時鐘補償電路、時鐘電路和微控制器的制作方法

本申請涉及電路設計領域，具體而言，涉及一種時鐘補償電路、時鐘電路和微控制器。

背景技術：

時鐘作為微控制器中重要的一個模塊，較高的精度和較寬的電源工作范圍，對于提高整個芯片的性能具有較為重要的意義。通常，RC時鐘由于其結構較為簡單，在集成電路中被廣泛應用。但是RC時鐘精度往往受內部電阻、電容的精度以及電源和溫度所限，不能在全溫度全電壓下達到非常高的精度。甚至在實際的應用中時鐘在全溫度范圍和全電壓范圍內頻率波動對芯片精度產生偏差達到了±2％。因此，相關技術中由于時鐘所處的環境溫度和電源電壓大范圍波動造成頻率時鐘波動，進而引起微控制器精度產生較大偏差。

針對相關技術中時鐘電路輸出的時鐘頻率波動較大的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現要素：

本申請的主要目的在于提供一種時鐘補償電路、時鐘電路和微控制器，以解決相關技術中時鐘電路輸出的時鐘頻率波動較大的問題。

為了實現上述目的，根據本申請的一個方面，提供了一種時鐘補償電路。該時鐘補償電路包括：檢測電路，用于檢測時鐘電路中對目標電容進行調節的電容控制參數，其中，目標電容用于控制時鐘電路輸出的時鐘頻率；控制單元，連接至檢測電路，用于根據檢測電路檢測到的電容控制參數控制目標電容，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

進一步地，該檢測電路包括：電壓檢測電路，用于檢測時鐘電路的電源電壓，其中，電源電壓為電容控制參數。

進一步地，該控制單元包括：第一轉換模塊，用于將電壓檢測電路檢測到的電源電壓對應的模擬信號轉化為第一數字信號；第一傳輸模塊，用于將第一數字信號輸入目標電容所處的電路；以及第一控制模塊，用于在目標電容所處的電路中通過第一數字信號控制目標電容的電容值，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

進一步地，該檢測電路還包括：溫度檢測電路，用于檢測時鐘電路所處環境的環境溫度，其中，環境溫度為電容控制參數。

進一步地，該控制單元還包括：第二轉換模塊，用于將溫度檢測電路檢測到的環境溫度對應的模擬信號轉化為第二數字信號；第二傳輸模塊，用于將第二數字信號輸入目標電容所處的電路；以及第二控制模塊，用于在目標電容所處的電路中通過第二數字信號控制目標電容的電容值，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

進一步地，該第二控制模塊包括：第一比較子模塊，用于將檢測到的環境溫度與預設溫度進行數值比較；第一調節子模塊，用于在比較出環境溫度小于預設溫度的情況下，通過第二數字信號將目標電容的電容值調小至第一目標電容值；第二調節子模塊，用于在比較出環境溫度大于預設溫度的情況下，通過第二數字信號將目標電容的電容值調大至第二目標電容值。

進一步地，該第一控制模塊包括：第二比較子模塊，用于將電源電壓與預設電壓進行數值比較；第三調節子模塊，用于在比較出電源電壓小于預設電壓的情況下，通過第一數字信號將目標電容的電容值調小至第三目標電容值；第四調節子模塊，用于在比較出電源電壓大于預設電壓的情況下，通過第一數字信號將目標電容的電容值調大至第四目標電容值。

進一步地，該檢測電路還包括：比較器電路，設置在檢測電路中，用于將檢測電路檢測到的電容控制參數進行模數轉化處理，以轉化為對應的數字信號，其中，控制單元，還用于根據對應的數字信號對目標電容進行控制，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

為了實現上述目的，根據本申請的另一方面，提供了一種時鐘電路，包括上述任一項的時鐘補償電路。

為了實現上述目的，根據本申請的另一方面，提供了一種微控制器，包括該時鐘電路。

通過本申請，采用包括以下結構的時鐘補償電路：檢測電路，用于檢測時鐘電路中對目標電容進行調節的電容控制參數，其中，目標電容用于控制時鐘電路輸出的時鐘頻率；控制單元，連接至檢測電路，用于根據檢測電路檢測到的電容控制參數控制目標電容，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，解決了相關技術中時鐘電路輸出的時鐘頻率波動較大的問題。通過根據檢測電路檢測到的電容控制參數控制在時鐘電路上的目標電容，從而調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，進而達到了減小時鐘電路輸出的時鐘頻率的波動的效果。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1是根據本申請實施例提供的時鐘補償電路的示意圖；

