用于编程振荡器的系统及方法

专利名称：用于编程振荡器的系统及方法
技术领域：
本发明揭示可编程振荡器的领域，更明确地，包括高精确度EPROM可编程锁相回路振荡器的系统及方法。
背景技术：
Cypress半导体公司(在美国加州圣荷西市)所制的CY2037是一种EPROM可编程(电子可编程只读存储器)、高精确度及解析度PLL(锁相回路)数字控制石英振荡器(DCXO)。该装置具有跳动(jitter)规格为在5V及f＞33MHz时小于±100ps(峰值对峰值)＜±100ps(峰值对峰值)，及在3.3V及f＞33MHz时小于±125ps(峰值对峰值)。该装置是晶片形式，即没有封装且直接地附着在10-30MHz晶体。振荡器装置可封装在各种通孔内或表面安装封装内。图1A表示本电路的方块图。
传统地振荡器晶体以技术用语称为“最后涂镀(final plate)”的操作来校准，自所期望标准频率的2,000-3,000ppm内的初始精确度到标准期望频率的10-20ppm(典型值)。此为重要机械性步骤，且构成振荡器安装在模块内之后其最后的校准。最后涂镀包含在所制备晶体表面预镀部分上选择性地沉积金属薄膜或镀层，来机械性地改变晶体的谐振频率。本过程通常由人工辅助，需要熟练技术人员小心地施加涂镀来调整晶体的操作频率。涂镀不仅厚度而且安置处也很重要。如果在预镀区上没有恰好同心圆，则相位噪声及跳动增加。事实上，通常在最后涂镀之后相位噪声及跳动增加。最后涂镀过程也导致生产率损失。例如，有可能涂镀附着失败。进一步，最后涂镀以晶体曝露来实施，因此对环境影响更敏感。在晶体以最后涂镀来调谐之后，晶体密封。因此，最后涂镀过程成本高、费人工，减低晶体品质及导致潜在性缺陷。
精度晶体振荡器(PXO)诸如在Espoo，芬兰的微模拟系统公司(Micro Analog Systems)的MAS9271及MAS1173，包括用于修整晶体频率的数字控制电容性调谐网络，其通常校准及操作和数字频率合成器无关。如此，使用PXO，晶体可调谐到所期望频率在小容许度内。其可包括最后涂镀过程。然后，利用标准乘及除值来编程数字频率合成器而获得所期望输出频率。
原理上，振荡器装置可库存做为原料零件(blankparts)，而在振荡器制造商出货前最后步骤时，以封装形式来编程客用频率。其将使得客用及标准晶体的制造能够快速周转，而不需专用昂贵晶体或客户专用装置的存货。在本情形中，振荡器不是现场编程，而且振荡器的积分器在产品内仍必需照规范来订购在预定频率的特殊振荡器，并且仍必需等待振荡器制造商的客户专用化而招致很高的设置费用，其对于小订单非常不合算，而且增加数日或数周的操作时间。
CY2037包含晶片上振荡器及用于细微调谐输出频率的分离式振荡器调谐电路。晶体电容性负载可选择性地以编程一组七个EPROM位来调整。本特征通常是用来补偿晶体变动值或来获得更精确合成频率。
通常可编程振荡器的使用以振荡器晶体修整到标准值来开始。然后，振荡器电路乘及除比值来永久地编程(在EPROM内)。最后，至少在CY2037的情形中，晶体的操作频率以调谐位来调谐获得所期望的最大值误差。
CY2037 PLL晶片具有很高解析度。其具有12位反馈计数乘法器及10位参考计数除法器。如此能高度精确地及稳定地输出具有低误差的合成时钟频率，例如零或低到百万分的几(ppm)。时钟可进一步以8个输出除法器1、2、4、8、16、32、64及128中的任一选择来改变。除法器输入可选为PLL或晶体振荡器输出，来提供总共16个分离输出选择。输出可在TTL及CMOS负载周期水平之间选择。
PLL的标准输出频率以下列公式来决定FPLL＝2×(P+5)/(Q+2)×FREF其中P是反馈计数器值，而Q是参考计数器值。P及Q是EPROM可编程值。
CY2037的一版包含特定调谐电路来细微调谐装置的输出频率。调谐电路包含在振荡器驱动反相器两侧上的11个对数大小的负载电容器数组。电容器负载值可以7个Osc-Tune(振荡调谐)位来EPROM编程，而且可以小增量来递增。因为电容器负载递增，所以电路细微调谐到更低频率。电容器负载值对于约100∶1总控制比值自0.17pF变动到8pF。
CY2037使用以包括VSS及VDD的简单2线4脚接口来编程的EPROM。时钟输出可产生达250MHz。根据设计，整个EPROM配置可重新编程一次，允许已编程库存改变或重新使用。CY2037包括一个44位2行EPROM块，其保有全部配置信息。编程字包含来自EPROM的数据及行选择(Row Sel)位，其决定在正常操作期间所访问的行。Cypress建议位在两行中必需匹配，因此，当行0编程时，虽然行1保留没有编程，而Row Sel位行0编程成0。当行1编程时，行0的Row Sel编程成1，可允许覆盖写入。
CY2037包含EPROM寄存器的增项阴影寄存器(shadowregister)，其可选择失效。阴影寄存器完全是EPROM寄存器的拷贝，而且当有效位(Valid bit)没有设定时是缺省寄存器(default register)。当原型或生产环境需要多次测量及调整CLKOUT频率时是十分有用。多次调整可以阴影寄存器来实施。一旦获得所期频率时，即EPROM寄存器被永久地编程。
