自动调整的高准确性振荡器.pdf

本发明提供一种自动调整的高准确性振荡器，其包括：频率比较器，该频率比较器将USB主端的同步信号与元件端振荡信号作一判读，以获得两信号的频率差异；控制调整电路，其至少包括计数器及加减法电路，计数器计数产生变化量，该变化量再传送至加减法电路，经由加减法电路汇整后进行数字编码；振荡器，根据控制调整电路数字编码的数值，决定增加频率或降低频率，而逐步使频率趋近于同步信号，最后与同步信号相等。

1、  一种自动调整的高准确性振荡器，其特征是，包括有：
频率比较器，将USB主端的同步信号与元件端振荡信号作一判读，以获得该两信号的频率差异；
控制调整电路，其至少包括计数器及加减法电路，接收该频率比较器的该频率差异作为调整参考值，启动计数器计数以产生一变化量，该变化量与该调整参考值再传送至加减法电路，经由加减法电路汇整后进行数字编码，产生一数值；以及
振荡器，根据控制调整电路数字编码的该数值，决定必须要增加频率或降低频率，而使频率逐步趋近于同步信号，最后与同步信号相等，该控制调整电路必须配合该数值，方可获得频率变化量。

2、  根据权利要求1所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该频率比较器为脉冲检测器所构成。

3、  根据权利要求1所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该振荡器为数字控制振荡器。

4、  根据权利要求1所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该频率比较器及控制调整电路，还可通过控制单元来控制各区块之间的动作，包括有自动调整的启动时机、除频单元的除频机制、充电泵充放电控制及回复时间、控制调整电路的时脉控制、及电子信号抓取时机，以确保数据于流通时的正确性。

5、  一种自动调整的高准确性振荡器，其特征是，包括有：
频率比较器，将USB主端的同步信号与元件端振荡信号作一判读，以获得该两信号的频率差异；
控制调整电路，其至少包括充电泵及模拟/数字转换器；以及
振荡器，根据控制调整电路数字编码的数值，决定必须要增加频率或降低频率，而使频率逐步趋近于同步信号，最后与同步信号相等。

6、  根据权利要求5所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该振荡器为数字控制振荡器。

7、  根据权利要求5所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该频率比较器为脉冲检测器所构成。

8、  根据权利要求5所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该频率比较器及控制调整电路，还可通过控制单元来控制各区块之间的动作，包括有自动调整的启动时机、除频单元的除频机制、充电泵充放电控制及回复时间、控制调整电路的时脉控制、及电子信号抓取时机，以确保数据于流通时的正确性。

9、  一种自动调整的高准确性振荡器，其特征是，包括有：
频率比较器，将USB主端的同步信号与元件端振荡信号作一判读，以获得该两信号的频率差异；
控制调整电路，其由数字判断电路所构成；以及
振荡器，根据控制调整电路数字编码的数值，决定必须要增加频率或降低频率，而使频率逐步趋近于同步信号，最后与同步信号相等。

10、  根据权利要求9所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该频率比较器为脉冲检测器所构成。

11、  根据权利要求9所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该振荡器为数字控制振荡器。

12、  根据权利要求9所述的自动调整的高准确性振荡器，其特征是，该频率比较器及控制调整电路，还可通过控制单元来控制各区块之间的动作，包括有自动调整的启动时机、除频单元的除频机制、充电泵充放电控制及回复时间、控制调整电路的时脉控制、电子信号抓取时机，以确保数据于流通时的正确性。

