Oscilador de cuarzo de elevada precisión y bajo consumo.

Oscilador de baja frecuencia de precisión y de bajo consumo, caracterizado porque comprende en combinación al menos los elementos siguientes:

• Un oscilador de baja frecuencia A de bajo consumo, adaptado para funcionar a una frecuencia FA y para emitir una señal SA,

• Un oscilador de cuarzo compensado en temperatura TCXO B utilizado como referencia de frecuencia, adaptado para funcionar a una frecuencia FB,

• Un circuito digital (1) adaptado para suministrar una frecuencia Fcor estable que comprende al menos: o

Una entrada (1a) para recibir una señal de alimentación, o

Una entrada (1b) para recibir permanentemente una señal SA resultante del oscilador A, o

Una entrada (1c) para recibir la señal SB resultante del oscilador B durante la calibración, realizada con una cadencia R1, cuando se activa un conmutador (3) por un secuenciador (4) que gestiona el conjunto de los componentes que forman el circuito, o

Un contador (6) adaptado para contar el número de impulsos emitidos por el oscilador B durante un período dado, de manera que represente el error entre los osciladores A y B, o Una memoria (5) que memoriza el número NB resultante del contador (6), así como los números NB-1, NB-2, NB-3, ... NB-n de impulsos emitidos por el oscilador B y contados por el contador (6) durante unos períodos precedentes, o Un módulo (8) de cálculo de corrección que permite analizar los resultados del contaje NB en un momento dado y los de los contajes NB-n registrados anteriormente y deducir una corrección a aplicar al contaje NB, o Un sumador (7) receptor de los valores resultantes del contador y del módulo de cálculo de corrección y para proporcionar a su salida un número que representa un error corregido E que se memoriza, o Un acumulador (9) en el que se suma dicho error corregido con una cadencia R2, que comprende un valor de umbral predefinido M; cuando el valor del acumulador (9), tomado en valor absoluto, sobrepasa dicho valor de umbral predefinido M, dicho acumulador (9) está adaptado para proporcionar a un divisor de rango variable (10), por un lado un indicador del sobrepaso y por otro lado, el signo de este sobrepaso; en el caso de sobrepaso, se sustrae del, o se suma al, acumulador (9) dicho valor de umbral predefinido M para anular el sobrepaso, o Un divisor de rango variable (10) que tiene un valor nominal K, en caso de sobrepaso del valor del acumulador (9), el rango de la división K se modifica en K+1 o K-1 de acuerdo con el signo del valor del error contenido en el acumulador, durante un período de la señal de salida Scorr, dicho divisor de rango variable está adaptado para producir la señal deseada y corregida Scorr.

Oscilador de cuarzo de elevada precisión y bajo consumo El objeto de la presente invención se refiere a un oscilador de cuarzo de bajo consumo capaz de suministrar una señal estable en el tiempo a partir de un oscilador digital de baja potencia y de un oscilador de cuarzo compensado en temperatura del tipo TCXO corregido en temperatura y que presenta un consumo más elevado. Se utiliza principalmente para la conservación de la hora en unos equipos en funcionamiento, en suspensión o durante la parada, en unos contextos en los que la fuente de alimentación está reducida, por ejemplo, con unas pilas de baja potencia.

La conservación de la hora en los equipos de comunicaciones por radio digitales autónomos se asegura habitualmente por un oscilador de cuarzo cuya salida, generalmente después de un divisor, incrementa regularmente un contador. La hora se puede deducir de este contador. La precisión de la hora suministrada debe respetar unos criterios ligados, en particular, a la cadencia de las comunicaciones de radio y al tiempo de inactividad entre estas comunicaciones. Por otro lado, los impulsos producidos por el oscilador después de la división pueden servir para controlar unos secuenciadores que gestionan el estado del equipo de radio, en particular durante la parada del equipo o cuando éste último está en suspensión, o incluso provocar unas interrupciones de los procesadores. Estos impulsos deben respetar unas limitaciones de oscilación de fase, más conocida bajo el término de "jitter".