因而，CY2037的下述基本特征根据EPROM内所储存数据来控制反馈计数器值(P)；参考计数器值(Q)；输出除数选择；振荡调谐(负载电容值)；负载周期水平(TTL或CMOS)；电力管理模式(OE或PWR-DWN)；电力管理时间(同步或异步)；及输出源频率(PLL或晶体)。
PLL频率合成器使用参考输入来产生输出时钟。参考输入可以石英晶体或外部时钟源来提供。PLL频率合成器的输出时钟的精确度及稳定度和其参考输入成直接比例。因此，其重要性在提供稳定、精确及适当参考输入。
跳动是晶体振荡及/或电路电子组件逻辑转变的不规则性所造成的效果。其可由电源供给电压、逻辑转变电压、随机过程、射频干扰等的快速变化所造成。
图1表示CY2037 PLL频率合成器的方块图。PLL的参考输入来自晶片上的晶体振荡器。图2表示晶片上晶体振荡器(a.k.a.皮氏(Pierce)振荡器)的电路，其以组件R、G、Ci及Co来形成，其中G是线性反相器。用于产生电子时钟的电路，需要在XTALIN及XTALOUT接点间连接石英晶体。
图3所示是石英晶体的等效电路。C0是晶体的并联或静态电容，R1是运动电阻，L1是运动电感，而C1是晶体的运动电容。R1、L1及C1是由晶体的机械性质来决定(其在晶体的运动臂内，而且其电路效果仅在晶体振荡时才存在)。图4表示晶体的有效电抗曲线。如此，可见石英晶体制造中的微小变动将改变标准输出频率。
当晶体连接在振荡器电路中做为具有0°相转换的反馈组件时，晶体以方程式1产生串联谐振频率(fs)振荡 皮氏振荡器(Pierce Oscillator)在放大器上具有180°相转换，而自反馈组件需要另一个180°相转换。本情形中的反馈组件是仅具有电容性负载的晶体，而且晶体的振荡频率(及振荡器电路)是在“并联谐振区”。晶体振荡器并联谐振频率的实际值依赖自晶体所见的电容性负载而定，且可由方程式2来产生fp＝fs(1+C1/2(C0+CL)方程式2其中CL＝自晶体所见的电容性负载。例如，当并联谐振晶体安置在提供电容性负载CL＝Cload的皮氏振荡器(并联振荡器)电路时，其调谐到特定Cload，将在预定频率振荡。如果自皮氏振荡器中的晶体所见电容性负载不同于额定Cload，则自额定频率的频率变化以下述方程式3来产生(fp(额定)-fp(实际))/fp(额定)＝C1/2((1/C0+CL)-1/(C0+CL))方程式3其中fp(额定)＝晶体额定频率fp(实际)＝晶体在振荡器电路中的实际频率Cload＝晶体的额定电容性负载CL＝自振荡器电路中的晶体所见电容性负载如此，修整电容器网络使得用于晶体的变动的电路调谐来允许操作频率细微校准可以被期望。本效果是分析性，因为电容的变化在操作频率的改变可以精确地预测。
通常，所选CY2037的EPROM寄存器以适当乘(P)及除(Q)比值来编程，而获得所期望输出频率，通常稍为高于所期望最后频率。控制器以习知的技术来根据频率计数器及其算法的输出来计算乘及除比值。在P及Q编程在装置内之后，振荡器的输出以数个调谐条件来测量，例如测试关于各调谐位的输出的影响。然后，控制器判定最佳调谐字节，从而被编程在EPOM内。如此，DCXO通常是先根据标准振荡器频率来正常地编程，然后，通过修整来调整振荡器频率获得所期望的输出。
通常，振荡器具有对温度的本质灵敏度。如此，输出频率将随操作温度的变化而自标准值来变动。习知使用所谓TCXO或温度补偿晶体振荡器来补偿变化。温度补偿网络可以是模拟或数字化。通常，期望提供具有稳定频率的晶体控制振荡器，其可以外部电压来控制。其称为电压控制晶体振荡器或VCXO。例如，高精确锁相回路及射频收发器可使用本装置。许多TCXO装置也提供VCXO功能，而且称为电压控制、温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)。
基本上，现代TCXO及VCXO装置以改变感测电压而定的振荡器晶体上的电容性负载来操作。其通常使用变容二极管(varactor)(电容随着逆向偏压来变动的二极管)，其响应模拟控制电压。其提供无段模拟控制，相对于使用交换电容器网络来修整电容性负载。
微模拟系统公司(在芬兰的Espoo城，网址为www.mas-oy.com)制造一种电压控制、温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)。
电路，MAS1175。图8标其方块图，其提供三点温度补偿、串行总线用于编程及修整，EPROM参数储存及模拟补偿。如此，提供数字电容性修整网络及模拟电容性控制网络两者。电路需要外部晶体及变容二极管。

发明内容
本发明提供许多改良的数字控制振荡器系统。根据第一实施例，本发明使用很简单的相关编程装置及终端机或个人计算机，来提供现场编程EPROM可编程振荡器装置的系统及方法。