圖2是相關技術中的時鐘電路的結構圖；

圖3是相關技術中的時鐘電路的工作原理圖；

圖4是相關技術中的時鐘電路在全電壓范圍內的頻率變化的示意圖；

圖5是相關技術中的時鐘電路在全溫度范圍內的頻率變化的示意圖；

圖6是根據本申請實施例提供的時鐘電路的結構圖；

圖7是根據本申請實施例提供的時鐘電路在全電壓范圍內的頻率變化的示意圖；

圖8是根據本申請實施例提供的時鐘電路在全溫度范圍內的頻率變化的示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本申請。

為了使本技術領域的人員更好地理解本申請方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本申請保護的范圍。

需要說明的是，本申請的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這里描述的本申請的實施例。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些過程、產品或設備固有的其它步驟或單元。

根據本申請的實施例，提供了一種時鐘補償電路。

圖1是根據本申請實施例提供的時鐘補償電路的示意圖。如圖1所示，該時鐘補償電路包括以下結構：

檢測電路10，用于檢測時鐘電路中對目標電容進行調節的電容控制參數，其中，目標電容用于控制時鐘電路輸出的時鐘頻率。

在本申請中，通過時鐘補償電路中的檢測電路10檢測時鐘電路中的電容控制參數，該電容控制參數為對目標電容進行調節的參數。在本申請中的目標電容為可以控制時鐘電路輸出的時鐘頻率的電容。

控制單元20，連接至檢測電路10，用于根據檢測電路10檢測到的電容控制參數控制目標電容，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

通過時鐘補償電路中的與檢測電路10相連的控制單元20，根據檢測電路10檢測到的電容控制參數控制目標電容，從而調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

通過本申請中的時鐘補償電路中的檢測電路10和控制單元20，對時鐘電路進行補償，從而調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，減小了時鐘電路輸出的時鐘頻率的波動。

可選地，在本申請實施例提供的時鐘補償電路中，該檢測電路10包括：電壓檢測電路10，用于檢測時鐘電路的電源電壓，其中，電源電壓為電容控制參數。

具體地，電源電壓為電容控制參數時，在本申請實施例提供的時鐘補償電路的檢測電路10中，包括用于檢測時鐘電路的電源電壓的溫度檢測電路。檢測電路10中的溫度檢測電路檢測到時鐘電路的電源電壓，根據該電源電壓控制目標電容，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

可選地，在本申請實施例提供的時鐘補償電路中，該控制單元20包括：第一轉換模塊，用于將檢測電路10檢測到的電源電壓對應的模擬信號轉化為第一數字信號；第一傳輸模塊，用于將第一數字信號輸入目標電容所處的電路；以及第一控制模塊，用于在目標電容所處的電路中通過第一數字信號控制目標電容的電容值，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

例如，檢測電路10檢測時鐘電路的電源電壓為5.3V。電壓檢測電路檢測到的電源電壓對應的模擬信號轉化為第一數字信號。也即，第一轉換模塊將5.3V轉化為第一數字信號，第一控制模塊在目標電容所處的電路中通過第一數字信號控制目標電容的電容值，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。需要說明的是，對于以上用于舉例的數值，只是舉例說明，并不代表實際電路運行過程中正常調節的數字，只是對于本申請中的技術進行舉例說明。

可選地，在本申請實施例提供的時鐘補償電路中，該第一控制模塊包括：第二比較子模塊，用于將電源電壓與預設電壓進行數值比較；第三調節子模塊，用于在比較出電源電壓小于預設電壓的情況下，通過第一數字信號將目標電容的電容值調小至第三目標電容值；第四調節子模塊，用于在比較出電源電壓大于預設電壓的情況下，通過第一數字信號將目標電容的電容值調大至第四目標電容值。

例如，時鐘電路運行的電源電壓的范圍為：2.7V～5.5V，預設電壓為5V，第二比較子模塊將檢測到的電源電壓與預設電壓進行數值比較，如果檢測到的電源電壓為4.5V，小于預設電壓5V，如果目標電容的電容值為110F，該目標電容的可調范圍為50F～550F，在比較出電源電壓小于預設電壓的情況下，第三調節子模塊將目標電容的電容值110F調小至100F。如果檢測到的電源電壓為5.3V，大于預設電壓5V，在比較出電源電壓大于預設電壓的情況下，第四調節子模塊將目標電容的電容值110F調大至130F。需要說明的是，對于以上用于舉例的數值，只是舉例說明，并不代表實際電路運行過程中正常調節的數字，只是對于本申請中的技術進行舉例說明。

可選地，在本申請實施例提供的時鐘補償電路中，該檢測電路10還包括：溫度檢測電路，用于檢測時鐘電路所處環境的環境溫度，其中，環境溫度為電容控制參數。

具體地，環境溫度為電容控制參數時，在本申請實施例提供的時鐘補償電路的檢測電路10中包括檢測時鐘電路所處環境的環境溫度的溫度檢測電路。檢測電路10中的溫度檢測電路檢測到的時鐘電路所處環境的環境溫度，根據該環境溫度控制目標電容，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