La realización de un dispositivo así supone encontrar el compromiso más satisfactorio entre varios objetivos contradictorios, a saber:

• Los costes de diseño y fabricación tan reducidos como sea posible,

• El funcionamiento bajo una tensión reducida que debe respetar un bajo consumo para permitir la conservación de la hora con una fuente de energía integrada (pila o acumulador) durante una duración que puede sobrepasar un año en ciertos casos,

• El mantenimiento de una precisión en el tiempo a corto, medio y a veces largo plazo, suficiente para mantener

unas funciones operativas del equipo, principalmente su capacidad para comunicar después de un tiempo de inactividad. Esta última limitación debe tener en cuenta la variación de las condiciones de funcionamiento del dispositivo: tensión de alimentación que disminuye con el tiempo, temperatura que puede variar entre unos límites definidos, velocidad de variación de esta temperatura.

Una primera solución propuesta por la técnica anterior se refiere a la realización de un reloj preciso y de bajo consumo en base al empleo de un oscilador de cuarzo de frecuencia moderada, inferior a 10 MHz, que funciona en baja potencia, seguido de un divisor. Las variaciones relativamente elevadas de un oscilador así en función de la temperatura se compensan por una calibración por aprendizaje con un número suficiente de temperaturas y un almacenamiento de los parámetros en una memoria no volátil. La corrección se asegura por un circuito procesador que periódicamente se pone servicio para leer la memoria no volátil, para generar una tensión analógica que se aplica sobre un diodo varicap que ajusta entonces la frecuencia del oscilador en función del valor memorizado. Las variaciones del oscilador en función de la temperatura son suficientemente reducidas para que una cadencia de corrección bastante lenta (por ejemplo cada 10 segundos) sea suficiente para tolerar unas variaciones bastante rápidas en la temperatura, por ejemplo 3º C/min. La concepción de un oscilador así es delicada y el coste de realización elevado. Por otro lado, el consumo se mantiene aun relativamente importante debido a la elevada frecuencia del cuarzo y desciende difícilmente por debajo de 400 microamperios. Uno de los inconvenientes de esta técnica anterior es que se refiere a un oscilador de cuarzo que funciona con baja potencia y requiere una concepción específica, delicada y costosa, con un consumo relativamente elevado.

Con el fin de reducir el consumo, una solución consiste en reducir la frecuencia del oscilador a un valor que corresponde al utilizado generalmente en los relojes de pulsera, es decir 32768 kHz. La estabilidad propia del 45 oscilador es entonces netamente menos adecuada y su compensación por calibración en función de la temperatura es más difícil. En general no se alcanza la precisión deseada, por ejemplo de 2 ppm en una amplia gama de temperaturas que pueda variar entre -40º C y 85º C.

Otra solución consiste en emplear 2 osciladores:

• Un oscilador de frecuencia elevada, de más de 10 MHz, de gran precisión, compensado en temperatura, de 50 envejecimiento limitado, pero de consumo relativamente elevado; un componente de ese tipo es conocido bajo la abreviatura anglosajona de TCXO (Temperature Compensated Cr y stal Oscillator) ; su coste es relativamente bajo. Este oscilador es el reloj principal del equipo y se utiliza en el funcionamiento para marcar la cadencia de los procesadores; no se alimenta cuando el equipo está en suspensión o durante la parada.

• Un oscilador de baja frecuencia, generalmente del orden de 32768 kHz, poco preciso, no compensado en 55 temperatura, de envejecimiento más elevado, pero de muy bajo consumo y de bajo coste; este oscilador se mantiene en funcionamiento en la suspensión y a veces durante la parada.

Los inconvenientes generados por la utilización del oscilador de baja frecuencia se compensan en general por una o varias de las soluciones siguientes:

• La calibración del oscilador de baja frecuencia en fábrica en función de la temperatura y el almacenamiento del error en una memoria no volátil (error medido en el curso de la calibración) ; la aplicación periódica de la 5 corrección durante la suspensión o la parada,

• La calibración automática del oscilador de baja frecuencia con relación al oscilador de alta frecuencia cuando el equipo está en funcionamiento y el almacenamiento del error en una memoria no volátil,

• La calibración automática del oscilador de baja frecuencia durante las comunicaciones con una estación base y el almacenamiento del error en una memoria no volátil,

• La toma en consideración de los parámetros típicos del oscilador de baja frecuencia: el envejecimiento probable, la variación en función de la tensión de alimentación.

