實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)精度提高方案

　前言

　　為滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)更高時(shí)鐘精度的需求，半導(dǎo)體廠(chǎng)商正在研發(fā)創(chuàng)新的時(shí)鐘解決方案，以提高計(jì)時(shí)精度。現(xiàn)在有越來(lái)越多的應(yīng)用要求實(shí)時(shí)時(shí)鐘在寬溫度范圍內(nèi)具有極高的計(jì)時(shí)精度。多費(fèi)率智能電表就是其中一個(gè)典型實(shí)例，因?yàn)楣╇姽拘枰涗浂噘M(fèi)率電能的使用數(shù)據(jù)，以便精確計(jì)算電費(fèi)，這要求在23℃的參考溫度下，實(shí)時(shí)時(shí)鐘每天計(jì)時(shí)精度小于±0.5秒，即計(jì)時(shí)精度小于±6 ppm （百萬(wàn)分之一）。中國(guó)最新的電能表標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 357-2009規(guī)定，在-25℃至+60℃的溫度范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘每天計(jì)時(shí)精度必須在±1秒（即±12 ppm）內(nèi)。考慮到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，普通實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）無(wú)法滿(mǎn)足這個(gè)應(yīng)用要求。本文將論述多個(gè)提高計(jì)時(shí)精度的解決方案，同時(shí)還論述一個(gè)最佳的參考方案。

　　挑戰(zhàn)

　　典型實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用32.768 kHz音叉表晶石英晶體。這類(lèi)晶振容易在市場(chǎng)買(mǎi)到，而且價(jià)格較便宜。在25℃時(shí)，晶體通?？商峁┐蠹s±25 ppm的計(jì)時(shí)精度或每天2秒的誤差。雖然非常適合電池供電應(yīng)用的低功耗需求，但是在-40 ℃至+85 ℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)，頻率變化很大。在極端溫度條件下，頻率誤差可能在-108 ppm至-177 ppm之間，如圖圖1所示。最終時(shí)鐘可能每天慢10秒至16秒。

　　因晶體內(nèi)在特性而產(chǎn)生的頻率誤差曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)精度只能與其參考時(shí)鐘（晶體）相同。

圖1:典型的32.768 kHz頻率誤差對(duì)溫度曲線(xiàn)

　　提高計(jì)時(shí)精度的可行方案

　　晶體篩選

　　有多種方法可提高實(shí)時(shí)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)精度。提高參考時(shí)鐘（晶體）的技術(shù)參數(shù)是首選的且最簡(jiǎn)單的解決辦法。通過(guò)晶體篩選可獲得±10 ppm甚至±5 ppm的精度。時(shí)鐘篩選雖然可行，但不是最佳方案，因?yàn)閺S(chǎng)商提高晶體計(jì)時(shí)精度的成本昂貴。這種方法的最大限制是只能在一個(gè)溫度點(diǎn)（例如室溫）篩選晶體。但是，隨著工業(yè)溫度變化，頻率偏差的拋物線(xiàn)特性依然存在。

　　將晶體置于實(shí)時(shí)時(shí)鐘封裝內(nèi)

　　雖然將晶體置入實(shí)時(shí)時(shí)鐘封裝內(nèi)是一個(gè)較好的可提高計(jì)時(shí)精度的解決辦法，可以消除濕度、振動(dòng)和壓力等環(huán)境因素的影響，但是無(wú)法單獨(dú)解決石英晶體的頻率隨溫度變化的不良特性導(dǎo)致時(shí)鐘精度不高的問(wèn)題。

　　以60 Hz電力線(xiàn)為參考時(shí)鐘

　　該解決方案的原理是把60 Hz電力線(xiàn)（例如，美國(guó)市電）變成可用的時(shí)鐘源。電力線(xiàn)的頻率誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通晶體。該解決方案必須把交流電源轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)時(shí)鐘適用的頻率源。大多數(shù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的輸入需要32.768 kHz的通用晶振，該晶振在內(nèi)部分頻，為應(yīng)用提供第二時(shí)鐘源。多數(shù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘不支持60Hz時(shí)鐘，因此需要使用鎖相環(huán)PLL修正實(shí)時(shí)時(shí)鐘的輸入頻率。此外，因?yàn)?0Hz時(shí)鐘不是32,768時(shí)鐘的約數(shù)，所以在進(jìn)入鎖相環(huán)之前，60Hz時(shí)鐘被不斷地分頻，直到是32,768的公約數(shù)為止。該解決方案需要多個(gè)步驟，可能不適用某些用戶(hù)。

　　某些實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)鐘源可使用60Hz頻率。盡管該改進(jìn)方案不再需要鎖相環(huán)，但是電路對(duì)于部分用戶(hù)仍然過(guò)于復(fù)雜，見(jiàn)圖2.當(dāng)主電源掉電時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的精度沒(méi)有保證。

圖2:60 Hz正弦波保護(hù)

　　使用AT切型晶體

　　另一個(gè)可行的解決方案是使用AT切型晶體。AT切型晶體與微處理器配合，速度越快，晶體隨溫度變化的頻率誤差就越小，因此可提供更高的計(jì)時(shí)精度，但是，它們的晶振卻不適合低功耗應(yīng)用，因?yàn)樵贏(yíng)T切型晶體的典型頻率下，晶振的電流消耗太大。AT切型晶體誤差見(jiàn) 圖 3.

圖3:AT切型晶體與表晶典型特性對(duì)比