工作在擴展溫度范圍的計時器件

DS3231寬溫范圍的時鐘計時需求正在不斷增加，其應用涉及電表、工業(yè)、通信等帶有部分嵌入式付費系統(tǒng)的設(shè)備、全球衛(wèi)星導航接收機及其他行業(yè)應用。準確計時取決于幾個重要參數(shù)，當然其他參數(shù)也會影響時間計時精度，但以下3個參數(shù)是最終用戶需要特別關(guān)注的指標。

● 初始精度：指器件在常規(guī)條件下，最初使用時的精度。

● 長期穩(wěn)定性：用來預測器件在整個有效使用期限內(nèi)的穩(wěn)定度。

● 溫度系數(shù)：估算由于溫度變化造成的精度誤差。

初始精度
初始精度主要受振蕩器質(zhì)量的影響，通常精度越高價格也越貴，比較經(jīng)濟的方法是根據(jù)具體的設(shè)計對振蕩器的初始頻率進行簡單補償。通常需要測量振蕩器的實際頻率，計算出校準值，用其補償振蕩器的頻率誤差。補償初始精度的主要困難在于獲得足夠高的振蕩頻率測量分辨率。實時時鐘采用的音叉振蕩器在室溫下精度的典型值為±20×10-6，頻率測量的分辨率直接影響了時鐘精度的提高，但要獲得頻率的高分辨率測量需要大量的累計計數(shù)或以極高的精度測量脈沖周期。確定RTC的初始精度后，可以使用軟件補償時間誤差，但這種方法補償?shù)膬H僅是已知的時間間隔，不會改變振蕩器的頻率。如果振蕩器輸出用于需要高精度時鐘的場合，這種方法將不適合。

另外一種RTC經(jīng)常使用的方法是測量基頻，對分頻鏈路進行加、減計數(shù)來調(diào)節(jié)計時頻率。這種方法無須額外的軟件開銷即可提高計時精度，但不能調(diào)節(jié)基頻。此外，這種方法也需要高精度測量振蕩頻率。以Maxim公司的RTC為例，它采用的方法是通過調(diào)節(jié)晶體的負載電容來調(diào)節(jié)晶體的振蕩頻率。這種方法可以補償基頻，有效提高計時精度和方波輸出時鐘的精度，二者工作在同一時鐘源。

長期穩(wěn)定度
提高精度的另一途徑是補償器件的長期穩(wěn)定度，要求器件在其使用期限內(nèi)重復測量并進行校準，這種條件在某些場合是可以接受的，但有些應用則無法采納或不便操作。對于不能進行讀寫操作、獨立工作的設(shè)備，如電表，設(shè)計人員必須提高振蕩器精度或改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以便對其進行讀/寫操作和調(diào)節(jié)，但是，無論哪種方案都會提高系統(tǒng)成本。

頻率的長期穩(wěn)定性主要受石英晶體老化的影響，補償這種影響的唯一方法是測量頻率并根據(jù)測量結(jié)果進行頻率校準或調(diào)理。因為晶體老化的程度隨著時間而減弱，影響較大的時期一般在設(shè)備運行后的前兩年。晶體工作在高溫環(huán)境時會加速老化。晶體安裝在芯片封裝內(nèi)時，回流焊過程中受高溫影響，會使老化發(fā)生一次躍變。但在安裝之后，系統(tǒng)的老化程度會大大減緩。將晶體封裝在RTC芯片內(nèi)，相對于其他外置晶體的RTC具有更好的老化特性。

溫度影響
溫度的不穩(wěn)定和相應的溫度系數(shù)是許多應用所面臨的問題，特別是那些工作在寬溫范圍的應用，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(guān)系為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(guān)系

當器件工作在溫度變化較大的環(huán)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(chǎn)生的計時誤差是±1.7s（每年 ±10.3分鐘），如果工作在擴展級溫度范圍，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(guān)系曲線。

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，并存儲結(jié)果。然后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(diào)節(jié)溫度效應。

溫補晶體振蕩器
本節(jié)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于溫度變化產(chǎn)生的頻偏的概念，如圖2所示，Maxim的這項內(nèi)部校準技術(shù)還獲得了專利。DS32kHz可以作為大多數(shù)系統(tǒng)的32kHz輸入，如RTC或內(nèi)置RTC的微控制器。

圖2 補償和未補償晶體振蕩器的頻率與溫度關(guān)系曲線

帶有RTC的設(shè)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。備份電池為時鐘振蕩器和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(shè)計人員須注意電池電壓對頻率穩(wěn)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）。DS32kHz溫補電路的設(shè)計能夠保證受電源電壓變化的影響最小。當供電電源由主電源切換到電池時，將啟用不同的補償系統(tǒng)。這種方法幾乎消除了供電電壓變化產(chǎn)生的頻率誤差。

圖3 DS32kHz的簡單框圖

帶有溫償晶振的RTC
本節(jié)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(nèi)部集成了溫補振蕩器，類似于DS32kHz。除了RTC和振蕩器外，DS3231還包括以下電路模塊。

圖4 DS3231集成了溫補晶振、I2C接口的實時時鐘

電源控制：電路用于切換主電源和備份電池，僅在主電源低于內(nèi)部電壓基準時才啟用電池供電。這種結(jié)構(gòu)允許使用工作電壓范圍較寬的電池和3.3V主電源，避免不必要的電池放電。

復位：在主電源電壓低于內(nèi)部門限時被觸發(fā)。該芯片帶有一個外部手動復位，內(nèi)部電路設(shè)置最小復位周期，對復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(guī)模式和電池備份模式，時鐘輸出經(jīng)過溫度補償。

INT/SQW：為漏極開路輸出，產(chǎn)生方波中斷信號?？赏ㄟ^軟件設(shè)置1Hz、1.024Hz、4.096Hz或8.192Hz頻率，輸出經(jīng)過溫度補償。

溫度傳感器：提供溫度數(shù)據(jù)輸出，通過串口讀取溫度數(shù)據(jù)。DS3231集成溫度傳感器（精度為±3.0℃）由于替代了外部分立傳感器，從而有效降成本。利用傳感器測量的溫度值，在校準數(shù)據(jù)查找表內(nèi)選擇補償數(shù)值，由補償電路對溫度產(chǎn)生的頻率誤差進行修正。

控制寄存器：包含對晶體振蕩器長期穩(wěn)定性補償?shù)臄?shù)值。

I2C接口：支持標準的I2C接口通信，最高速率達400kHz。

圖5 DS3231 RTC典型應用電路

如圖5所示，典型的DS3231應用電路內(nèi)部集成了晶體，其他電路類似于普通RTC，設(shè)計人員無須考慮分立晶體的選擇和布板。因為DS3231包含經(jīng)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(wěn)定性。由于內(nèi)嵌在封裝內(nèi)的晶體已經(jīng)經(jīng)過高溫老化處理，DS3231與分立的晶體相比具有更好的長期穩(wěn)定性。精度可以達到±2×10-6，溫度范圍0～+40℃。