帶溫度補償RTC芯片的選型和應(yīng)用

帶溫度補償RTC芯片的需求正在不斷增加，其應(yīng)用涉及電表、工業(yè)、通信等帶有部分嵌入式付費系統(tǒng)的設(shè)備、全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收機及其他行業(yè)應(yīng)用。準確計時取決于幾個重要參數(shù)，當然其他參數(shù)也會影響時間計時精度，但初始精度、長期穩(wěn)定性、溫度系數(shù)這3個參數(shù)是最終用戶需要特別關(guān)注的指標。

長期以來電子計時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償?shù)腞TC芯片，可以提供獨一無二的高精度計時，價格則與普通的未經(jīng)校準的實時時鐘(RTC)相當。這幾款器件的推出可以排除當前為提高計時精度而采用的低性價比方案，使得精確計時成為一種標準，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，通常精度越高價格也越貴，比較經(jīng)濟的方法是根據(jù)具體的設(shè)計對振蕩器的初始頻率進行簡單補償。通常需要測量振蕩器的實際頻率，計算出校準值，用其補償振蕩器的頻率誤差。補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。實時時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計數(shù)或以極高的精度測量脈沖周期。確定RTC的初始精度后，可以使用軟件補償時間誤差，但這種方法補償?shù)膬H僅是已知的時間間隔，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，對分頻鏈路進行加、減計數(shù)來調(diào)節(jié)計時頻率。這種方法無須額外的軟件開銷即可提高計時精度，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)晶體的負載電容來調(diào)節(jié)晶體的振蕩頻率。這種方法可以補償基頻，有效提高計時精度和方波輸出時鐘的精度，二者工作在同一時鐘源。

長期穩(wěn)定度：

長期穩(wěn)定度用來預(yù)測器件在整個有效使用期限內(nèi)的穩(wěn)定度。提高精度的另一途徑是補償器件的長期穩(wěn)定度，要求器件在其使用期限內(nèi)重復(fù)測量并進行校準，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。對于不能進行讀寫操作、獨立工作的設(shè)備，如電表，設(shè)計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)果進行頻率校準或調(diào)理。因為晶體老化的程度隨著時間而減弱，影響較大的時期一般在設(shè)備運行后的前兩年。晶體工作在高溫環(huán)境時會加速老化。晶體安裝在芯片封裝內(nèi)時，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。標準的用作RTC時基的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為折點溫度，f0為折點溫度處的頻偏。

當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時精度的主要因素。標準的±20×10-6晶體每天產(chǎn)生的計時誤差是±1.7s(每年 ±10.3分鐘)，如果工作在擴展級溫度范圍，誤差可能達到-150×10-6，每天計時誤差為±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時的溫度補償。校準程序要準確測量晶體/振蕩器隨溫度的變化情況，并存儲結(jié)果。然后按照一定的時間間隔測量晶體溫度，利用存儲的校準信息調(diào)節(jié)溫度效應(yīng)。

溫度補償?shù)腞TC：

現(xiàn)在市面上常用的帶溫度補償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)過溫度補償校準的?？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。

結(jié)語：

在帶溫度補償RTC芯片出現(xiàn)之前，可供選擇的方案很難達到精確計時的要求。而且，這些方案都需要投入一定的開發(fā)精力，需要用戶校準和附加的開發(fā)成本。帶溫度補償RTC芯片的問世，使精確計時不再是一種奢求，而是一種切實可行的方案。