정도의 주파수 편차를 갖는지를 측정하기 위함이다.
도 2의 기준주기 발생기(211)에서 출력되는 클락신호(CLK_REF)는 설계자가 원하는 발진 주파수(예컨대, 4.194304Mhz)를 가지며, 매우 안정된 발진 주파수를 출력한다.
크리스탈 발진기(212)로부터 출력되는 신호(CLK)는 수정편의 상태에 따라서 소정의 주파수 편차를 갖는 발진 주파수로서, 설계자가 원하는 발진 주파수에 대하여 임의의 편차를 가지는 것이 일반적이다.
비교기(213)는 기준주기 발생기(211)와 크리스탈 발진기(212)로부터 각각 출력되는 클락신호(CLK_REF, CLK)를 수신하여, 크리스탈 발진기(212)로부터 출력되는 클락신호(CLK)의 발진 주파수가 기준주기 발생기(211)로부터 출력되는 클락신호(CLK_REF)의 발진 주파수에 비교하여 늦은 지 또는 빠른 지 여부를 결정하고 그 차이를 디지털 신호(OUT)로 출력한다. 즉, 비교기(213)에서 출력되는 상기 디지털 신호(OUT)로부터 크리스탈 발진기(212)에서 출력되는 발진 주파수의 주파수 편차를 알 수 있다.
도 2의 주파수 측정 장치를 이용하여 크리스탈 발진기(212)의 주파수 편차를 측정한 후에는 상기 크리스탈 발진기(212)를 분리하여 도 3에 디지털 주파수 편차 보상 장치에 적용한다. 또한, 주파수 편차 정보를 갖는 비교기(213)의 출력 신호(OUT)는 도 3에서 설명될 주파수 편차 카운터(313)를 설정하는 값으로 사용되게 된다.
이하, 도 3에 도시된 본 발명의 실시예인 디지털 주파수 편차 보상 장치에 대하여 설명한다.
도 3에 도시된 디지털 주파수 편차 보상 장치의 블록도는 크리스탈 발진기(311)와, 분주기(312)와, 주파수 편차 카운터(313)와, 온도 편차 카운터(314)와, 온도센서(315), 온도센서 데이터 설정기(316)와, 펄스 합성기(317)와, 분주기(318)를 구비한다.
크리스탈 발진기(311)는 주파수 편차를 알기 위하여 도 2의 주파수 측정 장치에 적용된 것으로, 설계자가 원하는 발진 주파수로부터 소정의 주파수 편차를 갖는 것이 일반적이다.
분주기(312)는 크리스탈 발진기(311)로부터 출력되는 클락신호(CLK)를 수신하여 임의의 1Hz로 분주한다. 본 발명과 같이, 설계자가 원하는 발진 주파수가 4.194304Mhz인 경우, 분주기(312)는 22분주기로 구현하는 것이 바람직하다. 이 경우, 4.194304Mhz/222 =1 Hz이므로, 분주기(312)의 출력 신호는 대략 1 Hz의 클락 신호를 출력한다.
주파수 편차 카운터(313)는 도 4a에서 설명되겠지만, 크리스탈 발진기(311)의 출력신호(CLK)와 분주기(312)의 출력신호를 수신하여 크리스탈 발진기(311)의 주파수 편차를 카운트하는 기능을 한다. 참고로, 설계자는 크리스탈 발진기(311)의 주파수 편차, 즉 비교기(213)의 출력신호(OUT)를 이용하여 주파수 편차 카운터(313)를 구성하는 편차 세팅부(412)를 사전에 세팅하게 된다. 즉, 주파수 편차 카운터(313)의 편차 세팅부(412)에는 도 2에서 측정한 편차 주파수에 대한 정보가 사전에 인가된다.
