工作在擴(kuò)展溫度范圍的計(jì)時(shí)器件

寬溫范圍的時(shí)鐘計(jì)時(shí)需求正在不斷增加，其應(yīng)用涉及電表、工業(yè)、通信等帶有部分嵌入式付費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)備、全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及其他行業(yè)應(yīng)用。準(zhǔn)確計(jì)時(shí)取決于幾個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)然其他參數(shù)也會(huì)影響時(shí)間計(jì)時(shí)精度，但以下3個(gè)參數(shù)是最終用戶(hù)需要特別關(guān)注的指標(biāo)。

● 初始精度：指器件在常規(guī)條件下，最初使用時(shí)的精度。

● 長(zhǎng)期穩(wěn)定性：用來(lái)預(yù)測(cè)器件在整個(gè)有效使用期限內(nèi)的穩(wěn)定度。

● 溫度系數(shù)：估算由于溫度變化造成的精度誤差。

初始精度
初始精度主要受振蕩器質(zhì)量的影響，通常精度越高價(jià)格也越貴，比較經(jīng)濟(jì)的方法是根據(jù)具體的設(shè)計(jì)對(duì)振蕩器的初始頻率進(jìn)行簡(jiǎn)單補(bǔ)償。通常需要測(cè)量振蕩器的實(shí)際頻率，計(jì)算出校準(zhǔn)值，用其補(bǔ)償振蕩器的頻率誤差。補(bǔ)償初始精度的主要困難在于獲得足夠高的振蕩頻率測(cè)量分辨率。實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用的音叉振蕩器在室溫下精度的典型值為±20×10-6，頻率測(cè)量的分辨率直接影響了時(shí)鐘精度的提高，但要獲得頻率的高分辨率測(cè)量需要大量的累計(jì)計(jì)數(shù)或以極高的精度測(cè)量脈沖周期。確定RTC的初始精度后，可以使用軟件補(bǔ)償時(shí)間誤差，但這種方法補(bǔ)償?shù)膬H僅是已知的時(shí)間間隔，不會(huì)改變振蕩器的頻率。如果振蕩器輸出用于需要高精度時(shí)鐘的場(chǎng)合，這種方法將不適合。

另外一種RTC經(jīng)常使用的方法是測(cè)量基頻，對(duì)分頻鏈路進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)頻率。這種方法無(wú)須額外的軟件開(kāi)銷(xiāo)即可提高計(jì)時(shí)精度，但不能調(diào)節(jié)基頻。此外，這種方法也需要高精度測(cè)量振蕩頻率。以Maxim公司的RTC為例，它采用的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)晶體的負(fù)載電容來(lái)調(diào)節(jié)晶體的振蕩頻率。這種方法可以補(bǔ)償基頻，有效提高計(jì)時(shí)精度和方波輸出時(shí)鐘的精度，二者工作在同一時(shí)鐘源。

長(zhǎng)期穩(wěn)定度
提高精度的另一途徑是補(bǔ)償器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，要求器件在其使用期限內(nèi)重復(fù)測(cè)量并進(jìn)行校準(zhǔn)，這種條件在某些場(chǎng)合是可以接受的，但有些應(yīng)用則無(wú)法采納或不便操作。對(duì)于不能進(jìn)行讀寫(xiě)操作、獨(dú)立工作的設(shè)備，如電表，設(shè)計(jì)人員必須提高振蕩器精度或改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以便對(duì)其進(jìn)行讀/寫(xiě)操作和調(diào)節(jié)，但是，無(wú)論哪種方案都會(huì)提高系統(tǒng)成本。

頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性主要受石英晶體老化的影響，補(bǔ)償這種影響的唯一方法是測(cè)量頻率并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行頻率校準(zhǔn)或調(diào)理。因?yàn)榫w老化的程度隨著時(shí)間而減弱，影響較大的時(shí)期一般在設(shè)備運(yùn)行后的前兩年。晶體工作在高溫環(huán)境時(shí)會(huì)加速老化。晶體安裝在芯片封裝內(nèi)時(shí)，回流焊過(guò)程中受高溫影響，會(huì)使老化發(fā)生一次躍變。但在安裝之后，系統(tǒng)的老化程度會(huì)大大減緩。將晶體封裝在RTC芯片內(nèi)，相對(duì)于其他外置晶體的RTC具有更好的老化特性。

溫度影響
溫度的不穩(wěn)定和相應(yīng)的溫度系數(shù)是許多應(yīng)用所面臨的問(wèn)題，特別是那些工作在寬溫范圍的應(yīng)用，如室外電表或水表。標(biāo)準(zhǔn)的用作RTC時(shí)基的32.768kHz音叉晶體的頻率響應(yīng)與溫度之間的關(guān)系為Δf/f=k(T-T0)2+f0。其中，Δf為頻率偏差，f為基頻，k為曲率，T為溫度，T0為折點(diǎn)溫度，f0為折點(diǎn)溫度處的頻偏。

