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更多>>實現(xiàn)溫補晶振的寬溫范圍內(nèi)的精確計時
來源：http://www.fengxong.cn 作者：kbdzkj 2018年04月20
溫補晶振即溫度補償晶體振蕩器（TCXO）,是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點：
一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；
二是片式封裝后在其接作業(yè)中，由于焊接溫度遠高于溫補晶振的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將溫補晶振的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，溫補晶振的技術(shù)水平的提高并沒進入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。
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。
校準寄存器
某些RTC，提供了一個數(shù)字校準寄存器，可以定時調(diào)整時間。這種方法并不改變石英晶振的任何特性，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(負校準減時鐘)，或需要插入的時鐘(正校準加時鐘)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。
帶有校準寄存器的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，無法將曲線校準到接近0.0ppm。需要處理器周期性地測量溫度，對校準寄存器以及其它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。因為每個石英晶體的特征不同，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數(shù)據(jù)，也大大增加了器件成本。另外，校準過程并未補償晶體的老化，可能存在±3ppm的變化。盡管校準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)?strong>32.768KHZ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，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)。
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。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。
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與上述TCXO方案相同，完全集成的器件經(jīng)過工廠校準，不需要用戶校準，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。
一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；
二是片式封裝后在其接作業(yè)中，由于焊接溫度遠高于溫補晶振的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將溫補晶振的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，溫補晶振的技術(shù)水平的提高并沒進入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。
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。
校準寄存器
某些RTC，提供了一個數(shù)字校準寄存器，可以定時調(diào)整時間。這種方法并不改變石英晶振的任何特性，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(負校準減時鐘)，或需要插入的時鐘(正校準加時鐘)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。
帶有校準寄存器的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，無法將曲線校準到接近0.0ppm。需要處理器周期性地測量溫度，對校準寄存器以及其它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。因為每個石英晶體的特征不同，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數(shù)據(jù)，也大大增加了器件成本。另外，校準過程并未補償晶體的老化，可能存在±3ppm的變化。盡管校準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)?strong>32.768KHZ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，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)。
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。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。
與上述TCXO方案相同，完全集成的器件經(jīng)過工廠校準，不需要用戶校準，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。
康比電子是專業(yè)從事石英晶振、貼片晶振、有源晶振、壓電陶瓷諧振器的高科技企業(yè)、集石英晶振、陶瓷晶體、有源晶振的研發(fā)、設(shè)計、制造、營銷和服務(wù)為一體，擁有萬級凈化廠房、國際先進的生產(chǎn)設(shè)備、專用檢測儀器,本公司產(chǎn)品率先解決了石英晶振、陶瓷晶振、音叉晶體、32.768KHZ等、頻率不穩(wěn)定、不抗跌落、不耐高溫等難題，月產(chǎn)量8000萬只，成為同行業(yè)中的佼佼者，產(chǎn)品遠銷西歐一帶國家、巴西、中國香港、大陸、中國臺灣等國內(nèi)外市場.并提供晶振產(chǎn)品解決方案.
康比電子是專業(yè)從事石英晶振、貼片晶振、有源晶振、壓電陶瓷諧振器的高科技企業(yè)、集石英晶振、陶瓷晶體、有源晶振的研發(fā)、設(shè)計、制造、營銷和服務(wù)為一體，擁有萬級凈化廠房、國際先進的生產(chǎn)設(shè)備、專用檢測儀器,本公司產(chǎn)品率先解決了石英晶振、陶瓷晶振、音叉晶體、32.768KHZ等、頻率不穩(wěn)定、不抗跌落、不耐高溫等難題，月產(chǎn)量8000萬只，成為同行業(yè)中的佼佼者，產(chǎn)品遠銷西歐一帶國家、巴西、中國香港、大陸、中國臺灣等國內(nèi)外市場.并提供晶振產(chǎn)品解決方案.
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