тактовый генератор, в особенности для usb-приборов

Формула изобретения

1. Блок тактового генератора, содержащий внутренний тактовый генератор (11, 31), который вырабатывает тактовые импульсы (12) с внутренней тактовой частотой, которая выше, чем номинальная тактовая частота стабилизированного тактового сигнала, или равна ей, счетчик импульсов (17), который связан с внутренним тактовым генератором (11, 31) и который посредством сигнала (16) синхронизации устанавливается на начальное значение, запоминающее устройство (18) для запоминания числа импульсов, в котором запоминается в качестве действительного значения число выработанных тактовых импульсов между предыдущими импульсами сигнала (16) синхронизации, и фильтр (14) импульсов, который из числа, сохраненного в запоминающем устройстве (18) для запоминания числа импульсов, и установленного номинального числа тактовых импульсов определяет число импульсов, которые должны быть отфильтрованы из выработанного тактового сигнала (12), и выработанный тактовый сигнал (12) фильтрует таким образом, что число тактовых импульсов, соответствующее номинальному числу из тактовых импульсов, может быть выведено в качестве стабилизированного тактового сигнала (13).

2. Блок тактового генератора по п.1, отличающийся тем, что запоминающее устройство (18) для запоминания числа импульсов содержит число тактовых импульсов, выработанных между двумя предшествующими сигналами (16) синхронизации.

3. Блок тактового генератора по п.1, отличающийся тем, что запоминающее устройство (18) для запоминания числа импульсов содержит среднее число тактовых импульсов, выработанных между несколькими предшествующими сигналами (16) синхронизации.

4. Блок тактового генератора по п.1, отличающийся тем, что сигнал (16) синхронизации определяется посредством декодера (15) синхронизации из входного сигнала (3) и стабилизированный тактовый сигнал (13) связан с декодером (15) синхронизации.

5. Блок тактового генератора по п.1, отличающийся тем, что сигнал (16) синхронизации представляет собой сигнал синхронизации, предусматриваемый в соответствии со спецификацией стандарта USB.

6. Блок тактового генератора по п.1, отличающийся тем, что стабилизированная тактовая частота (13) на выходе фильтра (14) импульсов в целочисленном соотношении превышает требуемую номинальную частоту рабочего тактового сигнала (20), причем предусмотрен делитель частоты (19), который вырабатывает рабочий тактовый сигнал (20) из стабилизированного тактового сигнала (13) на выходе фильтра (14) импульсов путем деления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к блоку тактового генератора, который находит применение, в частности, в связи с приборами на USB (универсальная последовательная шина, стандарт USB). В соответствии со спецификацией USB для скоростей передачи данных должна поддерживаться определенная точность. В режиме полной скорости требуется точность +/-0,25%. Такую точность можно достичь только за счет точности тактового сигнала; таким образом, применяемый тактовый сигнал должен также иметь эту высокую точность. Универсальная последовательная шина (USB-шина) вообще не содержит в явном виде проводника тактового сигнала. Поэтому каждый прибор должен предусматривать свою собственную генерацию тактового сигнала. Если требуемая точность для тактового сигнала не достигнута, то прибор не будет совместимым со стандартом USB.

Тактовые сигналы обычно вырабатываются некоторой схемой в составе интегральной схемы, причем может достигаться точность +/-3%. Известно, что для повышения точности используется дополнительный кварц. Такие схемы с кварцевым генератором известны, например, из публикации "Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer Verlag 1999, 11. Auflage, Seite 910 ff.". Кварцевый элемент реализуется при этом как внешний элемент. Для многих применений в общем случае требуется или желательно, чтобы все компоненты устройства находились в одной микросхеме. При использовании внешнего кварцевого элемента требуется один или два дополнительных вывода на микросхеме, что, как правило, нежелательно и связано с дополнительными затратами. Еще одну проблему создают размеры кварцевого элемента, так как, например, в случае карточек с микросхемами (чип-карт) толщина не может превышать 800 мкм. При использовании кварца такое требование не может быть выполнено.

Задачей настоящего изобретения является создание блока тактового генератора, который вырабатывает тактовые сигналы с особенно высокой точностью, но при этом обходится без кварцевого элемента.

Эта задача решается с помощью блока тактового генератора, содержащего

- внутренний тактовый генератор, который вырабатывает тактовые импульсы с внутренней тактовой частотой, которая выше, чем номинальная тактовая частота стабилизированного тактового сигнала, или равна ей,

- счетчик импульсов, который связан с внутренним тактовым генератором и который посредством сигнала синхронизации устанавливается на начальное значение,

- запоминающее устройство для запоминания числа импульсов, в котором запоминается в качестве действительного значения число выработанных тактовых импульсов между предыдущими импульсами сигнала синхронизации, и

- фильтр импульсов, который из числа, сохраненного в запоминающем устройстве для запоминания числа импульсов, и установленного номинального числа тактовых импульсов определяет число импульсов, которые должны быть отфильтрованы из выработанного тактового сигнала, и выработанный тактовый сигнал фильтрует таким образом, что число тактовых импульсов, соответствующее номинальному числу из тактовых импульсов, может быть выведено в качестве стабилизированного тактового сигнала.

