专利名称：动态计算压控晶体振荡器的调谐值的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电子电路，具体涉及压控晶体振荡器电路。
背景技术：
压控晶体振荡器在大量电子电路应用中使用。通常，调谐电压用
于调节压控晶体振荡器(vcxo)的振荡频率。当调节调谐电压时，根 据vcxo的具体实施，vcxo的频率随之调整。
图1表示了数字式电压晶体振荡器10的示例。在该示例中，压 控晶体振荡器10包括振荡器电路12，其驱动具有不同晶体参数的晶
体，如并联负载共振频率、串联共振频率、晶体静态电容、晶体动态
电容。晶体振荡器通常可以配置在反馈方向，电容器阵列16用于电 调节振荡频率。
例如，模数转换器20可以处理调谐电压18，存储器22使用模 数转换器的输出。在一实施例中，存储器22可以包括只读存储器 (ROM)或非易失性存储器(NV)，其中包含用于压控晶体振荡器的调 谐配置文件。
通常，向外对系统10生成存储在存储器22中的压控晶体振荡器 的调谐配置文件，随后编程、硬编码或烧录到存储器22中。对照存 储在存储器22中的压控晶体振荡器的调谐配置文件，存储器22映射 从模数转换器20接收的值，并基于该映射产生设定或调节可调电容 器阵列的值，从而使系统10响应调谐电压18在所需频率振荡。实质 上，存储器22将从模数转换器20接收的值转换为用于调整可调电容 器阵列的值，以达到振荡频率。
图1的系统10的优点是允许在存储器22中写入任何调谐配置文 件。然而，系统10还有许多缺点，包括片外执行电压控制振荡器的 配置文件曲线的生成和电压与适当的电容调节之间的映射，且其不用特定的配置文件重新编程很难改变。此外，如果在存储器22中存储 大量不同的配置文件，则如本发明的发明人意识到的，存储器的尺寸
或总面积变得很大，使系统io的使用不理想。
如本发明的发明人意识到的，所需的用于压控晶体振荡器的系统 将提供系统的调谐配置文件或值的动态计算，从而系统不需重新编程 系统中的配置文件就能够支持宽范围的振荡频率和多种不同的晶体。 正是基于这样的背景开发出多个本发明的实施例。
发明内容
根据以上内容和根据本发明一实施例的广义方面，在此公开的压
控晶体振荡器可受调谐电压的控制，vcxo具有晶体和可调电容器阵
列。在一示例中，VCX0包括将调谐电压转换为对应的数字值的模数 转换器；存储一个或多个晶体参数的存储器；接收数字值、晶体和所 需调谐配置文件的一个或多个参数的逻辑块，所述逻辑块动态地计算 用于调节可调电容器阵列的一个或多个值。以这种方式，逻辑块可以 实时地动态计算和调节VCX0的运行。
在一实施例中，逻辑块包括计算部分和控制部分，以及可以包括 算术逻辑单元，算术逻辑单元包括用于执行乘、加和其他功能的部分。 逻辑块可以包括状态机。
部分地根据数字值、 一个或多个晶体参数和一个或多个调谐配置 文件，逻辑块可以计算用于调节可调电容器阵列的一个或多个值。用 于调节可调电容器阵列的一个或多个值可以包括电容器阵列中所需 负载电容的地址或其他值。
晶体的一个或多个参数可以包括晶体静态电容、晶体动态电容、 并联负载共振频率和串联共振频率。调谐配置文件的一个或多个参数 可以包括起始晶体负载电容、终止晶体负载电容、所需的起始频率、 所需的终止频率、所需的起始PPM偏移、所需的终止PPM偏移和/或 以频率或PPM表示的所需拉动范围。存储器可以是只读存储器、非易 失性存储器或易失性存储器。.根据本发明另一实施例的另一广义方面，在此公开的方法用于控 制具有晶体的压控晶体振荡器(VCX0)的振荡频率。在一示例中，该 方法包括存储晶体参数和调谐配置文件；将模拟调谐电压转换为数字
值；及根据数字值和晶体参数，动态计算施加在VCXO上的电容值以 调整振荡频率。该方法可以包括使用通过动态计算得出的电容值调节 可调电容器阵列。在一实施例中，转换操作和动态计算操作实时地连 续进行。
在一实施例中，存储操作存储的晶体参数可以包括晶体静态电 容。存储操作存储的调谐配置文件参数可以包括最小晶体负载电容和 /或最大晶体负载电容。