도 4b에서 설명될 온도 편차 카운터(314)의 기본 구성은 도 4a와 동일하다. 다만, 차이가 있는 것은 주파수 편차 카운터(313)의 경우에는 도 2에서 기측정한 주파수 편차가 인가되어 설정되는 반면에, 온도 편차 카운터(314)의 경우에는 온도센서(315)로부터 실시간으로 측정한 온도를 온도센서 데이터 설정기(316)에서 디지털 신호로 전환한 후 실시간으로 온도 편차 카운터(314)의 편차 세팅부(412)를 세팅한다는 것에 차이가 있다. 통상, 주위 온도가 변하면, 크리스탈 발진기(311)를 구성하는 수정편의 온도 특성 변화로 인하여 크리스탈 발진기(311)에서 출력되는 발진 주파수의 편차 주파수가 또 다시 변하게 된다. 상기 온도센서 데이터 설정기(316)는 온도에 따라 크리스탈 발진기(311)로부터 출력되는 발진 주파수의 주파수 편차에 대한 정보를 저장하고 있으며, 온도 센서(315)로부터 인가되는 온도에 따라 온도 편차 카운터(314)내에 설치되는 편차 세팅부(412)를 세팅하게 된다.
펄스 합성기(317)는 주파수 편차 카운터(313)의 출력신호(FD1, CO1)와, 온도편차 카운터(314)의 출력신호(FD2, CO2)를 합성하여 설계자가 원하는 발진 주파수(예컨대, 대략 4.194304Mhz)를 출력하는 기능을 갖는다. 도시된 바와 같이, 펄스 합성기(317)는 주파수 편차 카운터(313)의 출력신호(FD1)와 온도 편차 카운터(314)의 출력신호(FD2)를 수신하는 익스크루시브 오어 게이트(g12)와, 주파수 편차 카운터(313)의 출력신호(CO1)와 온도 편차 카운터(314)의 출력신호(CO2)를 수신하는 낸드 게이트(g13)와, 낸드 게이트(g13)의 출력신호를 반전시키는 인버터(g14)와, 인버터(g14)의 출력신호와 크리스탈 발진기(311)로부터 출력되는 클락신호(CLK)를 수신하는 낸드 게이트(g15)와, 익스크루시브 오어 게이트(g12)의 출력신호와 낸드 게 이트(g15)의 출력신호를 수신하는 익스크루시브 오어 게이트(g16)으로 구성된다. 익스크루시브 오어 게이트(g16)의 출력신호는 "F"로 표시되어 있다.
마지막으로, 분주기(318)는 펄스 합성기(317)로부터 출력되는 출력신호(F)의 발진 주파수를 분주하여 1Hz의 신호를 출력하게 된다. 본 발명의 경우, 분주기(318)는 22 분주기였으나, 설계자가 원하는 발진 주파수에 따라 분주 정도는 달라질 수 있다.
도 4a는 도 3에서 설명한 주파수 편차 카운터(313)의 개념이 도시된 블록도이다.
도 4a에 도시된 주파수 편차 카운터는 입력부(411)와, 편차 세팅부(412)와, 편차 고저 판별부(413)와, 주파수 체배부(414)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 입력부(411)는 분주기(312)의 출력신호(Csy)와 크리스탈 발진기(311)의 출력신호(CLK)를 수신한다.
편차 세팅부(412)는 도 2에서 측정한 크리스탈 발진기(212)의 주파수 편차에 관한 정보(즉, 비교기의 출력(OUT))가 세팅된 카운터이다. 편차 세팅부(412)의 출력신호(CO1)는 입력부(411)로 피드백 인가되고 있다.
편차 고저 판별부(413)는 전원전압과 노드(n1) 사이에 연결된 저항(R1)과, 노드(n1)와 접지 사이에 위치하는 퓨즈(F)와, 일 입력단이 노드(n1)에 연결되고 타 입력단이 입력부(411)의 출력신호(CLK1)에 연결된 낸드게이트(NAND)로 구성된다. 도 2에서 측정한 크리스탈 발진기(212)의 발진 주파수가 설계자가 원하는 발진 주파수보다 빠른 경우에는 설계자는 편차 고저 판별부(413)의 퓨즈(F)를 연결 상태로 놓아 두어야 하지만, 느린 경우에는 편차 고저 판별부(413)의 퓨즈(F)를 절단시켜야 한다.
주파수 체배기(414)는 편차 고저 판별부(413)로부터 출력되는 주파수의 2배로 만들어 주는 기능을 한다. 주파수 체배기(414)는 편차 고저 판별부(413)의 출력신호 및 상기 편차 고저 판별부(413)의 출력신호를 45도 지연시킨 신호를 수신하는 익스크루시브 오아 게이트로 구성되어 있다. 도시된 바와 같이, 45도 지연은 저항과 커패시터를 이용하였지만 다른 형태의 화로로 대체는 가능할 것이다.