Способ функционирования соответствующего изобретению блока тактового генератора основан на том, что в соответствии со спецификациями стандарта USB с регулярными интервалами в режиме полной скорости, например каждую миллисекунду, передается импульс синхронизации, причем частота этого сигнала синхронизации имеет намного более высокую точность, чем требуемая скорость передачи данных. Исходя из постоянного интервала между импульсами сигнала синхронизации и желательной номинальной частоты, определяется, какое количество тактовых импульсов должно вырабатываться между двумя импульсами сигнала синхронизации. Из сравнения номинального числа импульсов с действительным числом импульсов между предыдущими импульсами синхронизации становится известным, насколько действительная тактовая частота отклоняется от номинальной тактовой частоты. Путем отфильтровывания избыточных импульсов из выработанного внутренним образом тактового сигнала можно свести действительную тактовую частоту на требуемое значение действительной тактовой частоты.

В предпочтительном варианте осуществления оценивается не только число импульсом между двумя предыдущими сигналами синхронизации, но и формируется среднее значение между несколькими периодами. Тем самым можно дополнительно снизить диапазон отклонений частоты.

Предпочтительным является то, что соответствующий изобретению блок тактового генератора не зависит от таких факторов, как технология, температура или потребление тока. Поэтому можно сэкономить на дорогостоящих мероприятиях для поддержания технологических допусков.

В соответствии со спецификациями USB точность сигналов синхронизации более чем в пять раз выше, чем точность требуемой стабилизированной тактовой частоты. Тем самым для согласования компонентов остается довольно большой диапазон изменений.

Для точности, кроме того, является предпочтительным, когда в случае стабилизированного тактового сигнала речь идет о внутреннем стабилизированном тактовом сигнале, частота которого в целочисленном соотношении выше, чем номинальная тактовая частота рабочего тактового сигнала. При этом предусмотрен делитель частоты, который из внутреннего стабилизированного тактового сигнала вырабатывает рабочий тактовый сигнал с предписанной номинальной тактовой частотой.

Еще одно преимущество возникает, когда значение в запоминающем устройстве для запоминания числа импульсов и/или выходной сигнал декодера синхронизации, и/или выходной сигнал декодера сигнала подается по цепи обратной связи на внутренний тактовый генератор, и тем самым частота внутреннего тактового генератора дополнительно подстраивается.

Другие детали и формы выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью примера осуществления, иллюстрируемого чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 – соединение двух приборов согласно стандарту USB,

фиг.2 – первый упрощенный пример осуществления блока генератора тактового сигнала в виде блок-схемы,

фиг.3 – второй более детальный пример осуществления блока генератора тактового сигнала по фиг.2, представленный также в виде блок-схемы.

Соединение стандарта USB между двумя приборами реализуется в виде, показанном на фиг.1, причем один прибор обозначен как USB-хост 1, а другой – как USB-прибор 2. Функции USB-хоста 1 выполняет, например, персональный компьютер (ПК) или хаб (концентратор). В качестве USB-прибора 2 может использоваться также хаб (концентратор) или, например, клавиатура, мышь, сканер, или чип-карта. Наряду с соединением с напряжением 5 вольт и соединением массы предусмотрены две линии передачи данных - D+ и D-. Посредством линий D+ и D- передачи данных осуществляется обмен данными между USB-хостом 1 и USB-прибором 2. В зависимости от того, насколько велико потребление тока USB-прибора 2, питающее напряжение подается через соединение шины или обеспечивается собственное питающее напряжение.

Проводник тактового сигнала в соответствии со спецификациями USB не предусматривается. Поэтому каждый USB-прибор должен иметь свой собственный генератор тактового сигнала, который, как описано в начальной части описания, должен удовлетворять требованиям высокой точности. Для синхронизации обмена данными между USB-хостом 1 и USB-прибором 2 USB-хост 1 передает в режиме полной скорости сигнал синхронизации с интервалами 1 мс. Он имеет точность в режиме полной скорости 0,05%.

На фиг.2 представлен блок тактового генератора USB-прибора 2, который использует входящие высокоточные сигналы синхронизации для того, чтобы манипулировать внутренним тактовым сигналом, чтобы достичь точности, требуемой для скорости передачи данных.