在另一实施例中，动态计算电容值的操作可以包括计算电容器阵 列的地址。存储操作可以利用非易失性存储器器或其他类型的常规存 储器。
根据本发明另一实施例的另一广义方面，在此公开的是包括压控 晶体振荡器(VCX0)的集成电路，VCX0具有可调电容器阵列、将调
谐电压转换为对应的数字值的模数转换器、接收数字值和一个或多个 晶体参数的逻辑块，所述逻辑块动态地计算用于调节可调电容器阵列 的一个或多个值。
本发明不同实施例的特征、功能和优点将从以下如附图所示的本 发明实施例的具体描述明显看出。
图1是包括存储压控晶体振荡器的调谐配置文件的存储器和模 数转换器的传统压控晶体振荡器系统。
图2是根据本发明实施例包括模数转换器、调谐配置文件逻辑块 /状态机和存储器的压控晶体振荡器的示例。
图3是根据本发明实施例用于计算VCX0调谐配置文件的逻辑块
的示例。
图4是根据本发明实施例用于动态计算VCX0调谐配置文件的逻辑操作的示例。
图5是用于实现本发明实施例的状态机的操作示例。 图6是根据本发明实施例状态机的不同状态的示例。 图7是线性晶体频率与调谐电压的曲线图的示例。
图8是负载电容与调谐电压的曲线图的示例。 图9是频率与负载电容的曲线图的示例。
具体实施例方式
总体上，本发明实施例可以提供压控晶体振荡器(VCX0)的电子 调谐，其中根据不同的晶体参数或其他参数动态地计算调谐配置文件 或值。在片上或系统内动态地计算调谐配置文件或值，不需要按照传 统方式在大量存储器中存储不同的配置文件。由此本发明的实施例可 以与多种不同的晶体一起使用，因为本发明的实施例提供动态调谐配 置文件/值计算，操作振荡器系统不需要按照传统的方式用新的晶体 配置文件重新编程存储器。在此描述本发明的不同实施例。
图2表示了根据本发明实施例的压控晶体振荡器系统30的示例。 系统30包括逻辑块32和存储器34。逻辑块可以使用状态机或其他 逻辑实现，通常用于自动计算以动态方式调整系统30所需的调谐配 置文件和值。例如，根据存储在存储器34中的晶体参数和调谐配置 文件参数，逻辑块32能够自动和动态地计算压控振荡器的调谐配置 文件，使得在一示例中调谐配置文件是线性的。逻辑块32'可以响应 调谐电压值计算具体的电容值或地址。
在一实施例中，调谐配置文件可以表征为调谐电压与电容值之间 的数学图表或映射，或者可以包括离散的值。调谐配置文件可以用于 确定提供给可调电容器阵列42的值，从而响应调谐电压36调节系统 30的振荡频率。
在图2的示例中，调谐电压由模数转换器37接收，其将调谐电 压转换为输入到逻辑块32的数字值。逻辑块32从模数转换器37接 收数字值，并与存储器34通信。存储器34可以利用任何类型的存储器实现，包括常规存储器，如R0M、非易失性存储器或其他存储器。 晶体可以由其晶体静态电容(C0)、晶体动态电容(Cl)、并联负
载共振频率(FL)和/或串联共振频率(FS)特征化。调谐配置文件 可以由其起始晶体负载电容值(即最大负载电容CL1)、终止晶体负 载电容值(即最小负载电容CL2)。并联负载共振频率是加载特定值 的负载电容时晶体振荡的频率。晶体中心频率是当对晶体施加额定负 载电容时晶体的振荡频率。晶体的调谐配置文件可以由最小振荡频率 和最大振荡频率特征化，最小振荡频率可以对应于最大晶体负载电 容，最大振荡频率可以与最小晶体负载电容关联。由此可见最大和最 小晶体负载电容能够用作调谐配置文件的参数。
在一实施例中，存储器34存储晶体参数和调谐配置文件参数， 如晶体静态电容、晶体动态电容、晶体并联负载共振频率、晶体串联 共振频率、起始晶体负载电容、终止晶体负载电容、所需起始频率、 所需终止频率、所需起始PPM偏移、所需终止PPM偏移和/或以频率 或PPM表示的拉动范围。
逻辑块32根据存储在存储器34中的参数动态计算调谐配置文件 或值。当逻辑块32从模数转换器37接收调谐电压数字值时，逻辑块 产生或调整电容器阵列42的值，从而动态地改变与晶体40相连的晶 体振荡器38的振荡频率。
图3说明了根据本发明实施例图2的逻辑块32的示例。在该示 例中，逻辑块32从存储器34接收存储的参数及模数转换器37的输 出。时钟也可以用于控制逻辑块32的运行。