도 4a에 도시된 주파수 편차 카운터의 동작은 다음과 같다.
입력부(411)는 크리스탈 발진기(311)로부터 출력되어 소정의 발진 주파수를 갖는 클락신호(CLK)와, 상기 클락신호(CLK)를 22분주한 분주기(312)의 출력신호(Csy)를 수신한다.
입력부(411)의 출력신호(Hsy)는 분주기(312)의 출력신호(Csy)의 라이징 에지에 동기되어 인에이블되는 신호로서, 상기 입력부(411)의 출력신호(Hsy)가 인에이블되면, 도 2에서 설명한 바와 같이 주파수 편차가 세팅된 상기 편차 세팅부(412)가 인에이블되면서 로우 레벨로 천이하는 신호(CO1)를 출력한다.
또한, 편차 세팅부(412)는 입력부(411)에서 출력되는 클락신호(CLK1)를 수신한다. 여기서, 상기 클락신호(CLK1)의 주파수는 클락신호(CLK)의 주파수와 동일하다. 편차 세팅부(412)는 상기 클락신호(CLK1)의 클락 수를 카운트하기 하며, 상기 클락 수가 기설정된 주파수 편차에 해당하는 경우, 편차 세팅부(412)의 출력신호(CO1)를 하이 레벨로 천이시킨다. 결과적으로, 출력신호(CO1)의 로우 레벨 구간 은 주파수 편차 구간을 나타내게 된다.
편차 세팅부(412)의 출력신호(CO1)가 하이 레벨로 천이하면, 출력신호(CO1)의 라이징 에지에 동기되어 입력부(411)로부터 출력되는 클락신호(CLK1)는 토글링 동작을 멈추고 하이 레벨로 유지시키게 된다.
한편, 입력부(411)의 출력신호(CLK1)는 편차 고저 판별부(413)에도 인가된다. 편차 고저 판별부(413)에 인가된 입력부(411)의 출력신호(CLK1)는 퓨즈(F)가 연결되어 있는 경우에는 하이 레벨을 출력한다. 이에 대하여, 퓨즈(F)가 절단되어 있는 경우, 입력부(411)의 출력신호(CLK1)가 클락신호 형태인 경우에는 이를 반전시켜 출력하고, 입력부(411)의 출력신호(CLK1)가 하이 레벨인 경우에는 로우 레벨로 출력시킨다.
다음, 편차 고저 판별부(413)의 출력신호는 주파수를 2배로 증가시켜주는 주파수 체배기(414)로 인가된다.
주파수 체배기(414)는 편차 고저 판별부(413)으로부터 출력되는 신호가 클락신호인 경우에는 그 신호의 주파수를 2배로 증가시키며, 편차 고저 판별부(413)으로부터 출력되는 신호가 하이 레벨로 유지되어 인가되는 경우에는 로우 레벨을 출력하게 된다.
도 4b에는 도 3의 온도 편차 카운터의 구성이 도시되어 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 입력부(411')로 분주기(312)로부터 출력된 신호(Csy)가 반전되어 인가된다는 것과, 주위 온도에 따라서 편차 세팅부(412')에서의 주파수 편차 세팅이 실시간으로 변한다는 것을 제외하고는 도 4a에서 설명한 구 성과 사실상 동일하다. 즉, 도 4a의 편차 세팅부(412)는 주파수 편차에 관한 정보를 갖는 도 2의 비교기(213)의 출력신호(OUT)를 이용하여 초기에 세팅되는 반면에, 도 4b의 편차 세팅부(412')는 온도센서(315)에서 감지된 온도에 따라서 크리스탈 발진기(311)의 온도 특성에 따른 주파수 편차 정보를 담고 있는 온도센서 데이타 설정기(316)에 의하여 실시간으로 세팅된다는 점에 차이가 있다. 이러한 점을 제외하고는 온도 편차 카운터의 동작은 주파수 편차 카운터의 동작과 사실상 동일하다.
