中心議題：

• 寬溫範圍的時鍾工作要素
• 溫補晶體振蕩器方案介紹

解決方案：

• 初始精度
• 長期穩定度
• 溫度係數

寬溫範圍的時鍾計時需求正在不斷增加，其應用涉及電表、工業
、通信等帶有部分嵌入式付費係統的設備、全球衛星導航接收機及其他行業應用。準確計時取決於幾個重要參數，當然其他參數也會影響時間計時精度，但以下3個參數是最終用戶需要特別關注的指標。

●初始精度：指器件在常規條件下，最初使用時的精度。

●長期穩定性：用來預測器件在整個有效使用期限內的穩定度。

●溫度係數：估算由於溫度變化造成的精度誤差。

初始精度

初(chu)始(shi)精(jing)度(du)主(zhu)要(yao)受(shou)振(zhen)蕩(dang)器(qi)質(zhi)量(liang)的(de)影(ying)響(xiang)
，通(tong)常(chang)精(jing)度(du)越(yue)高(gao)價(jia)格(ge)也(ye)越(yue)貴(gui)
，比(bi)較(jiao)經(jing)濟(ji)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)的(de)設(she)計(ji)對(dui)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)初(chu)始(shi)頻(pin)率(lv)進(jin)行(xing)簡(jian)單(dan)補(bu)償(chang)。通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)測(ce)量(liang)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)實(shi)際(ji)頻(pin)率(lv)
，計(ji)算(suan)出(chu)校(xiao)準(zhun)值(zhi)
，用(yong)其(qi)補(bu)償(chang)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)頻(pin)率(lv)誤(wu)差(cha)。補(bu)償(chang)初(chu)始(shi)精(jing)度(du)的(de)主(zhu)要(yao)困(kun)難(nan)在(zai)於(yu)獲(huo)得(de)足(zu)夠(gou)高(gao)的(de)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)測(ce)量(liang)分(fen)辨(bian)率(lv)。實(shi)時(shi)時(shi)鍾(zhong)采(cai)用(yong)的(de)音(yin)叉(cha)振(zhen)蕩(dang)器(qi)在(zai)室(shi)溫(wen)下(xia)精(jing)度(du)的(de)典(dian)型(xing)值(zhi)為(wei)±20×10-6
，頻(pin)率(lv)測(ce)量(liang)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)了(le)時(shi)鍾(zhong)精(jing)度(du)的(de)提(ti)高(gao)
，但(dan)要(yao)獲(huo)得(de)頻(pin)率(lv)的(de)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)測(ce)量(liang)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)的(de)累(lei)計(ji)計(ji)數(shu)或(huo)以(yi)極(ji)高(gao)的(de)精(jing)度(du)測(ce)量(liang)脈(mai)衝(chong)周(zhou)期(qi)。確(que)定(ding)RTC的(de)初(chu)始(shi)精(jing)度(du)後(hou)
，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)軟(ruan)件(jian)補(bu)償(chang)時(shi)間(jian)誤(wu)差(cha)

，但(dan)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)補(bu)償(chang)的(de)僅(jin)僅(jin)是(shi)已(yi)知(zhi)的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)，不(bu)會(hui)改(gai)變(bian)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)頻(pin)率(lv)。如(ru)果(guo)振(zhen)蕩(dang)器(qi)輸(shu)出(chu)用(yong)於(yu)需(xu)要(yao)高(gao)精(jing)度(du)時(shi)鍾(zhong)的(de)場(chang)合(he)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)將(jiang)不(bu)適(shi)合(he)。

