專利名稱：高頻時鐘抖動測量電路及其校準方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自建片內測量(BIST)技術，涉及一種高頻時鐘抖動測量電路及其帶校準功能的抖動測量電路及其校準方法。
背景技術：
鎖相環(huán)以及由鎖相環(huán)構成的頻率合成電路在當今高頻數(shù)字領域占有舉足輕重的地位。對于頻率在GHz以上的系統(tǒng)，時序穩(wěn)定度是一個關鍵參量。高頻數(shù)字通信系統(tǒng)的一個主要噪聲源就是時鐘相位失真，該失真可以用時序抖動來衡量。近年來，系統(tǒng)時序抖動的測量受到越來越多的關注。
測量芯片時序抖動的傳統(tǒng)方法是片外測量，即將芯片的時鐘輸出管腳接到外部相關儀器上來對時序抖動進行測量分析。然而此種方法效能比較差，芯片管腳到儀器的引線會大大增加測量誤差，測量本身也很不經(jīng)濟。而且對于高頻時鐘，引出測試點的負載影響也很大。
近年來，研究者們發(fā)展了時序抖動的自建片內測量方法。其核心是將時間信號轉化為數(shù)字信號，完成這種功能的模塊稱為TDC(時間數(shù)字轉換器)。抖動測量中比較實用的一種TDC是游標卡尺式的TDC，其主要優(yōu)點是精度高，受工藝以及生產過程中的偏差影響較小。為了減小生產工藝帶來的誤差，TDC通常做成可調的，測量精度通過引入基準信號，利用自身的電路校準過程求得。
游標卡尺式TDC仍有兩個缺點首先，每對延時線的延時單元的匹配要求很高，生產工藝有時很難達到；其次，占用的面積比較大，精度越高，面積也就越大；另外，需要一個無噪聲且與被測信號同頻率的時鐘信號來作為基準時鐘，通常由外部晶振來提供，這對于比較高頻率的時鐘測量就很困難了。雖然在有些文獻中提出的環(huán)振對式TDC可以解決上述前兩個問題，但仍然需要外部基準時鐘。

發(fā)明內容本發(fā)明的主要目的就是針對以前的自建片內測量抖動電路不能應用于很高頻率(如1GHz以上)時鐘測量的缺點，提供一種高頻時鐘抖動測量電路，將周期誤差(period jitter)作為被測時鐘的抖動的大小，從而不需要外部提供基準時鐘即可測量出高頻鎖相環(huán)的時序抖動。
本發(fā)明的次要目的就是提供一種高頻時鐘抖動測量電路，進一步提高了測量精度。
本發(fā)明的另一目的就是提供一種高頻時鐘抖動測量電路，具有校準功能，校準方法簡單，只需要一個普通的外部中頻率基準時鐘即可，不需要基準時鐘與被測時鐘具有相同頻率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種高頻鎖相環(huán)抖動環(huán)振對式測量電路，包括第一振蕩信號產生單元，用于響應被測時鐘信號，產生周期為TV1的第一振蕩信號；第二振蕩信號產生單元，用于響應被測時鐘信號和第一振蕩信號產生單元的控制信號，產生周期為TV2的第二振蕩信號，且觸發(fā)第二振蕩信號產生單元的起振的被測時鐘信號邊沿比觸發(fā)第一振蕩信號產生單元的起振的被測時鐘信號邊沿晚一個周期，并且TV2小于TV1；第一復位控制單元，分別響應第一振蕩信號和第二振蕩信號，用于在第二振蕩信號超前于第一振蕩信號時輸出復位觸發(fā)信號；第一計數(shù)單元，響應第二振蕩信號，用于在第二振蕩信號開始起振后對第二振蕩信號的周期計數(shù)，并響應第一復位控制單元輸出的復位觸發(fā)信號，用于在復位觸發(fā)信號到達后復位，并輸出第二振蕩信號的周期數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)選方案是所述第一振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第一D觸發(fā)器和第一環(huán)振，所述第一D觸發(fā)器的D輸入端輸入低電平，時鐘輸入端用于輸入被測時鐘信號，第一D觸發(fā)器的負輸出端耦合到第一環(huán)振，第一環(huán)振用于產生第一振蕩信號；所述第二振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第二D觸發(fā)器和第二環(huán)振，所述第二D觸發(fā)器的D輸入端與第一D觸發(fā)器的正輸出端相連，時鐘輸入端用于輸入被測時鐘信號，第二D觸發(fā)器的負輸出端耦合到第二環(huán)振，第二環(huán)振用于產生第二振蕩信號。
所述第一環(huán)振包括第一開啟模塊和第一環(huán)振器，所述第二環(huán)振包括第二開啟模塊和第二環(huán)振器，所述第一、二開啟模塊為與非門。
所述第一環(huán)振器和第二環(huán)振器都包括精調單元，所述精調單元包括輸入輸出模塊、與輸入輸出模塊相連的PMOS管并聯(lián)支路和NMOS管并聯(lián)支路，所述輸入輸出模塊用于響應開啟模塊的信號，輸出為輸入的反相延時信號，所述PMOS管并聯(lián)支路中的PMOS管分為導通寬度不同的兩組，所述NMOS管并聯(lián)支路中的NMOS管也分為導通寬度不同的兩組，并采用差分控制來改變延時大小。
第一環(huán)振器和第二環(huán)振器還進一步分別包括粗調單元，所述粗調單元和精調單元串聯(lián)。