En el caso de utilización de dos osciladores, la solución no se concibe en general para una generación de un reloj permanente compensado, de precisión, independiente del resto del equipo. En el caso en que el reloj se genere físicamente, la conmutación entre los dos osciladores produce una incertidumbre sobre su fase, incertidumbre que 15 puede ser incompatible con la precisión temporal deseada y con la oscilación especificada. Este es el caso de la solicitud de Patente EP 1 585 223 que describe un procedimiento y un circuito para determinar un factor de calibración entre una señal de reloj rápida y de precisión elevada y una señal de reloj más lenta. La presente invención propone aplicar la señal del reloj más lenta (20 a 100 kHz) a un divisor de rango variable, cuyo rango sea estable y se ajuste periódicamente incluso durante la parada, después de un contaje de la señal de reloj rápida durante un periodo de la señal del reloj más lenta. Este procedimiento no permite esperar una precisión importante debido al reducido tiempo de contaje y a la importante variación de la frecuencia entre cada rango de división. Alude a una precisión mejor que el 5%, en lugar del objetivo de 2 ppm o de 0, 0002% indicado anteriormente para la presente invención.

Las soluciones propuestas por la técnica anterior se revelan pues que o bien son demasiado costosas, o bien de demasiado consumo para un sistema que funciona con pilas o que tiene una reducida autonomía de potencia o de energía, o bien insuficientemente precisas en frecuencia o fase.

El objeto de la presente invención consiste principalmente en remediar al menos los problemas antes citados y basarse en la utilización de un oscilador de baja frecuencia A que presenta como particularidad consumir poco permanentemente, cuya frecuencia FA se elige para que sea un múltiplo de la frecuencia de la señal deseada, dicho oscilador está acoplado a un oscilador de cuarzo compensado en temperatura cuya frecuencia en el del orden de 10 a 30 MHz, que presenta una elevada estabilidad. Cualquier otro dispositivo que presente unas características comparables a las de un oscilador de cuarzo compensado en temperatura que presente... [Seguir leyendo]

1. Oscilador de baja frecuencia de precisión y de bajo consumo, caracterizado porque comprende en combinación al menos los elementos siguientes:

• Un oscilador de baja frecuencia A de bajo consumo, adaptado para funcionar a una frecuencia FA y para emitir una señal SA,

• Un oscilador de cuarzo compensado en temperatura TCXO B utilizado como referencia de frecuencia, adaptado para funcionar a una frecuencia FB,

• Un circuito digital (1) adaptado para suministrar una frecuencia Fcor estable que comprende al menos:

o Una entrada (1a) para recibir una señal de alimentación,

o Una entrada (1b) para recibir permanentemente una señal SA resultante del oscilador A,

o Una entrada (1c) para recibir la señal SB resultante del oscilador B durante la calibración, realizada con una cadencia R1, cuando se activa un conmutador (3) por un secuenciador (4) que gestiona el conjunto de los componentes que forman el circuito,

o Un contador (6) adaptado para contar el número de impulsos emitidos por el oscilador B durante un período dado, de manera que represente el error entre los osciladores A y B,

o Una memoria (5) que memoriza el número NB resultante del contador (6) , así como los números NB-1, NB-2, NB-3, … NB-n de impulsos emitidos por el oscilador B y contados por el contador (6) durante unos períodos precedentes,

o Un módulo (8) de cálculo de corrección que permite analizar los resultados del contaje NB en un momento dado y los de los contajes NB-n registrados anteriormente y deducir una corrección a aplicar al contaje NB,

o Un sumador (7) receptor de los valores resultantes del contador y del módulo de cálculo de corrección y para proporcionar a su salida un número que representa un error corregido E que se memoriza,