根据本发明的另一配置，消除用于调谐晶体的最后涂镀过程，而在单一过程中集成电子式调谐晶体及选择数字频率合成器的操作参数的过程。如此，以处理晶体振荡器的调谐寄存器做为输出频率控制的集成部分来消除制造步骤，而在选择操作参数获得更大弹性，且改善品质。
EPROM可编程振荡器装置较佳地包括电子式可控制晶体频率调谐器及高精度频率合成器。根据本发明，该两属性结合废除最后涂镀的需要性，而例如因而增加输出品质(降低相位噪声及跳动)，增加产品品质(降低晶体环境污染的可能性或电镀剥脱)，减少成本，减少需要熟练技术工人，减少制造周期时间(且允许最后制造步骤不需集中而可在现场编程)，允许完全地标准化制造振荡器，及/或增加制造产量。
本发明也提供降低振荡器跳动的进一步改善。以使用陶质基体所封装在工业标准5×7mm金属包装的石英晶体及CY2037来测试所设计的振荡器在10-120MHz的频率范围(输出)，跳动范围自95-220ps(双模分布)(25,000个抽样)。然而，当具有10nF及100nF之间的内部电源供给旁路电容器安置在封装内侧时，跳动降低到55-120ps之间(高斯模式分布)(25,000个抽样)。通常，旁路电容器安置在组件电路板上，而不在振荡器封装内，因此其明显的优点令人惊奇。可能地跳动的降低是由封装导线的电感所获得。在振荡器封装内提供旁路电容器，电路更佳地自电感效果来隔离。根据本发明，也可提供内部旁路电路与使得电源线连接到电路的电感调谐共同作用而形成滤波器来进一步降低跳动。
现场可编程性的优点包括减少原型及制造周期时间，而允许振荡器使用者来库存未编程的零件，其被编程成所需要的规范。
根据本发明的振荡器提供比6个有效数字更精确性的编程功能在1至250MHz的频率范围内，涵盖商用及工业用温度范围。温度补偿模式为电压控制模式也在本发明的范围内。
为了提供温度补偿高解析度数位控制振荡器，其一实施例提供VCTCXO电路输出做为CY2037 DCXO的输入(替代在XG的晶体)。CY2037的内部修整电容器没有使用，而尚未商用的装置模式可使用。在编程本系统中，例如，VCTCXO控制参数先以在三个不同温度所决定的补偿来计算。控制参数可编程来测试标准(未修整)输出，或可使用预测输出，但是修整网络参数保持未编程。DCXO的各种P、Q及除数字及电容性修整网络参数可一起计算然后编程。
同样地，本发明也提供积体(即，单一集成电路)高解析度DCVCTCXO。在本情形中，内部电容性修整可和温度补偿、电压控制及逻辑控制电路共存。优点上，用于全部功能的控制电子装置使用单一串连接口及非易失性控制寄存器组。
编程DCXO(CY2037)的过程基本上决定自由晶体振荡器操作频率，例如，在可用调谐值的范围内，然后计算最佳P、Q除数选择及调谐值，来获得具有可接受误差(ppm)及最小Q值的所期望振荡器操作频率。因此，对照典型现有技术的方法，晶体调谐和振荡器参数P、Q及除数选择同时地选择而不是事先地实施。其获得更大弹性来使得各种参数最佳化。因此，在本过程中，因为晶体及调谐参数的差异，所以P、Q及除数选择参数可在符合相同输出频率规范的振荡器间变动。
因此，本发明的配置是提供高精确度振荡器系统，其不需细微调谐振荡器晶体。本发明的另一配置是以集成操作来提供晶体操作频率细微调谐及输出频率而编程的振荡器。本发明进一步的配置是提供一种用于可编程振荡器的编程装置，其在单一操作中选择最佳晶体频率调谐及频率合成。
因此，本发明提供人的用户接口系统及方法，其提供可编程振荡器装置的接口，其用于编程符合本文所述全部或某些目的。
初始地，晶体的标准频率使用频率计数器来测量。本频率较佳地以在未编程状态中可编程的振荡器来测量，使得晶体频率自身测量。较佳地，也以在可用调谐范围测试晶体输出来测量系统的调谐灵敏度。通常，需要少数测量值，例如，在7位调谐系统内8次测量值。虽然各字节的输出频率也可测量，即，全部7位范围的128个值，但其不是必需，因为调谐效果通常可根据本范围的稀疏抽样来精确地预测，较佳地测试各位的灵敏度，但是不必要分离。位的调谐效果表示在晶体上的多加电容及降低其操作频率，其通常是非线性；因此，当在晶体上的总电容负载较高时，低次位在输出上具有低的效果，即导致较低ppm变化。
调谐位的灵敏度是使用瞬时编程技术来测试，即阴影寄存器。通过改变阴影寄存器的内容，决定负载在晶体上的调谐电容器的电容性效果，而不用永久地修改振荡器。如此，调谐灵敏度可在编程振荡器(即，CY2037)之前来决定，振荡器在未编程状态中输出晶体参数频率其与P、Q及除数选择无关。
在DCVCTCXO的情形中(即组合MAS1172及CY2037)，温度补偿网络(即，MAS1175)也可保持在未编程状态，直到计算出用于数字PLL除法器网络(CY2037)的系数为止。其在非期望组的P、Q及除数比值情形中，允许所要编程的温度补偿参数替代组(而不是以正常算法所提供者)的选择。如此，以同样的方式被储存在非易失性内存前在DCXO实施例中修整电容器值被暂时计算，同样地，也可使用温度补偿电路来提供多加变量而使得电路性能最佳化。