第一振蕩信號產生單元還進一步包括連接第一環(huán)振輸出端的第一緩沖器；所述第二振蕩信號產生單元還進一步包括連接第二環(huán)振輸出端的第二緩沖器。
所述第一復位控制單元包括仲裁器、第三D觸發(fā)器和脈沖發(fā)生器，所述仲裁器分別響應第一振蕩信號和第二振蕩信號，輸出端耦合至第三D觸發(fā)器的D輸入端，所述第三D觸發(fā)器的正輸出端耦合至脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器的輸出端耦合至第一計數(shù)單元的復位端；所述第一計數(shù)單元包括計數(shù)器，所述計數(shù)器的時鐘輸入端輸入第二振蕩信號，使能端輸入第二D觸發(fā)器的正輸出端的反向信號，計數(shù)器的輸出端輸出計數(shù)結果。
所述仲裁器包括仲裁模塊和復位產生模塊，所述復位產生模塊響應第二振蕩信號，使仲裁器復位，所述仲裁模塊響應第一振蕩信號和第二振蕩信號，用于在第一振蕩信號超前第二振蕩信號時，正輸出端輸出占空比50％以上的脈沖，在第二振蕩信號超前第一振蕩信號時，正輸出端一直輸出低電平。
還包括第N振蕩信號產生單元，響應被測時鐘信號和第N-1振蕩信號產生單元的控制信號，用于產生周期為TVN的第N振蕩信號，且觸發(fā)第N振蕩信號產生單元起振的被測時鐘信號邊沿比觸發(fā)第N-1振蕩信號產生單元起振的被測時鐘信號晚一個周期，并且TVN小于TVN-1；第N-1復位控制單元，分別響應第N-1振蕩信號和第N振蕩信號，用于在第N振蕩信號超前于第N-1振蕩信號時輸出復位觸發(fā)信號；第N-1計數(shù)單元，響應第N振蕩信號，用于在第N振蕩信號開始起振后對第N振蕩信號的周期計數(shù)，并響應第N-1復位控制單元輸出的復位觸發(fā)信號，用于在復位觸發(fā)信號到達后復位，并輸出第N振蕩信號的周期數(shù)，其中N大于或等于3。
所述第N振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第ND觸發(fā)器和第N環(huán)振，所述第ND觸發(fā)器的D輸入端與第N-1D觸發(fā)器的正輸出端相連，時鐘輸入端用于輸入被測時鐘信號，所述第ND觸發(fā)器負輸出端耦合到第N環(huán)振，第N環(huán)振用于輸出第N振蕩信號。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開了一種具有校準功能的高頻時鐘抖動環(huán)振對式測量電路，包括第一多路選擇器，其輸入端用于根據(jù)其控制端的信號在被測時鐘和校準時鐘之間切換；第M振蕩信號產生單元，響應第一多路選擇器輸出端輸出的信號，用于產生周期為TVM的第M振蕩信號；第M+1振蕩信號產生單元，響應第一多路選擇器輸出端輸出的信號，用于產生周期為TVM+1的第M+1振蕩信號，并且TVM+1小于TVM；第二多路選擇器，其輸入端用于根據(jù)其控制端的信號在第M振蕩信號產生單元輸出的控制信號和低電平之間切換，輸出端耦合到第M+1振蕩信號產生單元，用于選擇第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元起振時刻相差一個輸入時鐘周期或者選擇所述兩個振蕩信號產生單元同時起振；第M復位控制單元，分別響應第M振蕩信號和第M+1振蕩信號，用于在第M+1振蕩信號超前于第M振蕩信號時輸出復位觸發(fā)信號；第M計數(shù)單元，響應第M+1振蕩信號，用于在第M+1振蕩信號開始起振后對第M+1振蕩信號的周期計數(shù)，并響應第M復位控制單元輸出的復位觸發(fā)信號，用于在復位觸發(fā)信號到達后復位，并輸出復位之前的計數(shù)值；校準計數(shù)單元，響應第M振蕩信號，用于對在校準時鐘一個周期內的第M振蕩信號的周期進行計數(shù)。
所述第M振蕩信號產生單元包括第MD觸發(fā)器和第M環(huán)振，所述第MD觸發(fā)器的D輸入端輸入低電平，時鐘輸入端與第一多路選擇器的輸出端相連，所述第MD觸發(fā)器的負輸出端耦合到第M環(huán)振，第M環(huán)振用于輸出周期為TVM的第M振蕩信號；所述第M+1振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第M+1 D觸發(fā)器和第M+1環(huán)振，所述第M+1 D觸發(fā)器的D輸入端與第二多路選擇器的輸出端相連，時鐘輸入端與第一多路選擇器的輸出端相連，所述第M+1 D觸發(fā)器的負輸出端耦合到第M+1環(huán)振，第M+1環(huán)振用于輸出周期為TVM+1的第M+1振蕩信號。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開了一種校準功能的高頻時鐘抖動環(huán)振對式測量電路的校準方法，包括頻率計數(shù)步驟和延時差測量步驟，其中頻率計數(shù)步驟包括以下步驟A1、將校準時鐘輸入到第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元，使第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元起振；B1、控制觸發(fā)第M+1振蕩信號產生單元起振的校準時鐘邊沿比觸發(fā)第M振蕩信號產生單元啟振的校準時鐘邊沿晚一個周期；
