摘要：長(zhǎng)期以來電子計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)精度，設(shè)計(jì)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(dú)一無二的高精度計(jì)時(shí)，價(jià)格則與普通的未經(jīng)校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)相當(dāng)。該器件的推出可以排除當(dāng)前為提高計(jì)時(shí)精度而采用的低性價(jià)比方案，使得精確計(jì)時(shí)成為一種標(biāo)準(zhǔn)，而不再是奢望。

"你會(huì)遲到， 但時(shí)間不會(huì)。"
- 本杰明弗蘭克林

如果本杰明弗蘭克林用石英晶體和實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)來計(jì)時(shí)，恐怕他要重新考慮他的這一座右銘。晶體的精度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)變化很大，會(huì)使時(shí)鐘變慢(某些情況下使時(shí)鐘變快)。

對(duì)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(jì)時(shí)參考方案。RTC通過秒計(jì)數(shù)確定時(shí)間和日期，這需要從32.768kHz晶體振蕩器中獲取1Hz的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)前時(shí)間和日期保存在一組寄存器中，通過通信接口進(jìn)行訪問。

問題的根源

用RTC計(jì)時(shí)本身并沒有錯(cuò)，但計(jì)時(shí)精度取決于參考時(shí)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(gè)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(huì)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(shí)。


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(duì)頻偏。

從上式可以看出：只有三個(gè)變量控制著每個(gè)晶體的溫度特性，這三個(gè)參數(shù)是：曲率常數(shù)、轉(zhuǎn)折溫度、轉(zhuǎn)折溫度下的相對(duì)頻偏。曲率常數(shù)對(duì)全溫范圍內(nèi)頻偏的拋物線形狀影響最大，但這個(gè)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(duì)頻偏可以將拋物線上下平移。

各種解決方案

對(duì)于要求精確計(jì)時(shí)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(bǔ)晶振。

篩選晶體

提高計(jì)時(shí)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(duì)每個(gè)晶體室溫下的頻偏進(jìn)行分析，顯然，這種方法將大大增加成本。另外，這種方法不會(huì)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(duì)精度和負(fù)載電容的要求，生產(chǎn)中仍然會(huì)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(shí)際，而且花費(fèi)很大。盡管晶體廠家盡其所能采用不同的自動(dòng)生產(chǎn)流程，但仍然不能滿足要求。生產(chǎn)廠商為一個(gè)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(jìn)步的一種方法是，將音叉晶體和計(jì)時(shí)電路放在同一個(gè)封裝里，把晶體供貨的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移給了器件廠商。集成晶體解決了設(shè)計(jì)者選購(gòu)晶體的難題，也降低了晶體參數(shù)符合計(jì)時(shí)器件要求的難度，同時(shí)還簡(jiǎn)化了PCB布板。

一些集成電路公司通常不具備測(cè)試和調(diào)理晶體參數(shù)的能力，他們從供應(yīng)商那里采購(gòu)晶體，并將晶體和裸片安裝在一個(gè)封裝內(nèi)。這種方法一般不會(huì)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(jì)時(shí)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(gè)小尺寸的密封封裝內(nèi)，并對(duì)晶體進(jìn)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(diǎn)是陶瓷封裝和晶體調(diào)理增加了總體成本。

溫度補(bǔ)償

為了實(shí)現(xiàn)寬溫范圍內(nèi)的精確計(jì)時(shí)，某種形式的溫度補(bǔ)償是必須的。溫度補(bǔ)償需要定期檢測(cè)溫度， 然后根據(jù)溫度調(diào)整晶體的負(fù)載，或者是調(diào)整時(shí)鐘源。

溫度補(bǔ)償可以用兩種方法之一實(shí)現(xiàn)。第一種方法是研究一種溫度補(bǔ)償算法，利用溫度傳感器，由計(jì)時(shí)器件完成模擬或數(shù)字的時(shí)鐘補(bǔ)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(bǔ)晶振(TCXO)作為RTC的時(shí)鐘源。

校準(zhǔn)寄存器

某些RTC，例如DS1340，提供了一個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)寄存器，可以定時(shí)調(diào)整時(shí)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(dá)到0.0ppm。這是通過在振蕩器分頻鏈上加、減時(shí)鐘脈沖實(shí)現(xiàn)的。需要減去的時(shí)鐘脈沖(負(fù)校準(zhǔn)減時(shí)鐘)，或需要插入的時(shí)鐘(正校準(zhǔn)加時(shí)鐘)由寄存器的數(shù)值設(shè)置。加時(shí)鐘脈沖，時(shí)間加快；減時(shí)鐘脈沖，時(shí)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(cè)點(diǎn)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(dá)到-2.034ppm到+4.068ppm的計(jì)時(shí)精度。在高溫和低溫端點(diǎn)，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(cè)量溫度，對(duì)校準(zhǔn)寄存器以及其它RTC寄存器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

這種方法的主要難點(diǎn)在于需要工廠校準(zhǔn)。因?yàn)槊總€(gè)晶體的特征不同，因此需要對(duì)每個(gè)RTC提供一個(gè)指定溫度范圍內(nèi)的校準(zhǔn)表，從而花費(fèi)較大的人力和較長(zhǎng)時(shí)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(bǔ)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(dòng)地隨著溫度的變化進(jìn)行調(diào)整，但它仍然提高了計(jì)時(shí)精度。

溫補(bǔ)晶振

另一種有效提高計(jì)時(shí)精度的方法是使用具有溫度補(bǔ)償?shù)?2.768kHz晶體振蕩器(TCXO)，如DS32kHz，作為獨(dú)立的RTC時(shí)鐘源。這種器件經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，在擴(kuò)展工業(yè)級(jí)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(shí)檢測(cè)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(jì)算并產(chǎn)生內(nèi)部32.768kHz晶體的負(fù)載電容，以達(dá)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(fù)載電容，數(shù)據(jù)資料中提供了相應(yīng)的規(guī)格。如果實(shí)際負(fù)載電容不符合規(guī)格要求，將相對(duì)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(gè)溫度點(diǎn)的頻偏，TCXO可以通過調(diào)整負(fù)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(diǎn)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(jì)時(shí)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(shí)也降低了系統(tǒng)成本。

與獨(dú)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(jìn)一步的負(fù)載電容和溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償晶體老化造成的精度損失。

結(jié)論

在集成TCXO、RTC和32.768kHz晶體出現(xiàn)之前，可供選擇的方案很難達(dá)到精度要求。而且，這些方案都需要投入一定的開發(fā)精力，需要用戶校準(zhǔn)和附加的開發(fā)成本。單芯片集成TCXO/RTC/晶體的問世，使精確計(jì)時(shí)不再是一種奢求，而是一種切實(shí)可行的方案！