도 4a 및 4b에서 설명한 주파수 편차 카운터(313)의 출력신호(FD1, CO1)와 온도 편차 카운터(314)의 출력신호(FD2, CO2)는 펄스 합성기(317)로 인가되어 설계자가 원하는 발진 주파수에 근접한 신호(F)를 출력한다. 본 발명에 따른 동작이 가장 이상적인 경우, 펄스 합성기(317)에서 출력되는 신호(F)의 주파수는 4.194304Mhz일 것이나, 미세한 오차가 있을 수 있다.
분주기(318)는 펄스 합성기(317)로부터 출력되는 신호(F)를 분주하여 1초의 주기를 갖는 클럭 신호, 다시 말하면, 1Hz의 주파수를 갖는 클럭 신호를 출력한다. 본 발명에서는 신호(F)의 주파수를 4.194304Mhz로 가정하고 설계하였으며, 따라서본 발명에서 사용된 분주기(318)를 22 분주기이다.
도 5에는 도 4a와 도 4b에서 설명한 주파수 편차 카운터와 온도 편차 카운터의 동작 이해를 돕기 위한 신호 파형도가 도시되어 있다.
도 5에서, (a)의 "CLK"는 크리스탈 발진기(311)로부터 출력되는 클락신호(CLK)를 나타내고, (b)~(f')는 도 4a에서 설명한 주파수 편차 카운터의 신호 파 형도를 나타내고, (g)~(k)는 도 4b에서 설명한 온도 편차 카운터의 신호 파형도를 나타낸다.
보다 구체적으로 설명하면, (b)의 "Csy"는 크리스탈 발진기(311)로부터 출력되는 클락신호(CLK)를 22 분주한 신호이고, (c)의 "CO1"은 편차 세팅부(412)의 출력 신호로서 크리스탈 발진기(311)의 주파수 편차를 로우 레벨 구간으로 표시하고 있으며, (d)의 "CLK1"은 입력부(411)로부터 출력되는 신호중의 하나로서 상기 신호(CO1)의 로우 레벨 구간동안 크리스탈 발진기(311)의 클락신호(CLK)의 주파수와 동일한 주파수를 출력하는 신호이고, (e)의 "FD1"은 편차 고저 판별부(413)의 퓨즈(F)가 절단된 경우에 주파수 체배기(414)로부터 출력되는 신호를 나타내고, (e')는 편차 고저 판별부(413)의 퓨즈(F)가 절단된 경우에 펄스 합성기(317)의 낸드게이트(g15)로부터 출력되는 신호를 나타내고, (f)의 "FD1"은 편차 고저 판별부(413)의 퓨즈(F)가 연결된 경우에 주파수 체배기(414)로부터 출력되는 신호를 나타내고, (f')는 편차 고저 판별부(413)의 퓨즈(F)가 연결된 경우에 펄스 합성기(317)의 낸드게이트(g15)로부터 출력되는 신호를 나타낸다.
마찬가지로, (g)의 "/Csy"는 크리스탈 발진기(311)로부터 출력되는 클락신호(CLK)를 22 분주한 후 반전시킨 신호이고, (h)의 "CO2"은 편차 세팅부(412')의 출력 신호로서 크리스탈 발진기(311)의 주파수 편차를 로우 레벨 구간으로 표시하고 있으며, (i)의 "CLK1"은 입력부(411')로부터 출력되는 신호중의 하나로서 상기 신호(CO1)의 로우 레벨 구간동안 크리스탈 발진기(311)의 클락신호(CLK)의 주파수와 동일한 주파수를 출력하는 신호이고, (j)의 "FD2"은 편차 고저 판별부(413')의 퓨즈(F)가 절단된 경우에 주파수 체배기(414')로부터 출력되는 신호를 나타내고, (j')는 편차 고저 판별부(413')의 퓨즈(F)가 절단된 경우에 펄스 합성기(317)의 낸드게이트(g15)로부터 출력되는 신호를 나타내고, (k)의 "FD2"은 편차 고저 판별부(413')의 퓨즈(F)가 연결된 경우에 주파수 체배기(414')로부터 출력되는 신호를 나타내고, (k')는 편차 고저 판별부(413')의 퓨즈(F)가 연결된 경우에 펄스 합성기(317)의 낸드게이트(g15)로부터 출력되는 신호를 나타낸다.
