溫度波動是晶體頻率漂移的最重要原因。系統(tǒng)工程師可以考慮一些選項來緩解這個問題。
帶校準寄存器的 RTC
對于在溫度穩(wěn)定但平均溫度不超過 25°C 的環(huán)境中運行的應(yīng)用，可以使用帶有校準寄存器的實時時鐘 (RTC) 來校正時間。這個概念是從時鐘計數(shù)器中添加或減去計數(shù)以加速或減慢時鐘。校正時間所需的正計數(shù)或負計數(shù)的量可以使用晶體供應(yīng)商提供的晶體頻率公式來計算。
系統(tǒng)設(shè)計人員還可以將此類 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)整計數(shù)值。然而，這種方法有很多缺點。
首先，額外的溫度傳感器會增加系統(tǒng)成本并占用更多的電路板空間。其次，微控制器需要定期調(diào)整校準寄存器，這會增加微控制器的開銷。第三，晶體頻率公式可能不能非常準確地反映晶體的實際溫度響應(yīng)，因為每個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。對于高精度應(yīng)用，這種解決方案可能不可接受。
TCXO作為時鐘源
溫度補償晶體振蕩器 (TCXO) 將振蕩晶體、溫度傳感器和數(shù)字邏輯集成在一個封裝中。在整個工作溫度范圍內(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 的時鐘輸入即可驅(qū)動計時邏輯。該解決方案不需要微控制器來校正時間，但仍然存在電路板空間、成本高和功耗較高的問題。
帶有集成 TCXO 的 RTC
通過集成溫度傳感器、晶體、負載電容器和溫度補償電路可以形成高精度 RTC。在工業(yè)級 -40 至 85°C 或汽車級 -40 至 125°C 的工作溫度范圍內(nèi)，此類 RTC 的精度規(guī)格通常約為 5 ppm 或更低。它節(jié)省了電路板空間、功耗和微控制器資源。
如前所述，除了溫度之外，RTC 還需要了解晶體的溫度響應(yīng)特性，以便校正頻率誤差。該信息可以從制造過程中的校準過程中獲取。盡管晶體供應(yīng)商提供了計算典型頻率的公式，但每種晶體的特性可能略有不同。在室溫下，典型晶體的誤差高達 20 ppm。
每個 RTC 應(yīng)單獨校準，以實現(xiàn)最高精度的性能。因此，在校準過程中，在多個不同溫度點測量晶體的頻率。顯然，測量的校準點越多，測量數(shù)據(jù)與實際的頻率-溫度特性曲線就越吻合。
在校準過程中，每次進行新的測量之前，測試工程師都需要更改測試室的溫度或?qū)⒕A移動到具有預(yù)設(shè)溫度的不同室。晶片溫度達到平衡后即可進行測量。由于這些原因，制造商不想進行大量測量，因為這將大大增加測試時間，從而增加設(shè)備的成本。
設(shè)計工程師經(jīng)常使用插值方法利用有限的測量數(shù)據(jù)點來重建頻率-溫度曲線。以設(shè)計者考慮二階方程的情況為例，例如：
在哪里：
f 是頻率
t 是溫度
a、b、c 是系數(shù)
它是晶體頻率-溫度曲線的近似值，足以滿足所需的精度規(guī)格，因此工程師只需在不同溫度點測量的三個數(shù)據(jù)點即可求解三個系數(shù)。對于任何類型的插值，給定數(shù)據(jù)點的誤差都是最小的。當輸入?yún)?shù)遠離給定數(shù)據(jù)點時，計算將偏離真實曲線更多。因此，測量的溫度應(yīng)該間隔開。在這種情況下，選擇最低溫度、室溫和最高溫度點是一個合理的選擇。
現(xiàn)在，借助插值公式和溫度傳感器，RTC“確切地”知道實際振蕩器頻率與理想 32.768 kHz 的差距有多大。但RTC如何校正頻率呢?使用前面討論的校準寄存器是一種可能的方法，但很少在具有集成晶體的 RTC 中實現(xiàn)。在上述帶有外部諧振器的 RTC 部分中，有幾個因素會影響晶體振蕩頻率。
其中之一是負載電容器。通過操縱負載電容器，溫度補償電路可以精確地增加或減少振蕩頻率?？勺冸娙萜鞯囊粋€示例是簡單的電容器陣列加上一組用于并聯(lián)斷開或連接電容器的開關(guān)。
與 RTC 內(nèi)的所有其他組件相比，溫度傳感器消耗大量功率。傳感器開啟的次數(shù)越多，RTC 的平均總電流就越高。測量溫度和運行補償算法的頻率取決于操作環(huán)境的需要。一些 RTC 提供選項供用戶設(shè)置適當?shù)臏囟葴y量間隔。
下面是一個帶有集成 TCXO 和晶體的 RTC 示例。DS3231SN 的精度規(guī)格在 -40° 至 85°C 的整個工作溫度范圍內(nèi)支持最高 3.5 ppm，但在 0° 至 40°C 的整個工作溫度范圍內(nèi)僅支持 2 ppm。圖 1顯示了顯示 TCXO 和典型晶體振蕩器之間精度差異的圖。
圖 1 DS3231SN 與典型晶體振蕩器之間的比較突出顯示了通過使用帶有集成 TCXO 的 RTC 獲得的精度增益。
具有集成 MEMS 諧振器的 RTC
集成 TCXO 的 RTC 似乎是一個完美的解決方案;然而，它仍然存在一些弱點。對于可穿戴設(shè)備或其他小型應(yīng)用來說，具有集成 32.768 kHz 晶體的 RTC 過于龐大。晶體供應(yīng)商無法減小晶體的尺寸，因為頻率決定了晶體的尺寸。為了進一步減小尺寸，可以使用不同類型的諧振器，即帶有集成 MEMS 諧振器的 RTC。
