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更多>>實(shí)現(xiàn)溫補(bǔ)晶振的寬溫范圍內(nèi)的精確計(jì)時(shí)
來(lái)源：http://www.jqhs.com.cn 作者：kbdzkj 2018年04月20
溫補(bǔ)晶振即溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）,是通過(guò)附加的溫度補(bǔ)償電路使由周?chē)鷾囟茸兓a(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點(diǎn)：
一是小型化會(huì)使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補(bǔ)償更加困難；
二是片式封裝后在其接作業(yè)中，由于焊接溫度遠(yuǎn)高于溫補(bǔ)晶振的最大允許溫度，會(huì)使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將溫補(bǔ)晶振的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，溫補(bǔ)晶振的技術(shù)水平的提高并沒(méi)進(jìn)入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。
溫度補(bǔ)償
為了實(shí)現(xiàn)寬溫范圍內(nèi)的精確計(jì)時(shí)，某種形式的溫度補(bǔ)償是必須的。溫度補(bǔ)償需要定期檢測(cè)溫度， 然后根據(jù)溫度調(diào)整晶體的負(fù)載，或者是調(diào)整時(shí)鐘源。
溫度補(bǔ)償可以用兩種方法之一實(shí)現(xiàn)。第一種方法是研究一種溫度補(bǔ)償算法，利用溫度傳感器，由計(jì)時(shí)器件完成模擬或數(shù)字的時(shí)鐘補(bǔ)償。這種方法通常需要較大的開(kāi)發(fā)和校準(zhǔn)投入。另一種方法是使用現(xiàn)成的溫補(bǔ)晶振(TCXO)作為RTC的時(shí)鐘源。
校準(zhǔn)寄存器
某些RTC，提供了一個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)寄存器，可以定時(shí)調(diào)整時(shí)間。這種方法并不改變石英晶振的任何特性，但可以上下調(diào)整32.768kHz拋物線(xiàn)，在指定溫度使精度達(dá)到0.0ppm。這是通過(guò)在振蕩器分頻鏈上加、減時(shí)鐘脈沖實(shí)現(xiàn)的。需要減去的時(shí)鐘脈沖(負(fù)校準(zhǔn)減時(shí)鐘)，或需要插入的時(shí)鐘(正校準(zhǔn)加時(shí)鐘)由寄存器的數(shù)值設(shè)置。加時(shí)鐘脈沖，時(shí)間加快；減時(shí)鐘脈沖，時(shí)間減慢。圖2給出的典型曲線(xiàn)表明拋物線(xiàn)上移至精度接近0.0ppm的位置，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為+55°C。
帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC配合溫度傳感器，能夠在指定溫度達(dá)到-2.034ppm到+4.068ppm的計(jì)時(shí)精度。在高溫和低溫端點(diǎn)，調(diào)整范圍為-126ppm至+63ppm，無(wú)法將曲線(xiàn)校準(zhǔn)到接近0.0ppm。需要處理器周期性地測(cè)量溫度，對(duì)校準(zhǔn)寄存器以及其它RTC寄存器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
這種方法的主要難點(diǎn)在于需要工廠(chǎng)校準(zhǔn)。因?yàn)槊總€(gè)石英晶體的特征不同，因此需要對(duì)每個(gè)RTC提供一個(gè)指定溫度范圍內(nèi)的校準(zhǔn)表，從而花費(fèi)較大的人力和較長(zhǎng)時(shí)間。通常采用非易失寄存器保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也大大增加了器件成本。另外，校準(zhǔn)過(guò)程并未補(bǔ)償晶體的老化，可能存在±3ppm的變化。盡管校準(zhǔn)寄存器不能自動(dòng)地隨著溫度的變化進(jìn)行調(diào)整，但它仍然提高了計(jì)時(shí)精度。
溫補(bǔ)晶振
另一種有效提高計(jì)時(shí)精度的方法是使用具有溫度補(bǔ)償?shù)?strong>32.768KHZ晶體振蕩器(TCXO)，如DS32kHz，作為獨(dú)立的RTC時(shí)鐘源。這種器件經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準(zhǔn)，在擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)(-40°C至+85°C)能夠提供±7.5ppm的精度。TCXO的作用是將晶體拋物線(xiàn)變得平坦(圖3)。
TCXO的內(nèi)置溫度傳感器可以定時(shí)檢測(cè)器件溫度，用得到的溫度值在查找表內(nèi)查詢(xún)，查找到的參數(shù)用來(lái)計(jì)算并產(chǎn)生內(nèi)部32.768kHz晶體的負(fù)載電容，以達(dá)到0.0ppm的精度。查找表置于芯片內(nèi)，不需要額外的輸入。
