正如本系列第 1 部分所述，溫度波動是晶體頻率漂移的最主要原因。系統(tǒng)工程師可以考慮一些方法來緩解此問題。
帶校準寄存器的RTC
對于在溫度穩(wěn)定但平均溫度不為 25°C 的環(huán)境中運行的應(yīng)用，可以使用帶有校準寄存器的實時時鐘 (RTC) 來校正時間。其概念是從時鐘計數(shù)器中增加或減去計數(shù)以加快或減慢時鐘。校正時間所需的正計數(shù)或負計數(shù)量可以使用晶體供應(yīng)商提供的晶體頻率公式來計算。
系統(tǒng)設(shè)計人員還可以將這種 RTC 與外部溫度傳感器結(jié)合使用。根據(jù)溫度傳感器的輸出，微控制器可以定期調(diào)整計數(shù)值。然而，這種方法有很多缺點。
首先，額外的溫度傳感器會增加系統(tǒng)成本并占用更多電路板空間。其次，微控制器需要定期調(diào)整校準寄存器，這將增加微控制器的開銷。第三，晶體頻率公式可能無法非常準確地反映晶體的實際溫度響應(yīng)，因為每個晶體可能與其他晶體略有不同，并且晶體頻率公式僅代表典型情況。對于高精度應(yīng)用，這種解決方案可能不可接受。
TCXO作為時鐘源
溫度補償晶體振蕩器 (TCXO) 將振蕩晶體、溫度傳感器和數(shù)字邏輯集成在一個封裝中。在整個工作溫度范圍內(nèi)，其輸出頻率誤差非常低。只需將 TCXO 的輸出連接到晶體輸入或 RTC 的時鐘輸入即可驅(qū)動計時邏輯。該解決方案不需要微控制器來校正時間，但它仍然存在電路板空間、高成本和更高功耗的問題。
帶有集成 TCXO 的 RTC
可以通過集成溫度傳感器、晶體、負載電容器和溫度補償電路來形成高精度 RTC。工業(yè)級 RTC 的工作溫度范圍為 -40 至 85°C，汽車級 RTC 的工作溫度范圍為 -40 至 125°C，這種類型的 RTC 的精度規(guī)格通常約為 5 ppm 或更低。它可以節(jié)省電路板空間、功耗和微控制器資源。
如前所述，除了溫度之外，RTC 還需要知道晶體的溫度響應(yīng)特性，以便糾正頻率誤差。這些信息可以在制造過程中的校準過程中獲得。雖然晶體供應(yīng)商提供了一個公式來計算典型頻率，但每個晶體的特性可能略有不同。在室溫下，典型的晶體可能會有高達 20 ppm 的誤差。
為了達到最高的精度性能，每個 RTC 都應(yīng)該單獨校準。因此，在校準過程中，會在多個不同的溫度點測量晶體的頻率。顯然，測量的校準點越多，測量數(shù)據(jù)就越符合實際的頻率-溫度特性曲線。
在校準過程中，每次進行新的測量之前，測試工程師都需要改變測試室的溫度或?qū)⒕A移至具有預(yù)設(shè)溫度的其他室中。晶圓溫度達到平衡后即可進行測量。出于這些原因，制造商不想進行大量測量，因為這將大大增加測試時間，從而增加設(shè)備的成本。
設(shè)計工程師經(jīng)常使用插值法，利用有限的測量數(shù)據(jù)點重建頻率-溫度曲線。以設(shè)計師考慮二階方程的情況為例，例如：
在這里：
f 是頻率
t 是溫度
a、b、c 是系數(shù)
這是晶體頻率-溫度曲線的足夠近似值，可以滿足所需的精度規(guī)格，因此工程師只需要在不同溫度點測量三個數(shù)據(jù)點即可解決這三個系數(shù)。對于任何類型的插值，給定數(shù)據(jù)點處的誤差最小。隨著輸入?yún)?shù)離給定數(shù)據(jù)點越遠，計算結(jié)果與實際曲線的偏差就越大。因此，測量的溫度應(yīng)該間隔開來。在這種情況下，選擇最低溫度、室溫和最高溫度點是一個合理的選擇。
現(xiàn)在，有了插值公式和溫度傳感器，RTC 就可以“準確”地知道實際振蕩器頻率與理想 32.768 kHz 之間的差距。但 RTC 如何校正頻率?使用前面討論過的校準寄存器是一種可能的方法，但它很少在帶有集成晶體的 RTC 中實現(xiàn)。在上面提到的帶有外部諧振器的 RTC 部分中，有幾個因素會影響晶體振蕩頻率。
其中之一是負載電容器。通過操縱負載電容器，溫度補償電路可以精確地增加或減少振蕩頻率?？勺冸娙萜鞯囊粋€例子是一個簡單的電容器陣列加上一組斷開或并聯(lián)電容器的開關(guān)。
與 RTC 內(nèi)部的所有其他組件相比，溫度傳感器消耗的電量更多。傳感器開啟的頻率越高，RTC 的平均總電流就越高。測量溫度和運行補償算法的頻率取決于操作環(huán)境的需求。有些 RTC 為用戶提供了設(shè)置適當(dāng)溫度測量間隔的選項。
以下是集成 TCXO 和晶體的 RTC 示例。DS3231SN 的精度規(guī)格在整個工作溫度范圍(-40° 至 85°C)內(nèi)支持最高 3.5 ppm，但在 0° 至 40°C 范圍內(nèi)僅支持 2 ppm。圖 1顯示了 TCXO 和典型晶體振蕩器之間的精度差異。
圖 1 DS3231SN 與典型晶體振蕩器的比較突出了使用集成 TCXO 的 RTC 所獲得的精度提升。
集成 MEMS 諧振器的 RTC
集成 TCXO 的 RTC 似乎是一個完美的解決方案;但是，它仍然存在一些缺點。集成 32.768 kHz 晶體的 RTC 對于可穿戴設(shè)備或其他小型應(yīng)用來說太笨重了。晶體供應(yīng)商無法減小晶體的尺寸，因為頻率決定了其尺寸。為了進一步減小尺寸，可以使用不同類型的諧振器 - 即集成 MEMS 諧振器的 RTC。