MEMS 是一種非常小的機電器件，可以振動并產(chǎn)生高度穩(wěn)定的參考頻率。新一代 MEMS 對溫度變化的敏感度遠低于晶體。它的質(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，因此它對振動和機械沖擊的抵抗能力更強。 MEMS 諧振器安裝在 IC 芯片上，因此整體封裝尺寸幾乎與芯片尺寸一樣小。
MEMS諧振器通常比晶體諧振器消耗更多的功率。設(shè)計者可以通過最大化MEMS諧振器的阻抗來降低功耗，從而降低電流消耗。等效阻抗為：
當C L接近0時阻抗變得最高，在這種情況下，諧振器在其并聯(lián)諧振頻率附近工作。它將減少電流和功耗;然而，僅僅因為不存在負載電容器，負載電容器對于調(diào)整振蕩頻率以進行溫度補償是無用的。
由于振蕩器的輸出頻率無法通過增加或減少負載電容來改變，因此設(shè)計工程師需要采用不同的方法來調(diào)整頻率，然后再將其輸入 RTC 計時邏輯。一種解決方案是在振蕩器輸出和 RTC 計時時鐘輸入之間插入小數(shù)分頻器。
小數(shù)分頻器
從數(shù)字設(shè)計入門課程中，人們可能會想起許多實現(xiàn)可除以任何正整數(shù)的時鐘分頻器的方法。小數(shù)分頻器可以將時鐘除以任何小數(shù)。為了理解小數(shù)除法器如何工作的高級概念，讓我們考慮一個非常簡單的例子。假設(shè)輸入時鐘為 100 Hz，目標是從該 100 Hz 參考時鐘獲得 1 Hz 輸出。我們可以簡單地將時鐘除以 100。
圖 2簡單的時鐘分頻器無法產(chǎn)生 0.999 Hz 至 1.009 Hz 之間的精確輸出頻率。
如果參考輸入時鐘從 100 Hz 稍微更改為 99.9 Hz 會怎樣?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)?.999 Hz;也就是說，略慢于 1 Hz。如果除數(shù)為 99，則輸出變?yōu)?1.009 Hz;比 1 Hz 稍快。圖 3顯示了 100 分頻和 99 分頻時鐘輸出信號的重疊，并且 1 Hz 時鐘的理想上升沿位于灰色區(qū)域內(nèi)的某個位置。
圖 3該圖顯示了 99 分頻與 100 分頻輸出時鐘操作。
簡單的時鐘分頻器無法產(chǎn)生 0.999 Hz 至 1.009 Hz 之間的精確輸出頻率。小數(shù)分頻器有一個控制電路來調(diào)制除數(shù)，使其輸出時鐘頻率可以在0.999 Hz和1.009 Hz之間切換。如果仔細設(shè)計兩個除數(shù)值之間的出現(xiàn)比率，理論上除數(shù)器可以隨時間生成 0.999 Hz 到 1.009 Hz 之間的任何頻率的平均值。盡管每個時鐘周期不是精確的 1 Hz 時鐘周期，但隨著時間的推移，平均輸出時鐘可以非常精確。
設(shè) x 為 0.999 Hz 時鐘出現(xiàn)的次數(shù)，y 為 1.009 Hz 時鐘出現(xiàn)的次數(shù)。為了計算 x 與 y 出現(xiàn)的正確比率，可以這樣建立一個方程：
在哪里：
x 是除以 100 時鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)
y 是除以 99 時鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)
T Div_100是一個 100 分頻時鐘周期的周期(本例中T Div_100 = 100/99.9 Hz)
T Div_99是 1 個 99 分頻時鐘周期的周期(本例中T Div_99 = 99/99.9 Hz)
T Target是一個目標平均時鐘周期的周期(本例中T Target =1)
通過替換所有周期變量：
通過這個方程，經(jīng)過一些代數(shù)運算，計算出的 x:y 的比率為 9:1。這意味著當小數(shù)分頻器的輸入時鐘為 99.9 Hz 時，每 9 個 100 分頻時鐘插入 1 個 99 分頻時鐘。在總共 10 個時鐘周期中，平均頻率將恰好為 1 Hz。此 9:1 模式將連續(xù)重復(fù)，直到輸入頻率發(fā)生變化。如前所述，輸入頻率可以通過溫度頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)或從校準獲得的查找表來確定。
Maxim Integrated 的 MAX31343 是業(yè)界最小的帶有集成諧振器的 RTC。它具有內(nèi)置溫度傳感器和用于溫度補償的小數(shù)分頻器，并且僅消耗 970 nA 的計時電流。它在低于 5 ppm 的工作溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的精度規(guī)格，適用于各種應(yīng)用，特別是那些空間受限且需要高精度和堅固性以承受機械振動和沖擊的應(yīng)用。
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