精密計(jì)時(shí)——自動(dòng)化與大眾化

問(wèn)題的根源

用rtc計(jì)時(shí)本身并沒(méi)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(xiàn)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)。

特定頻率(f)和溫度(t)的典型晶體頻率偏差(f)：

f/f = k(t - to)2 + fo

其中，f是晶體標(biāo)稱(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)特征。
通過(guò)篩選，晶體生產(chǎn)廠(chǎng)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(méi)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(mǎn)足條件的晶體數(shù)量不足。

制造商也可以通過(guò)控制晶體切割的角度來(lái)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(chǎng)家盡其所能采用不同的自動(dòng)生產(chǎn)流程，但仍然不能滿(mǎn)足要求。生產(chǎn)廠(chǎng)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(chǎng)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(guò)類(lèi)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(mǎn)足精度要求。如上所述，這種方法并不改變拋物線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)，在指定溫度使精度達(dá)到0.0ppm。這是通過(guò)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(xiàn)表明拋物線(xiàn)上移至精度接近0.0ppm的位置，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為+55°c。

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(wú)法將曲線(xiàn)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(chǎng)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(guò)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(guò)工廠(chǎng)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(xiàn)變得平坦(圖3)。

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(xún)，查找到的參數(shù)用來(lái)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(guò)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(chēng)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(guò)調(diào)整負(fù)載電容來(lái)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(chǎng)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(wú)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(xiàn)特性曲線(xiàn)變成較為平坦的曲線(xiàn)。

與上述tcxo方案相同，完全集成的器件經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準(zhǔn)，不需要用戶(hù)校準(zhǔn)，也不需要額外的開(kāi)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(guò)串行接口訪(fǎng)問(wèn)。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(kāi)發(fā)精力，需要用戶(hù)校準(zhǔn)和附加的開(kāi)發(fā)成本。單芯片集成tcxo/rtc/晶體的問(wèn)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！