帶溫度補(bǔ)償RTC芯片的基本原理及差異對(duì)比

帶溫度補(bǔ)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(fèi)系統(tǒng)的設(shè)備、全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及其他行業(yè)應(yīng)用。準(zhǔn)確計(jì)時(shí)取決于幾個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)然其他參數(shù)也會(huì)影響時(shí)間計(jì)時(shí)精度，但初始精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度系數(shù)這3個(gè)參數(shù)是最終用戶需要特別關(guān)注的指標(biāo)。

長(zhǎng)期以來(lái)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(wú)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(jiǎn)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(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)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(duì)振蕩器的初始頻率進(jìn)行簡(jiǎn)單補(bǔ)償。通常需要測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量需要大量的累計(jì)計(jì)數(shù)或以極高的精度測(cè)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(huì)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(chǎng)合，這種方法將不適合。

另外一種RTC經(jīng)常使用的方法是測(cè)量基頻，對(duì)分頻鏈路進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)頻率。這種方法無(wú)須額外的軟件開(kāi)銷(xiāo)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(cè)量振蕩頻率。以SDIC公司的RTC為例，它采用的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)晶體的負(fù)載電容來(lái)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(zhǎng)期穩(wěn)定度：

長(zhǎng)期穩(wěn)定度用來(lái)預(yù)測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定度，要求器件在其使用期限內(nèi)重復(fù)測(cè)量并進(jìn)行校準(zhǔn)，這種條件在某些場(chǎng)合是可以接受的，但有些應(yīng)用則無(wú)法采納或不便操作。對(duì)于不能進(jìn)行讀寫(xiě)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(duì)其進(jìn)行讀/寫(xiě)操作和調(diào)節(jié)，但是，無(wú)論哪種方案都會(huì)提高系統(tǒng)成本。

頻率的長(zhǎng)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(cè)量頻率并根據(jù)測(cè)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(huì)加速老化。晶體安裝在芯片封裝內(nèi)時(shí)，回流焊過(guò)程中受高溫影響，會(huì)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(huì)大大減緩。將晶體封裝在RTC芯片內(nèi)，相對(duì)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(wèn)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(jí)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(duì)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(cè)量晶體/振蕩器隨溫度的變化情況，并存儲(chǔ)結(jié)果。然后按照一定的時(shí)間間隔測(cè)量晶體溫度，利用存儲(chǔ)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(duì)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(guò)溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)的。可以顯著提高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(guò)高溫老化處理所有比分立的晶體具有更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。精度在-40℃~85℃范圍內(nèi)都小于±5ppm。

結(jié)語(yǔ)：

在帶溫度補(bǔ)償RTC芯片出現(xiàn)之前，可供選擇的方案很難達(dá)到精確計(jì)時(shí)的要求。而且，這些方案都需要投入一定的開(kāi)發(fā)精力，需要用戶校準(zhǔn)和附加的開(kāi)發(fā)成本。帶溫度補(bǔ)償RTC芯片的問(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。

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