MEMS 是一種非常小的機電設(shè)備，可以振動并產(chǎn)生高度穩(wěn)定的參考頻率。新一代 MEMS 對溫度變化的敏感度遠低于晶體。其質(zhì)量比晶體小數(shù)千倍。而且由于 MEMS 諧振器的重量要輕得多，因此它對振動和機械沖擊的抵抗力更強。MEMS 諧振器安裝在 IC 芯片上，因此整體封裝尺寸幾乎可以與芯片尺寸一樣小。
MEMS 諧振器通常比晶體諧振器消耗更多功率。設(shè)計人員可以通過最大化 MEMS 諧振器的阻抗來降低功耗，從而使電流消耗更低。等效阻抗為：
當(dāng) C L趨近于 0 時，阻抗達到最大，此時諧振器工作在并聯(lián)諧振頻率附近。這樣可以降低電流和功耗;但是，由于沒有負載電容，因此負載電容無法用于調(diào)整振蕩頻率進行溫度補償。
由于振蕩器的輸出頻率不能通過增加或減少負載電容來改變，因此設(shè)計工程師需要采用不同的方法來調(diào)整頻率，然后再將其輸入到 RTC 計時邏輯中。一種解決方案是在振蕩器輸出和 RTC 計時時鐘輸入之間插入一個小數(shù)分頻器。
小數(shù)分頻器
在入門數(shù)字設(shè)計課上，你可能會回想起許多實現(xiàn)時鐘分頻器的方法，它可以除以任何正整數(shù)。小數(shù)分頻器可以將時鐘除以任何小數(shù)。為了理解小數(shù)分頻器工作原理的高級概念，讓我們考慮一個非常簡單的例子。假設(shè)輸入時鐘為 100 Hz，目標(biāo)是從該 100 Hz 參考時鐘獲得 1 Hz 輸出。我們可以簡單地將時鐘除以 100。
圖 2簡單的時鐘分頻器無法產(chǎn)生 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間的精確輸出頻率。
如果參考輸入時鐘從 100 Hz 略微變?yōu)?99.9 Hz，情況會怎樣?我們?nèi)绾螐?99.9 Hz 生成 1 Hz?我們知道，如果除數(shù)為 100，則輸出將變?yōu)?0.999 Hz;也就是說，比 1 Hz 稍慢。如果除數(shù)為 99，則輸出將變?yōu)?1.009 Hz;這比 1 Hz 稍快。圖 3顯示了除以 100 和除以 99 的時鐘輸出信號的重疊，1 Hz 時鐘的理想上升沿位于灰色區(qū)域內(nèi)的某個位置。
圖 3該圖顯示了 99 分頻與 100 分頻輸出時鐘操作。
簡單的時鐘分頻器無法產(chǎn)生 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間的精確輸出頻率。小數(shù)分頻器具有控制電路來調(diào)制分頻器，因此其輸出時鐘頻率可以在 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間切換。如果精心設(shè)計兩個分頻值之間的發(fā)生率，理論上分頻器可以隨時間產(chǎn)生 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間任意頻率的平均值。雖然每個時鐘周期都不是精確的 1 Hz 時鐘周期，但隨時間平均的輸出時鐘可以非常準確。
假設(shè) x 為 0.999 Hz 時鐘的出現(xiàn)次數(shù)，y 為 1.009 Hz 時鐘的出現(xiàn)次數(shù)。要計算 x 與 y 出現(xiàn)的正確比率，可以按以下方式建立方程：
在哪里：
x 是 100 分頻時鐘周期的發(fā)生次數(shù)
y 是 99 分頻時鐘周期的發(fā)生次數(shù)
T Div_100是 100 分頻時鐘周期的周期(本例中T Div_100 = 100/99.9 Hz)
T Div_99是 99 分頻時鐘周期的周期(本例中 T Div_99 = 99/99.9 Hz)
T Target是一個目標(biāo)平均時鐘周期的周期(此示例中， T Target =1)
通過替換所有周期變量：
利用此公式，經(jīng)過一些代數(shù)運算后，計算得出的 x:y 比率為 9:1。這意味著當(dāng)小數(shù)分頻器的輸入時鐘為 99.9 Hz 時，每 9 個 100 分頻時鐘插入 1 個 99 分頻時鐘。在總共 10 個時鐘周期內(nèi)，平均頻率將正好為 1 Hz。此 9:1 模式將不斷重復(fù)，直到輸入頻率發(fā)生變化。如前所述，輸入頻率可以通過從校準中獲得的溫度到頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)或查找表來確定。
Maxim Integrated 的 MAX31343 是業(yè)界最小的集成諧振器的 RTC。它具有內(nèi)置溫度傳感器和用于溫度補償的小數(shù)分頻器，僅消耗 970 nA 的計時電流。它在小于 5 ppm 的工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的精度規(guī)格，適合各種應(yīng)用，尤其是那些空間受限且需要高精度和堅固性以承受機械振動和沖擊的應(yīng)用。
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