频率锁定方法及其电路、振荡器增益预测方法及其电路

摘要

一种频率锁定方法，用以将一频率锁定电路输出的一输出信号锁定至一目标频率，包含：(a)检测该输出信号的一输出频率，其中该输出信号是根据一可控式振荡器的振荡频率所产生；(b)计算该输出频率与该目标频率的频率差异；(c)根据该频率差异，利用一可控式系数调整元件提供且调整一归一化系数来预测该可控式振荡器的增益并提供与该归一化系数和该频率差异相关的一控制信号，其中该输出频率是跟该归一化系数以及该可控式振荡器的该增益的乘积有关；(d)依据该控制信号控制该可控式振荡器，使该输出频率逼近该目标频率。

说明书

技术领域

本发明有关于频率锁定方法以及频率锁定电路，特别有关于不断调整归一化系数使得该归一化系数与该振荡器增益的乘积逐次逼近一预定乘积的频率锁定方法以及频率锁定电路。本发明亦有关于振荡器增益预测方法以及振荡器增益预测电路。 

背景技术

图1绘示了已知技术的频率锁定电路100。如图1所示，频率锁定电路100包含了一频率检测器101、一低通滤波器103、一可控式振荡器105以及一除频器107。输出信号S_out经过除频器107除频后产生除频后输出信号S_outf，除频后输出信号S_outf会被传送至频率检测器101。频率检测器101比较除频后输出信号S_outf的频率以及目标频率F_target的差异后，会传送一控制信号CS，控制信号CS经低通滤波器103滤波后，会传送给可控式振荡器105来调整输出信号S_out，以将除频后输出信号S_outf锁定至目标频率F_target，亦即将输出信号S_out锁定至N倍的F_target(N为除频器107的除频比)。 

若要快速地锁定输出信号S_out，通常的作法为增加低通滤波器103的频宽，或利用额外的振荡器增益校正器得到振荡器的增益。前者的做法会使得低频的噪声无法得到有效的抑制，影响到输出信号S_out的输出相位噪声。后者如专利号US 6894570以及US6459253的美国专利则需要拢长的校正时间，复杂的计算方法与面积较大的电路。 

发明内容

因此，本发明的一目的为提供一种不影响频宽的频率锁定方法和频率锁定电路。 

本发明的另一目的为提供一种快速锁定的频率锁定方法和频率锁定电路。 

本发明的另一目的为提供一种背景模式执行的快速振荡器增益预测方法和增益预测电路。 

本发明的一实施例揭露了一种频率锁定方法，用以将一频率锁定电路输出的一输出信号锁定至一目标频率，包含：(a)检测该输出信号的一输出频率，其中该输出信号是根据一可控式振荡器的振荡频率所产生；(b)计算该输出频率与该目标频率的频率差异；(c)根据该频率差异，利用一可控式系数调整元件提供且调整一归一化系数来预测该可控式振荡器的增益并提供与该归一化系数和该频率差异相关的一控制信号，其中该输出频率是跟该归一化系数以及该可控式振荡器的该增益的乘积有关；(d)依据该控制信号控制该可控式振荡器，使该输出频率逼近该目标频率。 

本发明的另一实施例揭露了一种频率锁定电路，包含：一可控式振荡器，用以产生一振荡信号；一频率检测器，用以检测根据该振荡信号所产生的一输出信号的一输出频率并计算该输出频率与一该目标频率的一频率差异；一可控式增益调整元件，用以提供一归一化系数来预测该可控式振荡器的增益，并提供与该归一化系数和该频率差异相关的一控制信号，其中该输出频率是跟该归一化系数以及该可控式振荡器的该增益的乘积有关；以及一控制器，根据该频率差异调整该归一化系数；其中该可控式振荡器根据该控制信号调整该输出频率且该控制器调整该归一化系数，使该输出频率逼近该目标频率。 

本发明的另一实施例揭露了一种振荡器增益预测方法，包含：(a)检测一输出信号的一输出频率，其中该输出信号是根据一可控式振荡器的一振荡频率所产生；(b)计算该输出频率与该目标频率的频率差异；(c)利用一可控式系数调整元件提供一归一化系数，其中该输出频率是跟该归一化系数以及该可控式振荡器的该增益的乘积有关；以及(d)调整该归一化系数，并根据该归一化系数以及该频率差异的关系来预测该可控式振荡器的增益。 

本发明的又一实施例揭露了一种振荡器增益预测电路，包含：一可控式振荡器，用以产生一振荡信号；一频率检测器，用以检测根据该振荡信号所产生的一输出信号的一输出频率并计算该输出频率与该目标频率的频率差异；一可控式增益调整元件，用以提供一归一化系数，其中该输出频率是跟该归一化系数以及该可控式振荡器的该增益的乘积有关；以及一控制器，根据该频率差异调整该归一化系数，并根据该归一化系数以及该频率差异的关系来预测该可控式振荡器的增益。 

