一种应用于USB从设备的高精度无晶体自校正时钟系统的制作方法

本发明主要涉及高精度时钟系统设计领域，特别涉及一种应用于usb从设备的无晶体自校正的高精度时钟产生电路结构。

背景技术：

usb（universalserialbus）接口是一种广泛应用于数据传输接口技术，需要一个高精度的时钟源为其提供准确的时钟信号，保证usb主从设备数据交互功能正确。例如，低速传输模式要求usb时钟频率范围为12m±1.5%，全速传输模式要求usb时钟频率范围为48m±0.25%，高速传输模式要求usb时钟频率范围为480m±0.05%。因此，在传统的usb接口实现方案中，一般采用晶振时钟作为精确时钟参考源，结合内部的时钟倍频模块实现高精度的目标时钟，例如采用锁相环技术将参考时钟倍频到目标频率进行输出。然而该实现方案需要外部晶体和谐振电容，增加整体方案的bom成本，同时还会增大pcb的布局面积，在带有高频信号处理的pcb设计时还需额外考虑相互串扰问题，增大布线难度，例如带usb接口的ble模组设计。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种应用于usb从设备的高精度无晶体自校正时钟系统，包括sof检测模块（101）、校正模块（102）和振荡器（103）；

首先，当带有无晶体振荡器的usb从设备插入usb主设备时，主设备给从设备供电，同时粗调控制码和微调控制码复位为初始值，振荡器输出最低频率时钟信号；

其次，校正模块（102）进入一级校正模式，通过调节粗调控制码对振荡器（103）进行线性校正，使得振荡器输出频率偏差进入一级调谐误差范围内，sof检测模块正确识别sof，获得相应的粗调控制码，一级校正模式关闭；

最后，校正模块（102）进入二级校正模式，在一级校正模式产生的粗调控制码的基础上通过调节粗调控制码和微调控制码分别实现振荡器频率二次粗调和微调，使得振荡器输出频率偏差进入二级调谐误差范围，获得目标频率时钟，校正工作完成。

另外，为了避免电源电压抖动，工作环境温度变化等因数引起的时钟偏差致使usb主从设备通信失败，该自校正时钟系统在工作过程中一直检测时钟频率，当频率偏差查出设定的目标值，相应的校正模式会自动开启，将输出时钟频率校正到目标范围内。

所述的高精度无晶体自校正时钟系统，在满足usb主从设备数据正常通信的条件下，减少了应用方案中的bom费用（晶振和相应的调谐电容），同时避免了芯片测试过程中关于校正部分的测试成本，简化了应用过程中pcb的设计难度和布线面积。

技术实现要素：

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种应用于usb从设备的高精度无晶体自校正时钟系统，该系统包括sof检测模块、校正模块和振荡器模块，无需人工干预自动完成时钟校正工作，为usb从设备提供精确时钟信号；同时不需要外部晶体提供参考时钟，降低了产品方案的bom成本；usb工作过程中校正模块一直检测时钟频率，当误差超出目标范围，校正模块会立刻工作，进入相应的校正模式实现频率校正，最终输出满足usb时钟精度需求的时钟信号，表现出对pvt（p：process—制造工艺，v：voltage—电源电压，t：temp—环境温度）不敏感的优势。

为实现上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种应用于usb从设备的高精度无晶体自校正时钟系统，其特征在于：包括sof检测模块（101）、校正模块（102）和振荡器（103）；

首先，当带有无晶体振荡器的usb从设备插入usb主设备时，主设备给从设备供电，同时粗调控制码和微调控制码复位为初始值，振荡器输出最低频率时钟信号；

其次，校正模块（102）进入一级校正模式，通过调节粗调控制码对振荡器（103）进行线性校正，使得振荡器输出频率进入一级调谐误差范围内，sof检测模块正确识别sof，获得相应的粗调控制码，一级校正模式关闭；

最后，校正模块（102）进入二级校正模式，在一级校正模式产生的粗调控制码的基础上通过调节粗调控制码和微调控制码分别实现振荡器二次粗调和微调，使得振荡器输出频率偏差进入二级调谐误差范围，获得目标频率时钟，校正工作完成。

所述的高精度无晶体自校正时钟系统，其特征在于：校正模块（102）包括两种校正模式，即一级校正模式和二级校正模式；

其中一级校正模式主要实现振荡器输出频率的线性校正，在主设备给从设备供电后，粗调控制码和微调控制码复位为初始值，振荡器输出最低时钟频率，在此条件下粗调控制码对应权重逐渐加1，并根据实际频率偏差调节粗调控制码；当振荡器输出频率误差开始进入一级调谐误差范围内时，sof检测模块正确识别sof，继续调节粗调控制码使得振荡器输出频率继续增加，直到sof检测模块又出现无法识别sof，将第一次出现正确识别sof到最后一次正确识别sof整个过程中的所有粗调控制码进行处理，得到一级校正目标粗调控制码，一级校正模式关闭；

二级校正模式主要进行振荡器的二次粗调和微调操作，对于二次粗调阶段，基于每两个sof标识位的间隔为1ms的时间标尺对振荡器输出时钟进行计数，当计数结果大于二次粗调目标计数值范围的上限值时，表征振荡器输出时钟频率高于粗调频率范围的上限，需要降低粗调权重；当计数结果小于二次粗调目标计数值范围的下限值时，表征振荡器输出时钟频率低于粗调目标频率范围的下限，需要增大粗调权重；当计数结果在二次粗调目标计数值范围内时，表征时钟偏差在粗调误差范围内，二级粗调阶段结束；

