溫度波動(dòng)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(xiàng)來緩解這個(gè)問題。

帶校準(zhǔn)寄存器的 RTC

對(duì)于在溫度穩(wěn)定但平均溫度不超過 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) 來校正時(shí)間。這個(gè)概念是從時(shí)鐘計(jì)數(shù)器中添加或減去計(jì)數(shù)以加速或減慢時(shí)鐘。校正時(shí)間所需的正計(jì)數(shù)或負(fù)計(jì)數(shù)的量可以使用晶體供應(yīng)商提供的晶體頻率公式來計(jì)算。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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)成本并占用更多的電路板空間。其次，微控制器需要定期調(diào)整校準(zhǔn)寄存器，這會(huì)增加微控制器的開銷。第三，晶體頻率公式可能不能非常準(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校正時(shí)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(fù)載電容器和溫度補(bǔ)償電路可以形成高精度 RTC。在工業(yè)級(jí) -40 至 85°C 或汽車級(jí) -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(zhǔn)過程中獲取。盡管晶體供應(yīng)商提供了計(jì)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(dá) 20 ppm。

每個(gè) RTC 應(yīng)單獨(dú)校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最高精度的性能。因此，在校準(zhǔn)過程中，在多個(gè)不同溫度點(diǎn)測量晶體的頻率。顯然，測量的校準(zhǔn)點(diǎn)越多，測量數(shù)據(jù)與實(shí)際的頻率-溫度特性曲線就越吻合。

在校準(zhǔn)過程中，每次進(jìn)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)⒕A移動(dòng)到具有預(yù)設(shè)溫度的不同室。晶片溫度達(dá)到平衡后即可進(jìn)行測量。由于這些原因，制造商不想進(jìn)行大量測量，因?yàn)檫@將大大增加測試時(shí)間，從而增加設(shè)備的成本。

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用插值方法利用有限的測量數(shù)據(jù)點(diǎn)來重建頻率-溫度曲線。以設(shè)計(jì)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(diǎn)測量的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可求解三個(gè)系數(shù)。對(duì)于任何類型的插值，給定數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差都是最小的。當(dāng)輸入?yún)?shù)遠(yuǎn)離給定數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，計(jì)算將偏離真實(shí)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(diǎn)是一個(gè)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(shí)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)。在上述帶有外部諧振器的 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)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(yùn)行補(bǔ)償算法的頻率取決于操作環(huán)境的需要。一些 RTC 提供選項(xiàng)供用戶設(shè)置適當(dāng)?shù)臏囟葴y量間隔。

下面是一個(gè)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(gè)工作溫度范圍內(nèi)支持最高 3.5 ppm，但在 0° 至 40°C 的整個(gè)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(gè)完美的解決方案;然而，它仍然存在一些弱點(diǎn)。對(duì)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?yàn)轭l率決定了晶體的尺寸。為了進(jìn)一步減小尺寸，可以使用不同類型的諧振器，即帶有集成 MEMS 諧振器的 RTC。

MEMS 是一種非常小的機(jī)電器件，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。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(duì)振動(dòng)和機(jī)械沖擊的抵抗能力更強(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(jì)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(dāng)C L接近0時(shí)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?yàn)椴淮嬖谪?fù)載電容器，負(fù)載電容器對(duì)于調(diào)整振蕩頻率以進(jìn)行溫度補(bǔ)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(fù)載電容來改變，因此設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)邏輯。一種解決方案是在振蕩器輸出和 RTC 計(jì)時(shí)時(shí)鐘輸入之間插入小數(shù)分頻器。

小數(shù)分頻器

從數(shù)字設(shè)計(jì)入門課程中，人們可能會(huì)想起許多實(shí)現(xiàn)可除以任何正整數(shù)的時(shí)鐘分頻器的方法。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)除法器如何工作的高級(jí)概念，讓我們考慮一個(gè)非常簡單的例子。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。我們可以簡單地將時(shí)鐘除以 100。

圖 2簡單的時(shí)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(shí)鐘從 100 Hz 稍微更改為 99.9 Hz 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)?.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(shí)鐘輸出信號(hào)的重疊，并且 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。

簡單的時(shí)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(gè)控制電路來調(diào)制除數(shù)，使其輸出時(shí)鐘頻率可以在0.999 Hz和1.009 Hz之間切換。如果仔細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)除數(shù)值之間的出現(xiàn)比率，理論上除數(shù)器可以隨時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期不是精確的 1 Hz 時(shí)鐘周期，但隨著時(shí)間的推移，平均輸出時(shí)鐘可以非常精確。

設(shè) x 為 0.999 Hz 時(shí)鐘出現(xiàn)的次數(shù)，y 為 1.009 Hz 時(shí)鐘出現(xiàn)的次數(shù)。為了計(jì)算 x 與 y 出現(xiàn)的正確比率，可以這樣建立一個(gè)方程：

在哪里：

x 是除以 100 時(shí)鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)

y 是除以 99 時(shí)鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)

T Div_100是一個(gè) 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 1 個(gè) 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(本例中T Target =1)

通過替換所有周期變量：

通過這個(gè)方程，經(jīng)過一些代數(shù)運(yùn)算，計(jì)算出的 x:y 的比率為 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(zhǔn)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(bǔ)償的小數(shù)分頻器，并且僅消耗 970 nA 的計(jì)時(shí)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(jiān)固性以承受機(jī)械振動(dòng)和沖擊的應(yīng)用。