實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)精度提高方案
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前言 為滿足市場對更高時(shí)鐘精度的需求，半導(dǎo)體廠商正在研發(fā)創(chuàng)新的時(shí)鐘解決方案，以提高計(jì)時(shí)精度?，F(xiàn)在有越來越多的應(yīng)用要求實(shí)時(shí)時(shí)鐘在寬溫度范圍內(nèi)具有極高的計(jì)時(shí)精度。多費(fèi)率智能電表就是其中一個(gè)典型實(shí)例，因?yàn)楣╇姽拘枰涗浂噘M(fèi)率電能的使用數(shù)據(jù)，以便精確計(jì)算電費(fèi)，這要求在23℃的參考溫度下，實(shí)時(shí)時(shí)鐘每天計(jì)時(shí)精度小于±0.5秒，即計(jì)時(shí)精度小于±6 ppm （百萬分之一）。中國最新的電能表標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 357-2009規(guī)定，在-25℃至+60℃的溫度范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘每天計(jì)時(shí)精度必須在±1秒（即±12 ppm）內(nèi)?？紤]到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，普通實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）無法滿足這個(gè)應(yīng)用要求。本文將論述多個(gè)提高計(jì)時(shí)精度的解決方案，同時(shí)還論述一個(gè)最佳的參考方案。 挑戰(zhàn) 典型實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用32.768 kHz音叉表晶石英晶體。這類晶振容易在市場買到，而且價(jià)格較便宜。在25℃時(shí)，晶體通?？商峁┐蠹s±25 ppm的計(jì)時(shí)精度或每天2秒的誤差。雖然非常適合電池供電應(yīng)用的低功耗需求，但是在-40 ℃至+85 ℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)，頻率變化很大。在極端溫度條件下，頻率誤差可能在-108 ppm至-177 ppm之間，如圖圖1所示。最終時(shí)鐘可能每天慢10秒至16秒。 因晶體內(nèi)在特性而產(chǎn)生的頻率誤差曲線為拋物線，實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)精度只能與其參考時(shí)鐘（晶體）相同。 圖1:典型的32.768 kHz頻率誤差對溫度曲線 提高計(jì)時(shí)精度的可行方案 晶體篩選 有多種方法可提高實(shí)時(shí)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)精度。提高參考時(shí)鐘（晶體）的技術(shù)參數(shù)是首選的且最簡單的解決辦法。通過晶體篩選可獲得±10 ppm甚至±5 ppm的精度。時(shí)鐘篩選雖然可行，但不是最佳方案，因?yàn)閺S商提高晶體計(jì)時(shí)精度的成本昂貴。這種方法的最大限制是只能在一個(gè)溫度點(diǎn)（例如室溫）篩選晶體。但是，隨著工業(yè)溫度變化，頻率偏差的拋物線特性依然存在。 將晶體置于實(shí)時(shí)時(shí)鐘封裝內(nèi) 雖然將晶體置入實(shí)時(shí)時(shí)鐘封裝內(nèi)是一個(gè)較好的可提高計(jì)時(shí)精度的解決辦法，可以消除濕度、振動和壓力等環(huán)境因素的影響，但是無法單獨(dú)解決石英晶體的頻率隨溫度變化的不良特性導(dǎo)致時(shí)鐘精度不高的問題。 以60 Hz電力線為參考時(shí)鐘 該解決方案的原理是把60 Hz電力線（例如，美國市電）變成可用的時(shí)鐘源。電力線的頻率誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通晶體。該解決方案必須把交流電源轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)時(shí)鐘適用的頻率源。大多數(shù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的輸入需要32.768 kHz的通用晶振，該晶振在內(nèi)部分頻，為應(yīng)用提供第二時(shí)鐘源。