摘要：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。為了提高32.768khz石英晶體的計(jì)時(shí)精度，設(shè)計(jì)人員采用了各種不同的技術(shù)。本文介紹了一款高度集成器件，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)。該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。

　　"你會(huì)遲到， 但時(shí)間不會(huì)。"

　　- 本杰明弗蘭克林

　　如果本杰明弗蘭克林用石英晶體和實(shí)時(shí)時(shí)鐘(rtc)來(lái)計(jì)時(shí)，恐怕他要重新考慮他的這一座右銘。晶體的精度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)變化很大，會(huì)使時(shí)鐘變慢(某些情況下使時(shí)鐘變快)。

　　對(duì)于絕大多數(shù)電子應(yīng)用，帶有32.768khz音叉晶體的rtc是標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)時(shí)參考方案。rtc通過(guò)秒計(jì)數(shù)確定時(shí)間和日期，這需要從32.768khz晶體振蕩器中獲取1hz的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)前時(shí)間和日期保存在一組寄存器中，通過(guò)通信接口進(jìn)行訪問(wèn)。

　　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)。

　　圖1. 32.768khz典型音叉晶體精度隨溫度的變化曲線

　　特定頻率(f)和溫度(t)的典型晶體頻率偏差(δf)：

　　δf/f = k(t - to)2 + fo

　　其中，f是晶體標(biāo)稱頻率，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特征。

　　通過(guò)篩選，晶體生產(chǎn)廠商可以提供室溫下±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。盡管晶體廠家盡其所能采用不同的自動(dòng)生產(chǎn)流程，但仍然不能滿足要求。生產(chǎn)廠商為一個(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)理使其滿足精度要求。如上所述，這種方法并不改變拋物線的特征，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，在指定溫度使精度達(dá)到0