自动调整的高准确性振荡器
技术领域
本发明涉及一种自动调整的高准确性振荡器，尤其涉及一种应用于USB接口的自动调整振荡器。
背景技术
通常，电子产业中使用自动调整振荡器目的在于使内部频率(时脉)信号(Internal Clock)与USB接口数据率(Data Rate)同步，于数据的传输过程中，可达到保持其正确性及稳定性的目的，但以传统的相位锁定回路(PhaseLock Loop，PLL)以及延迟锁定回路(Delay Lock Loop，DLL)，并不适用对USB接口进行数据流动(Data Stream)的锁定(Lock)同步，其原因如下：
(1)相位锁定回路(Phase Lock Loop，PLL)以及延迟锁定回路(DelayLock Loop，DLL)于锁定时，需要有连续的输入参考脉冲(Input ReferenceClock)来锁定，但是USB接口并无法提供。
(2)其需要长的数据调整序列(Long Data Training Sequence)，对USB接口而言，锁定时间太冗长。
(3)其需要有精准的锁频电路结构，否则易造成频率上的误差，但是USB接口也无法提供。
基于上述原因，相位锁定回路(Phase Lock Loop，PLL)以及延迟锁定回路(Delay Lock Loop，DLL)的结构不适用于USB接口传输系统上。
发明内容
为了解决以上所述公知技术的缺点，本发明提供了一种自动调整的高准确性振荡器，本发明的主要目的是将自动调整振荡器应用于USB接口，可于短时间内将频率误差控制调整至1％内，因本发明的自动调整振荡器的结构不是外接式石英(Crystal)振荡器，故可缩小外部面积且节省了元件成本，且自动调整机制同时适用于USB接口1.1及2.0等不同的规格中，而具有极大的应用领域。
本发明的另一目的在于利用内部反馈电路，自动检测及校正振荡频率，其结构的组成包含有自动判断USB信号与振荡器频率误差的检测电路，而频率的调整以二元逼近(Successive Approximation)的方法逐步将振荡器校正至1％内的频率误差。
为实现上述目的，本发明的自动调整的高准确性振荡器，其结构包括：
频率比较器，将USB主端的同步信号与元件端振荡信号作一判读，以获得该两信号的频率差异；
控制调整电路，其至少包括计数器及加减法电路，接收该频率比较器的该频率差异作为调整参考值，启动计数器计数以产生变化量，该变化量与该调整参考值再传送至加减法电路，经由加减法电路汇整后进行数字编码，产生一数值；
振荡器，根据控制调整电路数字编码的该数值，决定增加频率或降低频率，而使频率逐步趋近于同步信号，最后与同步信号相等，该控制调整电路必须配合该数值，方可获得频率变化量。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该频率比较器为脉冲检测器所构成。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该振荡器为数字控制振荡器。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该频率比较器及控制调整电路，还可通过控制单元来控制各区块之间的动作，包括有自动调整的启动时机、除频单元的除频机制、充电泵充放电控制及回复时间、控制调整电路的时脉控制、及电子信号抓取时机，以确保数据于流通时的正确性。
为实现上述目的，本发明提供一种自动调整的高准确性振荡器，其另一结构包括：
频率比较器，将USB主端的同步信号与元件端振荡信号作一判读，以获得两信号的频率差异；
控制调整电路，其至少包括充电泵及模拟/数字转换器；以及
振荡器，根据控制调整电路数字编码的数值，决定增加频率或降低频率，而使频率逐步趋近于同步信号，最后与同步信号相等。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该振荡器为数字控制振荡器。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该频率比较器为脉冲检测器所构成。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该频率比较器及控制调整电路，还可通过控制单元来控制各区块之间的动作，包括有自动调整的启动时机、除频单元的除频机制、充电泵充放电控制及回复时间、控制调整电路的时脉控制、及电子信号抓取时机，以确保数据于流通时的正确性。
为实现上述目的，本发明提供一种自动调整的高准确性振荡器，其另一结构包括有：
频率比较器，将USB主端的同步信号与元件端振荡信号作一判读，以获得两信号的频率差异；
控制调整电路，其由数字判断电路所构成；以及
振荡器，根据控制调整电路数字编码的数值，决定增加频率或降低频率，而使频率逐步趋近于同步信号，最后与同步信号相等。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该频率比较器为脉冲检测器所构成。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该振荡器为数字控制振荡器。