在一示例中，逻辑块32可以包括计算部分50和控制或状态机部 分52。计算部分50计算动态产生的并直接或间接用于调整系统30 中的可调电容器阵列42的值。提供控制部分52从而控制计算部分 50的状态。应当理解计算部分50和控制部分52可以集成到电子系 统中单一的部分或部件中，取决于具体的实现。
在一示例中，计算部分50可以包括能够执行各种公知的算术功 能的算术逻辑单元54。这样的功能可以包括加、减、乘、除，或其他任何常规功能，如加载、存储、移位、位测试、置位、清除，或其他 通常由算术逻辑单元执行的功能。也可以提供一对多路复用器56、
58，以及一组寄存器60。在图3的示例中，控制部分52选择将多路 复用器56、 58的哪些输入馈送到ALU 54。控制部分52进一步指示 ALU54执行所需操作，如加、减、乘、除，或其他常规功能。ALU 54 执行运算得出的结果可以存储在多个寄存器60的一个或多个中。
应当理解，提供图3所示示例只是为了说明的目的，逻辑块还可 以其他不同的方式实现，并能根据本发明公开的内容预料到。根据该 实现方式，逻辑块32可以使用多个精密元件、可编程逻辑、微处理 器或微控制器的一部分逻辑核实现，或者实现为具有计算能力的元件 中的一个或多个处理。
图4是根据本发明实施例用于控制压控晶体振荡器的操作的示例。
在操作70，电压，如用于压控晶体振荡器的外部电压或控制电 压，施加到模数转换器。在操作72，该电压转换为数字值，且该数 字值可以用作地址。
在操作74，该操作可在操作70、 72之前进行，电容器参数存储 在存储器中。该操作可以包括电容器参数在片上输入参数阵列，所述 电容器参数如起始/终止电容值(即最大或最小晶体负载电容值)和 晶体静态电容(即CO)。
在操作76，数字地址值(示为ADCOut)和所保存的参数被发送 给VCXO调谐逻辑。该操作可包括将来自操作72和74的数据发送给 逻辑块。
在操作78， VCXO调谐逻辑使用数字地址值(ADCOut)或存储的 参数计算适当的晶体负载电容值。在一示例中，在操作78进行的计 算产生晶体负载电容的地址，其他的值也可以计算。操作78的示例 在图5所示的操作90-96中进一步说明。计算的具体示例或计算状态 机在图6中表示和说明，但是应当理解，在此描述的具体示例不限制 本发明的范围。在一示例中，在操作80，晶体负载电容地址发送给可调电容器 阵列。在操作82，可调电容器阵列使用晶体负载电容地址对晶体振
荡器电路应用正确的电容值。在步骤84，晶体振荡器的振荡频率随
来自可调电容器阵列的新电容值变化。
图5说明了如图4所示的计算晶体负载电容地址的操作78的示 例。在一实施例中，操作90-96可以用状态机工具或另一形式实现， 从而控制逻辑块的计算部分。
在一实施例中，在操作90， ADCValid标志位指示新的ADC值 (ADC0ut)已经准备好用于计算，操作90可以响应从模数转换器接 收的新值(即己经检测到新的调谐电压)。在操作92， VCX0调谐逻辑 锁存ADCOut的值和存储的参数输入。在操作94，逻辑控制状态机开 始绕其状态循环，从而计算出合适的晶体负载电容值或地址。在操作 96，当完成计算时，适当的晶体负载电容值或地址锁存到输出。
在本发明的一实施例中，读取和利用晶体参数以产生调谐曲线， 并且当接收来自模数转换器的数据时，从调谐曲线读取或映射对应的 值，从而产生对应的所需负载电容值，实现与接收到的调谐电压对应 的调谐。
在本发明的另一实施例中，每一次来自模数转换器的新值(即ADC 数字地址ADCOut)提供给状态机时，生成电容值。因此，在该实现方 式中，晶体和调谐配置文件的参数如晶体静态电容、最大和最小晶体 负载电容在针对模数转换器提供的具体地址的负载电容计算的考虑 范围之内。在该示例中，不需要优先计算调谐配置文件，因为以下所 列等式能够形成所需的电容计算，不需要参考具体的调谐配置文件。
