實時時鐘計時精度提高方案

　前言

　　為滿足市場對更高時鐘精度的需求，半導(dǎo)體廠商正在研發(fā)創(chuàng)新的時鐘解決方案，以提高計時精度?，F(xiàn)在有越來越多的應(yīng)用要求實時時鐘在寬溫度范圍內(nèi)具有極高的計時精度。多費率智能電表就是其中一個典型實例，因為供電公司需要記錄多費率電能的使用數(shù)據(jù)，以便精確計算電費，這要求在23℃的參考溫度下，實時時鐘每天計時精度小于±0.5秒，即計時精度小于±6 ppm （百萬分之一）。中國最新的電能表標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 357-2009規(guī)定，在-25℃至+60℃的溫度范圍內(nèi)，實時時鐘每天計時精度必須在±1秒（即±12 ppm）內(nèi)。考慮到這個標(biāo)準(zhǔn)，普通實時時鐘（RTC）無法滿足這個應(yīng)用要求。本文將論述多個提高計時精度的解決方案，同時還論述一個最佳的參考方案。

　　挑戰(zhàn)

　　典型實時時鐘采用32.768 kHz音叉表晶石英晶體。這類晶振容易在市場買到，而且價格較便宜。在25℃時，晶體通常可提供大約±25 ppm的計時精度或每天2秒的誤差。雖然非常適合電池供電應(yīng)用的低功耗需求，但是在-40 ℃至+85 ℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)，頻率變化很大。在極端溫度條件下，頻率誤差可能在-108 ppm至-177 ppm之間，如圖圖1所示。最終時鐘可能每天慢10秒至16秒。

　　因晶體內(nèi)在特性而產(chǎn)生的頻率誤差曲線為拋物線，實時時鐘計時精度只能與其參考時鐘（晶體）相同。

圖1:典型的32.768 kHz頻率誤差對溫度曲線

　　提高計時精度的可行方案

　　晶體篩選

　　有多種方法可提高實時時鐘的計時精度。提高參考時鐘（晶體）的技術(shù)參數(shù)是首選的且最簡單的解決辦法。通過晶體篩選可獲得±10 ppm甚至±5 ppm的精度。時鐘篩選雖然可行，但不是最佳方案，因為廠商提高晶體計時精度的成本昂貴。這種方法的最大限制是只能在一個溫度點（例如室溫）篩選晶體。但是，隨著工業(yè)溫度變化，頻率偏差的拋物線特性依然存在。

　　將晶體置于實時時鐘封裝內(nèi)

　　雖然將晶體置入實時時鐘封裝內(nèi)是一個較好的可提高計時精度的解決辦法，可以消除濕度、振動和壓力等環(huán)境因素的影響，但是無法單獨解決石英晶體的頻率隨溫度變化的不良特性導(dǎo)致時鐘精度不高的問題。

　　以60 Hz電力線為參考時鐘

　　該解決方案的原理是把60 Hz電力線（例如，美國市電）變成可用的時鐘源。電力線的頻率誤差遠遠低于普通晶體。該解決方案必須把交流電源轉(zhuǎn)換成實時時鐘適用的頻率源。大多數(shù)實時時鐘的輸入需要32.768 kHz的通用晶振，該晶振在內(nèi)部分頻，為應(yīng)用提供第二時鐘源。多數(shù)實時時鐘不支持60Hz時鐘，因此需要使用鎖相環(huán)PLL修正實時時鐘的輸入頻率。此外，因為60Hz時鐘不是32,768時鐘的約數(shù)，所以在進入鎖相環(huán)之前，60Hz時鐘被不斷地分頻，直到是32,768的公約數(shù)為止。該解決方案需要多個步驟，可能不適用某些用戶。

　　某些實時時鐘的時鐘源可使用60Hz頻率。盡管該改進方案不再需要鎖相環(huán)，但是電路對于部分用戶仍然過于復(fù)雜，見圖2.當(dāng)主電源掉電時，實時時鐘的精度沒有保證。

圖2:60 Hz正弦波保護

　　使用AT切型晶體

　　另一個可行的解決方案是使用AT切型晶體。AT切型晶體與微處理器配合，速度越快，晶體隨溫度變化的頻率誤差就越小，因此可提供更高的計時精度，但是，它們的晶振卻不適合低功耗應(yīng)用，因為在AT切型晶體的典型頻率下，晶振的電流消耗太大。AT切型晶體誤差見 圖 3.

圖3:AT切型晶體與表晶典型特性對比