RTC 設(shè)計(jì)，第 2 部分：溫度補(bǔ)償至關(guān)重要

正如本系列第 1 部分所述，溫度波動(dòng)是晶體頻率漂移的最主要原因。系統(tǒng)工程師可以考慮一些方法來(lái)緩解此問(wèn)題。

帶校準(zhǔn)寄存器的RTC

對(duì)于在溫度穩(wěn)定但平均溫度不為 25°C 的環(huán)境中運(yùn)行的應(yīng)用，可以使用帶有校準(zhǔn)寄存器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 來(lái)校正時(shí)間。其概念是從時(shí)鐘計(jì)數(shù)器中增加或減去計(jì)數(shù)以加快或減慢時(shí)鐘。校正時(shí)間所需的正計(jì)數(shù)或負(fù)計(jì)數(shù)量可以使用晶體供應(yīng)商提供的晶體頻率公式來(lái)計(jì)算。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以將這種 RTC 與外部溫度傳感器結(jié)合使用。根據(jù)溫度傳感器的輸出，微控制器可以定期調(diào)整計(jì)數(shù)值。然而，這種方法有很多缺點(diǎn)。

首先，額外的溫度傳感器會(huì)增加系統(tǒng)成本并占用更多電路板空間。其次，微控制器需要定期調(diào)整校準(zhǔn)寄存器，這將增加微控制器的開(kāi)銷。第三，晶體頻率公式可能無(wú)法非常準(zhǔn)確地反映晶體的實(shí)際溫度響應(yīng)，因?yàn)槊總€(gè)晶體可能與其他晶體略有不同，并且晶體頻率公式僅代表典型情況。對(duì)于高精度應(yīng)用，這種解決方案可能不可接受。

TCXO作為時(shí)鐘源

溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (TCXO) 將振蕩晶體、溫度傳感器和數(shù)字邏輯集成在一個(gè)封裝中。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，其輸出頻率誤差非常低。只需將 TCXO 的輸出連接到晶體輸入或 RTC 的時(shí)鐘輸入即可驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)邏輯。該解決方案不需要微控制器來(lái)校正時(shí)間，但它仍然存在電路板空間、高成本和更高功耗的問(wèn)題。

帶有集成 TCXO 的 RTC

可以通過(guò)集成溫度傳感器、晶體、負(fù)載電容器和溫度補(bǔ)償電路來(lái)形成高精度 RTC。工業(yè)級(jí) RTC 的工作溫度范圍為 -40 至 85°C，汽車級(jí) RTC 的工作溫度范圍為 -40 至 125°C，這種類型的 RTC 的精度規(guī)格通常約為 5 ppm 或更低。它可以節(jié)省電路板空間、功耗和微控制器資源。

如前所述，除了溫度之外，RTC 還需要知道晶體的溫度響應(yīng)特性，以便糾正頻率誤差。這些信息可以在制造過(guò)程中的校準(zhǔn)過(guò)程中獲得。雖然晶體供應(yīng)商提供了一個(gè)公式來(lái)計(jì)算典型頻率，但每個(gè)晶體的特性可能略有不同。在室溫下，典型的晶體可能會(huì)有高達(dá) 20 ppm 的誤差。

為了達(dá)到最高的精度性能，每個(gè) RTC 都應(yīng)該單獨(dú)校準(zhǔn)。因此，在校準(zhǔn)過(guò)程中，會(huì)在多個(gè)不同的溫度點(diǎn)測(cè)量晶體的頻率。顯然，測(cè)量的校準(zhǔn)點(diǎn)越多，測(cè)量數(shù)據(jù)就越符合實(shí)際的頻率-溫度特性曲線。

在校準(zhǔn)過(guò)程中，每次進(jìn)行新的測(cè)量之前，測(cè)試工程師都需要改變測(cè)試室的溫度或?qū)⒕A移至具有預(yù)設(shè)溫度的其他室中。晶圓溫度達(dá)到平衡后即可進(jìn)行測(cè)量。出于這些原因，制造商不想進(jìn)行大量測(cè)量，因?yàn)檫@將大大增加測(cè)試時(shí)間，從而增加設(shè)備的成本。

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用插值法，利用有限的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)重建頻率-溫度曲線。以設(shè)計(jì)師考慮二階方程的情況為例，例如：

在這里：

f 是頻率

t 是溫度

a、b、c 是系數(shù)

