要提高實(shí)時時鐘精度的可行方案就是對晶振的篩選
來源：http://www.dbaub.cn 作者：konuaer 2014年08月05
不管是時鐘還是手表用戶對產(chǎn)品的要求都有所提高，廠家對此類電子產(chǎn)品也在不斷的研發(fā)改進(jìn)。都知道現(xiàn)在的人都講究牌場，要面子，雖然知道自已的經(jīng)濟(jì)實(shí)不太雄厚，但對自身的著裝穿著從不含糊，出去談生意談業(yè)務(wù)穿著是很重要的，因?yàn)閯e人可以從你的穿著可以看出你對這份工作的態(tài)度以及尊重，所以在不斷改進(jìn)的同時對電子元器件的選用也大大提高要求，相信大家都清楚時鐘手表內(nèi)部都會用到一顆電子元件，稱之為“晶振”而晶振是電子元件當(dāng)中最為常用的一種，晶振只是一個大類名稱，也可以叫石英晶振，貼片晶體，石英晶體振蕩器等等，不過時鐘手表內(nèi)部選用的是表晶32.768KHZ，下面對大家介紹到，我們先來看看時鐘手表對晶振都有什么要求。
廠家為滿足市場對更高時鐘精度的需求，半導(dǎo)體廠商正在研發(fā)創(chuàng)新的時鐘解決方案，以提高計時精度?，F(xiàn)在有越來越多的應(yīng)用要求實(shí)時時鐘在寬溫度范圍內(nèi)具有極高的計時精度。多費(fèi)率智能電表就是其中一個典型實(shí)例，因?yàn)楣╇姽拘枰涗浂噘M(fèi)率電能的使用數(shù)據(jù)，以便精確計算電費(fèi)，這要求在23°C的參考溫度下，實(shí)時時鐘每天計時精度小于 ±0.5秒，即計時精度小于±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°C至+60°C的溫度范圍內(nèi)，實(shí)時時鐘每天計時精度必須在±1秒(即 ±12 ppm)內(nèi)?？紤]到這個標(biāo)準(zhǔn)，普通實(shí)時時鐘(RTC)無法滿足這個應(yīng)用要求。本文將論述多個提高計時精度的解決方案，同時還論述一個最佳的參考方案。
典型實(shí)時時鐘采用32.768 kHz音叉表晶石英晶體。這類晶振容易在市場買到，而且價格較便宜。在25°C時，晶體通?？商峁┐蠹s±25 ppm的計時精度或每天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 °C 至 +85 °C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
要提高實(shí)時時鐘精度的可行方案就是對晶振的篩選
有多種方法可提高實(shí)時時鐘的計時精度。提高參考時鐘（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。時鐘篩選雖然可行，但不是最佳方案，因?yàn)閺S商提高晶體計時精度的成本昂貴。這種方法的最大限制是只能在一個溫度點(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)時時鐘封裝內(nèi)
雖然將晶體置入實(shí)時時鐘封裝內(nèi)是一個較好的可提高計時精度的解決辦法，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)致時鐘精度不高的問題。
以 60 Hz電力線為參考時鐘
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)時時鐘適用的頻率源。大多數(shù)實(shí)時時鐘的輸入需要32.768KHZ的通用晶振，該晶振在內(nèi)部分頻，為應(yīng)用提供第二時鐘源。多數(shù)實(shí)時時鐘不支持60Hz時鐘，因此需要使用鎖相環(huán)PLL修正實(shí)時時鐘的輸入頻率。此外，因?yàn)?0Hz時鐘不是32,768時鐘的約數(shù),所以在進(jìn)入鎖相環(huán)之前，60Hz時鐘被不斷地分頻，直到是32,768KHZ的公約數(shù)為止。該解決方案需要多個步驟，可能不適用某些用戶。
某些實(shí)時時鐘的時鐘源可使用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，當(dāng)主電源掉電時，實(shí)時時鐘的精度沒有保證。另一個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時精度，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
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器提供時鐘信號。因?yàn)樵摼w在工作溫度范圍內(nèi)的誤差很低，所以定時器時鐘信號的頻率誤差也很低。因此，采用這個定時器的實(shí)時時鐘在校準(zhǔn)后，精度可接近時鐘源的精度，因此可降低表晶因溫度飄移而導(dǎo)致的計時誤差。
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)時時鐘的精度，在寬溫度范圍內(nèi)取得更高的計時精度。
使用TCXO溫補(bǔ)晶體振蕩器
另一個解決方案是使用TCXO (溫補(bǔ)晶振)替代基本石英，以提高時鐘源的計時精度。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成本更高的方案。是一個典型的 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。
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)時時鐘和晶體附近，則使用這個溫度傳感器可大幅提高計時精度。實(shí)時溫度補(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)時時鐘精度的方法。
這個方法是根據(jù)已知晶體拋物線特性制作一個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)時時鐘內(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)時時鐘。數(shù)字校準(zhǔn)的原理非常簡單，就是向時鐘鏈定期增減脈沖，以加快或減慢時鐘運(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)時時鐘以及相關(guān)的軟件。
意法半導(dǎo)體的M41TC8025是一個實(shí)時時鐘整體解決方案，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)時時鐘以及自動補(bǔ)償算法都集成在一個封裝內(nèi)。只連接一個簡單的外部電路，即可在-40 °C 至 85 °C 的寬溫度范圍內(nèi)取得極高的計時精度(±5 ppm)。見 圖 6。在0 °C 至 50 °C的溫度范圍內(nèi)，計時精度提高到±3.8 ppm，這個成績超出了大多數(shù)應(yīng)用的要求，包括智能電表。
為滿足市場對時鐘精度的更高需求，半導(dǎo)體廠商正在研發(fā)創(chuàng)新的時鐘解決方案，以提高計時精度。意法半導(dǎo)體的M41TC8025是一個實(shí)時時鐘整體解決方案，在一個簡單易用的封裝內(nèi)集成了晶體、溫度傳感器、自動溫度補(bǔ)償算法和實(shí)時時鐘。該解決方案不僅計時精度極高，而且成本低廉，特別適用于智能電表等計時精度要求高的應(yīng)用設(shè)計。
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