圖1 典型的32.768kHz音叉晶體的頻偏與溫度的關(guān)系

當(dāng)器件工作在溫度變化較大的環(huán)境中，頻率隨溫度的變化將成為影響計(jì)時(shí)精度的主要因素。標(biāo)準(zhǔn)的±20×10-6晶體每天產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差是±1.7s（每年 ±10.3分鐘），如果工作在擴(kuò)展級(jí)溫度范圍，誤差可能達(dá)到-150×10-6，每天計(jì)時(shí)誤差為±13s，每年±1.3h。圖1為頻率隨溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)。

消除溫度對(duì)精度影響的唯一途徑是提供實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償。校準(zhǔn)程序要準(zhǔn)確測(cè)量晶體/振蕩器隨溫度的變化情況，并存儲(chǔ)結(jié)果。然后按照一定的時(shí)間間隔測(cè)量晶體溫度，利用存儲(chǔ)的校準(zhǔn)信息調(diào)節(jié)溫度效應(yīng)。

溫補(bǔ)晶體振蕩器
本節(jié)將以Maxim公司的DS32kHz溫補(bǔ)晶體振蕩器為例，介紹通過(guò)改變晶體負(fù)載電容修正由于溫度變化產(chǎn)生的頻偏的概念，如圖2所示，Maxim的這項(xiàng)內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)還獲得了專(zhuān)利。DS32kHz可以作為大多數(shù)系統(tǒng)的32kHz輸入，如RTC或內(nèi)置RTC的微控制器。

圖2 補(bǔ)償和未補(bǔ)償晶體振蕩器的頻率與溫度關(guān)系曲線(xiàn)

帶有RTC的設(shè)備通常都有備份電池，當(dāng)主電源掉電時(shí)由備份電池支持RTC工作。備份電池為時(shí)鐘振蕩器和RTC供電，DS32kHz有兩個(gè)電源輸入引腳，如圖3所示，VBAT接電池，Vcc接主電源。設(shè)計(jì)人員須注意電池電壓對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響（典型的供電電壓是主電源5V，備份電池電壓為3V）。DS32kHz溫補(bǔ)電路的設(shè)計(jì)能夠保證受電源電壓變化的影響最小。當(dāng)供電電源由主電源切換到電池時(shí)，將啟用不同的補(bǔ)償系統(tǒng)。這種方法幾乎消除了供電電壓變化產(chǎn)生的頻率誤差。

圖3 DS32kHz的簡(jiǎn)單框圖

帶有溫償晶振的RTC
本節(jié)將以Maxim公司的DS3231為例，介紹帶有溫償晶振的RTC。如圖4所示，DS3231內(nèi)部集成了溫補(bǔ)振蕩器，類(lèi)似于DS32kHz。除了RTC和振蕩器外，DS3231還包括以下電路模塊。

圖4 DS3231集成了溫補(bǔ)晶振、I2C接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘

電源控制：電路用于切換主電源和備份電池，僅在主電源低于內(nèi)部電壓基準(zhǔn)時(shí)才啟用電池供電。這種結(jié)構(gòu)允許使用工作電壓范圍較寬的電池和3.3V主電源，避免不必要的電池放電。

復(fù)位：在主電源電壓低于內(nèi)部門(mén)限時(shí)被觸發(fā)。該芯片帶有一個(gè)外部手動(dòng)復(fù)位，內(nèi)部電路設(shè)置最小復(fù)位周期，對(duì)復(fù)位信號(hào)進(jìn)行去抖動(dòng)處理。

32kHz：為漏極開(kāi)路輸出，可以工作在常規(guī)模式和電池備份模式，時(shí)鐘輸出經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償。

INT/SQW：為漏極開(kāi)路輸出，產(chǎn)生方波中斷信號(hào)?？赏ㄟ^(guò)軟件設(shè)置1Hz、1.024Hz、4.096Hz或8.192Hz頻率，輸出經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償。

溫度傳感器：提供溫度數(shù)據(jù)輸出，通過(guò)串口讀取溫度數(shù)據(jù)。DS3231集成溫度傳感器（精度為±3.0℃）由于替代了外部分立傳感器，從而有效降成本。利用傳感器測(cè)量的溫度值，在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)查找表內(nèi)選擇補(bǔ)償數(shù)值，由補(bǔ)償電路對(duì)溫度產(chǎn)生的頻率誤差進(jìn)行修正。

控制寄存器：包含對(duì)晶體振蕩器長(zhǎng)期穩(wěn)定性補(bǔ)償?shù)臄?shù)值。

I2C接口：支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口通信，最高速率達(dá)400kHz。

圖5 DS3231 RTC典型應(yīng)用電路

如圖5所示，典型的DS3231應(yīng)用電路內(nèi)部集成了晶體，其他電路類(lèi)似于普通RTC，設(shè)計(jì)人員無(wú)須考慮分立晶體的選擇和布板。因?yàn)镈S3231包含經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)的振蕩器，可顯著提高RTC的初始精度和溫度穩(wěn)定性。由于內(nèi)嵌在封裝內(nèi)的晶體已經(jīng)經(jīng)過(guò)高溫老化處理，DS3231與分立的晶體相比具有更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。精度可以達(dá)到±2×10-6，溫度范圍0～+40℃。