可選地，在本申請實施例提供的時鐘補償電路中，該控制單元20還包括：第二轉換模塊，用于將檢測電路10檢測到的環境溫度對應的模擬信號轉化為第二數字信號；第二傳輸模塊，用于將第二數字信號輸入目標電容所處的電路；以及第二控制模塊，用于在目標電容所處的電路中通過第二數字信號控制目標電容的電容值，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

需要說明的是，在本申請中，預先建立了環境溫度與電壓值之間的映射關系，例如，檢測電路10檢測時鐘電路所處環境的環境溫度為25℃，環境溫度25℃對應電壓值為5V，檢測電路10檢測時鐘電路所處環境的環境溫度為26攝氏度，環境溫度26℃對應電壓值為5.1V等等。因此，溫度檢測電路檢測到的環境溫度對應的模擬信號具體是：溫度檢測電路檢測到的環境溫度對應的電壓值，該電壓值對應的模擬信號。也即，第二轉換模塊將溫度檢測電路檢測到的環境溫度對應的電壓值對應的模擬信號轉化為第二數字信號，第二控制模塊在目標電容所處的電路中通過第二數字信號控制目標電容的電容值，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。需要說明的是，對于以上用于舉例的數值，只是舉例說明，并不代表實際電路運行過程中正常調節的數字，只是對于本申請中的技術進行舉例說明。

可選地，在本申請實施例提供的時鐘補償電路中，該第二控制模塊包括：第一比較子模塊，用于將檢測到的環境溫度與預設溫度進行數值比較；第一調節子模塊，用于在比較出環境溫度小于預設溫度的情況下，通過第二數字信號將目標電容的電容值調小至第一目標電容值；第二調節子模塊，用于在比較出環境溫度大于預設溫度的情況下，通過第二數字信號將目標電容的電容值調大至第二目標電容值。

例如，時鐘電路所處環境的環境溫度的溫度范圍為：-40℃～125℃，預設溫度為25℃，第一比較子模塊將檢測到的溫度與預設溫度進行數值比較，如果檢測到環境溫度為15℃，小于預設溫度為25℃，如果目標電容的可調范圍為50F～550F，目標電容的電容值為110F，在比較出溫度小于預設電壓的情況下，第一調節子模塊將目標電容的電容值110F調小至100F。如果檢測到環境溫度為27℃，大于預設溫度為25℃，在比較出溫度大于預設電壓的情況下，第二調節子模塊將目標電容的電容值110F調大至130F。需要說明的是，對于以上用于舉例的數值，只是舉例說明，并不代表實際電路運行過程中正常調節的數字，只是對于本申請中的技術進行舉例說明。

可選地，在本申請實施例提供的時鐘補償電路中，該檢測電路10還包括：比較器電路，設置在檢測電路10中，用于將檢測電路10檢測到的電容控制參數進行模數轉化處理，以轉化為對應的數字信號，其中，控制單元20，還用于根據對應的數字信號對目標電容進行控制，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

本申請中比較器電路的比較器，根據正相輸入端的電位高于反相輸入端，輸出高電平；反相輸入端的電位高于正相輸入端，輸出低電平的自身特性，將檢測電路10檢測到的電容控制參數對應的模擬信號，轉化為對應的數字信號。例如，對應的數字信號為101010011，根據該二進制編碼對目標電容進行控制，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率。

需要說明的是，在本申請的時鐘補償電路的結構中，在較低電壓范圍內，根據實際的精度要求，增加若干個比較器電路，而且比較器電路需要內部做些遲滯電壓，保證比較器產生數字信號不會產生紊亂。由于時鐘電路的輸出時鐘頻率與環境溫度是直線關系，根據實際的溫度范圍，在保證精度的前提下，設計數字控制的位數；在比較器電路內部做些遲滯電壓，從而保證比較器產生數字信號不會產生紊亂。

本發明實施例提供的時鐘補償電路，通過檢測電路10檢測時鐘電路中對目標電容進行調節的電容控制參數，其中，目標電容用于控制時鐘電路輸出的時鐘頻率；控制單元20，連接至檢測電路10，根據檢測電路10檢測到的電容控制參數控制目標電容，以調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，解決了相關技術中時鐘電路輸出的時鐘頻率波動較大的問題。通過根據檢測電路10檢測到的電容控制參數控制在時鐘電路上的目標電容，從而調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，進而達到了減小時鐘電路輸出的時鐘頻率的波動的效果。