在振荡器的基频及调谐灵敏度决定之后，决定调谐位、乘及除(P及Q)比值及除数选择的最佳设定来使得ppm误差最小。因为调谐位在编程之前尚未确定，比较现有设计，其提供多加自由度来选择振荡器编程的条件。连同高精度P及Q参数，根据本发明的方法及系统获得更高品质、更低成本及现场可编程性。优良上，晶体没有经历最后涂镀过程，如此保有低相位噪声及跳动。
在调谐灵敏度决定之后，计算乘、除及除数选择的参数，且全部编程到装置内，即在非易失性内存内。优点上，CY2037装置允许振荡器在第二寄存器组中二次编程，而允许装置重新使用或重新分配，且进一步使得报废减到最小。
振荡器的频率是以频率计数器来决定，其可以是在编程装置内部或提供为外部系统。较佳地，系统配置提供个人计算机用于接口、控制及频率计数器，例如IEEE-488装置及个人模块作为振荡器的直接逻辑接口。然而，可提供单一系统或在模块间不同地分离的功能。个人模块可以是低成本设计来允许分离专用个人模块提供用于各特定模式的振荡器装置。个人计算机及频率计数器是通用资源，而不需专用于振荡器编程。当然，个人计算机只是便利性接口及处理资源，而且可如所期望地来更换。使用现代个人计算机，整个编程操作每个振荡器在少于20秒内完成。
本发明的另一实施例集成全部所需要接口及智能在个人模块内，其在本情形中是完整的编程器。相同地，个人模块可包括内建的网络服务器)(Web server)，且经TCP/IP通讯协议经任何便利性提供的物理传输层来通讯。因为被分析用于最佳性的参数组大，所以个人模块不需要寻找最佳解决方案的参数空间(parameter space)，而需要微小智能，较佳地使用分离过程来决定最佳参数。
而且也可能留下未经编程的调谐位，而用阴影寄存器的内容来使得振荡器操作。例如，其允许在操作期间调谐的数字控制，例如，构成数字温度补偿振荡器(TCXO)。另一方面，也可使用现有TCXO补偿技术，而装置包括经历调谐及参数最佳化过程的模拟温度补偿网络(诸如MAS1175)。在数字TCXO的情形中，简单的热传感器和简单微控制器接口，然后，有必要地重新编程在阴影寄存器内的调谐位，来保持所期望输出频率。此数字方案也可使用来产生展开的频谱振荡器输出，一种微共鸣(Chirp)或其它期望波形。
根据本发明的典型编程算法是根据下述方案来执行定义误差容许度，其为标准输出频率的ppm误差；决定晶体频率及调谐灵敏度；计算算法寻找转换所测量晶体频率成为在误差容许度频带内的期望频率的参数组。通常期望使用最小除法比，Q。除数选择因子在7倍频范围(CY2037)上提供频率的倍频定标(octave scaling)。因此，算法寻找可接受参数组的递升Q次的参数空间。
为了获得低ppm误差、相位噪声及跳动，通常期望在中间调谐范围标准调谐值处以Q、ppm误差及除数选择来优先次序有用参数组。参数组也使用不同于标准值的调谐值来寻找可接受组。如果需要，可测试所建议调谐值的效果来确保结果如预期。
如上所述，其所提供外部温度补偿网络中，调谐功能通常合并在外部补偿网络内。然而，较佳的编程方法是相同，且包含递近承诺振荡器修整值直到DCXO参数选定之后为止。
典型可接受DCXO误差容许度是150ppm，其完全可不用调谐值来获得。另一方面，根据本发明，误差通常保持在±1ppm内。本情形中，通常期望激励4个高调谐位，因为其将增加其余位的调谐分辨度。例如，在CY2037中，在0000000-0000001调谐状态间，最低有效位具有约8ppm灵敏度；在1111110-1111111状态间，最低有效位有约2ppm的灵敏度。然而，限定调谐参数范围将使得找到可接受参数组更困难。
如此，例如以CY2037所能提供高精确度程度，利用具有例如离标准期望值达2,000至3,000ppm误差的原晶体(raw crystal)，其可避免制造振荡器的“最后涂镀”操作。根据本发明，在局部主或内藏处理器上执行的程序读取振荡器输出及调谐灵敏度的值，及计算P、Q及除数选择的值，而获得期望输出期望值。然后，调谐算法补偿在误差容许度范围内的残余误差(residual error)。例如，此程序以Visual BasicTM，C及Access数据库语言来写入。
本开关电容器调谐来有效地消除最后涂镀过程，是利用晶体对负载电容的下述方程式，如方程式2所示 因此，例如，本方法测量CY2037装置在8-15调谐值的F1。其意即在各调谐值的C1的近似值，然后允许Fr、C0、C1及Cstray的计算。其结果使得未完成振荡器调谐，即使具有很不精确晶体亦然。
编程接口提供读取及写入功能。用于读取，系统允许CY2037的确认及CY2037完全编程的确认。用于写入，系统允许选择现有列，所选列的编程及以特定位模式加载阴影寄存器。
在用于人可读取的输出中，读取位模式可注释，而因此译码成为数段(portion)。此外，编程装置可作为多种振荡器模式的翻译程序器，因此，具有不同个性(personality)。在本情形中，例如，注释特征是部分数据输入及输出的正常化特征。然而，通常所需要接口是特定用于某模式的振荡器装置，而提供分离个性模块比较多功编程装置更有效率。