C1、記錄第M振蕩信號在校準時鐘觸發(fā)第M環(huán)振后一個周期內的振蕩數(shù)；D1、記錄第M+1振蕩信號在第M計數(shù)單元第二次復位前的周期數(shù)；所述延時差測量步驟包括以下步驟A2、將校準時鐘輸入到第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元，使第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元起振；B2、控制第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元由同一個校準時鐘的邊沿觸發(fā)；C2、分別記錄第M+1振蕩信號在第M計數(shù)單元第二次復位前和第二、三次復位之間的周期數(shù)；完成上述步驟后，計算第M振蕩信號和第M+1振蕩信號的周期差值、第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元的延時差。
本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明每對環(huán)振中的延時單元的匹配要求不高，普通的生產工藝即可，在滿足精度的要求下占用面積小，適合于片內設計。由于將周期誤差作為被測時鐘的抖動的大小，從而不需要外部提供基準時鐘即可測量出高頻時鐘的抖動，使用方便。同時對于鎖相環(huán)電路，由于采用的是自建片內測量方法，從而避免了引出被測時鐘所帶來的誤差。
2)采用差分式的MOS管排列構成可變延時單元，控制字的一位差別只改變W0-W1的管子總寬度，因此改變的電流也相對較小，從而提高了延時精度。為了提高調節(jié)的靈活性，加入粗調延時單元，通過將粗調延時單元的輸出端與精調延時單元的輸入端串聯(lián)起來，就可以使粗調延時單元和精調延時單元共同控制總延時，既能滿足精度要求，又能快速高效的完成延時大小調整。
3)本仲裁器利用本電路的一個環(huán)振輸出信號自動生成仲裁器復位信號，并且自動將仲裁器的輸出通過觸發(fā)器鎖存，實現(xiàn)了仲裁器的連續(xù)自動使用，而不必像原先的仲裁器那樣使用外部復位信號，生成一次輸出之后必須等待外部下一個復位信號才能再工作一次。EQ信號及其反相信號控制CMOS傳輸門在IN1和IN2上升沿到來之前拉平正反兩相輸出，從而大大提高了鑒相精度，仿真中該電路可以鑒別出2ps的相位差別。
4)易擴展，可通過采用多組環(huán)振對來對被測時鐘信號進行并行測量，可測量多個連續(xù)周期的時間長度，進行連續(xù)周期的抖動比較。
5)校準方便，直接利用中頻的干凈時鐘信號即可完成校準，不必要引入外部同頻率的基準時鐘，方便使用。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。

圖1是本發(fā)明的一種實施例的電路結構圖；圖2是本發(fā)明的抖動測量工作時序圖；圖3是傳統(tǒng)的反相器延時單元結構圖；圖4是本發(fā)明一種實施例的精調延時單元結構圖；圖5是本發(fā)明一種實施例的粗調延時單元結構圖；圖6是本發(fā)明一種實施例的仲裁器結構圖；圖7是本發(fā)明一種實施例的仲裁器工作時序；圖8是本發(fā)明另一種實施例的測量電路結構圖；圖9是電荷泵式鎖相環(huán)頻率合成電路基本結構圖；圖10是本發(fā)明鎖相環(huán)頻率合成器的抖動測量與校準電路結構；圖11是本發(fā)明校準過程中頻率技術器步驟下的時序；圖12是本發(fā)明校準過程中延時差步驟下的時序。
具體實施方式具體實施例一、如圖1所示是抖動測量的總體結構圖，抖動測量電路主要包括第一振蕩信號產生單元，第二振蕩信號產生單元，第一復位控制單元和第一計數(shù)單元。
第一振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第一D觸發(fā)器D1和第一環(huán)振VRO1，第一環(huán)振VRO1包括作為第一開啟模塊的第一與非門1和第一環(huán)振器V1，第一D觸發(fā)器D1的輸入端輸入低電平，時鐘輸入端輸入被測時鐘信號CLK，第一與非門1分別響應第一D觸發(fā)器D1的負輸出端輸出信號和第一振蕩信號in1，輸出端耦合到第一環(huán)振器V1，第一環(huán)振器V1響應第一與非門1邏輯運算后輸出的信號，產生并輸出第一振蕩信號in1，周期為TV1。
第二振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第二D觸發(fā)器D2和第二環(huán)振VRO2，第二環(huán)振VRO2包括作為第二開啟模塊的第二與非門2和第二環(huán)振器V2，第二D觸發(fā)器D2的輸入端與第一D觸發(fā)器D1的正輸出端Q相連，時鐘輸入端輸入被測時鐘信號CLK，第二與非門2分別響應第二D觸發(fā)器D2的負輸出端輸出信號和第二振蕩信號in2，輸出端耦合到第一環(huán)振器V2，第二環(huán)振器V2響應第二與非門2邏輯運算后輸出的信號，產生并輸出第二振蕩信號in2，周期為TV2。