這是晶體頻率-溫度曲線的足夠近似值，可以滿足所需的精度規(guī)格，因此工程師只需要在不同溫度點(diǎn)測(cè)量三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可解決這三個(gè)系數(shù)。對(duì)于任何類型的插值，給定數(shù)據(jù)點(diǎn)處的誤差最小。隨著輸入?yún)?shù)離給定數(shù)據(jù)點(diǎn)越遠(yuǎn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際曲線的偏差就越大。因此，測(cè)量的溫度應(yīng)該間隔開(kāi)來(lái)。在這種情況下，選擇最低溫度、室溫和最高溫度點(diǎn)是一個(gè)合理的選擇。

現(xiàn)在，有了插值公式和溫度傳感器，RTC 就可以“準(zhǔn)確”地知道實(shí)際振蕩器頻率與理想 32.768 kHz 之間的差距。但 RTC 如何校正頻率?使用前面討論過(guò)的校準(zhǔn)寄存器是一種可能的方法，但它很少在帶有集成晶體的 RTC 中實(shí)現(xiàn)。在上面提到的帶有外部諧振器的 RTC 部分中，有幾個(gè)因素會(huì)影響晶體振蕩頻率。

其中之一是負(fù)載電容器。通過(guò)操縱負(fù)載電容器，溫度補(bǔ)償電路可以精確地增加或減少振蕩頻率。可變電容器的一個(gè)例子是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器陣列加上一組斷開(kāi)或并聯(lián)電容器的開(kāi)關(guān)。

與 RTC 內(nèi)部的所有其他組件相比，溫度傳感器消耗的電量更多。傳感器開(kāi)啟的頻率越高，RTC 的平均總電流就越高。測(cè)量溫度和運(yùn)行補(bǔ)償算法的頻率取決于操作環(huán)境的需求。有些 RTC 為用戶提供了設(shè)置適當(dāng)溫度測(cè)量間隔的選項(xiàng)。

以下是集成 TCXO 和晶體的 RTC 示例。DS3231SN 的精度規(guī)格在整個(gè)工作溫度范圍(-40° 至 85°C)內(nèi)支持最高 3.5 ppm，但在 0° 至 40°C 范圍內(nèi)僅支持 2 ppm。圖 1顯示了 TCXO 和典型晶體振蕩器之間的精度差異。

圖 1 DS3231SN 與典型晶體振蕩器的比較突出了使用集成 TCXO 的 RTC 所獲得的精度提升。

集成 MEMS 諧振器的 RTC

集成 TCXO 的 RTC 似乎是一個(gè)完美的解決方案;但是，它仍然存在一些缺點(diǎn)。集成 32.768 kHz 晶體的 RTC 對(duì)于可穿戴設(shè)備或其他小型應(yīng)用來(lái)說(shuō)太笨重了。晶體供應(yīng)商無(wú)法減小晶體的尺寸，因?yàn)轭l率決定了其尺寸。為了進(jìn)一步減小尺寸，可以使用不同類型的諧振器 - 即集成 MEMS 諧振器的 RTC。

MEMS 是一種非常小的機(jī)電設(shè)備，可以振動(dòng)并產(chǎn)生高度穩(wěn)定的參考頻率。新一代 MEMS 對(duì)溫度變化的敏感度遠(yuǎn)低于晶體。其質(zhì)量比晶體小數(shù)千倍。而且由于 MEMS 諧振器的重量要輕得多，因此它對(duì)振動(dòng)和機(jī)械沖擊的抵抗力更強(qiáng)。MEMS 諧振器安裝在 IC 芯片上，因此整體封裝尺寸幾乎可以與芯片尺寸一樣小。

MEMS 諧振器通常比晶體諧振器消耗更多功率。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)最大化 MEMS 諧振器的阻抗來(lái)降低功耗，從而使電流消耗更低。等效阻抗為：

當(dāng) C L趨近于 0 時(shí)，阻抗達(dá)到最大，此時(shí)諧振器工作在并聯(lián)諧振頻率附近。這樣可以降低電流和功耗;但是，由于沒(méi)有負(fù)載電容，因此負(fù)載電容無(wú)法用于調(diào)整振蕩頻率進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

由于振蕩器的輸出頻率不能通過(guò)增加或減少負(fù)載電容來(lái)改變，因此設(shè)計(jì)工程師需要采用不同的方法來(lái)調(diào)整頻率，然后再將其輸入到 RTC 計(jì)時(shí)邏輯中。一種解決方案是在振蕩器輸出和 RTC 計(jì)時(shí)時(shí)鐘輸入之間插入一個(gè)小數(shù)分頻器。