另外一種RTC經常使用的方法是測量基頻，對分頻鏈路進行加、減jian計ji數shu來lai調tiao節jie計ji時shi頻pin率lv。這zhe種zhong方fang法fa無wu須xu額e外wai的de軟ruan件jian開kai銷xiao即ji可ke提ti高gao計ji時shi精jing度du，但dan不bu能neng調tiao節jie基ji頻pin。此ci外wai，這zhe種zhong方fang法fa也ye需xu要yao高gao精jing度du測ce量liang振zhen蕩dang頻pin率lv。以yiMaxim公司的RTC為wei例li
，它ta采cai用yong的de方fang法fa是shi通tong過guo調tiao節jie晶jing體ti的de負fu載zai電dian容rong來lai調tiao節jie晶jing體ti的de振zhen蕩dang頻pin率lv。這zhe種zhong方fang法fa可ke以yi補bu償chang基ji頻pin
，有you效xiao提ti高gao計ji時shi精jing度du和he方fang波bo輸shu出chu時shi鍾zhong的de精jing度du，二er者zhe工gong作zuo在zai同tong一yi時shi鍾zhong源yuan。

長期穩定度

提ti高gao精jing度du的de另ling一yi途tu徑jing是shi補bu償chang器qi件jian的de長chang期qi穩wen定ding度du
，要yao求qiu器qi件jian在zai其qi使shi用yong期qi限xian內nei重zhong複fu測ce量liang並bing進jin行xing校xiao準zhun，這zhe種zhong條tiao件jian在zai某mou些xie場chang合he是shi可ke以yi接jie受shou的de
，但dan有you些xie應ying用yong則ze無wu法fa采cai納na或huo不bu便bian操cao作zuo。對dui於yu不bu能neng進jin行xing讀du寫xie操cao作zuo、獨立工作的設備，如電表，設計人員必須提高振蕩器精度或改變係統結構，以便對其進行讀/寫操作和調節
，但是，無論哪種方案都會提高係統成本。

頻pin率lv的de長chang期qi穩wen定ding性xing主zhu要yao受shou石shi英ying晶jing體ti老lao化hua的de影ying響xiang，補bu償chang這zhe種zhong影ying響xiang的de唯wei一yi方fang法fa是shi測ce量liang頻pin率lv並bing根gen據ju測ce量liang結jie果guo進jin行xing頻pin率lv校xiao準zhun或huo調tiao理li。因yin為wei晶jing體ti老lao化hua的de程cheng度du隨sui著zhe時shi間jian而er減jian弱ruo
，影ying響xiang較jiao大da的de時shi期qi一yi般ban在zai設she備bei運yun行xing後hou的de前qian兩liang年nian。晶jing體ti工gong作zuo在zai高gao溫wen環huan境jing時shi會hui加jia速su老lao化hua。晶jing體ti安an裝zhuang在zai芯xin片pian封feng裝zhuang內nei時shi，回hui流liu焊han過guo程cheng中zhong受shou高gao溫wen影ying響xiang
，會hui使shi老lao化hua發fa生sheng一yi次ci躍yue變bian。但dan在zai安an裝zhuang之zhi後hou
，係xi統tong的de老lao化hua程cheng度du會hui大da大da減jian緩huan。將jiang晶jing體ti封feng裝zhuang在zaiRTC芯片內

，相對於其他外置晶體的RTC具有更好的老化特性。

溫度影響

溫度的不穩定和相應的溫度係數是許多應用所麵臨的問題
，特別是那些工作在寬溫範圍的應用

，如室外電表或水表。標準的用作RTC時基的32.768kHz音叉晶體的頻率響應與溫度之間的關係為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為折點溫度，f0為折點溫度處的頻偏。


圖1典型的32.768kHz音叉晶體的頻偏與溫度的關係

當器件工作在溫度變化較大的環境中，頻率隨溫度的變化將成為影響計時精度的主要因素。標準的±20×10-6晶體每天產生的計時誤差是±1.7s（每年±10.3分鍾），如果工作在擴展級溫度範圍，誤差可能達到-150×10-6，每天計時誤差為±13s，每年±1.3h。圖1為頻率隨溫度變化的關係曲線。

