一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路及计时方法技术

本发明专利技术公开一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，包括RC环形振荡器、实时时钟晶体振荡器、采样计数电路和偏差校准电路，其中，RC环形振荡器产生理论频率值为2Hz的低频时钟信号作为计时时钟源，频率为32.768KHz的实时时钟晶体振荡器阶段性采样RC环形振荡器的2Hz时钟信号，通过采样计数电路确定RC环形振荡器的实际频率与理论值的偏差，通过偏差校准电路对计时结果校准。此种计时电路结构可替代传统RTC计时系统，实现低功耗高精度的计时电路设计。本发明专利技术还公开一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时方法。

A Very Low Power Timing Circuit and Method for Resisting Process and Temperature Fluctuation

The invention discloses a very low power consumption timing circuit against process and temperature fluctuation, including RC ring oscillator, real-time clock crystal oscillator, sampling and counting circuit and deviation calibration circuit, in which RC ring oscillator generates a low frequency clock signal with theoretical frequency value of 2 Hz as a timing clock source with real-time frequency of 32.768 KHz. The clock crystal oscillator periodically sampled the 2Hz clock signal of RC ring oscillator. The deviation between the actual frequency and the theoretical value of RC ring oscillator was determined by the sampling and counting circuit. The timing result was calibrated by the deviation calibration circuit. This timing circuit structure can replace the traditional RTC timing system to achieve low power consumption and high precision timing circuit design. The invention also discloses a very low power consumption timing method for resisting process and temperature fluctuation.

【技术实现步骤摘要】
一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路及计时方法
本专利技术属于电子时钟电路
，涉及一种极低功耗计时技术，特别涉及一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路及计时方法。
技术介绍
随着物联网(IoT)的快速发展，传感器技术成为信息获取的重要技术。在无线传感节点的应用中，受到体积的约束，因此采用电量有限的电池供电。由于节点的分布区域广，环境复杂，靠更换电池来补充节点能源是不现实的，因此需要高效使用能量来最大化节点网络的生命周期。在无线传感节点网络中的抄表系统，由于传感器节点与汇聚节点不会一直频繁通讯，在没有通讯期间会处于休眠状态，但需要实时时钟(RTC)模块一直处于工作模式，按时唤醒传感器进行数据处理，因此需要对计时时钟模块进行低功耗设计，以延长电池使用寿命。高精度是计时时钟最基本的指标之一。当传感器节点进入休眠状态后只有RTC时钟模块运行，当计时时钟精度不够时，会导致传感器节点不能准确地在预设的时间内被自动唤醒，无法完成与汇聚节点的通信业务。考虑到精度的问题，通常的计时系统采用32.768KHz的实时时钟晶体振荡器作为时钟源，时钟的精度由晶体决定，在秒量级的时钟分辨率下，实时时钟晶体振荡器的精度完全满足计时精度的需求，可实现高精度计时。但实时时钟晶体振荡器本身会消耗200nW以上的功耗，计时电路功耗高。为了实现计时时钟电路的低功耗设计，最有效的方法是降低计时时钟的频率，RC环形振荡器可以实现极低的功耗，但其振荡频率会因为生产工艺、温度的波动产生偏差，无法达到精确计时的功能。因此需要研究低功耗、高精度的计时系统，实现高能效需求。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路及计时方法，其可替代传统RTC计时系统，实现低功耗高精度的计时电路设计。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，包括RC环形振荡器、实时时钟晶体振荡器、采样计数电路和偏差校准电路，其中，RC环形振荡器产生理论频率值为2Hz的低频时钟信号作为计时时钟源，频率为32.768KHz的实时时钟晶体振荡器阶段性采样RC环形振荡器的2Hz时钟信号，通过采样计数电路确定RC环形振荡器的实际频率与理论值的偏差，通过偏差校准电路对计时结果校准。上述RC环形振荡器采用奇数个电流饥饿型反相器组成振荡环，采用电流镜控制流过每一级反相器的电流来控制RC环形振荡器的输出频率。上述实时时钟晶体振荡器由振荡频率为32.768KHz的石英晶体和起振电路构成，实时时钟晶体振荡器的频率由石英晶体的振荡频率决定。上述采样计数电路由采样计数器构成，用于实时时钟晶体振荡器对RC环形振荡器采样计数，计数结果为实时时钟晶体振荡器时钟的周期数。上述偏差校准电路由算术逻辑单元和寄存器组成，算术逻辑单元根据采样计数电路的采样数值与标准采样数值计算得到采样偏差值，并将采样偏差值换算成时间偏差量，该时间偏差量存放在寄存器中；所述算术逻辑单元根据时间偏差量校准当前的计时时间，得到精确的计时时间。一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时方法，包括如下步骤：步骤1，RC环形振荡器产生理论频率值为2Hz的低频时钟信号作为计时时钟源；步骤2，频率为32.768KHz的实时时钟晶体振荡器周期性采样RC环形振荡器的2Hz时钟信号；步骤3，采样计数电路用于实时时钟晶体振荡器对RC环形振荡器采样计数，计数结果为实时时钟晶体振荡器时钟的周期数；步骤4，偏差校准电路确定RC环形振荡器的实际频率与理论值的偏差，并对计时结果校准。上述步骤2中，RC环形振荡器采用奇数个电流饥饿型反相器组成振荡环，采用电流镜控制流过每一级反相器的电流来控制RC环形振荡器的输出频率。上述步骤3中，实时时钟晶体振荡器的使能Enable信号由采样计数电路控制，周期性触发使能信号开启实时时钟晶体振荡器。上述步骤4中，偏差校准电路计算采样计数电路的采样数值N与标准采样数值M的采样偏差值E＝N-M，每一个RC环形振荡器时钟周期的时间偏差为E，将该偏差值换算成秒级的时间偏差量Δt＝E×TOSC，其中，TOSC为实时时钟晶体振荡器时钟周期，根据该时间偏差量校准当前的计时时间，得到精确的计时时间。采用上述方案后，本专利技术通过采用实时时钟晶体振荡器的32.768KHz时钟周期性开关对RC环形振荡器的2Hz计时时钟，得到实际的RC环形振荡器的时钟频率与理论频率值的偏差，用偏差校准电路对RC环形振荡器的计时时间偏差进行校准，一方面实现了极低的计时功耗，另一方面抑制了工艺和温度对计时时间的影响，可实现高精度的计时。附图说明图1是本专利技术计时电路的电路框图；图2是电流饥饿型RC环形振荡器电路原理图；图3是实时时钟晶体振荡器对RC计时时钟采样原理图；图4是本专利技术计时方法的工作流程图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案及有益效果进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，包括RC环形振荡器、实时时钟晶体振荡器、采样计数电路和偏差校准电路，其中，RC环形振荡器产生理论频率值为2Hz的低频时钟信号作为计时时钟源，实现极低的计时功耗，频率为32.768KHz的实时时钟晶体振荡器阶段性采样RC环形振荡器的2Hz时钟信号，通过采样计数电路确定RC环形振荡器的实际频率与理论值的偏差(该偏差由于生产工艺、温度的波动引起)，通过偏差校准电路对计时结果校准，实现精确计时；下面对各组成部件分别说明。所述的RC环形振荡器，采用奇数个电流饥饿型反相器首尾相连组成RC环形振荡器，如图2所示。MOS管Mn0～Mn9,Mp0～Mp9组成电流镜，电压Vctrl控制流过Mn0、Mp0支路的电流，Mn1～Mn9,Mp1～Mp9分别和反相器串联，通过严格地控制RC环形振荡器的工作电流来控制每一级反相器的延迟TD进而控制振荡频率，N级反相器环输出的RC环形振荡器频率fRC＝1/(2*K*TD)。采用RC环形振荡器产生计时时钟的方法消耗的功耗低，产生2Hz的低频时钟，仅消耗1nW的功耗，但其实际频率会由于生产工艺、温度的波动产生偏差。所述的实时时钟晶体振荡器，用以产生32.768KHz的精确时钟，作为计时系统的采样校准时钟。实时时钟晶体振荡器由振荡频率为32.768KHz的石英晶体和起振电路构成，实时时钟晶体振荡器的频率由石英晶体的振荡频率决定，不受工艺角、温度的偏差影响。石英晶体为无源器件，具有压电效应，起振电路提供的交变电场的作用使石英晶体产生机械振动，满足振荡相位条件的频率分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由起振电路的回路增益和石英晶体网络的带宽决定，直到达到石英晶体的本征振荡频率32.768KHz后保持稳定的时钟输出。所述的采样计数电路，用于实时时钟晶体振荡器对RC环形振荡器采样，由采样计数器构成，工作原理如图3所示。在RC环形振荡器的一个时钟周期内，以32.768KHz频率的实时时钟晶体振荡器对RC环形振荡器周期性采样，得到实时时钟晶体振荡器的时钟周期数。对频率理论值为2Hz的RC环形振荡器，采样计数器得到的实时时钟晶体振荡器的周期数M等于16384，当RC环形振荡器的时钟频率因生产工艺或温度的波动产生偏差时，采样计数器得到的周期数将变为N。所述的偏差校准电路由算术逻辑单元和寄存器组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，其特征在于：包括RC环形振荡器、实时时钟晶体振荡器、采样计数电路和偏差校准电路，其中，RC环形振荡器产生理论频率值为2Hz的低频时钟信号作为计时时钟源，频率为32.768KHz的实时时钟晶体振荡器阶段性采样RC环形振荡器的2Hz时钟信号，通过采样计数电路确定RC环形振荡器的实际频率与理论值的偏差，通过偏差校准电路对计时结果校准。