小數(shù)分頻器

在入門數(shù)字設(shè)計(jì)課上，你可能會(huì)回想起許多實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分頻器的方法，它可以除以任何正整數(shù)。小數(shù)分頻器可以將時(shí)鐘除以任何小數(shù)。為了理解小數(shù)分頻器工作原理的高級(jí)概念，讓我們考慮一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子。假設(shè)輸入時(shí)鐘為 100 Hz，目標(biāo)是從該 100 Hz 參考時(shí)鐘獲得 1 Hz 輸出。我們可以簡(jiǎn)單地將時(shí)鐘除以 100。

圖 2簡(jiǎn)單的時(shí)鐘分頻器無(wú)法產(chǎn)生 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間的精確輸出頻率。

如果參考輸入時(shí)鐘從 100 Hz 略微變?yōu)?99.9 Hz，情況會(huì)怎樣?我們?nèi)绾螐?99.9 Hz 生成 1 Hz?我們知道，如果除數(shù)為 100，則輸出將變?yōu)?0.999 Hz;也就是說(shuō)，比 1 Hz 稍慢。如果除數(shù)為 99，則輸出將變?yōu)?1.009 Hz;這比 1 Hz 稍快。圖 3顯示了除以 100 和除以 99 的時(shí)鐘輸出信號(hào)的重疊，1 Hz 時(shí)鐘的理想上升沿位于灰色區(qū)域內(nèi)的某個(gè)位置。

圖 3該圖顯示了 99 分頻與 100 分頻輸出時(shí)鐘操作。

簡(jiǎn)單的時(shí)鐘分頻器無(wú)法產(chǎn)生 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間的精確輸出頻率。小數(shù)分頻器具有控制電路來(lái)調(diào)制分頻器，因此其輸出時(shí)鐘頻率可以在 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間切換。如果精心設(shè)計(jì)兩個(gè)分頻值之間的發(fā)生率，理論上分頻器可以隨時(shí)間產(chǎn)生 0.999 Hz 和 1.009 Hz 之間任意頻率的平均值。雖然每個(gè)時(shí)鐘周期都不是精確的 1 Hz 時(shí)鐘周期，但隨時(shí)間平均的輸出時(shí)鐘可以非常準(zhǔn)確。

假設(shè) x 為 0.999 Hz 時(shí)鐘的出現(xiàn)次數(shù)，y 為 1.009 Hz 時(shí)鐘的出現(xiàn)次數(shù)。要計(jì)算 x 與 y 出現(xiàn)的正確比率，可以按以下方式建立方程：

在哪里：

x 是 100 分頻時(shí)鐘周期的發(fā)生次數(shù)

y 是 99 分頻時(shí)鐘周期的發(fā)生次數(shù)

T Div_100是 100 分頻時(shí)鐘周期的周期(本例中T Div_100 = 100/99.9 Hz)

T Div_99是 99 分頻時(shí)鐘周期的周期(本例中 T Div_99 = 99/99.9 Hz)

T Target是一個(gè)目標(biāo)平均時(shí)鐘周期的周期(此示例中， T Target =1)

通過(guò)替換所有周期變量：

利用此公式，經(jīng)過(guò)一些代數(shù)運(yùn)算后，計(jì)算得出的 x:y 比率為 9:1。這意味著當(dāng)小數(shù)分頻器的輸入時(shí)鐘為 99.9 Hz 時(shí)，每 9 個(gè) 100 分頻時(shí)鐘插入 1 個(gè) 99 分頻時(shí)鐘。在總共 10 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，平均頻率將正好為 1 Hz。此 9:1 模式將不斷重復(fù)，直到輸入頻率發(fā)生變化。如前所述，輸入頻率可以通過(guò)從校準(zhǔn)中獲得的溫度到頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)或查找表來(lái)確定。

Maxim Integrated 的 MAX31343 是業(yè)界最小的集成諧振器的 RTC。它具有內(nèi)置溫度傳感器和用于溫度補(bǔ)償的小數(shù)分頻器，僅消耗 970 nA 的計(jì)時(shí)電流。它在小于 5 ppm 的工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的精度規(guī)格，適合各種應(yīng)用，尤其是那些空間受限且需要高精度和堅(jiān)固性以承受機(jī)械振動(dòng)和沖擊的應(yīng)用。