o Un acumulador (9) en el que se suma dicho error corregido con una cadencia R2, que comprende un valor de umbral predefinido M; cuando el valor del acumulador (9) , tomado en valor absoluto, sobrepasa dicho valor de umbral predefinido M, dicho acumulador (9) está adaptado para proporcionar a un divisor de rango variable (10) , por un lado un indicador del sobrepaso y por otro lado, el signo de este sobrepaso; en el caso de sobrepaso, se sustrae del, o se suma al, acumulador (9) dicho valor de umbral predefinido M para anular el sobrepaso,

o Un divisor de rango variable (10) que tiene un valor nominal K, en caso de sobrepaso del valor del acumulador (9) , el rango de la división K se modifica en K+1 o K-1 de acuerdo con el signo del valor del error contenido en el acumulador, durante un período de la señal de salida Scorr, dicho divisor de rango variable está adaptado para producir la señal deseada y corregida Scorr.

2. Oscilador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el oscilador A es un oscilador que funciona a una frecuencia FA cuyo valor se elige con el fin de que dicho oscilador tenga un bajo consumo, una precisión y una estabilidad con la temperatura controlados.

3. Oscilador de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado porque el valor de la frecuencia FA es igual a 32768 Hz.

4. Oscilador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 3 caracterizado porque el oscilador TCXO B es un oscilador adaptado para funcionar a frecuencia FB elegida en el intervalo comprendido entre 10 y 30 MHz.

5. Oscilador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque el circuito es un componente fabricado con tecnología CMOS o cualquier otra tecnología de bajo consumo en la forma de un ASIC, de un CPLD, de un FPGA o de un microprocesador.

6. Oscilador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque comprende un regulador (2) dispuesto en la tensión de alimentación y un circuito compuesto por una resistencia R y un condensador de acumulación C situado entre la alimentación y el regulador (2) .

7. Utilización de un oscilador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 para unas radiocomunicaciones.

8. Procedimiento para proporcionar una señal Scorr de frecuencia estable en el tiempo a partir de un oscilador de baja frecuencia de precisión y de bajo consumo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende en combinación al menos las etapas siguientes:

Determinar una primera carencia R1 fija para medir periódicamente el error de frecuencia del oscilador A:

Etapa 1a: poner bajo tensión un oscilador de cuarzo compensado en temperatura TCXO B y esperar a su estabilización, Etapa 2a: contar en un contador (6) unos períodos o transiciones de la señal SB, emitida por el oscilador B, número de impulsos emitidos durante la duración T o duración del contaje, definida a partir del periodo de la señal SA, Etapa 3a: poner en tensión el oscilador de cuarzo compensado en temperatura TCXO B, memorizar el número NB que corresponde al contaje de la etapa 2a y poner al día los números NB-1, NB-2, NB-3, … NB-n de impulsos emitidos por el oscilador B durante los períodos precedentes y contados por el contador (6) , Etapa 4a: comparar el resultado del contaje NB obtenido durante la duración T con los de las medidas precedentes NB-1, NB-2, NB-3, … NB-n, determinar una ley de variación polinómica con el fin de estimar la corrección a aplicar a NB, para obtener finalmente un error medio E probable para el próximo período de la cadencia R1 y memorizar este valor E, Determinar una segunda cadencia R2 y ejecutar las etapas siguientes:

Etapa 1b: aumentar el error medio memorizado E en un acumulador con la cadencia R2, Etapa 2b: Cuando el valor del acumulador (9) , tomado en valor absoluto, sobrepasa el valor de umbral predefinido M, transmitir entonces a un divisor de rango variable (10) , que tiene un valor nominal K, por un lado un indicador del sobrepaso y, por otro lado, el signo de este sobrepaso y ejecutar las operaciones siguientes:

- Modificar el rango de división K en K+1 o K-1 de acuerdo con el signo del valor del error contenido en el 15 acumulador, durante un período de la señal de salida Scorr.

- Restar del, o añadir al, acumulador el valor de umbral predefinido M para anular el sobrepaso.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque se determina la cadencia R2 a partir del error máximo admisible igual en valor absoluto al valor de umbral predefinido del acumulador M y de la amplitud de la corrección temporal aplicada a cada sobrepaso del acumulador.