消除溫度對精度影響的唯一途徑是提供實時的溫度補償。校準程序要準確測量晶體/振蕩器隨溫度的變化情況
，並存儲結果。然後按照一定的時間間隔測量晶體溫度，利用存儲的校準信息調節溫度效應。[page]

溫補晶體振蕩器

本節將以Maxim公司的DS32kHz溫補晶體振蕩器為例
，介紹通過改變晶體負載電容修正由於溫度變化產生的頻偏的概念
，如圖2所示
，Maxim的這項內部校準技術還獲得了專利。DS32kHz可以作為大多數係統的32kHz輸入
，如RTC或內置RTC的微控製器。


圖2補償和未補償晶體振蕩器的頻率與溫度關係曲線

帶有RTC的設備通常都有備份電池，當主電源掉電時由備份電池支持RTC工作。備份電池為時鍾振蕩器和RTC供電
，DS32kHz有兩個電源輸入引腳，如圖3所示
，VBAT接電池，Vcc接主電源。設計人員須注意電池電壓對頻率穩定度的影響（典型的供電電壓是主電源5V，備份電池電壓為3V）。DS32kHzwenbudianludeshejinenggoubaozhengshoudianyuandianyabianhuadeyingxiangzuixiao。danggongdiandianyuanyouzhudianyuanqiehuandaodianchishi，jiangqiyongbutongdebuchangxitong。zhezhongfangfajihuxiaochulegongdiandianyabianhuachanshengdepinlvwucha。


圖3DS32kHz的簡單框圖

帶有溫償晶振的RTC

本節將以Maxim公司的DS3231為例，介紹帶有溫償晶振的RTC。如圖4所示，DS3231內部集成了溫補振蕩器
，類似於DS32kHz。除了RTC和振蕩器外，DS3231還包括以下電路模塊。


圖4DS3231集成了溫補晶振

、I2C接口的實時時鍾

電源控製：電路用於切換主電源和備份電池，僅在主電源低於內部電壓基準時才啟用電池供電。這種結構允許使用工作電壓範圍較寬的電池和3.3V主電源，避免不必要的電池放電。

複位：在主電源電壓低於內部門限時被觸發。該芯片帶有一個外部手動複位，內部電路設置最小複位周期，對複位信號進行去抖動處理。

32kHz：為漏極開路輸出，可以工作在常規模式和電池備份模式，時鍾輸出經過溫度補償。

INT/SQW：為漏極開路輸出，產生方波中斷信號。可通過軟件設置1Hz、1.024Hz、4.096Hz或8.192Hz頻率，輸出經過溫度補償。

溫度傳感器：提供溫度數據輸出，通過串口讀取溫度數據。DS3231集成溫度傳感器（精度為±3.0℃）由(you)於(yu)替(ti)代(dai)了(le)外(wai)部(bu)分(fen)立(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，從(cong)而(er)有(you)效(xiao)降(jiang)成(cheng)本(ben)。利(li)用(yong)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)的(de)溫(wen)度(du)值(zhi)，在(zai)校(xiao)準(zhun)數(shu)據(ju)查(zha)找(zhao)表(biao)內(nei)選(xuan)擇(ze)補(bu)償(chang)數(shu)值(zhi)，由(you)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)對(dui)溫(wen)度(du)產(chan)生(sheng)的(de)頻(pin)率(lv)誤(wu)差(cha)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)。

控製寄存器：包含對晶體振蕩器長期穩定性補償的數值。

I2C接口：支持標準的I2C接口通信，最高速率達400kHz。


圖5DS3231RTC典型應用電路

如圖5所示

，典型的DS3231應用電路內部集成了晶體，其他電路類似於普通RTC，設計人員無須考慮分立晶體的選擇和布板。因為DS3231包含經過溫度補償校準的振蕩器，可顯著提高RTC的初始精度和溫度穩定性。由於內嵌在封裝內的晶體已經經過高溫老化處理，DS3231與分立的晶體相比具有更好的長期穩定性。精度可以達到±2×10-6，溫度範圍0～+40℃。