较佳地，编程器和9600波特、无奇偶校验、8个数据位及1个停止位的标准串行端口(即RS-232端口)形成接口。当然，也可使用其它接口，包括并口(Centronics)、USB、IEEE-488、Firewire(IEEE-1394)、12C总线(bus)等。进一步，编程器可使用HTML接口，且作为内置网际网络服务器，例如，包括和TCP/IP通讯协议的10BaseT接口。
通常，主机决定编程参数，即，P、Q及除数选择及调谐位，且例如，可使用预定程序完全地自动和频率计数器及编程板来通讯。
替代地，可使用接口来人工输入数据到终端机程序内，来和编程装置通讯。如此，可使用分离应用来根据所测量晶体频率特性而决定适当乘、除、等级(scaling)(除数选择)比值及用于所期望输出频率的调谐。然后，使用者经终端机程序来将其传送到编程装置。
在自动测系统的情形中，编程装置可以应用程序来直接控制，而不用人工终端机程序接口。在本情形中，在编程装置及主计算机间可通讯原始、未解析数据。然而，如果编程装置设计来处理多种振荡器设计，则数据解析者有用于使得通讯及应用软件标准化，而不管振荡器集成电路设计的差异。
CY2037的接口是4线接口。装置实施所需要的时钟/数据线上开关(数据/时钟)、Vpp/Pgm线开关(转换寄存器启用/停用)及Vdd选择(转换/操作)及所需要的编程顺序。第四线是地线。
因此，本发明的目的在于提供一种编程数字化可调谐振荡器的方法包含下列步骤接收所期望输出频率；决定调谐效果于晶体调谐频率的一组数字化调谐字(words)；计算算法的有效参数来根据调谐效果而转换及调谐晶体谐振频率到所期望频率误差容许度内的值；及在非易失性内存内编程有效的计算参数组。
本发明进一步的目的在提供一种用于编程数字化可调谐振荡器的装置，包含输入，用于接收所期望振荡器频率；输入，用于接收数字式可调谐振荡器的输出频率；控制，用于选择振荡器的多数调谐状态；计算机程序，用于计算算法的有效参数，来根据在多数调谐状态期间所接收振荡器的输出频率，转换及调谐晶体谐振频率到所期望频率误差容许度内的值；及编程器，用于以所计算参数的有效组来编程振荡器的非易失性内存。
本发明再进一步的目的在于提供一种计算机可读取媒介，包含程序用于实施下列步骤接收所期望输出频率；决定晶体谐振频率的一组数字化调谐字的调谐效果；计算算法的有效参数，来根据所决定调谐效果而调谐晶体谐振频率到所期望频率误差容许度内的值；及输出至少一组所计算有效参数。
根据本发明各种实施例，所期望最大误差容许度是输入，限制振荡器控制参数组值。
振荡器较佳地是锁相回路频率合成器，具有用于频率转换的乘法参数及除法参数。振荡器较佳地在晶体上也具有电容性负载，以数字化调谐字来控制而转变其谐振频率。根据本发明各种实施例，大致所有可用参数计算是为了决定符合全部设计需求的潜在有效参数。替代性地，理论上可用参数分组(subset)可以估算，例如，其中振荡器内存的位预先编程，或其中强制其它考量。
本发明的另一目的在于提供一种系统及方法，用于编程具有非易失性内存来持续性地储存控制算法及调谐控制的可编程振荡器，其中调谐效果在控制算法编程非易失性内存之前先决定。因此，当决定调谐控制时，控制算法仅受限于可用参数组，允许计算有效参数的更大自由度。
本发明的进一步目的在于提供一种分离式振荡器编程控制及计算装置，而在计算装置及振荡器编程控制装置间通讯有效参数组。如此，振荡器程控装置不需要人工接口或计算装置，简化设计及降低振荡器编程控制成本。
本发明再进一步目的在于提供一种用于编程精确振荡器的系统及方法，其中晶体频率源大略调谐及/或未经最后涂镀过程。
本发明的另一目的在于提供一种系统及方法，用于编程具有锁相回路频率合成器及晶体调谐参数的振荡器其中锁相回路具有用于晶体频率的频率合成的乘参数及除参数，及其中有效调谐、乘及除参数计算是根中间调谐值，以递增除参数来排序，然后以所排序次序来计算调谐效果的能力而使得频率误差回归到预定误差容许度内。
本发明的其它目的及特征自下文的详细说明及申请专利项目连同附图，将变得显而易见，其中相同参考号码指相同零件。


本发明所示附图，其中图1A及图1B表示现有CY2037装置的方块图；图2表示晶片上晶体振荡器的电路图；图3表示石英晶体的等效电路图；图4表示图3所示晶体的有效电抗曲线图；图5表示根据本发明振荡器编程系统的简略方块图；图6A及图6B表示根据本发明一种编程装置较佳实施例的示意图；图7A及图7B表示根据本发明较佳方法的流程图；图8是习知MAS1175装置的方块图；图9是表示根据本发明用于编程VCTCDCXO的较佳方法流程图；