图6说明了根据本发明实施例，具有可以计算用于调谐压控晶体 振荡器的适当电容值的多个状态的状态图的示例。状态标记为0P1、 0P2、 0P3、…、0P10，其反映用于实现以下所示等式的多个操作。应 当理解，为实现下述等式这些状态可以不同的方式实现，或者为计算 电容值可执行不同的等式或计算。
在一示例中，在状态0P1，寄存器1加载C0与CL2的和。在状态0P2，寄存器3加载M与寄存器1的内容的乘积。在状态0P3，寄 存器1加载CL1与CL2之差。在状态0P4，寄存器2加载寄存器1中 的内容与n的乘积。在状态0P5，寄存器1加载寄存器2与寄存器3 中的内容之和。在状态0P6，寄存器2加载C0加CL1之和。在状态 0P7，寄存器4加载寄存器2与寄存器3之积。在状态0P8，寄存器2 加载寄存器4除以寄存器1的除运算的结果。在状态0P9，寄存器4 加载寄存器2减C0之差。在状态OPIO，寄存器1加载寄存器4减M 之差，在这一点，状态机完成该计算。
在该示例中，状态机实现以下等式，产生用于可调电容器阵列的 线性VCX0调谐曲线和离散值
"(M)(C。+Q2)+ 其中，M二ADC分辨率-1
n二当前ADC数字地址(ADC0ut)
C(^归一化到晶体负载电容器阵列值的晶体静态电容+M
CL1二归一化到晶体负载电容器阵列值的起始晶体负载电容值
CL2二归一化到晶体负载电容器阵列值的终止晶体负载电容值
另外的输入和输出可以包括
ADCValid:来自ADC的、指示来自ADC的新值己经准备好进行 处理的输入信号。其启动状态机计算过程。
Done:指示计算过程完成和新电容负载值有效的输出信号。 以下说明每一个状态的运行，并提供每一个寄存器的内容的快 照。应当注意，对于每一OPx状态，暗示坚持适当的ALU运算标志位
(ADD、 SUB、 MULT、 DIV)，坚持适当的多路复用选择线(MuxlCtl、 Mux2Ctl)，以及坚持寄存器负载标志位(REGlLoad、 REG2Load、 REG3Load、 REG4Load)。还暗示出当Reset二l时，所有的状态将在下 一个时钟变换时返回保持状态。
保持状态复位状态
下一状态如果(ADCValid = 1)，则为等待状态，否则为保持状态
Regl Reg2 Reg3: Reg4:
0 0 0 0
等待状态初始化寄存器
下一状态如果(ADCValid
0pl
=1)，则为保持状态，否则为
Regl0
Reg20
Reg30
Reg40
0pl:CL2 + CO —> Regl
Regl:a2 + co
Reg20
Reg30
Reg40
0p2:M * Regl—〉 Reg3
Regla2 + co
Reg20
Reg3.M * (CL2 +
Reg4 0
0p3:CL1 --CL2-〉 Regl
Regl:CL1 - CL2
Reg2:0
Reg3:M * (CL2 +
Reg4:0
0p4:n氺Regl -> Reg2
Regl:CLl - CL2<formula>formula see original document page 14</formula>Reg4: ((C0 + CL1) * (M * (CL2 + CO))) / (n * (CL1 -CL2) + M * (CL2 + CO)) - C0 0。10: Reg4 — m -> Regl
Regl: ((CO + CL1) * (M * (CL2 + CO))) / (n * (CL1 -CL2) + M * (CL2 + CO)) - CO - M
Reg2: ((CO + CL1) * (M * (CL2 + CO))) / (n * (CL1 -CL2) + M * (CL2 + CO)) Reg3: M * (CL2 + CO)
Reg4: ((CO + CL1) * (M * (CL2 + CO))) / (n * (CL1 -CL2) + M * (CL2 + CO)) - CO Done: Done = 1;
最后的值从Regl锁存到输出Cload寄存器
Regl: ((CO + CL1) * (M * (CL2 + CO))) / (n * (CL1 -CL2) + M * (CL2 + CO)) - CO - M