참고로, 전술한 바와 같이, 신호(CO1)와 신호(CO2)의 폴링 시점에 차이가 있는 것은 신호(/Csy)의 라이징 에지에 동기되어 신호(CO2)의 폴링 시점이 결정되기 때문이다.
지금까지 설명한 본 발명의 디지털 주파수 편차 보상기는 크리스탈 발진기의 주파수 편차(fd)에 해당하는 클락 신호의 펄스 수(즉, 주파수 편차에 해당하는 펄스 수)를 카운터하여 다음 1초의 주기에 빠른 편차의 주파수(Ff)에서는 그 펄스 수를 감산하고, 늦은 편차의 주파수(Fs)에서는 가산하는 방식으로 주파수 편차(fd)를 크리스탈 발진기의 발진 주파수(Ff 혹은 Fs)에 디지털적으로 합성하여 목표로 하는 발진 주파수(F)를 출력하는 방식이다. 즉, 주파수 편차(fd)가 +편차일때는 다음1초의 주기에 감산(Ff-fd)하여 발진 주파수(Ff)에 주파수 편차(fd)를 합성하고, 주파수 편차(fd)가 -편차인 경우에는 그에 해당하는 클락의 펄스 수를 다음 1초의 주기에 가산(Fs+fd)하여 발진 주파수(Fs)와 2체배 클락의 펄스 수(즉 2fd)를 디지털적으로 합성하여 출력함으로서 주파수 편차(fd)가 정확히 보상된 주파수F를 얻는 원리이다.
마지막으로, 도 5의 (l)은 본 발명에 따른 동작의 결과, 도 5의 (e)와 도 5의 (k)가 펄스 합성기(317)에 인가된 경우, 펄스 합성기(317)로부터 출력되는 신호의 펄스 형태가 도시되어 있다.
도 5의 (l)에서, 신호(Csy)의 반주기 동안은 클락신호(CLK)의 주파수 편차가 보상되고, 나머지 반주기 동안은 클락신호(CLK)의 온도 변화에 따른 주파수 편차가 보상된다. 이상적인 경우, 신호(F)의 클락 수는 1초에 4194304 개이고, 이는 주파수가 4.194304MHz인 클락 신호에 해당한다. 따라서, 22 분주기(318)를 통과하여 출력되는 신호는 1초의 주기를 갖는 클락 신호가 될 것이고, 이를 디지털 시계 등에 적용할 경우 크리스탈 발진기의 자체 주파수 편차와 주위 온도 변화에도 불구하고 매우 정밀하게 시각을 표시할 수 있을 것이다.
이하에서는 위에서 설명한 디지털 주파수 편차 보상기의 동작에 대하여 종합적으로 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 디지털 주파수 편차 보상기의 크리스탈 발진기(311)는 기존의 아날로그 주파수 편차보상이 이루어진 주파수발생기로서 통상 기계적, 전기적 특성 등으로 인하여 설계자가 원하는 발진 주파수(F)로부터 소정의 주파수 편차(+/- fd)를 가진다.
분주기(312)는 크리스탈 발진기(311)에서 출력되는의 발진 주파수(F+/-fd)를 입력 받아 상기 발진 주파수를 22분주하여 임의의 1Hz로 분주한다. 이렇게 분주된 분기기(312)의 출력신호는 "Csy"로 표시되고 있다.
다음, 분주기(312)의 출력신호(Csy)의 라이징 에지에 동기되어 주파수 편차 카운터(313)가 동작하고, 분주기(312)의 출력신호(Csy)의 반전 신호의 라이징 에지에 동기되어 온도 편차 카운터(314)가 동작한다.
동작시, 상기 주파수 편차카운터(313)는 크리스탈 발진기의 출력신호(CLK)의 주파수 편차를 카운트하기 시작하며, 상기 온도 편차 카운터(314)는 크리스탈 발진기의 출력신호(CLK)의 온도 특성에 따른 주파수 편차를 카운트하기 시작한다. 여기서, 온도 특성은 온도 센서(315)에서 감지된 온도를 수신한 온도센서 데이터 설정기(316)에 의하여 결정되며, 온도센서 데이터 설정기(316)의 출력신호는 실시간으로 온도 편차 카운터(316)에 인가되어 온도의 함수인 크리스탈 발진기(311)의 주파수 편차를 세팅하게 된다.