图10A及图10B表示一种编程容纳封装，其中具有石英晶体、半导体集成电路、变容器及旁路电容器；图11A是表示根据现有技术100MHz PLL振荡器没有内部旁路电容器跳动图标；图11B是表示根据本发明的100MHz PLL振荡器具有内部旁路电容器的跳动图标；图11C是表示根据传统技术40MHz PLL振荡器没有内部旁路电容器的跳动图标；图11D是表示根据本发明的40MHz PLL振荡器具有内部旁路电容器的跳动图标；及图12表示PLL振荡器具有内旁路电容器的跳动对频率的图表。
具体实施例方式
本发明现在以附图来详细说明，其中所对应参考号码指附图中所对应构造。
实施例1-DCXO如图1A所示，CY2037提供高精确度PLL、EPROM配置寄存器组、晶体振荡器及除数选择器。图1B表示用于控制及调谐振荡器频率的可编程调谐电容器组。
图5表示可编程装置1经由R232串行接口7和主计算机4接口，频率计数器3其可以是分离式模块或集成在主计算机4或编程装置1内来提供晶体振荡器(在测试中的装置)到个人计算机4的输出频率读数，及编程装置和晶体振荡器2接口来用于其编程。主计算机4具有显示屏幕、键盘6及鼠标5用做其使用者接口。
图6A及图6B表示本发明较佳实施例的示意图。编程装置包含微控制器例如Atmel89C52、串行接口驱动器例如使用RS-232和主计算机4通讯的线性科技公司所制LT1182(见图6A)、各种电源供给调节器组件(图中未示出)、一组数字缓冲电路(见图6B)、及用于测试装置(DUT)的插座。
振荡器编程装置1的微控制器在使用期间和主计算机4系统通讯，其使用专用应用软件和编程装置1来通讯。
如在图7A及图7B中所示，控制器初始重设在开始状态11。然后，操作员选Power Vdd、输出控制、振荡器的同步及模式、及期望操作频率12。
然后，控制器读取装置的两列(row of the device)来判定其是否已编程13。仅在少有情形中振荡器的列可重新编程，即，其中仅新程序需要完全地改变任何位自0状态到1状态。因此，控制器的两列如果都已重新编程则通常重新设定。如果列0尚未编程14，则处理过程寻找来编程本列17，否则，列1编程16。如果列1要被编程，则列0位在列0及列1都设定在1。
振荡器可编程两次以上，以决定各先在列1中编程位为0的值来寻找P、Q及除数选择用于降低频率数。例如，如果在列1的P值是000100100001，则其可以改变0位成为1的P值，即100100100001来重新编程。
如果可以发现其中仅零位改变用于期望新频率的一组P、Q及除数选择值，则振荡器可被编程两次以上。通过比较未编程部分，将有减少的值组。
然后，所选择列的阴影寄存器顺序地设定在0、16、32、48、64、80、96及112的值，然后测量输出频率，如此测试最高三位的调谐值21。低位较不重要，且通常更具一致性，所以通常不需要实际测量。
在调谐过程中，如果输出频率不能读取22，则振荡器不存在或性能不良，而控制器重新设定用于下一次测试组23。
根据调谐测量及期望输出频率，fR、C0及C1的值以方程式2由已知fL及CL来计算24 在本情形中，所使用基频fR是调谐值48频率，允许在最佳化25期间的正及负偏差(deviation)。然后计算在装置的频率限制26内该组的有效参数P、Q、除数选择及ppm误值26。
然后以Q及ppm来排序该组的有效参数、P、Q27，及选择具有低ppm的最小Q值28。在锁相回路所使用方程式中，P/Q分数减化到最简式。
然后，使用fL_方程式来选择调谐值而最佳地使得所选择Q值的ppm误差归零29。
然后所建立的编程序列29传送到控制器，包括P、Q、除数选择及调谐值30，然后其编程到装置的EPROM列寄存器内。然后检查振荡器是否适当地编程33；如果没有，则写入EPROM重新尝试额外三次35。如果振荡器仍未适当编程，则操作放弃。如果成功地完成，则操作者被告知34，而装置重新设定用于新编程循环。
实施例2-TCVCDCXO实施例1电路修改是以所连接到CY2037输入XG的MAS1175的输出替代图8所MAS1175振荡器的输出来用于图1B电路中的晶体。因此，CY2037的调谐电容器网络没有效用，因而不需显示。使用图5所示编程装置具有为此所设计在图6A及图6B中更详示的不同振荡器编程1的个性模块(personality module)。尤其，图6B的电路额外地处理MAS1175的时钟、数据及编程输入接点(inputpin)。该信号(以及可能地其它测试及诊断信号)可传送到振荡器封装上的接点。
编程方法合并图7A所示初始CY2037编程步骤及图7B所示选择操作及振荡器修整值，而选择测试修整值可除外。在图7B中，其发现所选择为0、16、32、48、64、80、96、112用于检测CY2037调谐网络的特性最佳。更可测试具有电容性修整网络25％容许度的MAS1175的各位，即可试测0、1、2、4、8、16、32、64、128，256、512或各种组合位。当然MAS1175提供透明寄存器模态，其中补偿读取EPROM或转换寄存器内所储存值，允许电路在编程前先进行功能测试。
在实施用于调谐振荡器及选择DCXO系数的图7B所示步骤前，先定义温度补偿参数。事实上，MAS1175温度补偿功能在计算之后可保持未编程，以便允许在选择DCXO操作参数的更大弹性。图9表示温度灵敏度的测量、参数的计算及温度补偿网络的编程。
