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摘要：長期以來電子計時一直缺少高精度的解決方案，主要原因是石英晶體的溫度特性較差。為了提高32.768kHz石英晶體的計時精度，設(shè)計人員采用了各種不同的技術(shù)。本文介紹了一款高度集成器件，可以提供獨一無二的高精度計時，價格則與普通的未經(jīng)校準(zhǔn)的實時時鐘(RTC)相當(dāng)。該器件的推出可以排除當(dāng)前為提高計時精度而采用的低性價比方案，使得精確計時成為一種標(biāo)準(zhǔn)，而不再是奢望。
"你會遲到， 但時間不會。"
- 本杰明弗蘭克林
如果本杰明弗蘭克林用石英晶體和實時時鐘(RTC)來計時，恐怕他要重新考慮他的這一座右銘。晶體的精度在整個溫度范圍內(nèi)變化很大，會使時鐘變慢(某些情況下使時鐘變快)。
對于絕大多數(shù)電子應(yīng)用，帶有32.768kHz音叉晶體的RTC是標(biāo)準(zhǔn)的計時參考方案。RTC通過秒計數(shù)確定時間和日期，這需要從32.768kHz晶體振蕩器中獲取1Hz的時鐘信號。當(dāng)前時間和日期保存在一組寄存器中，通過通信接口進行訪問。
圖1. 32.768kHz典型音叉晶體精度隨溫度的變化曲線
特定頻率(f)和溫度(T)的典型晶體頻率偏差(Δf)：
Δf/f = k(T - To)2 + fo
其中，f是晶體標(biāo)稱頻率，k是曲率常數(shù)，T是溫度，To轉(zhuǎn)折溫度， fo是轉(zhuǎn)折溫度下的相對頻偏。
從上式可以看出：只有三個變量控制著每個晶體的溫度特性，這三個參數(shù)是：曲率常數(shù)、轉(zhuǎn)折溫度、轉(zhuǎn)折溫度下的相對頻偏。曲率常數(shù)對全溫范圍內(nèi)頻偏的拋物線形狀影響最大，但這個常數(shù)本身的偏差很小。不同的轉(zhuǎn)折溫度可以將拋物線左/右平移，不同的轉(zhuǎn)折溫度下的相對頻偏可以將拋物線上下平移。
通過篩選，晶體生產(chǎn)廠商可以提供室溫下±20ppm至±10ppm，甚至±5ppm的頻率精度。但是，這些精度得到提升的晶體并沒有改善高溫和低溫區(qū)域的精度。
根據(jù)對精度和負載電容的要求，生產(chǎn)中仍然會有部分損耗。結(jié)果造成能夠滿足條件的晶體數(shù)量不足。
制造商也可以通過控制晶體切割的角度來控制轉(zhuǎn)折溫度，但這種方法不切實際，而且花費很大。盡管晶體廠家盡其所能采用不同的自動生產(chǎn)流程，但仍然不能滿足要求。生產(chǎn)廠商為一個非標(biāo)準(zhǔn)器件而打亂生產(chǎn)秩序的可能性非常小。
一些集成電路公司通常不具備測試和調(diào)理晶體參數(shù)的能力，他們從供應(yīng)商那里采購晶體，并將晶體和裸片安裝在一個封裝內(nèi)。這種方法一般不會提高精度。Dallas Semiconductor也提供過類似的集成器件，例如DS1337C、DS1338C、DS1339C、DS1340C和DS1374C，這些器件可以很好地工作在精度要求不高的計時產(chǎn)品。
另外，有些能夠生產(chǎn)晶體的公司可以將未封裝的晶體放入一個小尺寸的密封封裝內(nèi)，并對晶體進行調(diào)理使其滿足精度要求。如上所述，這種方法并不改變拋物線的特征，僅僅可以提高室溫下的精度。高溫和低溫區(qū)域的精度并未得到改善。這種方法的缺點是陶瓷封裝和晶體調(diào)理增加了總體成本。
溫度補償可以用兩種方法之一實現(xiàn)。第一種方法是研究一種溫度補償算法，利用溫度傳感器，由計時器件完成模擬或數(shù)字的時鐘補償。這種方法通常需要較大的開發(fā)和校準(zhǔn)投入。另一種方法是使用現(xiàn)成的溫補晶振(TCXO)作為RTC的時鐘源。
圖2. 典型晶體曲線向上平移，使精度接近0.0ppm
帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC配合溫度傳感器，能夠在指定溫度達到-2.034ppm到+4.068ppm的計時精度。在高溫和低溫端點，調(diào)整范圍為-126ppm至+63ppm，無法將曲線校準(zhǔn)到接近0.0ppm。需要處理器周期性地測量溫度，對校準(zhǔn)寄存器以及其它RTC寄存器進行調(diào)節(jié)。
這種方法的主要難點在于需要工廠校準(zhǔn)。因為每個晶體的特征不同，因此需要對每個RTC提供一個指定溫度范圍內(nèi)的校準(zhǔn)表，從而花費較大的人力和較長時間。通常采用非易失寄存器保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也大大增加了器件成本。另外，校準(zhǔn)過程并未補償晶體的老化，可能存在±3ppm的變化。
盡管校準(zhǔn)寄存器不能自動地隨著溫度的變化進行調(diào)整，但它仍然提高了計時精度。
圖3. 利用TCXO使晶體特性曲線平坦
TCXO的內(nèi)置溫度傳感器可以定時檢測器件溫度，用得到的溫度值在查找表內(nèi)查詢，查找到的參數(shù)用來計算并產(chǎn)生內(nèi)部32.768kHz晶體的負載電容，以達到0.0ppm的精度。查找表置于芯片內(nèi)，不需要額外的輸入。
晶體在生產(chǎn)過程中優(yōu)化于特定的負載電容，數(shù)據(jù)資料中提供了相應(yīng)的規(guī)格。如果實際負載電容不符合規(guī)格要求，將相對于標(biāo)稱頻率產(chǎn)生偏差。這也正是TCXO提高精度的途徑。如果知道特定晶體在每個溫度點的頻偏，TCXO可以通過調(diào)整負載電容來調(diào)整頻偏。
使用現(xiàn)成的TCXO不需要研究算法，也不需要工廠校準(zhǔn)。缺點是增加了成本，這種多芯方案也增大了PCB面積。
圖4. DS3231S在最差情況下的精度
與上述TCXO方案相同，完全集成的器件經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，不需要用戶校準(zhǔn)，也不需要額外的開發(fā)投入。它將同樣的功能集成在更小的面積上，同時也降低了系統(tǒng)成本。
與獨立TCXO不同的是，其內(nèi)部寄存器可以通過串行接口訪問。芯片內(nèi)部的器件老化寄存器可以提供進一步的負載電容和溫度補償，補償晶體老化造成的精度損失。
"你會遲到， 但時間不會。"
- 本杰明弗蘭克林
如果本杰明弗蘭克林用石英晶體和實時時鐘(RTC)來計時，恐怕他要重新考慮他的這一座右銘。晶體的精度在整個溫度范圍內(nèi)變化很大，會使時鐘變慢(某些情況下使時鐘變快)。
對于絕大多數(shù)電子應(yīng)用，帶有32.768kHz音叉晶體的RTC是標(biāo)準(zhǔn)的計時參考方案。RTC通過秒計數(shù)確定時間和日期，這需要從32.768kHz晶體振蕩器中獲取1Hz的時鐘信號。當(dāng)前時間和日期保存在一組寄存器中，通過通信接口進行訪問。
問題的根源
用RTC計時本身并沒有錯，但計時精度取決于參考時鐘。遺憾的是，典型的32.768kHz音叉晶體不能夠在寬溫范圍內(nèi)提供較高精度，在整個溫度范圍內(nèi)精度呈拋物線型(圖1)，室溫下(+25°C)精度典型值為±20ppm。相當(dāng)于每天慢或快1.7秒，即每年誤差10.34分鐘。圖1所示，在高溫和低溫區(qū)域精度變差，精度會低于150ppm (典型值)，相當(dāng)于每天誤差13.0秒，每年誤差1.3小時。圖1. 32.768kHz典型音叉晶體精度隨溫度的變化曲線
特定頻率(f)和溫度(T)的典型晶體頻率偏差(Δf)：
Δf/f = k(T - To)2 + fo