Внутренний тактовый генератор 11 вырабатывает нестабилизированный тактовый сигнал 12, частота которого выше, чем требуемая стабилизированная частота. Чтобы от нестабилизированного тактового сигнала 12 перейти к стабилизированному тактовому сигналу 13, в фильтре 14 импульсов подавляются отдельные импульсы. Чтобы получить информацию о том, какое количество импульсов должно быть подавлено, производится отсчет числа импульсов нестабилизированного тактового сигнала 12, выработанных между двумя импульсами сигнала 16 синхронизации, и это число сравнивается с номинальным числом импульсов.

Декодер 15 синхронизации декодирует из входного сигнала 3 в проводниках D+ и D- сигнал 16 синхронизации. Импульсами сигнала 16 синхронизации сбрасывается счетчик 17 импульсов. Затем он ведет счет в прямом направлении импульсов нестабилизированного тактового сигнала 12. Одновременно со сбросом счетчика 17 импульсов текущее состояние счетчика записывается в запоминающее устройство 18 для запоминания числа импульсов. Значение, сохраненное в запоминающем устройстве для запоминания числа импульсов, описывает, таким образом, число тактовых импульсов 12, которые были выработаны между двумя предыдущими импульсами 16 синхронизации. Запоминающее устройство 18 для запоминания числа импульсов связано с фильтром 14 импульсов, так что фильтр 14 импульсов может оценить, насколько велика разность между номинальным числом импульсов и числом импульсов, выработанных в последнем периоде. Это число импульсов теперь отфильтровывается из внутреннего тактового сигнала 12. Если тактовая частота внутреннего тактового генератора 11 во время двух периодов сигнала синхронизации остается одинаковой, то это значит, что частота на выходе фильтра 14 импульсов во втором периоде точно соответствует номинальной частоте.

Выходной сигнал фильтра 14 импульсов, т.е. стабилизированный тактовый сигнал 13, в предпочтительном варианте осуществления существенно выше, чем требуемый тактовый сигнал 20, и находится с ним в целочисленном соотношении. За счет делителя 19 частоты затем получают окончательно необходимый рабочий тактовый сигнал 20, частота которого в случае полной скорости стандарта USB равна 12 МГц. Тогда номинальная частота стабилизированного тактового сигнала была бы 48 МГц, если делитель частоты 19 реализуется с соотношением деления 4:1. Рабочий тактовый сигнал 20 с частотой 12 МГц затем подается на декодер 15 синхронизации и декодер 21 сигнала данных.

Для пояснения изобретения приведенный выше числовой пример дополнительно поясняется дальше. Если частота нестабилизированного тактового сигнала 12 отклоняется вверх на 3%, то выработанная частота составляет 49,44 МГц. В течение длительности одного периода сигнала синхронизации, равного 1 миллисекунде, вырабатываются, таким образом, 49.440 тактовых сигналов, в то время как номинальное число тактовых импульсов составляет 48.000, что соответствует частоте 48 МГц. Поэтому необходимо подавить 1.440 импульсов, предпочтительно разнесенных на одинаковые интервалы. В этом случае следовало бы отфильтровать примерно каждый 34-й импульс.

Декодер 21 сигнала данных декодирует с помощью номинальной тактовой частоты 12 МГц входной сигнал 3, приложенный посредством проводников D+ и D-, и выдает декодированный выходной сигнал 22 для последующей обработки.

Передача данных производится, естественно, с применением таким же образом стабилизированной тактовой частоты 12 МГц.

В более детально представленном на фиг.3 примере осуществления внутренний тактовый генератор 31 выполнен с возможностью дополнительной подстройки. С применением сигнала 16 синхронизации и значения, сохраненного в запоминающем устройстве 18 для запоминания числа импульсов, или с применением выходного сигнала декодера 21 сигнала данных частота, выработанная внутренним тактовым генератором 31, дополнительно подстраивается. Тем самым различие между нестабилизированным тактовым сигналом 12 и стабилизированным тактовым сигналом 13 существенно уменьшается.

Дополнительная возможность улучшения надлежащего состояния состоит в том, чтобы оценивать не только число импульсов предыдущего периода сигнала синхронизации, но и формировать среднее значение между несколькими предшествующими прошедшими периодами. Тем самым существенно снижаются проявляющиеся экстремальные значения числа импульсов.

Разумеется, изобретение не ограничивается только режимом полной скорости стандарта USB, но также применяется и в режиме пониженной скорости. В общем случае требуемая точность здесь составляет 1,5%, что реализуется существенно более простым образом.

Кроме того, изобретение применимо и в других приложениях при условии, что оно обеспечивает выработку достаточно точного сигнала синхронизации.