Reg2: ((CO + CL1) * (M * (CL2 + CO") / (n * (CL1 -CL2) + M * (CL2 + CO))
Reg3: M * (CL2 + CO)
Reg4: ((CO + CL1) * (M * (CL2 + CO))) / (n * (CL1 — CL2) + M * (CL2 + CO)) - CO
模数转换器的分辨率是模数转换处理位数的函数。例如， 一个8 位的模数转换器的分辨率是28或256，因此M二256-t255。对于8位 的模数转换器当前的ADC数字地址(ADC0ut)的范围是0-255。
逻辑可以将x位的ADC映射到y位电容器阵列。S口， ADC的分辨 率和电容器阵列不是必须对等，逻辑可以适当地将低位的ADC映射到 高位电容器阵列，反之亦然。
在一示例中，寻求实现高线性度的VCX0调谐配置文件。但是， 由于晶体振荡器系统的电容对频率的关系是非线性的，可以采用从 ADC到电容器阵列的非线性的值的映射。换言之，对于任何给定的 VCX0调谐配置文件的所需形状(线性或非线性)，可以计算从ADC值到电容器阵列的非线性的值的映射。图7是在示例中所需线性晶体频 率与调谐电压(ADC值)的曲线图的示例。图8是以负载电容与调谐
电压的曲线图的示例表示的等效配置文件。图9是频率与负载电容的
曲线图的示例表示的等效配置文件。
虽然已经在此参考晶体振荡器描述了本发明实施例的示例，应当
理解，本发明的实施例可以用于其他类型的振荡器，如RC振荡器、 SAW振荡器、LC谐振振荡器等。
本发明的实施例可以用于多种半导体、存储器、处理器、控制器、 集成电路、逻辑或可编程逻辑、时钟电路，等等。
虽然已经参考按具体顺序执行的具体操作描述和表示了在此公 开的实施例，应当理解，合并、分解或重新排序这些操作以形成等效 的方法不背离本发明的教导。因此，除非在此具体指明，操作的顺序 和分组不限定本发明的范围。
应当意识到，说明书全文引用的"实施例"、"示例"意味着如果 需要，在本发明的至少一个实施例中可以包括与该实施例有关的具体 特征、结构或特性。因此，应当意识到，在本说明书的不同部分两次 或多次引用的"实施例"、"示例"不是所有的都引用同一实施例。此 外，具体的特征、结构或特性可以按照需要结合在本发明的一个或多 个实施例中。
应当理解，在本发明的上述示例性实施例的说明中，为了简化公
开内容和帮助理解一个或多个不同的发明方面，本发明的各个方面有 时集中在单一的实施例、附图或说明中。但是，在此公开的方法不解
释为反映了请求保护的发明需要的特征多于在每一个权利要求中清 楚引用的特征。而是如权利要求所反映的，发明的方面在于少于以上 公开的单一实施例的所有特征，且在此公开的每一个实施例可以包括 多于一个的发明特征。
虽然已经参考实施例具体表述和说明了本发明，本领域的技术人 员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出形式和 细节上的多种其他变化。
权利要求
1、由调谐电压控制的压控晶体振荡器(VCXO)，压控晶体振荡器具有晶体和可调电容器阵列，包括模数转换器，其用于将调谐电压转换为对应的数字值；存储器，其用于存储所述晶体的一个或多个参数；以及逻辑块，其用于接收所述数字值和所述晶体的所述一个或多个参数，所述逻辑块动态计算用于调节所述可调电容器阵列的一个或多个值。
2、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述存 储器是只读存储器。
3、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述存 储器是非易失性存储器。
4、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述存 储器存储调谐配置文件的一个或多个参数。
5、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述逻辑块包括计算部分和控制部分。