其中，f是晶體標(biāo)稱頻率，k是曲率常數(shù)，T是溫度，To轉(zhuǎn)折溫度， fo是轉(zhuǎn)折溫度下的相對頻偏。
從上式可以看出：只有三個變量控制著每個晶體的溫度特性，這三個參數(shù)是：曲率常數(shù)、轉(zhuǎn)折溫度、轉(zhuǎn)折溫度下的相對頻偏。曲率常數(shù)對全溫范圍內(nèi)頻偏的拋物線形狀影響最大，但這個常數(shù)本身的偏差很小。不同的轉(zhuǎn)折溫度可以將拋物線左/右平移，不同的轉(zhuǎn)折溫度下的相對頻偏可以將拋物線上下平移。
各種解決方案
對于要求精確計時的系統(tǒng)，有幾種選擇可以克服晶體的不準(zhǔn)確，包括合理選擇晶體、集成晶體、校準(zhǔn)寄存器或溫補晶振。篩選晶體
提高計時精度的方法之一是要求供應(yīng)商提供室溫精度處于指定范圍的晶體。這需要供應(yīng)商在發(fā)貨前對每個晶體室溫下的頻偏進行分析，顯然，這種方法將大大增加成本。另外，這種方法不會影響晶體精度的拋物線特征。通過篩選，晶體生產(chǎn)廠商可以提供室溫下±20ppm至±10ppm，甚至±5ppm的頻率精度。但是，這些精度得到提升的晶體并沒有改善高溫和低溫區(qū)域的精度。
根據(jù)對精度和負載電容的要求，生產(chǎn)中仍然會有部分損耗。結(jié)果造成能夠滿足條件的晶體數(shù)量不足。
制造商也可以通過控制晶體切割的角度來控制轉(zhuǎn)折溫度，但這種方法不切實際，而且花費很大。盡管晶體廠家盡其所能采用不同的自動生產(chǎn)流程，但仍然不能滿足要求。生產(chǎn)廠商為一個非標(biāo)準(zhǔn)器件而打亂生產(chǎn)秩序的可能性非常小。
集成晶體
比晶體篩選進步的一種方法是，將音叉晶體和計時電路放在同一個封裝里，把晶體供貨的負擔(dān)轉(zhuǎn)移給了器件廠商。集成晶體解決了設(shè)計者選購晶體的難題，也降低了晶體參數(shù)符合計時器件要求的難度，同時還簡化了PCB布板。一些集成電路公司通常不具備測試和調(diào)理晶體參數(shù)的能力，他們從供應(yīng)商那里采購晶體，并將晶體和裸片安裝在一個封裝內(nèi)。這種方法一般不會提高精度。Dallas Semiconductor也提供過類似的集成器件，例如DS1337C、DS1338C、DS1339C、DS1340C和DS1374C，這些器件可以很好地工作在精度要求不高的計時產(chǎn)品。
另外，有些能夠生產(chǎn)晶體的公司可以將未封裝的晶體放入一個小尺寸的密封封裝內(nèi)，并對晶體進行調(diào)理使其滿足精度要求。如上所述，這種方法并不改變拋物線的特征，僅僅可以提高室溫下的精度。高溫和低溫區(qū)域的精度并未得到改善。這種方法的缺點是陶瓷封裝和晶體調(diào)理增加了總體成本。
溫度補償
為了實現(xiàn)寬溫范圍內(nèi)的精確計時，某種形式的溫度補償是必須的。溫度補償需要定期檢測溫度， 然后根據(jù)溫度調(diào)整晶體的負載，或者是調(diào)整時鐘源。溫度補償可以用兩種方法之一實現(xiàn)。第一種方法是研究一種溫度補償算法，利用溫度傳感器，由計時器件完成模擬或數(shù)字的時鐘補償。這種方法通常需要較大的開發(fā)和校準(zhǔn)投入。另一種方法是使用現(xiàn)成的溫補晶振(TCXO)作為RTC的時鐘源。
校準(zhǔn)寄存器
某些RTC，例如DS1340，提供了一個數(shù)字校準(zhǔn)寄存器，可以定時調(diào)整時間。這種方法并不改變晶體的任何特性，但可以上下調(diào)整32.768kHz拋物線，在指定溫度使精度達到0.0ppm。這是通過在振蕩器分頻鏈上加、減時鐘脈沖實現(xiàn)的。需要減去的時鐘脈沖(負校準(zhǔn)減時鐘)，或需要插入的時鐘(正校準(zhǔn)加時鐘)由寄存器的數(shù)值設(shè)置。加時鐘脈沖，時間加快；減時鐘脈沖，時間減慢。圖2給出的典型曲線表明拋物線上移至精度接近0.0ppm的位置，溫度監(jiān)測點為+55°C。圖2. 典型晶體曲線向上平移，使精度接近0.0ppm
帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC配合溫度傳感器，能夠在指定溫度達到-2.034ppm到+4.068ppm的計時精度。在高溫和低溫端點，調(diào)整范圍為-126ppm至+63ppm，無法將曲線校準(zhǔn)到接近0.0ppm。需要處理器周期性地測量溫度，對校準(zhǔn)寄存器以及其它RTC寄存器進行調(diào)節(jié)。
這種方法的主要難點在于需要工廠校準(zhǔn)。因為每個晶體的特征不同，因此需要對每個RTC提供一個指定溫度范圍內(nèi)的校準(zhǔn)表，從而花費較大的人力和較長時間。通常采用非易失寄存器保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也大大增加了器件成本。另外，校準(zhǔn)過程并未補償晶體的老化，可能存在±3ppm的變化。
盡管校準(zhǔn)寄存器不能自動地隨著溫度的變化進行調(diào)整，但它仍然提高了計時精度。
溫補晶振
另一種有效提高計時精度的方法是使用具有溫度補償?shù)?2.768kHz晶體振蕩器(TCXO)，如DS32kHz，作為獨立的RTC時鐘源。這種器件經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，在擴展工業(yè)級溫度范圍內(nèi)(-40°C至+85°C)能夠提供±7.5ppm的精度。TCXO的作用是將晶體拋物線變得平坦(圖3)。圖3. 利用TCXO使晶體特性曲線平坦
TCXO的內(nèi)置溫度傳感器可以定時檢測器件溫度，用得到的溫度值在查找表內(nèi)查詢，查找到的參數(shù)用來計算并產(chǎn)生內(nèi)部32.768kHz晶體的負載電容，以達到0.0ppm的精度。查找表置于芯片內(nèi)，不需要額外的輸入。
晶體在生產(chǎn)過程中優(yōu)化于特定的負載電容，數(shù)據(jù)資料中提供了相應(yīng)的規(guī)格。如果實際負載電容不符合規(guī)格要求，將相對于標(biāo)稱頻率產(chǎn)生偏差。這也正是TCXO提高精度的途徑。如果知道特定晶體在每個溫度點的頻偏，TCXO可以通過調(diào)整負載電容來調(diào)整頻偏。
使用現(xiàn)成的TCXO不需要研究算法，也不需要工廠校準(zhǔn)。缺點是增加了成本，這種多芯方案也增大了PCB面積。
最精確的方案―集成RTC/TCXO/晶體
理想的精確計時器件是集成了RTC、TCXO和石英晶體的單芯片方案。DS3231S、 DS3232和即將公布的DS3234既是這樣的器件。這些器件具有無與倫比的精度：0°C到+40°C范圍內(nèi)精度為±2.0ppm，相當(dāng)于每年±1.0分鐘；-40°C到0°C和+40°C到+85°C范圍內(nèi)為±3.5ppm，相當(dāng)于每年±1.8分鐘。最差情況下所能提供的精度如圖4所示。如上所述，集成TCXO使晶體原有的拋物線特性曲線變成較為平坦的曲線。圖4. DS3231S在最差情況下的精度
與上述TCXO方案相同，完全集成的器件經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，不需要用戶校準(zhǔn)，也不需要額外的開發(fā)投入。它將同樣的功能集成在更小的面積上，同時也降低了系統(tǒng)成本。
與獨立TCXO不同的是，其內(nèi)部寄存器可以通過串行接口訪問。芯片內(nèi)部的器件老化寄存器可以提供進一步的負載電容和溫度補償，補償晶體老化造成的精度損失。
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