【技术特征摘要】
1.一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，其特征在于：包括RC环形振荡器、实时时钟晶体振荡器、采样计数电路和偏差校准电路，其中，RC环形振荡器产生理论频率值为2Hz的低频时钟信号作为计时时钟源，频率为32.768KHz的实时时钟晶体振荡器阶段性采样RC环形振荡器的2Hz时钟信号，通过采样计数电路确定RC环形振荡器的实际频率与理论值的偏差，通过偏差校准电路对计时结果校准。2.如权利要求1所述的一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，其特征在于：所述RC环形振荡器采用奇数个电流饥饿型反相器组成振荡环，采用电流镜控制流过每一级反相器的电流来控制RC环形振荡器的输出频率。3.如权利要求1所述的一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，其特征在于：所述实时时钟晶体振荡器由振荡频率为32.768KHz的石英晶体和起振电路构成，实时时钟晶体振荡器的频率由石英晶体的振荡频率决定。4.如权利要求1所述的一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，其特征在于：所述采样计数电路由采样计数器构成，用于实时时钟晶体振荡器对RC环形振荡器采样计数，计数结果为实时时钟晶体振荡器时钟的周期数。5.如权利要求1所述的一种抗工艺和温度波动的极低功耗计时电路，其特征在于：所述偏差校准电路由算术逻辑单元和寄存器组成，算术逻辑单元根据采样计数电路的采样数值与标准采样数值计算得到采样偏差值，并将采样偏差值换算成时间偏差量，该时间偏差量存放在寄存器中；所述算术逻辑单元根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新宁，陈春妃，陈正发，杨军，
申请(专利权)人：东南大学，东南大学—无锡集成电路技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32