為了在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)精度,需要某種形式的溫度補(bǔ)償.溫度補(bǔ)償需要定期測(cè)量溫度,然后根據(jù)測(cè)量的溫度調(diào)節(jié)晶體負(fù)載或時(shí)鐘源.溫度補(bǔ)償可以通過兩種方式之一完成.第一種選擇是通過使用具有計(jì)時(shí)裝置的溫度傳感器來開發(fā)溫度補(bǔ)償算法,該計(jì)時(shí)裝置提供某種形式的模擬或數(shù)字時(shí)鐘校準(zhǔn).這種方法通常需要大量的開發(fā)和校準(zhǔn)投資.第二種選擇是使用現(xiàn)成的溫補(bǔ)晶振(TCXO)作為RTC的時(shí)鐘源.
校準(zhǔn)寄存器
某些RTC(如DS1340)提供數(shù)字校準(zhǔn)寄存器,可用于定期調(diào)整離散量的時(shí)間.該方法根本不試圖改變晶體行為,而是根據(jù)在指定溫度下的預(yù)期頻率偏差周期性地調(diào)整時(shí)間.其效果是將32.768kHz拋物線曲線向上或向下移動(dòng)到所需溫度下接近0.0ppm的精度.這是通過在石英晶體振蕩器分頻器鏈中加上或減去時(shí)鐘周期來實(shí)現(xiàn)的.去除的時(shí)鐘脈沖數(shù)(減去負(fù)校準(zhǔn))或插入(添加用于正校準(zhǔn))由校準(zhǔn)寄存器中的值設(shè)置.通過添加時(shí)鐘脈沖,時(shí)間加快(晶體曲線向上移動(dòng));通過減去時(shí)鐘脈沖,時(shí)間減慢(晶體曲線向下移動(dòng)).圖2顯示了典型的晶體曲線如何向上移動(dòng),直到精度接近0.0ppm.在此示例中,測(cè)量的溫度為+55°C.

圖1.典型的晶體曲線向上移動(dòng),直到精度接近0.0ppm.

帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC可以與溫度傳感器組合,在一個(gè)特定溫度下達(dá)到-2.034ppm至+4.068ppm的精度水平.總調(diào)節(jié)范圍為-126ppm至+63ppm,因此,在極高和極低溫度下,曲線無法調(diào)節(jié)到足以達(dá)到0.0ppm.需要處理器開銷來定期測(cè)量溫度,計(jì)算新的校準(zhǔn)寄存器值,并調(diào)整適當(dāng)?shù)腞TC寄存器.
該方法的主要困難是所需的工廠校準(zhǔn)工作.由于每個(gè)晶振的行為都不同,因此每個(gè)計(jì)時(shí)裝置都需要一個(gè)適合所需溫度范圍的定制校準(zhǔn)表.這種努力所需的人力和時(shí)間可能變得很麻煩.存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)也需要一定量的非易失性存儲(chǔ)器,這增加了總成本.此外,補(bǔ)償值不能補(bǔ)償不可避免的晶體老化,僅在第一年就可以接近±3ppm.雖然校準(zhǔn)寄存器方法在溫度變化時(shí)不提供自動(dòng)調(diào)整,但它仍然提供了精度的漸進(jìn)改進(jìn).
溫度補(bǔ)償晶體振蕩器
另一個(gè)極大提高計(jì)時(shí)精度的選擇是使用32.768KHZ溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO),如DS32kHz,作為獨(dú)立RTC的時(shí)鐘源.這些器件經(jīng)過工廠校準(zhǔn),在工業(yè)溫度范圍(-40°C至+85°C)內(nèi)可提供±7.5ppm的精度.TCXO晶振的作用是使晶體曲線的拋物線性質(zhì)隨溫度變平(圖3).

圖2.由TCXO壓平的晶體曲線.

TCXO包含一個(gè)集成傳感器,可定期測(cè)量設(shè)備溫度.該測(cè)量用于訪問查找表,其輸出用于計(jì)算并應(yīng)用集成的32.768kHz晶振的負(fù)載電容值,以實(shí)現(xiàn)0.0ppm的精度.查找表存在于設(shè)備上,無需外部輸入.
制造晶體時(shí),它針對(duì)特定的負(fù)載電容進(jìn)行了優(yōu)化,這在數(shù)據(jù)手冊(cè)中有詳細(xì)說明.如果實(shí)際負(fù)載電容與規(guī)格不匹配,則結(jié)果是與標(biāo)稱頻率的偏差.TCXO利用這一事實(shí)來提高準(zhǔn)確性.如果已知特定有源晶振的每個(gè)溫度的頻率偏差量,則TCXO可以調(diào)整負(fù)載電容以抵消與溫度相關(guān)的頻率偏差.
使用現(xiàn)成的TCXO的優(yōu)點(diǎn)是不需要算法開發(fā)或工廠校準(zhǔn).缺點(diǎn)是多芯片解決方案需要額外的成本和PC板空間.
最精確的解決方案-RTC/TCXO/晶體集成
理想的精確計(jì)時(shí)裝置是將RTC,TCXO和石英晶體集成到一個(gè)封裝中的裝置.DS3231S就是這樣一種設(shè)備.它在0°C至+40°C范圍內(nèi)提供±2.0ppm的無與倫比的精度,相當(dāng)于每年超過±1.0分鐘.-40°C至0°C和+40°C至+85°C的精度為±3.5ppm,相當(dāng)于每年±1.8分鐘.圖4顯示了該器件的最壞情況精度.如前一節(jié)所述,集成的TCXO使晶體曲線的拋物線特性在溫度范圍內(nèi)變平.

圖3.DS3231S的最差情況精度.

與之前的溫補(bǔ)晶振解決方案一樣,集成設(shè)備已經(jīng)過工廠校準(zhǔn),無需客戶校準(zhǔn)或開發(fā)工作.單封裝解決方案在更小的區(qū)域內(nèi)以更低的成本結(jié)合了相同的功能.
與獨(dú)立的TCXO不同,集成設(shè)備寄存器組可通過串行接口端口訪問.片上老化寄存器可對(duì)負(fù)載電容和溫度補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整.這允許應(yīng)用還補(bǔ)償由于晶體老化而導(dǎo)致的精度損失.
摘要
在集成TCXO,RTC和32.768kHz貼片晶振之前,需要計(jì)時(shí)精度的應(yīng)用選擇有限.所有可用選項(xiàng)都需要開發(fā)工作,工廠校準(zhǔn)和額外成本的組合.隨著單封裝TCXO/RTC/晶體集成的出現(xiàn),計(jì)時(shí)精度不再是奢侈品,而是適用于所有應(yīng)用！

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