第一復位控制單元包括仲裁器3、第三D觸發(fā)器D3和脈沖發(fā)生器4，仲裁器3分別響應第一振蕩信號in1和第二振蕩信號in2，輸出端耦合至第三D觸發(fā)器的D輸入端，第三D觸發(fā)器的正輸出端Q耦合至脈沖發(fā)生器4，脈沖發(fā)生器4的輸出端耦合至第一計數(shù)單元的復位端。
第一計數(shù)單元計數(shù)器5，計數(shù)器5的時鐘輸入端輸入第二振蕩信號in2，使能端EN輸入第二D觸發(fā)器正輸出端的反向信號，復位端與脈沖發(fā)生器4的輸出端連接，輸出端輸出計數(shù)結果。
其工作原理如下各D觸發(fā)器的RST信號復位后，第一環(huán)振和第二環(huán)振都處于停止振動狀態(tài)，輸出的第一振蕩信號in1和第二振蕩信號in2恒為“1”。復位信號置‘0’后，被測時鐘信號CLK的第x個上升沿到來時，由于第一D觸發(fā)器D1的D輸入端接“0”，所以正輸出端Qn+1輸出為“0”，負輸出端輸出為“1”，使第一環(huán)振VRO1起振，輸出周期為TV1的第一振蕩信號in1。由于第二D觸發(fā)器D2的D輸入端接第一D觸發(fā)器D1的正輸出端Qn，Qn＝1，所以在被測時鐘信號CLK的第x個上升沿到來時，第二D觸發(fā)器D2的正輸出端Qn+1輸出為“1”，負輸出端輸出為“0”，第二環(huán)振VRO2不會起振。只有當被測時鐘信號CLK的第x+1個上升沿到來時，第二D觸發(fā)器D2的D輸入端接第一D觸發(fā)器D1的正輸出端Qn+1，Qn+1＝0，所以第二與非門2輸出“1”，使第二環(huán)振起振，輸出周期為TV2的第二振蕩信號in2。由此可見，即第二振蕩信號in2比第一振蕩信號in1的起振時間晚被測時鐘信號CLK的一個周期Ti。但由于設定Tv2略小于Tv1，因此最終第二振蕩信號in2的上升沿可以趕上并超前于第一振蕩信號in1的上升沿，如圖2所示。第二D觸發(fā)器D2的輸出為‘1’時，使計數(shù)器5的使能端EN有效，控制開啟計數(shù)器5，同時第二振蕩信號in2輸入到計數(shù)器5，計數(shù)器Counter開始計算第二振蕩信號in2的上升沿數(shù)目。另一方面，第一振蕩信號in1和第二振蕩信號in2都輸入到仲裁器3，仲裁器3的功能是判斷第二振蕩信號in2的上升沿由滯后于第一振蕩信號in1上升沿變?yōu)槌坝诘谝徽袷幮盘杋n1上升沿那一時間點，當?shù)诙袷幮盘杋n2的上升沿趕上第一振蕩信號in1上升沿時，仲裁器3輸出低電平信號“0”，否則輸出為一個占空比大于50％的方波。第三D觸發(fā)器D3用于采樣仲裁器的輸出，為了能及時捕捉到信號，第三D觸發(fā)器D3采用第二振蕩信號in2的反信號為時鐘信號。當in2超前in1的那一時刻，仲裁器由輸出方波變?yōu)檩敵龅碗娖剑瑥亩沟玫谌鼶觸發(fā)器D3的正輸出端Q由高電平變成低電平“0”，該變化使脈沖發(fā)生器4輸出一正脈沖信號至計數(shù)器5的復位端，使計數(shù)器5迅速復位，計數(shù)器5輸出所計的第二振蕩信號in2的上升沿數(shù)目Ni，以用于下面的計算。
根據(jù)記錄的計數(shù)器5復位前的數(shù)Ni，則可得到時鐘CLK周期Ti為Ti＝Ni(Tv1-Tv2)(1)由于本測量方法的精度要求很高，考慮到啟動環(huán)振的兩個D觸發(fā)器的延時可能存在很小的不同，設它們的時間差為Δtc，則式(1)變?yōu)門i+Δtc＝Ni(Tv1-Tv2)(2)本實施例中，第一、二開啟模塊還可以為其他的邏輯電路，例如用或非門，響應的控制邏輯會有變化，但跟與非門沒有本質區(qū)別。
本實施例中，第一、二環(huán)振器可以采用傳統(tǒng)的環(huán)振器，也可以采用以下實施例中描述的改進后的環(huán)振器。仲裁器可以采用傳統(tǒng)的仲裁器，也可以采用以下實施例中描述的改進后的仲裁器。
本實施例中，第一復位控制單元和第一計數(shù)單元也可以通過其他形式的電路實現(xiàn)。
具體實施例二、與實施例一不同的是第一、二環(huán)振的輸出端增加連接一個緩沖驅動BUF，目的是降低負載電路對環(huán)振頻率的影響。
具體實施例三、在具體實施例一、二的基礎上對環(huán)振進行了改進，環(huán)振器采用了差分式的控制方法。原有的游標卡尺式TDC的一個缺點就是占用的面積比較大，而且精度越高，面積也就越大。
在本方法中第一、二環(huán)振器由奇數(shù)個反相器延時單元組成反饋閉環(huán)而構成，為了使振蕩頻率可變，反相器延時單元的延時量設計為可控，為了便于系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)兼容，這種控制采用數(shù)字控制方式。