6、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述逻辑块包括算术逻辑单元，该算术逻辑单元包括乘法器和除法器部分。
7、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述逻 辑块包括状态机。
8、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述逻 辑块部分基于所述数字值和所述晶体的一个或多个参数计算用于调 节所述可调电容器阵列的一个或多个值。
9、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于用于调 节所述可调电容器阵列的一个或多个值包括一个或多个负载电容值 的地址。
10、 根据权利要求1所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述晶 体的所述一个或多个参数包括晶体静态电容。
11、 根据权利要求4所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述调 谐配置文件的所述一个或多个参数包括起始晶体负载电容。
12、 根据权利要求4所述的压控晶体振荡器，其特征在于所述调 谐配置文件的所述一个或多个参数包括终止晶体负载电容。
13、 用于控制具有晶体的压控晶体振荡器(VCX0)的振荡频率的方法，包括存储所述晶体的参数； 存储调谐配置文件的参数； 将模拟调谐电压转换为数字值；以及基于所述数字值和所述晶体与所述调谐配置文件的参数动态计 算施加到压控晶体振荡器从而调节振荡频率的电容值。
14、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括使用由所述动态计算操作计算出的电容值调节可调电容器阵列。
15、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述存储操作存 储所述晶体的包括晶体静态电容的参数。
16、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述存储操作存 储所述调谐配置文件的包括最小晶体负载电容的参数。
17、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述存储操作存 储所述调谐配置文件的包括最大晶体负载电容的参数。
18、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述动态计算电 容值的操作包括计算电容器阵列的地址。
19、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述存储操作使 用非易失性存储器。
20、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述转换操作和 所述动态计算操作实时地顺序发生。
21、 一种集成电路，包括 压控晶体振荡器(VCX0)，其具有 可调电容器阵列；模数转换器，其用于将调谐电压转换为对应的数字值；存储器，其用于存储晶体的一个或多个参数；以及逻辑块，其用于接收所述数字值和所述晶体的所述一个或多个参数，所述逻辑块动态计算用于调节所述可调电容器阵列的一个或多个值。
全文摘要
由调谐电压控制的压控晶体振荡器(VCXO)，其具有晶体和可调电容器阵列。在一示例中，VCXO包括用于将调谐电压转换为对应的数字值的模数转换器；用于存储该晶体和调谐配置文件的一个或多个参数的存储器；以及用于接收所述数字值和所述晶体和调谐配置文件的一个或多个参数的逻辑块，所述逻辑块动态计算用于调节所述可调电容器阵列的一个或多个值。以这种方式，该逻辑块可以动态计算和实时调节VCXO的工作(即振荡频率)。
文档编号H03B5/32GK101300734SQ200680022314
公开日2008年11月5日 申请日期2006年5月25日 优先权日2005年5月27日
发明者罗伯特·艾勒斯 申请人:赛普拉斯半导体公司