상기 주파수 및 온도편차 카운터부(313, 314)는 크리스탈 발진기(311)의 출력신호(CLK)를 수신하여 상기 각각 설정된 주파수 편차에 대응하는 펄스 수를 카운트하며, 상기 펄스 수의 카운터는 상기 각각 설정된 주파수 편차 구간 동안 이루어진다.
펄스 합성기(317)는 상기 주파수 및 온도편차 카운터부(313, 314)로부터 출력되는 신호들을 합성하여 설계자가 원하는 발진 주파수가 출력시키며, 분주기(318)는 편차가 보상된 발진 주파수를 1Hz로 분주하여 오차가 적은 매우 정밀한 1초 주기의 클럭을 출력한다.
본 발명에 따른 기술적 사상은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자는 본 발명의 디지털 주파수 편차 보상기의 일부 구성을 동일한 기능을 갖는 다른 구성으로 대체할 수도 있으나, 본 발명으로부터 자명한 사항은 하기의 청구범위 내 에서 본 발명의 보호범위 내에 있다고 보아야 할 것이다.
예컨대, 크리스탈 발진기의 발진 주기에 따라서 도 3의 분주기(312, 318)의 분주 정도는 21분주, 23 분주 등으로 대체 가능할 수 있으며, 펄스 합성기(317)의 논리 회로는 동일한 기능을 갖는 다양한 논리 회로로의 대체 또는 변형이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 크리스탈 발진기의 주파수 편차 및 온도 변화에 대한 주파수 특성 변화를 디지털적으로 정밀하게 보상하는 디지털 주파수 편차 보상기를 제공한다.
본 발명의 디지털 주파수 편차 보상기는 크리스탈 발진기의 주파수 편차에도 불구하고 이를 보정하여 상대적으로 안정적인 1Hz 클락 펄스를 출력한다.
따라서, 본 발명에 따른 디지털 주파수 편차 보상기를 디지털 시계 등에 적용함으로써 정확한 시각을 표시할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 디지털 주파수 편차 보상기는 아주 안정된 1Hz의 클락 신호를 출력하기 때문에 정밀계측을 위한 기준 주파수로 활용할 수도 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 주파수 편차를 갖는 제 1 발진 주파수를 출력하는 크리스탈 발진기와,
    상기 제 1 발진 주파수를 수신하여 제 1 분주 신호를 출력하는 제 1 분주기와,
    상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 1 분주 신호를 수신하여 상기 주파수 편차를 보정하는 주파수 편차 카운터와,
    상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 1 분주 신호의 반전신호를 수신하여 상기 크리스탈 발진기의 온도 특성에 따른 상기 제 1 발진 주파수의 주파수 편차를 보정하는 온도 편차 카운터와,
    상기 주파수 편차 카운터와 상기 온도 편차 카운터의 출력 신호를 수신하여 상기 주파수 편차가 보정된 제 2 발진 주파수를 출력하는 펄스 합성기와,
    상기 제 2 발진 주파수를 수신하여 제 2 분주 신호로 출력하는 제 2 분주기를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 주파수 편차 보상기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분주 신호의 반주기 동안 출력되는 상기 제 2 발진 주파수는 상기 주파수 편차 카운터에 의하여 보정된 제 1 클락 신호를 포함하고,
    상기 제 1 분주 신호의 나머지 반주기 동안 출력되는 상기 제 2 발진 주파수는 상기 온도 편차 카운터에 의하여 보정된 제 2 클락 신호를 포함하는 것을 특징 으로 하는 디지털 주파수 편차 보상기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    온도를 감지하기 위한 온도 센서와,
    상기 크리스탈 발진기의 온도 특성에 따른 주파수 편차 특성 데이타를 저장하고 있으며, 상기 온도 센서에서 감지된 상기 온도를 수신하여 상기 온도에 따라 변하는 주파수 편차에 관한 특성 데이타를 상기 온도 편차 카운터에 인가하는 온도특성 데이타 설정기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 주파수 편차 보상기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분주기와 상기 제 2 분주기의 분주 정도는 동일한 것을 특징으로 하는 디지털 주파수 편차 보상기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 분주기로부터 출력되는 상기 제 2 분주 신호의 주파수는 1Hz인 것을 특징으로 하는 디지털 주파수 편차 보상기.
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