对于微调阶段，同样基于两个sof标识位间隔为1ms的时间标尺对振荡器输出时钟进行周期计数，当计数结果大于微调目标计数值范围的上限值时，表征振荡器输出时钟频率高于微调目标频率范围的上限，需要降低微调权重；当计数结果小于微调目标计数值范围的下限时，表征振荡器输出时钟频率低于微调目标频率范围的下限，需要增大微调权重；当计数结果在微调目标计数范围内时，表征时钟偏差在微调误差范围内，微调阶段结束；

所述的高精度无晶体自校正时钟系统，其特征在于：在整个usb主从数据交互过程中，校正模块一直处于频率检测状态；当检测到振荡器输出时钟频率偏差超出微调误差范围但又在粗调误差范围内，校正模块会立刻进入微调校正；当振荡器输出时钟频率偏差超出粗调误差范围，校正模块会立刻进入二级粗调校正；因此，本系统对制造工艺偏差，工作环境中的电源电压和温度偏差不敏感。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、增大了时钟系统的抗pvt（p：process—制造工艺，v：voltage—电源电压，t：temp—环境温度）特性。与传统的usb时钟系统相比，本发明的高精度无晶体自校正时钟系统工作过程中一直处于时钟频率检测状态，当出现工艺、电源电压或者环境温度引起时钟频率变化，超出目标频率偏差范围则校正模块会立刻开启，进入相应的校正模式调节振荡器输出频率，保证usb时钟频率精度满足应用需求。

2、降低了测试成本。与传统的usb时钟系统和图2描述的无晶体usb时钟系统相比，本发明的自校正时钟系统采用工作过程中自校正的方式进行频率调节，每颗芯片的实际控制码均能基于其实际的频率特性选择相应的控制码实现频率校正，避免了在中测或成测阶段实现频率校正的校正成本。

3、应用简单，减少bom费用。与传统usb时钟系统相比，本发明的自校正时钟系统不需要外部晶体和调谐电容，降低bom费用，同时简化了pcb布线难度和减少了pcb面积。

附图说明

图1是本发明的一种应用于usb从设备的高精度无晶体自校正时钟系统示意图；

图2是目前已经提出的无晶体usb设备时钟系统框图；

图3是本发明高精度无晶体自校正时钟系统详细结构框图；

图4是本发明高精度无晶体自校正时钟系统的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1和图3所示，本发明的高精度无晶体自校正时钟系统包括sof检测模块（101）、校正模块（102）和振荡器（103）。

结合图1和图3所示，图4给出了自校正时钟系统的具体实施方式，具体描述如下：

当usb从设备插入到主设备时，usb主设备识别到从设备，同时通过vbus端口给从设备供电；usb从设备在上电后，振荡器（103）粗调控制码和微调控制码对应的寄存器复位成默认值，此时输出最低时钟频率。同时，sof检测模块（101）开始工作，判断是否能够正确识别sof；

初始化工作完成后，自校正时钟系统进入一级校正模式，粗调控制码权重进行逐步加1变化，实现振荡器频率的线性调节，sof检测模块一直检测sof信号；

当sof检测模块没有检测到sof信号，粗调控制码权重加1，实现振荡器输出频率提高；一直重复上述操作，直到sof检测模块正确识别sof信号，此时对应的粗调控制码为coarse_code_1；继续增大粗调控制码权重，振荡器输出时钟频率继续提高，每次sof检测模块正确识别sof对应的粗调控制码均保存为coarse_code_j（j=1，2，3....）。随着粗调控制码权重的增大，振荡器输出时钟频率超出usb时钟目标频率范围，sof模块又出现无法识别sof信号，同时把此前一次能够识别sof的相应的粗调控制码保存为coarse_code_n，此时校正模块结束一级校正模式，对所有保存的粗调控制码coarse_code_j（n=1，2，3....n）进行加权处理，具体处理方式为抛弃控制码样本的第一个和最后一个，对剩下样本进行平均处理，获得一级校正目标粗调控制码coarse_code_first。

当一级校正结束后，自校正时钟系统进入二级校正模式，二次粗调计数器基于振荡器输出时钟进行计数，当计数结果大于二次粗调计数范围的上限值时，表征振荡器输出时钟频率高于目标频率，需要降低粗调权重；当计数结果小于二次粗调计数范围的下限值时，表征振荡器输出时钟频率低于目标频率，需要增大粗调权重；当计数结果进入二次粗调计数范围内时，表征振荡器输出时钟频率偏差进入二次粗调频率误差范围内，此时对应的粗调控制码保存为coarse_code_sec。

当二级校正模式的二次粗调结束后，自校正时钟系统进入微调校正模式，微调计数器基于振荡器输出时钟进行计数，当计数结果大于微调计数范围的上限值时，表征振荡器输出时钟频率高于目标频率，需要降低微调权重；当计数结果小于微调计数范围的下限值时，表征振荡器输出时钟频率低于目标频率，需要增大微调权重；当计数结果进入微调计数范围内时，表征振荡器输出时钟频率偏差进入微调频率误差范围内，此时对应的微调控制码保存为fine_code。

在完成上述校正后，振荡器输出时钟频率满足usb时钟频率精度要求，usb主从设备进行正常数据通信。在usb正在过程中，自校正时钟系统会一直监测振荡器输出时钟频率，当检测到振荡器输出时钟频率偏差超出微调误差范围但又在粗调误差范围内，校正模块会立刻进入微调校正；当振荡器输出时钟频率偏差超出粗调误差范围，校正模块会立刻进入二级粗调校正；因此，本自校正系统对制造工艺偏差，工作环境中的电源电压和温度偏差不敏感。

以上各模块的示意图和实现是指具有该功能的所有实现方案。以上各图所示的电路仅为示例，将器件简单地替换所引起的电路变化亦属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权力要求书为准。