温度灵敏度的测量包含当使用外部频率参考来测量输出频率时，保持振荡器在预定温度中操作。晶体可放置在炉或环境控制室内，而在其操作温度范围例如0°至50°内测试。通常，振荡器在其额定或标准负载下测试，而允许在量取测量值前先固定。
如图9所示，例如，振荡器电路在至少三种温度的多种温度条件下测试。然后，数据使用于计算振荡器的温度相依性。MAS1175提供线性、三次项(cubic term)、反折点(inflection point)、及灵敏度(在变容器的电压控制)的参数控制。
编程初始40是进入编程器的个性模块中的编程模式。然后，决定晶体的反折点温度，及反折点控制编程41来补偿自身温度。然后频率偏置初步地补偿42但不是编程，而其它寄存器暂时设定在中间值43。变容器灵敏度使用灵敏度寄存器来修整到所期望灵敏度44。以系统初步修整来测量具有至少三种不同温度(反折及线性)或至少四种不同温度(反折、线性及三次项灵敏度)的频率输出45。然后，计算为获得平滑频率响应的参数值46。然后，在编程前电路可使用所建议值来测试47。
然后，图7B所示方法使用来决定最佳DCXO参数及电容性调谐值48。然后所计算参数以振荡器在室温的操作来测试49。如果该值没有问题50，且如果该值在容度内，则各种EPROM寄存器编程51。然后以编程器1传送讯息来移开已编程的振荡器，及重新设定系统52。
另一方面，根据可用P、Q、除数比值，如果所决定参数的尤其除数比值Q有问题，即除数比值太高，则可重新计算温度补偿值46，寻找转换输出频率足够允许所期望DCXO参数。本情形中，较佳地在温度补偿参数重新计算后，因为温度补偿值不是最佳，所以验证振荡器在温度上操作49。例如，调整三次灵敏度项、反折点及线性，可获得新操作点，其改变晶体操作控制，而其符合功能性的容许度及规范。
实施例3图10A表示具有外部电源供应旁路电容器的现有技术封装振荡器。通常，封装PLL振荡器依赖外部旁路电容器。在较大封装尺寸有些已知非PLL振荡器包括内部旁路电容器。图10B表示根据本发明的具有内部电源供给旁路电容器的封装PLL振荡器。根据本实施例，在振荡器容器内提供10-100nF晶片电容器用于电源供给旁路。
图11A、图11B、图11C及图11D分别表示在100MHz(图11A及图11B)及40MHz(图11C及图11D)PLL振荡器的图10A比较实施例及图10B实施例两者间跳动分布分别比较迹线(tracing)。在各情形中，非旁路振荡器显示双模态(或在某些情形中没有显示的三模态分布)，而具有内部旁路电容器的PLL振荡器具有以高斯分布的全部低跳动。
跳动测量是使用HPE3631A电源供给器而在测试夹具中施加额定负载到在测试中的振荡器来获得。LeCroy LC684DXL示波器具有PPO968GS/S转接器、来自HP1144A主动探针(active probe)的输入及HP1142电源供给器做为输入。HP53121A频率计数器提供10MHz时基(timebase)。示波器及频率计数器使用GPIB控制总线来和个人计算机通讯。
各水平划分是10.0ns。图11A及图11B各表示25179跳动计数，而图11C表示25086跳动计数，及图11D表示250036跳动计数。各振荡器以3.3V电源供给器及30pF输出负载来测试。
在图11A中，周期是30.519ns，低限是30.4143ns，高限是30.5878ns，范围是173.50ps而偏差(Sigma)是43.21ps。在图11B中，周期是30.519ns，低限是30.4798ns，高限是30.5523ns，范围是72.50ps而偏差是10.06ps。在图11C中，周期是24.998ns，低限是24.8966ns，高限是25.0636ns，范围是167.00ps而偏差是23.23ps。在图11D中，周期是24.999ns，低限24.9416ns，高限是25.0516ns，范围是110.00ps，而偏差是12.29ps。
图12表示在频率范围内外部旁路实施例(图10A)及内部旁路实施例(图10B)间相位跳动测量的比较。如图12所示，在上迹线中所表示非旁路PLL振荡器在整个频率宽范围内总是比较内旁路PLL振荡器具有更大跳动。
虽然上述详述说明已表示、说明及指出本发明所应用到各种实施例的基本创新特征，但是擅于本技术者会实施所述系统及方法的形式和详细说明的各种省略例、替换例及改变，而当然没有背离本发明的精神。因而，本发明的全部范围确定在附录的申请专利范围。
符号说明1编程装置2晶体振荡器3频率计数器4主计算机5鼠标6键盘7串行接口11开始状态12操作频率
权利要求
1.一种用于编程数字式调谐振荡器的方法，包含下列步骤(a)接收所期望频率；(b)决定在晶体谐振频率上一组数字调谐字的调谐效果；(c)计算算法的有效参数，而根据该所决定调谐效果来用于转换及调谐晶体谐振频率到所期望频率误差容许度内的值；及(d)编程在非易失性内存内计算参数的有效组。