本发明所述的自动调整的高准确性振荡器，其中该频率比较器及控制调整电路，还可通过控制单元来控制各区块之间的动作，包括有自动调整的启动时机、除频单元的除频机制、充电泵充放电控制及回复时间、控制调整电路的时脉控制、及电子信号抓取时机，以确保数据于流通时的正确性。
以下，结合具体实施例以及所示附图，对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明自动调整振荡器第一实施例的功能方框图；
图2为本发明自动调整振荡器的调整应用示意图；
图3为本发明自动调整振荡器第二实施例的功能方框图；
图4为本发明自动调整振荡器第三实施例的功能方框图；
图5为本发明错误率与同步号码的曲线比较图；
图6为本发明自动调整振荡器第四实施例的功能方框图；
图7A为本发明自动调整振荡器第五实施例的功能方框图；
图7B为本发明自动调整振荡器第六实施例的功能方框图；
图7C为本发明自动调整振荡器第七实施例的功能方框图。
其中，附图标记说明如下：
11～同步信号
12～频率比较器
13～控制调整电路
14～振荡器
15～输出脉冲
21～同步信号
22～频率比较器
    221～脉冲检测器
23～控制调整电路
    231～计数器
    232～加减法电路
24～振荡器
25～输出脉冲
31～数据输入端
32～脉冲检测器
33～充电泵
34～模拟/数字比较器
35～控制单元
36～控制调整电路
361～闩锁电路
362～加减法电路
363～计数器
37～振荡器
38～除频单元
39～微处理器
51～数据输入端
52～脉冲检测器
53～快慢检测器
54～二元逼近电路
55～控制单元
56～振荡器
57～脉冲输出
61～脉冲检测器
62～充电泵
63～模拟/数字比较器
64～数字控制振荡器
71～脉冲检测器
72～充电泵
73～模拟/数字比较器
74～二元逼近电路
75～数字控制振荡器
81～脉冲检测器
82～数字判断电路
83～二元逼近电路
84～数字控制振荡器
具体实施方式
现配合下列附图，说明本发明的详细结构及其连结关系。
当USB的同步信号(Synchronization)被输入时，可得到完整的1比特率(bit rate)信号频率，此时可启动自动判断电路(Auto-Adjusting Circuit)，以调整振荡器(Oscillator)，而使数据得以同步，以提高接收数据的正确性。
请参考图1、图2，其自动调整振荡器的功能方框包括：同步信号11输入后，通过自动判断电路(即为频率比较器12)比较经由反馈的振荡器频率与同步信号的比特率的大小，以获得振荡器14的频率误差，再进入下一个控制调整电路13，该控制调整电路13接收到自动判断电路的信息后，自行产生控制振荡器14的调整信号，便可获得振荡器14的频率调整值，该反馈的方式，可将振荡器14的频率修正至与同步信号11同步，误差值可降到1％以内。
上述电路包括有：频率比较器12、控制调整器13及振荡器14，利用此结构可使USB达到同步的效果，若将该控制调整器的构想加以修改，请参考图3所示，其判断部分可利用数字或模拟的方法加以设计，目的为将USB主端的同步信号21与元件端振荡信号(其经由频率比较器22来检测，该频率比较器22可为脉冲检测器221)作一判读，以获得两信号的频率差异，并作为控制调整电路23(其包括有计数器231及加减法电路232)的调整参考值，其内部将自动产生控制方法，例如：计数器231计数产生变化量，该变化量再传送至加减法电路232，经由加减法电路232汇整后进行数字编码，再将数字编码传给振荡器24，振荡器24会根据加减法电路232数字编码的数值，决定必须要增加频率或降低频率，而使频率逐步趋近于同步信号21，最后与同步信号21相等，因为振荡器24的跳频方式乃为控制调整电路23所设定，每次进行调整时，会以根据USB主端的同步信号21与元件端振荡信号(由频率比较器22来检测)的差距值的半数为调整值(例如：第一次调整值为1/2*差距值、第二次调整值为(1/2)*(1/2)*差距值)，此种调整方式被称为二元逼近方式(Successive Approximation Method)，即可将误差值逼近于1％以内来满足USB规格。
请参阅图4所示，其显示内部详细电路的结构，当同步信号31封包信号传入时，将启动自动判断振荡器，而同步信号31与反馈振荡频率由脉冲检测器32(Pulse Detector)进行脉冲检测，于时间领域(Time Domain)方面，可以分辨出信号时间误差值(ΔT)的大小，当信号进入充电泵(ChargePump)33后，即可将时间误差值(ΔT)转换成为电压误差值(ΔV)，由时间领域的转换成为电路可接受的电压信号，此误差电压值与带差参考电路(Bandgap Reference Circuit)所产生基准电压做一比较，再送至模拟/数字比较器34做电压大小的比较，再产生一M信号送至控制调整电路36作为调整的参考。