晶體在生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)化于特定的負(fù)載電容，數(shù)據(jù)資料中提供了相應(yīng)的規(guī)格。如果實(shí)際負(fù)載電容不符合規(guī)格要求，將相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)頻率產(chǎn)生偏差。這也正是TCXO提高精度的途徑。如果知道特定晶體在每個(gè)溫度點(diǎn)的頻偏，TCXO可以通過(guò)調(diào)整負(fù)載電容來(lái)調(diào)整頻偏。
使用現(xiàn)成的TCXO不需要研究算法，也不需要工廠(chǎng)校準(zhǔn)。缺點(diǎn)是增加了成本，這種多芯方案也增大了PCB面積。
最精確的方案—集成RTC/TCXO/晶體
理想的精確計(jì)時(shí)器件是集成了RTC、TCXO和石英晶體的單芯片方案。DS3231S、 DS3232和即將公布的DS3234既是這樣的器件。這些器件具有無(wú)與倫比的精度：0°C到+40°C范圍內(nèi)精度為±2.0ppm，相當(dāng)于每年±1.0分鐘；-40°C到0°C和+40°C到+85°C范圍內(nèi)為±3.5ppm，相當(dāng)于每年±1.8分鐘。最差情況下所能提供的精度如圖4所示。如上所述，集成TCXO使晶體原有的拋物線(xiàn)特性曲線(xiàn)變成較為平坦的曲線(xiàn)。
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與上述TCXO方案相同，完全集成的器件經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準(zhǔn)，不需要用戶(hù)校準(zhǔn)，也不需要額外的開(kāi)發(fā)投入。它將同樣的功能集成在更小的面積上，同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本。
一是小型化會(huì)使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補(bǔ)償更加困難；
二是片式封裝后在其接作業(yè)中，由于焊接溫度遠(yuǎn)高于溫補(bǔ)晶振的最大允許溫度，會(huì)使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將溫補(bǔ)晶振的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，溫補(bǔ)晶振的技術(shù)水平的提高并沒(méi)進(jìn)入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。
溫度補(bǔ)償
為了實(shí)現(xiàn)寬溫范圍內(nèi)的精確計(jì)時(shí)，某種形式的溫度補(bǔ)償是必須的。溫度補(bǔ)償需要定期檢測(cè)溫度， 然后根據(jù)溫度調(diào)整晶體的負(fù)載，或者是調(diào)整時(shí)鐘源。
溫度補(bǔ)償可以用兩種方法之一實(shí)現(xiàn)。第一種方法是研究一種溫度補(bǔ)償算法，利用溫度傳感器，由計(jì)時(shí)器件完成模擬或數(shù)字的時(shí)鐘補(bǔ)償。這種方法通常需要較大的開(kāi)發(fā)和校準(zhǔn)投入。另一種方法是使用現(xiàn)成的溫補(bǔ)晶振(TCXO)作為RTC的時(shí)鐘源。
校準(zhǔn)寄存器
某些RTC，提供了一個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)寄存器，可以定時(shí)調(diào)整時(shí)間。這種方法并不改變石英晶振的任何特性，但可以上下調(diào)整32.768kHz拋物線(xiàn)，在指定溫度使精度達(dá)到0.0ppm。這是通過(guò)在振蕩器分頻鏈上加、減時(shí)鐘脈沖實(shí)現(xiàn)的。需要減去的時(shí)鐘脈沖(負(fù)校準(zhǔn)減時(shí)鐘)，或需要插入的時(shí)鐘(正校準(zhǔn)加時(shí)鐘)由寄存器的數(shù)值設(shè)置。加時(shí)鐘脈沖，時(shí)間加快；減時(shí)鐘脈沖，時(shí)間減慢。圖2給出的典型曲線(xiàn)表明拋物線(xiàn)上移至精度接近0.0ppm的位置，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為+55°C。
帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC配合溫度傳感器，能夠在指定溫度達(dá)到-2.034ppm到+4.068ppm的計(jì)時(shí)精度。在高溫和低溫端點(diǎn)，調(diào)整范圍為-126ppm至+63ppm，無(wú)法將曲線(xiàn)校準(zhǔn)到接近0.0ppm。需要處理器周期性地測(cè)量溫度，對(duì)校準(zhǔn)寄存器以及其它RTC寄存器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
這種方法的主要難點(diǎn)在于需要工廠(chǎng)校準(zhǔn)。因?yàn)槊總€(gè)石英晶體的特征不同，因此需要對(duì)每個(gè)RTC提供一個(gè)指定溫度范圍內(nèi)的校準(zhǔn)表，從而花費(fèi)較大的人力和較長(zhǎng)時(shí)間。通常采用非易失寄存器保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也大大增加了器件成本。另外，校準(zhǔn)過(guò)程并未補(bǔ)償晶體的老化，可能存在±3ppm的變化。盡管校準(zhǔn)寄存器不能自動(dòng)地隨著溫度的變化進(jìn)行調(diào)整，但它仍然提高了計(jì)時(shí)精度。