傳統(tǒng)的反相器延時單元如圖3所示，通過控制字B來選擇導通的PMOS和NMOS管的數(shù)目，從而控制反相器電平跳變時的電流，進而控制反相器的延時大小。根據(jù)反向延時器的原理，導通管數(shù)越多，電流越大，延時越小。然而，這樣控制往往導致控制字B變化一位就能帶來延時的較大變化，很難實現(xiàn)高頻信號測量所要求的高精度。為了解決這個問題，本實施例第一環(huán)振器VRO1和第二環(huán)振器VRO2都包括精調單元，并采用了差分式的控制方式，如圖4所示，精調單元包括輸入輸出模塊6、與輸入輸出模塊6相連的PMOS管并聯(lián)支路7和NMOS管并聯(lián)支路8，輸入輸出模塊6響應開啟模塊(例如第一、二與非門)的信號，輸出為輸入的反相延時，PMOS管并聯(lián)支路7中的PMOS管分為導通寬度不同的兩組，NMOS管并聯(lián)支路8中的NMOS管也分為導通寬度不同的兩組。以控制八個管子為例，控制電流的PMOS與NMOS均采用兩種有效導通寬度W0和W1，優(yōu)選方案是令W0/W1＝4/3。某位控制字為‘1’時，則對應的導通寬度為W1的管導通；控制字為‘0’時，則對應的導通寬度為W0的管導通。因此，控制字的一位差別只改變W0-W1的有效導通寬度，因此改變的電流也相對較小，因而提高了延時精度。為了提高編碼效率，控制字編碼采用二進制碼。此外，為了提高調節(jié)的靈活性，加入粗調延時單元，如圖5所示。通過將粗調延時單元的輸出端與精調延時單元的輸入端串聯(lián)起來，就可以使粗調延時單元和精調延時單元共同控制總延時，既能滿足精度要求，又能快速高效的完成延時大小調整。在圖1中，精調和粗調主要通過調節(jié)控制字完成，Bc為粗調控制字，Bf為精調控制字。
具體實施例四、在以上實施例的基礎上對仲裁器的電路結構和基本工作時序上進行了改進。如圖6、7所示。該仲裁器類似于電流型靈敏放大器，理論上它可以鑒別出in2和in1上升沿極小的時間差。仲裁器由復位產生模塊9和鑒別模塊10組成。原先的仲裁器使用外部復位信號，生成一次輸出之后必須等待外部下一個復位信號才能再工作一次；本實施例中，仲裁器的改進點在于本仲裁器利用復位產生模塊由一個輸入信號自動生成復位信號，如圖6所示，在反向延時的復位產生模塊9輸入第二振蕩信號in2和延時單元，第二振蕩信號in2的每一個下降沿會使復位產生模塊9產生一個正脈沖，使EQ復位。EQ處的脈沖處于高電平時，仲裁器正反輸出都被拉低。為了能提高精度，使用EQ和EQ的反相信號控制CMOS傳輸門，這樣鑒相精度就能提高到ps量級。然后鑒別模塊10就可以判斷第一振蕩信號in1和第二振蕩信號in2上升沿的先后，并且自動將仲裁器的輸出通過觸發(fā)器鎖存，實現(xiàn)了仲裁器的連續(xù)自動使用。具體過程是在第一振蕩信號in1和第二振蕩信號in2相位相差比較小(小于90度)的情況下，若第一振蕩信號in1超前，則OUT為‘1’；若第二振蕩信號in2超前，則OUT為‘0’。將OUT接到由第二振蕩信號in2下降沿采樣的第三D觸發(fā)器D3上，就可以由觸發(fā)器輸出的負跳變判斷出第二振蕩信號in2的上升沿由滯后于in1上升沿變?yōu)槌坝谒恕?br> 具體實施例五、與上述實施例不同的是對測量電路進行了擴展，如圖8所示，這里采用多組環(huán)振對來對被測時鐘進行并行測量。以四組環(huán)振對來說明，其具體電路結構為在原有的測量電路的基礎上，在第二D觸發(fā)器D2的輸出端，引入第五D觸發(fā)器D5，與原測量電路類似，在其后連入環(huán)振、仲裁器和計數(shù)器等器件；如果還需要在引入測量支路的話，則在第五D觸發(fā)器D5的輸出端，引入第六D觸發(fā)器D6，其連接情況與上述相同。同理可引入M組的環(huán)振對。
由于在本例中采用了四組環(huán)振對，所以該電路一次可以測量連續(xù)三個被測時鐘信號CLK周期的時間長度，這樣就可以比較相鄰周期的抖動狀況。
在這里，應使環(huán)振周期Tv1＞Tv2＞Tv3＞Tv4。令Ti、Ti+1和Ti+2表示CLK的某三個連續(xù)周期長度，則有Ti+Δtc1＝Ni(Tv1-Tv2)Ti+1+Δtc2＝Ni+1(Tv2-Tv3)Ti+2+Δtc3＝Ni+2(TV3-Tv4)…………………………………(3)這里Δtc1，Δtc2 andΔtc3分別表示連接被測時鐘信號CLK的4個D觸發(fā)器相鄰兩個的延時差。
通過外部控制D觸發(fā)器的復位信號(RST)，可以多次重復測量過程，從而可以得到多個樣本并進行統(tǒng)計分析。由于被測信號頻率很高，周期很短，在一個周期時間內無法完成測量，實際上要花很多個周期的時間，所以多次測量的周期樣本相隔很遠，基本要100個周期以上，因此要想測量相鄰周期的抖動情況，必須使用上述的并行測量機制。
應用于頻率合成電路抖動測量的一個實例如圖9所示，我們給出一個在普通電荷泵式鎖相環(huán)頻率合成電路的輸出時鐘抖動測量實例。圖9中給出了一個電荷泵式鎖相環(huán)頻率合成電路的結構圖?；鶞蕰r鐘FREF信號是來自于晶振的相對頻率較低的信號，它可以看作是無抖動的。壓控振蕩器的輸出信號VCO為被測時鐘信號CLK，頻率為基準時鐘FREF的N倍，是一個高頻信號。如果壓控振蕩器的輸出信號VCO沒有抖動，則TCLK＝T0/N。若實際測量的被測時鐘信號CLK的一個周期樣本是Ti，則該周期的抖動為δi＝Ti-TCLK＝Ti-T0/N……………………………………………(4)多次測量，就可以得出抖動的各種統(tǒng)計結果，如峰值及均方根值。