根据前述实施例，可在不增加事前可控式振荡器增益预测电路以及不更动频宽的情况下，快速校正输出信号的频率，同时在背景模式下得到振荡器的增益。而且，因为采用了背景模式下检测可控式振荡器增益的方式，除了使输出频率快速逼近目标频率，亦可以补偿振荡器增益因为温度改变而产生漂移的状况，并提供整个回路额外得到一回路频宽数值固定的优点，使回路频宽与制程变异的关系趋近于0。 

附图说明

图1绘示了已知技术的频率锁定电路。 

图2A和图2B绘示了根据本发明的一实施例的频率锁定电路。 

图3绘示了图2所示的归一化系数控制操作示意图。 

图4绘示了如何调整图2所示的归一化系数的其中一例。 

图5(a)和图5(b)和图6(a)和图6(b)绘示了图2所示的频率锁定电路中，频率检测器的实施方式。 

[主要元件标号说明] 

100、200频率锁定电路            105、201可控式振荡器 

101、203频率检测器              103、209低通滤波器 

107除频器                       205可控式系数调整元件 

207控制器                       208频宽调整元件 

509D型触发器                    501、503计数器 

505减法器                       507相位检测器 

具体实施方式

在说明书及上述的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及上述的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及上述的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。以外，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电 气连接至该第二装置。 

图2A绘示了根据本发明的一实施例的频率锁定电路200。如图2A所示，频率锁定电路200包含了一可控式振荡器201、一频率检测器203、一可控式系数调整元件205以及一控制器207。振荡器201用以产生一输出信号S_out。频率检测器203用以检测输出信号S_out的一输出频率(F_o)并计算输出频率与目标频率F_target的频率差异Δf。须注意的是，此实施例是以可控式振荡器201产生的振荡信号直接作为输出信号S_out做说明，但输出信号S_out亦可将振荡信号进行除频后所产生(例如图1中的除频器107)。此类变化均应在本发明的范围之内。 

可控式系数调整元件205用以提供一归一化系数(normalization factor) 配合可控式振荡器201(其增益为K_DCO)调整输出频率。控制器207则根据频率差异Δf调整归一化系数 于此实施例中，频率检测器203逐次检测调整后的输出频率与目标频率的频率差异，且控制器207控制可控式系数调整元件205以逐次增减归一化系数 进而调整可控式振荡器201的控制信号CS，使得输出频率F_o逐渐逼近目标频率F_target(亦即，使 和K_DCO的乘积为1)。频率锁定电路200可还包含一低通滤波器209，以使传送至振荡器201的控制信号更为稳定。 

以下将详细说明图2A所示的频率锁定电路200的操作。图2中的输出频率可表示如下列恒等式(1)： 

恒等式(1) 

其中，f_o，n是表示本周期的输出频率，f_o，n-1是表示前一周期的输出频率，f_target是指目标频率。 是表示可控式系数调整元件205的系数，而K_DCO为可控式振荡器201的增益。由恒等式(1)可知，若能调整 使其为K_DCO的 倒数，则可在一个比较周期后将输出频率f_o，n锁定至目标频率f_target。 

图3绘示了图2A所示的频率锁定电路的操作示意图。由恒等式(1)可知： 

(f_target-f₁)＝err₁$f_2=f_1+{\mathrm{err}}_1\times \frac{1}{{\hat{K}}_{\mathrm{DCO},1}}\times K_{\mathrm{DCO}}$

(f_target-f₂)＝err₂$f_3=f_2+{\mathrm{err}}_2\times \frac{1}{{\hat{K}}_{\mathrm{DCO},2}}\times K_{\mathrm{DCO}}$

(f_target-f_n-1)＝err_n-1$f_n=f_{n-1}+{\mathrm{err}}_{n-1}\times \frac{1}{{\hat{K}}_{\mathrm{DCO},n-1}}\times K_{\mathrm{DCO}}$

根据图3，当检测到最初的输出频率f₁与目标频率f_target有频率差异err₁时，便会将归一化系数调整成 来产生新的输出频率f₂，此输出频率f₂与目标频率f_target的差异会比输出频率f₁与目标频率f_target的差异来得少。而若输出频率f₂与目标频率f_target仍有频率差异err₂时，会将归一化系数调整成 来产生新的输出频率f₃，此输出频率f₃与目标频率f_target的差异会比输出频率f₂与目标频率f_target的差异来得少。以此类推，会一直调整 直到输出频率跟目标频率f_target相同或之间的差异少于一预定值(可控振荡器可改变的最小频率差)为止。也就是说，是逐次地调整输出频率，使其逐渐地逼近目标频率值并将 锁定成为1。在实施例中亦可持续不断地调整 来修正操作过程中振荡器增益的变动。须注意的是，此例中虽然是将 锁定成1，但亦可设定成将其锁定成其它预定乘积，本领域技术人员可了解，如此一样可以达到逼近目标频率的功能。 