下面以對比描述進行說明。圖2是相關技術中的時鐘電路的結構圖。如圖2所示，圖2中展示了一通用結構的芯片內部時鐘電路結構圖。一個與基準電流源成1：M正比的電流偏置加在R_trim和R₀的支路上。圖3是相關技術中的時鐘電路的工作原理圖。如圖3所示，產生一個隨著時鐘跳變的電壓偏置(V_inp+和V_inp-)給到高速比較器的一端，另一端是通過兩個可以切換的電流源給電容充放電得到一個鋸齒波電壓V_inn，兩端電壓通過高速比較器最后得到一個方波時鐘；由于在芯片實際制造的過程中得到的電容電阻往往比理想標稱的電容值和電阻值可能最大會有20％的偏差，導致實際做出來的內部時鐘電路在沒有內部校正電路的基礎上很難達到很高的精度，而且即使有內部校正電路的存在，也會由于芯片所處的工作電壓以及溫度不同而產生大約5％的偏差。

圖4是相關技術中的時鐘電路在全電壓范圍內的頻率變化的示意圖。通過圖4的實際測試結果中可以看出輸出頻率與電源電壓的關系并不是直線關系，而是在電源電壓較低的范圍內變化較為劇烈。在圖4中可以看出在全電壓范圍由于電源電壓變化造成的輸出頻率變化大約為5％。

圖5是相關技術中的時鐘電路在全溫度范圍內的頻率變化的示意圖。如圖5所示，輸出頻率與環境溫度是直線關系，在全溫度范圍內由于電源電壓變化造成的輸出頻率變化大約為±2.5％。

圖6是根據本申請實施例提供的時鐘電路的結構圖。圖6的電路中增加了本申請中的檢測電路，具體地，增添了電壓檢測電路(Power sense)進行電源電壓檢測，將電源電壓對應的模擬信號轉化成二進制編碼(模擬信號對應的數字信號)，將二進制編碼(模擬信號對應的數字信號)加在C_trim電路上，控制連接在系統環路內部電容大小從而調節電路輸出頻率，達到對電源電壓自動補償的效果。

根據包括電壓檢測電路(Power sense)的時鐘電路進行檢測，得到結果如圖7所示。圖7是根據本申請實施例提供的時鐘電路在全電壓范圍內的頻率變化的示意圖；通過圖7的實際測試結果可以看出，在電源電壓較低的范圍內變化較為穩定，在全電壓范圍由于電源電壓變化造成的輸出頻率變化大約為±0.6％。也即，對時鐘電路進行電源電壓自動補償，從而調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，減小了時鐘電路輸出的時鐘頻率的波動。

可選的，在圖6的電路中還增加了本申請中的檢測電路，具體地，增添了溫度檢測電路(Temperature sense)，將時鐘電路所處環境的環境溫度對應的模擬信號轉化成二進制編碼(模擬信號對應的數字信號)，將二進制編碼(模擬信號對應的數字信號)加在C_trim電路上，控制連接在系統環路內部電容大小從而調節電路輸出頻率，達到對溫度的自動補償的效果。

根據包括溫度檢測電路(Temperature sense)的時鐘電路進行檢測，得到結果如圖8所示。圖8是根據本申請實施例提供的時鐘電路在全溫度范圍內的頻率變化的示意圖。通過圖8的實際測試結果可以看出，在全溫度范圍內變化較為穩定，在全溫度范圍之內能夠達到±0.6％的精度。也即，通過對時鐘電路進行溫度進行自動補償，從而調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，減小了時鐘電路輸出的時鐘頻率的波動。

本發明實施例還提供了一種時鐘電路，該時鐘電路包括本發明實施例提供的任意一種時鐘補償電路。本發明提供的任意一種時鐘補償電路的時鐘電路，根據調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，從而減小了時鐘頻率的波動，進而達到了減小微控制器精度的偏差的效果，進而達到了減小時鐘電路輸出的時鐘頻率的波動的效果。

需要說明的是，上述的時鐘電路中包含的時鐘補償電路與上述實施例中的時鐘補償電路相同或類似，涉及的具體內容或功能在上述實施例中詳細闡述，在此不再贅述。

本發明實施例還提供了一種微控制器，該微控制器包括本發明實施例提供的時鐘電路。本發明提供的微控制器，根據調節時鐘電路輸出的時鐘頻率，從而減小了時鐘電路輸出的時鐘頻率的波動，保證了包含微控制器的芯片的精度偏差。

需要說明的是，對于前述的實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域技術人員應該知悉，本發明并不受所描述的動作順序的限制，因為依據本發明，某些步驟可以采用其他順序或者同時進行。其次，本領域技術人員也應該知悉，說明書中所描述的實施例均屬于優選實施例，所涉及的動作和模塊并不一定是本發明所必須的。

在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。

所述作為分離部件說明的模塊可以是或者也可以不是物理上分開的，作為模塊顯示的部件可以是或者也可以不是物理模塊，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡模塊上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。

另外，在本發明各個實施例中的各功能模塊可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個模塊單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上模塊集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能模塊的形式實現。

顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明的各模塊可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，或者將它們分別制作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟制作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明不限制于任何特定的硬件和軟件結合。

以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。