具體實施例六、上述實施例中，由式(2)可知，為了測量準確，Tv1-Tv2的值必須很精確，因此需要一個精準的時間常數(shù)來校準Tv1-Tv2的值。在本實例中，基準時鐘FREF的周期T0是一個很好的選擇。然而，由于T0遠大于Tv1、Tv2、Tv3和Tv4，直接把基準時鐘FREF接到圖1或圖8的電路中電路無法正確工作。可以通過再引入一個計數(shù)器CounterX來解決上述問題，如圖10所示。為了簡單起見，圖10只給出了校準Tv1-Tv2的電路圖和過程，校準其余環(huán)振對與此類似。
在上述實施例的電路圖中，增加了第一多路選擇器11、第二多路選擇器12和校準計數(shù)單元13。第一多路選擇器11的輸入端根據(jù)其控制端的信號M/C在被測時鐘CLK和校準時鐘FREF之間切換，輸出端分別連接第一D觸發(fā)器D1和第二D觸發(fā)器D2的時鐘輸入端；第二多路選擇器12的輸入端根據(jù)其控制端的信號D/C在第一D觸發(fā)器D1的正輸出端Q和低電平“0”之間切換，輸出端耦合到第二D觸發(fā)器D2的D輸入端；校準計數(shù)單元13包括使能控制器131和計數(shù)器132，使能控制器131包括非門和與非門，非門將第二D觸發(fā)器D2的正輸出端信號進行非邏輯運算后輸出到與非門，和第一多路選擇器11的控制端的信號M/|C(|C表示C非)與非運算后輸出到計數(shù)器132的使能端，計數(shù)器132輸入第一振蕩信號in1，對在校準時鐘FREF一個周期內的第一振蕩信號in1的周期進行計數(shù)。
其校準過程主要分兩步進行步驟1.頻率計數(shù)步驟，如圖10所示，置M/|C＝“0”，是將基準時鐘FREF接入，D/|C＝“1”，第二多路選擇器接通上面第一D觸發(fā)器D1的正輸出端Q，使兩個D觸發(fā)器串聯(lián)。此時，電路相當于一個頻率計。計數(shù)器5(即途中的Counter1)對第二振蕩信號in2的周期進行計數(shù)，在第二振蕩信號in2的上升沿超過第一振蕩信號in1的上升沿時輸出N1，即，N1是計數(shù)器5在第二此復位前的計數(shù)終值。Nx是計數(shù)器132(即途中的CounterX1)計數(shù)的終值，也就是基準時鐘FREF兩個觸發(fā)上升沿之間(即一個周期)第一振蕩信號in1振動的次數(shù)，引入計數(shù)器132的目的是基準時鐘FREF的兩個上升沿的時間差遠遠大于Tv1或Tv2，因而只用Tv1-Tv2測量結果不正確。
圖11顯示了它的工作時序。T0＝NxTv1+tf，tf＝N1(Tv1-Tv2)，這里考慮到兩個D觸發(fā)器之間的延時差，有T0+Δtc1＝NxTv1+N1(Tv1-Tv2)……………………………(5)步驟2，延時差測量步驟，置M/|C＝“0”，仍是將基準時鐘FREF接入，但是D/|C＝“0”，第二多路選擇器12接入0，兩個D觸發(fā)器不再串聯(lián)，而是分別獨立啟動環(huán)振對。圖12顯示了該模式的工作時序。這里假定Δtc1小于Tv1或Tv2的一半?？烧韶摚死笑c1為負，其為正值的情況類似。N1’為計數(shù)器5第二次復位之前的計數(shù)終值。由工作時序可以看出，Δtc1＝N1’(Tv1-Tv2)-Tv1………………………………………(6)在計數(shù)器5第二次和第三次復位之間，振蕩信號in2比in1多振蕩一個周期，用M表示計數(shù)器5第三次復位前的終值，則有MTv2＝(M-1)Tv1。同時，由于這次不用D觸發(fā)器起振，所以沒有延時差Δtc1，整理此式，有Tv1＝M(Tv1-Tv2)……………………………………………(7)因此，Δtc1＝(N1’-M)(Tv1-Tv2)＝Nc(Tv1-Tv2)……………………(8)其中Nc＝(N1’-M)，將式(7)、式(8)帶入(5)式中，就可以用T0來表示Tv1-Tv2和ΔΔtc1，即Tv1-Tv2=T0NxM+N1-Nc···(9)]]>Δtc1=NcT0NxM+N1-Nc···(10)]]>這樣即完成了校準工作。測量時，把VCO的輸出端(即被測時鐘信號CLK)接入測量電路，置M/C＝“1”，D/C＝“0”，復位D觸發(fā)器后便可以進行測量。
把(9)、(10)式帶入(2)式便可以計算出樣本周期TiTi=(Ni-Nc)T0NxM+N1-Nc···(11)]]>再由δi＝Ti-TCLK＝Ti-T0/N便可以計算出抖動的值。
以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定的專利保護范圍。
權利要求
1.一種高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于包括第一振蕩信號產生單元，用于響應被測時鐘信號，產生周期為TV1的第一振蕩信號；第二振蕩信號產生單元，用于響應被測時鐘信號和第一振蕩信號產生單元的控制信號，產生周期為TV2的第二振蕩信號，且觸發(fā)第二振蕩信號產生單元的起振的被測時鐘信號邊沿比觸發(fā)第一振蕩信號產生單元的起振的被測時鐘信號邊沿晚一個周期，并且TV2小于TV1；第一復位控制單元，分別響應第一振蕩信號和第二振蕩信號，用于在第二振蕩信號超前于第一振蕩信號時輸出復位觸發(fā)信號；第一計數(shù)單元，響應第二振蕩信號，用于在第二振蕩信號開始起振后對第二振蕩信號的周期計數(shù)，并響應第一復位控制單元輸出的復位觸發(fā)信號，用于在復位觸發(fā)信號到達后復位，并輸出第二振蕩信號的周期數(shù)。