当产生了M信号之后，控制单元(Control Unit)35即告知控制调整电路36，且经由闩锁(Lach)电路361进行锁码动作，控制调整电路36内的计数器363便会启动，将其结果输出至加减法电路362，M信号也将输入加减法电路362，而计数器363区块定义出预设变化的数值B-code，并将该B-code数值输出至加减法电路362，同时改变了控制振荡器37数值的S-code，该S-code的数值必须要满足最小误差的分辨率(Resolution)，并必须配合振荡器37的振荡频率范围。
再者，振荡器的起始振荡频率变动要符合USB规范的传输规格，其误差值必须在5％之内，否则数据传输将发生中断或错误的问题，控制调整电路36必须配合S-code的数值，方可获得频率变化量，若接收到新的S-code的数值，振荡器37将改变其频率，达到与USB传送端同步的振荡频率，使误差值降低至1％之内，而当有同步封包进入后则是频率调整被启动时间点。
利用控制单元35来控制各区块之间的动作，包括有自动调整的启动时机、除频单元(Divider)38的除频机制、充电泵充放电控制及回复时间、控制调整电路的时脉控制、M信号抓取时机，以确保数据于流通时的正确性，最后将该数据传送至微处理器39。
请参阅图5所示，其显示自动调整振荡器的运行情形，X轴代表同步号码，每当一次同步封包进入时，将截取4-bits(1bit rate＝1.5MHz＝666.67ns)，且以2-bits为基本单位做一调整一次，因此图标上同步号码(Sync number)的基本单位也为2-bits，Y轴代表错误率(Error Rate)(％)，与同步传送端的同步频率的误差百分比，图标上的数据曲线共有6条，其分别是误差率3～8％，而平均同步号码调整六次后，其错误率会降低至1％以下。
自动调整振荡器当其传送端输入同步封包时，可提取四个完整的1.5MHz bit rate，再启动调整电路以快速导正振荡的振荡频率，只需检测到USB传送端的同步信号来当输入参考信号，而不需要整段的USB传送端信号，也不需要较高的脉冲频率做一计数，可以降低功耗及判断上的误差，同步作业后频率不会产生漂移，因为同步封包出现立即修正，稳定性较高，可应用于USB1.1、USB2.0等不同的规格。
请参阅图6所示，其为较为详细自动调整的高准确性振荡器结构图，其包括有：USB数据输入端51、脉冲检测器52、快慢检测器53、二元逼近电路54、控制单元55、振荡器56及脉冲输出57，通过该较为完整的电路结构，还可衍生出下列图7A至图7C的结构，皆符合本发明的精神。
请参阅图7A所示，其包括有：脉冲检测器61、充电泵62、模拟/数字比较器63及数字控制振荡器(Digitl Control Oscillator)64，该数字控制振荡器具有正负温度系数补偿特性，使其输出电流与电压不受温度变化影响而为一稳定值，所以温度的变化不会影响其振荡频率，其脉冲检测器61产生的时间误差值(ΔT)，直接转换成对应的电压(ΔV)，经由模拟/数字转换器(多位)63的编辑成一数字编码，来控制振荡器的频率，此种方法被称为是一种数字控制振荡器(Direct Converter)，其结构极为明确直接，分析一次的同步信号即可调整至1％以内的误差，此结构的特性是电路设计具有较高的难度，区块间的对应匹配也需精确。
请参阅图7B所示，其包括有：脉冲检测器71、充电泵72、模拟/数字比较器73、二元逼近电路74及数字控制振荡器75，与图7A相比的不同处，为在模拟/数字转换电路与直接转换器之间，加入了二元逼近电路(SuccessiveApproximation Circuit，SAC)74，其不需采用多位模拟/数字转换器，仅需利用一位模拟/数字比较器73，再配合该二元逼近电路74来实施，其修正的频率速度会较第一实施例为慢，但其优点为在电路设计方面较易实施。
请参阅图7C所示，其包括有：脉冲检测器81、数字判断电路82、二元逼近电路83、数字控制振荡器84，与图7B相比的不同处，为将由充电泵及模拟/数字转换器所构成的模拟判断电路，完全以一数字判断电路82来取代，也可作为自动调整的振荡器的结构。
通过上述图1至图7C的揭示，可了解本发明主要目的为将自动调整振荡器应用于USB接口，可于短时间内将频率误差控制调整至1％内，因本发明的自动调整振荡器的结构不是为外接式石英(Crystal)振荡器，故可缩小外部的面积且节省了元件成本，且自动调整机制同时适用于USB接口1.1及2.0等不同的规格中，而具有极大的应用领域；另一方面在于利用内部反馈电路，自动检测及校正振荡频率，其结构的组成包含有自动判断USB信号与振荡器频率误差的检测电路，而频率的调整以二元逼近(SuccessiveApproximation)的方法逐步将振荡器校正至1％内的频率误差。
综上所述，本发明的结构特征及各实施例皆已详细揭示，而可充分显示出本发明在目的及有益效果上均深富实施的进步性，极具产业的利用价值，且为目前市面上未见运用。
本发明可在短时间内将频率误差控制调整至1％内，因本发明的振荡器不是外接式石英(Crystal)振荡器，故可缩小外部面积且节省了元件成本，且自动调整机制同时适用于USB接口不同的规格中，而具有极大的应用领域。
然而以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以其限定本发明所实施的范围，即：凡是按照本发明所作的均等变化与修饰，仍属于本发明涵盖的范围内。