長期以來電子計(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。本文介紹幾款帶溫度補(bǔ)償?shù)腞TC芯片，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)。這幾款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。

基本原理：

晶振是晶體振蕩器的簡稱。它用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。

初始精度：

初始精度指器件在常規(guī)條件下，最初使用時(shí)的精度。初始精度主要受振蕩器質(zhì)量的影響，通常精度越高價(jià)格也越貴，比較經(jīng)濟(jì)的方法是根據(jù)具體的設(shè)計(jì)對振蕩器的初始頻率進(jìn)行簡單補(bǔ)償。通常需要測量振蕩器的實(shí)際頻率，計(jì)算出校準(zhǔn)值，用其補(bǔ)償振蕩器的頻率誤差。補(bǔ)償初始精度的主要困難在于獲得足夠高的振蕩頻率測量分辨率。實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用的音叉振蕩器在室溫下精度的典型值為±20×10-6，頻率測量的分辨率直接影響了時(shí)鐘精度的提高，但要獲得頻率的高分辨率測量需要大量的累計(jì)計(jì)數(shù)或以極高的精度測量脈沖周期。

確定RTC的初始精度后，可以使用軟件補(bǔ)償時(shí)間誤差，但這種方法補(bǔ)償?shù)膬H僅是已知的時(shí)間間隔，不會改變振蕩器的頻率。如果振蕩器輸出用于需要高精度時(shí)鐘的場合，這種方法將不適合。

另外一種RTC經(jīng)常使用的方法是測量基頻，對分頻鏈路進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)來調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)頻率。這種方法無須額外的軟件開銷即可提高計(jì)時(shí)精度，但不能調(diào)節(jié)基頻。此外，這種方法也需要高精度測量振蕩頻率。以SDIC公司的RTC為例，它采用的方法是通過調(diào)節(jié)晶體的負(fù)載電容來調(diào)節(jié)晶體的振蕩頻率。這種方法可以補(bǔ)償基頻，有效提高計(jì)時(shí)精度和方波輸出時(shí)鐘的精度，二者工作在同一時(shí)鐘源。

長期穩(wěn)定度：

長期穩(wěn)定度用來預(yù)測器件在整個(gè)有效使用期限內(nèi)的穩(wěn)定度。提高精度的另一途徑是補(bǔ)償器件的長期穩(wěn)定度，要求器件在其使用期限內(nèi)重復(fù)測量并進(jìn)行校準(zhǔn)，這種條件在某些場合是可以接受的，但有些應(yīng)用則無法采納或不便操作。對于不能進(jìn)行讀寫操作、獨(dú)立工作的設(shè)備，如電表，設(shè)計(jì)人員必須提高振蕩器精度或改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以便對其進(jìn)行讀/寫操作和調(diào)節(jié)，但是，無論哪種方案都會提高系統(tǒng)成本。

頻率的長期穩(wěn)定性主要受石英晶體老化的影響，補(bǔ)償這種影響的唯一方法是測量頻率并根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行頻率校準(zhǔn)或調(diào)理。因?yàn)榫w老化的程度隨著時(shí)間而減弱，影響較大的時(shí)期一般在設(shè)備運(yùn)行后的前兩年。晶體工作在高溫環(huán)境時(shí)會加速老化。晶體安裝在芯片封裝內(nèi)時(shí)，回流焊過程中受高溫影響，會使老化發(fā)生一次躍變。但在安裝之后，系統(tǒng)的老化程度會大大減緩。將晶體封裝在RTC芯片內(nèi)，相對于其他外置晶體的RTC具有更好的老化特性。

溫度影響：

溫度系數(shù)是估算由于溫度變化造成的精度誤差。溫度的不穩(wěn)定和相應(yīng)的溫度系數(shù)是許多應(yīng)用所面臨的問題，特別是那些工作在寬溫范圍的應(yīng)用，如室外電表或水表。標(biāo)準(zhǔn)的用作RTC時(shí)基的32.768kHz音叉晶體的頻率響應(yīng)與溫度之間的關(guān)系為Δf/f=k(T-T0)2+f0。其中，Δf為頻率偏差，f為基頻，k為曲率，T為溫度，T0為折點(diǎn)溫度，f0為折點(diǎn)溫度處的頻偏。

當(dāng)器件工作在溫度變化較大的環(huán)境中，頻率隨溫度的變化將成為影響計(jì)時(shí)精度的主要因素。標(biāo)準(zhǔn)的±20×10-6晶體每天產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差是±1.7s（每年 ±10.3分鐘），如果工作在擴(kuò)展級溫度范圍，誤差可能達(dá)到-150×10-6，每天計(jì)時(shí)誤差為±13s，每年±1.3h。圖1為晶體振蕩頻率誤差的TC特性。

消除溫度對精度影響的唯一途徑是提供實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償。校準(zhǔn)程序要準(zhǔn)確測量晶體/振蕩器隨溫度的變化情況，并存儲結(jié)果。然后按照一定的時(shí)間間隔測量晶體溫度，利用存儲的校準(zhǔn)信息調(diào)節(jié)溫度效應(yīng)。

溫度補(bǔ)償?shù)腞TC：

現(xiàn)在市面上常用的帶溫度補(bǔ)償RTC芯片有EPSON公司的RX8025T芯片，Maxim公司的DS3231芯片和SDIC公司的SD3025T芯片等。下表對比3種芯片的主要差異:

上面表格中的3款帶溫度補(bǔ)償RTC芯片都是內(nèi)部集成了高穩(wěn)定晶振，輸出的波形都是經(jīng)過溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)的?？梢燥@著提高RTC的初始精度和溫度穩(wěn)定性。由于內(nèi)嵌在封裝內(nèi)的晶體已經(jīng)經(jīng)過高溫老化處理所有比分立的晶體具有更好的長期穩(wěn)定性。精度在-40℃~85℃范圍內(nèi)都小于±5ppm。

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