溫補(bǔ)晶振
另一種有效提高計(jì)時(shí)精度的方法是使用具有溫度補(bǔ)償?shù)?strong>32.768KHZ晶體振蕩器(TCXO)，如DS32kHz，作為獨(dú)立的RTC時(shí)鐘源。這種器件經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準(zhǔn)，在擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)(-40°C至+85°C)能夠提供±7.5ppm的精度。TCXO的作用是將晶體拋物線(xiàn)變得平坦(圖3)。
TCXO的內(nèi)置溫度傳感器可以定時(shí)檢測(cè)器件溫度，用得到的溫度值在查找表內(nèi)查詢(xún)，查找到的參數(shù)用來(lái)計(jì)算并產(chǎn)生內(nèi)部32.768kHz晶體的負(fù)載電容，以達(dá)到0.0ppm的精度。查找表置于芯片內(nèi)，不需要額外的輸入。
晶體在生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)化于特定的負(fù)載電容，數(shù)據(jù)資料中提供了相應(yīng)的規(guī)格。如果實(shí)際負(fù)載電容不符合規(guī)格要求，將相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)頻率產(chǎn)生偏差。這也正是TCXO提高精度的途徑。如果知道特定晶體在每個(gè)溫度點(diǎn)的頻偏，TCXO可以通過(guò)調(diào)整負(fù)載電容來(lái)調(diào)整頻偏。
使用現(xiàn)成的TCXO不需要研究算法，也不需要工廠(chǎng)校準(zhǔn)。缺點(diǎn)是增加了成本，這種多芯方案也增大了PCB面積。
最精確的方案—集成RTC/TCXO/晶體
理想的精確計(jì)時(shí)器件是集成了RTC、TCXO和石英晶體的單芯片方案。DS3231S、 DS3232和即將公布的DS3234既是這樣的器件。這些器件具有無(wú)與倫比的精度：0°C到+40°C范圍內(nèi)精度為±2.0ppm，相當(dāng)于每年±1.0分鐘；-40°C到0°C和+40°C到+85°C范圍內(nèi)為±3.5ppm，相當(dāng)于每年±1.8分鐘。最差情況下所能提供的精度如圖4所示。如上所述，集成TCXO使晶體原有的拋物線(xiàn)特性曲線(xiàn)變成較為平坦的曲線(xiàn)。
與上述TCXO方案相同，完全集成的器件經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準(zhǔn)，不需要用戶(hù)校準(zhǔn)，也不需要額外的開(kāi)發(fā)投入。它將同樣的功能集成在更小的面積上，同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本。
與獨(dú)立TCXO不同的是，其內(nèi)部寄存器可以通過(guò)串行接口訪(fǎng)問(wèn)。芯片內(nèi)部的器件老化寄存器可以提供進(jìn)一步的負(fù)載電容和溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償晶體老化造成的精度損失。
康比電子是專(zhuān)業(yè)從事石英晶振、貼片晶振、有源晶振、壓電陶瓷諧振器的高科技企業(yè)、集石英晶振、陶瓷晶體、有源晶振的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷(xiāo)和服務(wù)為一體，擁有萬(wàn)級(jí)凈化廠(chǎng)房、國(guó)際先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備、專(zhuān)用檢測(cè)儀器,本公司產(chǎn)品率先解決了石英晶振、陶瓷晶振、音叉晶體、32.768KHZ等、頻率不穩(wěn)定、不抗跌落、不耐高溫等難題，月產(chǎn)量8000萬(wàn)只，成為同行業(yè)中的佼佼者，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)西歐一帶國(guó)家、巴西、中國(guó)香港、大陸、中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)內(nèi)外市場(chǎng).并提供晶振產(chǎn)品解決方案.
康比電子是專(zhuān)業(yè)從事石英晶振、貼片晶振、有源晶振、壓電陶瓷諧振器的高科技企業(yè)、集石英晶振、陶瓷晶體、有源晶振的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷(xiāo)和服務(wù)為一體，擁有萬(wàn)級(jí)凈化廠(chǎng)房、國(guó)際先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備、專(zhuān)用檢測(cè)儀器,本公司產(chǎn)品率先解決了石英晶振、陶瓷晶振、音叉晶體、32.768KHZ等、頻率不穩(wěn)定、不抗跌落、不耐高溫等難題，月產(chǎn)量8000萬(wàn)只，成為同行業(yè)中的佼佼者，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)西歐一帶國(guó)家、巴西、中國(guó)香港、大陸、中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)內(nèi)外市場(chǎng).并提供晶振產(chǎn)品解決方案.
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