而在一实施例中，是根据极性是否改变(亦即输出频率是大于或小于目标频率)，来决定 的量要如何调整，如以下图4所示。 

图4绘示了如何调整图2A和图2B所示的可控系数调整元件的其中一例，其包含了以下步骤： 

步骤401 

检测输出频率和目标频率的差异。 

步骤403 

判断频率差异是否小于或等于一预定值，若是则表示输出频率已锁定至目标频率，因此到步骤413。若否则进入步骤405进行后续程序。 

步骤405 

判断极性是否改变？若是，即表示 调整过头，因此到步骤407将其调降。若否，则表示 还可再增加以接近目标频率，因此到步骤409将其调升。 

步骤407 

将 调整成上一次 减去 调整量的1/2。 

步骤409 

将 调整成上一次 加上 调整量的1/2。 

步骤411 

依据新的 更新输出频率。 

步骤413 

结束。 

须注意的是，图4所示的流程图中，可不包含步骤403和步骤413。亦即，可不断重复执行401、405、407、409以及411而不断地将频率逼近所须的输出频率，让输出频率一直维持在一个较精准的值。 

图4所示的流程图可简化如下列的频率锁定方法：(a)检测该输出信号的一输出频率，其中该输出信号是根据一可控式振荡器的振荡频率所产生；(b)计算该输出频率与该目标频率的频率差异；(c)根据该频率差异，利用一可控式系数调整元件提供且调整一归一化系数来预测该可控式振荡器的增益并提供与该归一化系数和该频率差异相关的一控制信号，其中该输出频率是跟该归一化系数以及该可控式振荡器的该增益的乘积有关；(d)依据该控制信号控制该可控式振荡器，使该输出频率逼近该目标频率。。须注意的是，归一化系数每一次的增减值，并不受前述步骤407和409的限制，其增减值可以是一预定值或是其它数学式所计算出来的值。 

通过先前的实施例，除了前述的频率锁定方法外，还可得到一振荡器增 益预测方法，其可包含下列步骤：(a)检测一输出信号的一输出频率，其中该输出信号是根据一可控式振荡器的一振荡频率所产生；(b)计算该输出频率与该目标频率的频率差异；(c)利用一可控式系数调整元件提供一归一化系数，其中该输出频率是跟该归一化系数以及该可控式振荡器的该增益的乘积有关；以及(d)调整该归一化系数，并根据该归一化系数以及该频率差异的关系来预测该可控式振荡器的增益。 

此振荡器增益预测方法可通过图2A所示的电路来执行。亦即，当频率检测器203检测到输出频率F_o和目标频率F_target的频率差异后，会将此信息传送给控制器207，由于控制器207亦负责归一化系数 的调整，因此会知道归一化系数 和频率差异的关系。而通过不断的调整 并根据前述恒等式(1)，可以预测出可控式振荡器201的增益。图2A中所示的频率锁定电路200还可包含调整频宽的机制示。如图2B所示，频率锁定电路200还包含了一频宽调整元件208，其在此实施例中，频宽调整元件208是位于可控式系数调整元件205和低通滤波器207之间，但亦可位于其它的位置。频宽调整元件208可用以在频率锁定过程(亦即使输出频率逐渐逼近目标频率)当中，提供一动态的频宽，使频率锁定电路200在频率锁定和调整归一化系数的过程中更有弹性。频宽调整元件208可由多种电路或元件来实现，举例来说，当处理的信号为数字信号时，可为一缩放器(scaler)，而若为模拟信号时，可为一电流镜(current mirror)。此调整频宽的机制独立于可控式系数调整元件，可让电路的调整更有弹性。 

图5和图6绘示了图2所示的频率锁定电路中，频率检测器的实施方式。图5中的图(a)是使用两计数器501、503来分别利用目标频率F_target的信号以及具有输出频率F_o的输出信号做计数，再经由减法器505计算出其差异。其中Count_target是表示计数器501的计数值，Count_OSC是表示计数器503的计数值，通过比较此两计数值，可得知目标频率F_target和输出频率F_o的差异。图5中的图(b)是使用一相位检测器507检测具有目标频率F_target的信号以及输出信号产生代表其相位关系的信号Q_A和Q_B后，再以D型触发器509将相位检测器507的输出Q_A和Q_B数字化形成只有Lead和Lag的信号。图6中的图(a)是表示利用积分器跟相位检测，于多个时间周期后来找出相位误差。图6中的 图(b)是以积分器来产生一代表相位差异的相位脉冲Err Pulse并使用时间数字转换器(time to digital converter，TDC)将此Err Pulse描述成一数位的形式。须注意的是，图5和图6仅用以举例，并非限制本发明。而图2中的振荡器可为一数字控制振荡器(digitally control oscillator)，其可以数字模拟转换器加上压控振荡器来实施。或者以三角积分调制器加上数字控制振荡器来实施更精确的数字控制振荡器。 

根据前述实施例，可在不增加事前可控式振荡器增益预测电路以及不更动频宽的情况下，快速校正输出信号的频率，同时在背景模式下得到振荡器的增益。所谓的背景模式是指在锁频过程中，同时锁住归一化系数。而且，因为采用了背景模式下检测可控式振荡器增益的方式，除了使输出频率快速逼近目标频率，亦可以补偿振荡器增益因为温度改变而产生漂移的状况，并提供整个回路额外得到一回路频宽数值固定的优点，使回路频宽与制程变异的关系趋近于0。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。