2.如權利要求1所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第一振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第一D觸發(fā)器和第一環(huán)振，所述第一D觸發(fā)器的D輸入端輸入低電平，時鐘輸入端用于輸入被測時鐘信號，第一D觸發(fā)器的負輸出端耦合到第一環(huán)振，第一環(huán)振用于產生第一振蕩信號；所述第二振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第二D觸發(fā)器和第二環(huán)振，所述第二D觸發(fā)器的D輸入端與第一D觸發(fā)器的正輸出端相連，時鐘輸入端用于輸入被測時鐘信號，第二D觸發(fā)器的負輸出端耦合到第二環(huán)振，第二環(huán)振用于產生第二振蕩信號。
3.如權利要求2所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第一環(huán)振包括第一開啟模塊和第一環(huán)振器，所述第二環(huán)振包括第二開啟模塊和第二環(huán)振器，所述第一、二開啟模塊為與非門。
4.如權利要求2所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第一環(huán)振器和第二環(huán)振器都包括精調單元，所述精調單元包括輸入輸出模塊、與輸入輸出模塊相連的PMOS管并聯(lián)支路和NMOS管并聯(lián)支路，所述輸入輸出模塊用于響應開啟模塊的信號，輸出為輸入的反相延時信號，所述PMOS管并聯(lián)支路中的PMOS管分為導通寬度不同的兩組，所述NMOS管并聯(lián)支路中的NMOS管也分為導通寬度不同的兩組，并采用差分控制來改變延時大小。
5.如權利要求4所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第一環(huán)振器和第二環(huán)振器還分別包括粗調單元，所述粗調單元和精調單元串聯(lián)。
6.如權利要求2所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第一振蕩信號產生單元還包括連接第一環(huán)振輸出端的第一緩沖器；所述第二振蕩信號產生單元還包括連接第二環(huán)振輸出端的第二緩沖器。
7.如權利要求2所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第一復位控制單元包括仲裁器、第三D觸發(fā)器和脈沖發(fā)生器，所述仲裁器分別響應第一振蕩信號和第二振蕩信號，輸出端耦合至第三D觸發(fā)器的D輸入端，所述第三D觸發(fā)器的正輸出端耦合至脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器的輸出端耦合至第一計數(shù)單元的復位端；所述第一計數(shù)單元包括計數(shù)器，所述計數(shù)器的時鐘輸入端輸入第二振蕩信號，使能端輸入第二D觸發(fā)器的正輸出端的反向信號，計數(shù)器的輸出端輸出計數(shù)結果。
8.如權利要求7所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述仲裁器包括仲裁模塊和復位產生模塊，所述復位產生模塊響應第二振蕩信號，使仲裁器復位，所述仲裁模塊響應第一振蕩信號和第二振蕩信號，用于在第一振蕩信號超前第二振蕩信號時，正輸出端輸出占空比50％以上的脈沖，在第二振蕩信號超前第一振蕩信號時，正輸出端一直輸出低電平。
9.如權利要求1至8中任一項所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于還包括第N振蕩信號產生單元，響應被測時鐘信號和第N-1振蕩信號產生單元的控制信號，用于產生周期為TVN的第N振蕩信號，且觸發(fā)第N振蕩信號產生單元起振的被測時鐘信號邊沿比觸發(fā)第N-1振蕩信號產生單元起振的被測時鐘信號晚一個周期，并且TVN小于TVN-1；第N-1復位控制單元，分別響應第N-1振蕩信號和第N振蕩信號，用于在第N振蕩信號開始超前于第N-1振蕩信號時輸出復位觸發(fā)信號；第N-1計數(shù)單元，響應第N振蕩信號，用于在第N振蕩信號開始起振后對第N振蕩信號的周期計數(shù)，并響應第N-1復位控制單元輸出的復位觸發(fā)信號，用于在復位觸發(fā)信號到達后復位，并輸出第N振蕩信號的周期數(shù)，其中N大于或等于3。
10.如權利要求9所述的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第N振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第N D觸發(fā)器和第N環(huán)振，所述第N D觸發(fā)器的D輸入端與第N-1 D觸發(fā)器的正輸出端相連，時鐘輸入端用于輸入被測時鐘信號，所述第N D觸發(fā)器負輸出端耦合到第N環(huán)振，第N環(huán)振用于輸出第N振蕩信號。