多數(shù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘不支持60Hz時(shí)鐘，因此需要使用鎖相環(huán)PLL修正實(shí)時(shí)時(shí)鐘的輸入頻率。此外，因?yàn)?0Hz時(shí)鐘不是32,768時(shí)鐘的約數(shù)，所以在進(jìn)入鎖相環(huán)之前，60Hz時(shí)鐘被不斷地分頻，直到是32,768的公約數(shù)為止。該解決方案需要多個(gè)步驟，可能不適用某些用戶。 某些實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)鐘源可使用60Hz頻率。盡管該改進(jìn)方案不再需要鎖相環(huán)，但是電路對于部分用戶仍然過于復(fù)雜，見圖2.當(dāng)主電源掉電時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的精度沒有保證。 圖2:60 Hz正弦波保護(hù) 使用AT切型晶體 另一個(gè)可行的解決方案是使用AT切型晶體。AT切型晶體與微處理器配合，速度越快，晶體隨溫度變化的頻率誤差就越小，因此可提供更高的計(jì)時(shí)精度，但是，它們的晶振卻不適合低功耗應(yīng)用，因?yàn)樵贏T切型晶體的典型頻率下，晶振的電流消耗太大。AT切型晶體誤差見 圖 3. 圖3:AT切型晶體與表晶典型特性對比 該解決方案的主要原理是，微控制器的AT切型晶振為微控制器的定時(shí)器提供時(shí)鐘信號。因?yàn)樵摼w在工作溫度范圍內(nèi)的誤差很低，所以定時(shí)器時(shí)鐘信號的頻率誤差也很低。因此，采用這個(gè)定時(shí)器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘在校準(zhǔn)后，精度可接近時(shí)鐘源的精度，因此可降低表晶因溫度飄移而導(dǎo)致的計(jì)時(shí)誤差。 意法半導(dǎo)體的應(yīng)用筆記AN2678詳述了如何使用AT切型晶體補(bǔ)償M41T82-83-93系列實(shí)時(shí)時(shí)鐘的精度，在寬溫度范圍內(nèi)取得更高的計(jì)時(shí)精度。 上文提到的較精確的時(shí)鐘源僅是諸多可行方案的一部分，其它時(shí)鐘源還包括互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星的遠(yuǎn)程系統(tǒng)時(shí)鐘。 使用TCXO 另一個(gè)解決方案是使用TCXO （溫度補(bǔ)償晶振）替代基本石英，以提高時(shí)鐘源的計(jì)時(shí)精度。TCXO內(nèi)置溫度傳感器，可使晶體對溫度曲線在寬溫度范圍內(nèi)變得平滑，取得±5 ppm的精度，但是該解決方案是一個(gè)成本更高的方案。 圖 4.是一個(gè)典型的TCXO功能框圖。晶體和補(bǔ)償電路都集成在TCXO芯片內(nèi)，但是這種做法提高了TCXO的成本，使其成本比普通晶體至少高兩倍。 圖4:TCXO功能框圖 采用溫度補(bǔ)償 如果系統(tǒng)級有外部溫度傳感器，并位于實(shí)時(shí)時(shí)鐘和晶體附近，則使用這個(gè)溫度傳感器可大幅提高計(jì)時(shí)精度。實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償只需增加應(yīng)用軟件，因此無需增加額外的元器件。意法半導(dǎo)體的應(yīng)用筆記AN2971詳述了如何在系統(tǒng)級使用溫度傳感器提高M(jìn)41T83-93系列實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度的方法。 這個(gè)方法是根據(jù)已知晶體拋物線特性制作一個(gè)ΔPPM （實(shí)際頻率與32,768 Hz參考頻率的偏差）-溫度查閱表，然后執(zhí)行下列步驟： 1.測量溫度，然后在查閱表中找到ΔPPM值。 2.調(diào)整模擬校準(zhǔn)寄存器的設(shè)置，以修改CXI和CXO（連接XI和XO引腳的內(nèi)部電容陣列）的負(fù)載電容值。 因?yàn)槟M校準(zhǔn)功能集成在實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)，所以負(fù)載電容的變化能夠影響晶體，降低或提高振蕩頻率。 還可以通過數(shù)字方式校準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。數(shù)字校準(zhǔn)的原理非常簡單，就是向時(shí)鐘鏈定期增減脈沖，以加快或減慢時(shí)鐘運(yùn)行速度。 