2.如权利要求1所述的方法，尚包含输入所期望最大误差容许度的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中该算法包含具有用于频率转换的乘参数及除参数的锁相回路频率合成。
4.如权利要求1所述的方法，其中该调谐字改变在该晶体上的电容性负载，因而改变其谐振频率。
5.如权利要求1所述的方法，其中该计算步骤充分分析全部有用参数来决定该有效参数。
6.如权利要求1所述的方法，其中该调谐效果在非易失性内存的编程前先决定。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包含提供分离振荡器编程控制器及计算装置，及在该计算装置及振荡器程控器间通讯有效参数组的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其中该晶体近似地调谐。
9.如权利要求1所述的方法，其中该晶体的谐振频率大致以没有任何最后涂镀过程调谐来决定。
10.如权利要求1所述的方法，其中该算法包含具有乘参数及除参数用于频率转换的锁相回路频率合成法，而其中该有效参数根据中间调谐值来计算，以递增除参数来排序，然后以排序次序来评估使得频率误差归零到该误差容许度内的调谐效果功能。
11.如权利要求1所述的方法，尚包含下列步骤(e)决定该晶体的温度灵敏度；(f)计算温度补偿参数组；及(g)编程在非易失性内存内所计算温度补偿参数组。
12.如权利要求1所述的方法，其中该数字调谐振荡器也接收模拟调谐信号。
13.一种用于编程数字调谐振荡器的装置，包含(a)输入端，用于接收所期望振荡器频率；(b)输入端，用于接收该数字调谐振荡器的输出频率；(c)控制器，用于选择该振荡器的多数调谐状态；(d)计算机程序，用于计算算法的有效参数，用于根据在该多数调谐状态期间所接收该振荡器的输出频率，来转换及调谐该晶体谐振频率到该所期望频率误差容许度内的值；及(e)编程器，用于以所计算参数的有效组来编程该振荡器的非易失性内存。
14.如权利要求13所述的装置，其中该装置也接收所期望最大误差容许度的输入。
15.如权利要求13所述的装置，其中该算法包含具有乘参数及除参数用于频率转换的锁相回路频率合成器。
16.如权利要求13所述的装置，其中该调谐状态包含在该晶体上电容性负载的改变。
17.如权利要求13所述的装置，其中该计算机程序充分分析全部有用参数来决定该有效参数。
18.如权利要求13所述的装置，其中该调谐状态在以该所计算参数来编程该非易失性内存前先决定。
19.如权利要求13所述的装置，进一步包含分离振荡器编程控制器及计算装置，其中该有效参数组在该计算装置及振荡器编程控制器间通讯。
20.如权利要求13所述的装置，其中该晶体大致调谐。
21.如权利要求13所述的装置，其中该晶体的谐振频率大致以没有任何最后涂镀过程调谐来决定。
22.如权利要求13所述的装置，其中该算法包含具有乘参数及除参数用于频率转换的锁相回路频率合成法，及其中该有效参数以计算机程序根据中间调谐值来计算，以递增除参数来排序，然后以排序次序来评估使得频率误差归零到误差容许度内的调谐效果的能力。
23.如权利要求13所述的装置，进一步包含用于决定该晶体温度灵敏度的装置及用于计算温度补偿参数组的计算机程序。
24.一种计算机可读取媒体，包含程序以用于实施下列步骤(a)接收所期望输出频率；(b)决定在晶体谐振频率上一组数字调谐字的调谐效果；(c)计算算法的有效参数，用于根据该所决定调谐效果来转换及调谐该晶体谐振频率到该所期望频率误差容许度内的值；及(d)输出至少一组所计算有效参数。
25.一种锁相回路振荡器，具有振荡器晶体、锁相回路集成电路、用于安装该振荡器晶体及锁相回路集成电路的电路基体及外盖(cover)，该改良包含在该基体上及外盖内提供电源供给旁路电容器。
26.一种锁相回路振荡器，包含振荡器晶体、锁相回路电路、温度补偿电路及晶体频率修整电路在共享密封的封装内。
全文摘要
本发明提供一种用于可编程数字调谐振荡器的系统及方法。其接收所期望输出频率,决定在晶体谐振频率上的一组数字调谐字的调谐效果,及根据所决定调谐效果来计算算法的用于转换及调谐晶体谐振频率到所期望频率误差容许度内的有效参数值。有效参数较佳地根据中间调谐值来计算,以递增算法的除参数来排序,然后以排序次序来评估使得频率误差归零到误差容许度内的调谐效果能力。然后,所计算参数的有效值编程到非易失性内存内。振荡器控制参数可保持未编程状态直到全部必要的参数定义为止。因为装置可以以单一步骤来编程,而不用中间预设标准晶体频率,所以不需要最后涂镀过程。高精确度可以经完整可用参数组来搜寻符合频率及容许规范的组而获得。
文档编号H03L1/02GK1365541SQ01800649
公开日2002年8月21日 申请日期2001年2月15日 优先权日2000年2月15日
发明者戴维·J·巴布科克 申请人:卡迪纳尔元件股份有限公司