11.具有校準功能的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于包括第一多路選擇器，其輸入端用于根據(jù)其控制端的信號在被測時鐘和校準時鐘之間切換；第M振蕩信號產生單元，響應第一多路選擇器輸出端輸出的信號，用于產生周期為TVM的第M振蕩信號；第M+1振蕩信號產生單元，響應第一多路選擇器輸出端輸出的信號，用于產生周期為TVM+1的第M+1振蕩信號，并且TVM+1小于TVM；第二多路選擇器，其輸入端用于根據(jù)其控制端的信號在第M振蕩信號產生單元輸出的控制信號和低電平之間切換，輸出端耦合到第M+1振蕩信號產生單元，用于選擇第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元起振時刻相差一個輸入時鐘周期或者選擇所述兩個振蕩信號產生單元同時起振；第M復位控制單元，分別響應第M振蕩信號和第M+1振蕩信號，用于在第M+1振蕩信號超前于第M振蕩信號時輸出復位觸發(fā)信號；第M計數(shù)單元，響應第M+1振蕩信號，用于在第M+1振蕩信號開始起振后對第M+1振蕩信號的周期計數(shù)，并響應第M復位控制單元輸出的復位觸發(fā)信號，用于在復位觸發(fā)信號到達后復位，并輸出復位前的計數(shù)值；校準計數(shù)單元，響應第M振蕩信號，用于對在校準時鐘一個周期內的第M振蕩信號的周期進行計數(shù)。
12.如權利要求11所述的具有校準功能的高頻時鐘抖動測量電路，其特征在于所述第M振蕩信號產生單元包括第M D觸發(fā)器和第M環(huán)振，所述第MD觸發(fā)器的D輸入端輸入低電平，時鐘輸入端與第一多路選擇器的輸出端相連，所述第M D觸發(fā)器的負輸出端耦合到第M環(huán)振，第M環(huán)振用于輸出周期為TVM的第M振蕩信號；所述第M+1振蕩信號產生單元包括順序串聯(lián)的第M+1 D觸發(fā)器和第M+1環(huán)振，所述第M+1 D觸發(fā)器的D輸入端與第二多路選擇器的輸出端相連，時鐘輸入端與第一多路選擇器的輸出端相連，所述第M+1 D觸發(fā)器的負輸出端耦合到第M+1環(huán)振，第M+1環(huán)振用于輸出周期為TVM+1的第M+1振蕩信號。
13.如權利要求11所述的具有校準功能的高頻時鐘抖動測量電路的校準方法，其特征在于包括頻率計數(shù)步驟和延時差測量步驟，所述頻率計數(shù)步驟包括以下步驟A1、將中頻校準時鐘輸入到第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元，使第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元起振；B1、控制觸發(fā)第M+1振蕩信號產生單元起振的校準時鐘邊沿比觸發(fā)第M振蕩信號產生單元起振的校準時鐘邊沿晚一個周期；C1、記錄第M振蕩信號在校準時鐘觸發(fā)第M環(huán)振后一個周期內的振蕩數(shù)；D1、記錄第M+1振蕩信號在第M計數(shù)單元第二次復位前的周期數(shù)；所述延時差測量步驟包括以下步驟A2、將校準時鐘輸入到第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元，使第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元起振；B2、控制第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元由同一個校準時鐘的邊沿觸發(fā)；C2、分別記錄第M+1振蕩信號在第M計數(shù)單元第二次復位前和第二、三次復位之間的周期數(shù)；完成上述步驟后，計算第M振蕩信號和第M+1振蕩信號的周期差值、第M振蕩信號產生單元和第M+1振蕩信號產生單元的延時差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高頻時鐘抖動測量電路，該電路包括第一振蕩信號產生單元，產生周期為TV1的第一振蕩信號；第二振蕩信號產生單元，產生周期為TV2的第二振蕩信號，且觸發(fā)第二振蕩信號產生單元起振的被測時鐘信號邊沿比觸發(fā)第一振蕩信號產生單元起振的被測時鐘信號邊沿晚一個周期，同時TV2小于TV1；第一復位控制單元，用于在第二振蕩信號超前于第一振蕩信號時輸出復位觸發(fā)信號；第一計數(shù)單元，用于在第二振蕩信號開始起振后對第二振蕩信號的周期計數(shù)，在復位觸發(fā)信號到達后復位，輸出第二振蕩信號的周期數(shù)。本發(fā)明不需要外部基準時鐘也可測量時鐘抖動，具有精度高、易實現(xiàn)的特點。
文檔編號G01R31/00GK1837835SQ20061003515
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月18日 優(yōu)先權日2006年4月18日
發(fā)明者張靖愷, 李崇仁, 余菲, 田超 申請人:北京大學深圳研究生院