不管是采用模擬校準(zhǔn)還是數(shù)字校準(zhǔn)，系統(tǒng)級溫度補(bǔ)償都需要在電路板上安裝溫度傳感器和內(nèi)置校準(zhǔn)功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及相關(guān)的軟件。 最佳方案--內(nèi)置晶體的溫度補(bǔ)償型實(shí)時(shí)時(shí)鐘 上文提及的解決方案不是成本昂貴就是系統(tǒng)復(fù)雜。要么無法顯著解決溫度誤差問題，要么依靠外部溫度傳感器、電力線或微控制器，相關(guān)軟件的開發(fā)成本昂貴。最大的缺陷是即使采用溫度補(bǔ)償方法，當(dāng)主電源掉電時(shí)，仍不能在電池供電的方式下工作。因此，需要一個(gè)更好的解決方案！ 最佳解決方案應(yīng)該具有以下特性： 1.將晶體、溫度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成在一個(gè)封裝內(nèi)。 2.能夠在-40℃至85℃溫度范圍內(nèi)保證計(jì)時(shí)精度的高效補(bǔ)償算法 3.在電池供電模式下功耗極低 4.簡單易用，無需系統(tǒng)級軟件開發(fā) 5.低成本 意法半導(dǎo)體的M41TC8025是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘整體解決方案，具有高成本效益，無需另行開發(fā)軟件。晶體、溫度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及自動補(bǔ)償算法都集成在一個(gè)封裝內(nèi)。只連接一個(gè)簡單的外部電路，即可在-40 ℃至85 ℃的寬溫度范圍內(nèi)取得極高的計(jì)時(shí)精度（±5 ppm）。見圖6.在0 ℃至50 ℃的溫度范圍內(nèi)，計(jì)時(shí)精度提高到±3.8 ppm,這個(gè)成績超出了大多數(shù)應(yīng)用的要求，包括智能電表。 M41TC8025功能框圖與外部硬件連接 圖5所示是 M41TC8025溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能框圖。這個(gè)內(nèi)置溫度傳感器和補(bǔ)償算法的普通石英晶體為應(yīng)用提供了一個(gè)高精度的32.768Hz時(shí)鐘源，這個(gè)分段時(shí)鐘鏈提供超高精度的時(shí)鐘和日歷數(shù)值，處理器可通過I2C總線訪問這些數(shù)值。 圖5:所示是M41TC8025溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能框圖。 圖6所示是 M41TC8025 硬件連接圖。使用兩個(gè)二極管可實(shí)現(xiàn)后備電池開關(guān)功能，以防主電池被反極性充電。 圖6:M41TC8025硬件連接圖 M41TC8025的其它特性 除計(jì)時(shí)精度非常高外，M41TC8025還有很多實(shí)用功能： ●鬧鐘準(zhǔn)許設(shè)置未來事件條件，然后由IRQ（中斷）引腳發(fā)送信號。 ●IRQ中斷引腳還提供時(shí)間更新（秒更新或分鐘更新，用戶可配置）功能。 ●固定周期定時(shí)器中斷功能通過IRQ引腳，在244.14 μs至4095分鐘內(nèi)，以可編程的固定周期產(chǎn)生周期性方波。 ●實(shí)時(shí)時(shí)鐘的FOUT引腳輸出1 Hz、1,024 Hz和32,768 Hz的可編程的精確頻率，以便在產(chǎn)品出廠前進(jìn)行精度檢測。將外部使能引腳（FOE）接地，可禁用FOUT引腳。 ●雖然M41TC8025的功耗極低，工作電流在3.0 V電源電壓時(shí)僅為0.8μA,用戶還是可以設(shè)置溫度補(bǔ)償周期，按照是自己的需要選擇精度-功耗比。 ●提供低電標(biāo)志位。 結(jié)論 為滿足市場對時(shí)鐘精度的更高需求，半導(dǎo)體廠商正在研發(fā)創(chuàng)新的時(shí)鐘解決方案，以提高計(jì)時(shí)精度。意法半導(dǎo)體的M41TC8025是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘整體解決方案，在一個(gè)簡單易用的封裝內(nèi)集成了晶體、溫度傳感器、自動溫度補(bǔ)償算法和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。該解決方案不僅計(jì)時(shí)精度極高，而且成本低廉，特別適用于智能電表等計(jì)時(shí)精度要求高的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
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