工作在扩展温度范围的计时器件

宽温范围的时钟计时需求正在不断增加，其应用涉及电表、工业、通信等带有部分嵌入式付费系统的设备、全球卫星导航接收机及其他行业应用。准确计时取决于几个重要参数，当然其他参数也会影响时间计时精度，但以下3个参数是最终用户需要特别关注的指标。

● 初始精度：指器件在常规条件下，最初使用时的精度。

● 长期稳定性：用来预测器件在整个有效使用期限内的稳定度。

● 温度系数：估算由于温度变化造成的精度误差。

初始精度
初始精度主要受振荡器质量的影响，通常精度越高价格也越贵，比较经济的方法是根据具体的设计对振荡器的初始频率进行简单补偿。通常需要测量振荡器的实际频率，计算出校准值，用其补偿振荡器的频率误差。补偿初始精度的主要困难在于获得足够高的振荡频率测量分辨率。实时时钟采用的音叉振荡器在室温下精度的典型值为±20×10-6，频率测量的分辨率直接影响了时钟精度的提高，但要获得频率的高分辨率测量需要大量的累计计数或以极高的精度测量脉冲周期。确定RTC的初始精度后，可以使用软件补偿时间误差，但这种方法补偿的仅仅是已知的时间间隔，不会改变振荡器的频率。如果振荡器输出用于需要高精度时钟的场合，这种方法将不适合。

另外一种RTC经常使用的方法是测量基频，对分频链路进行加、减计数来调节计时频率。这种方法无须额外的软件开销即可提高计时精度，但不能调节基频。此外，这种方法也需要高精度测量振荡频率。以Maxim公司的RTC为例，它采用的方法是通过调节晶体的负载电容来调节晶体的振荡频率。这种方法可以补偿基频，有效提高计时精度和方波输出时钟的精度，二者工作在同一时钟源。

长期稳定度
提高精度的另一途径是补偿器件的长期稳定度，要求器件在其使用期限内重复测量并进行校准，这种条件在某些场合是可以接受的，但有些应用则无法采纳或不便操作。对于不能进行读写操作、独立工作的设备，如电表，设计人员必须提高振荡器精度或改变系统结构，以便对其进行读/写操作和调节，但是，无论哪种方案都会提高系统成本。

频率的长期稳定性主要受石英晶体老化的影响，补偿这种影响的唯一方法是测量频率并根据测量结果进行频率校准或调理。因为晶体老化的程度随着时间而减弱，影响较大的时期一般在设备运行后的前两年。晶体工作在高温环境时会加速老化。晶体安装在芯片封装内时，回流焊过程中受高温影响，会使老化发生一次跃变。但在安装之后，系统的老化程度会大大减缓。将晶体封装在RTC芯片内，相对于其他外置晶体的RTC具有更好的老化特性。

温度影响
温度的不稳定和相应的温度系数是许多应用所面临的问题，特别是那些工作在宽温范围的应用，如室外电表或水表。标准的用作RTC时基的32.768kHz音叉晶体的频率响应与温度之间的关系为Δf/f=k(T-T0)2+f0。其中，Δf为频率偏差，f为基频，k为曲率，T为温度，T0为折点温度，f0为折点温度处的频偏。

图1 典型的32.768kHz音叉晶体的频偏与温度的关系

当器件工作在温度变化较大的环境中，频率随温度的变化将成为影响计时精度的主要因素。标准的±20×10-6晶体每天产生的计时误差是±1.7s（每年 ±10.3分钟），如果工作在扩展级温度范围，误差可能达到-150×10-6，每天计时误差为±13s，每年±1.3h。图1为频率随温度变化的关系曲线。

消除温度对精度影响的唯一途径是提供实时的温度补偿。校准程序要准确测量晶体/振荡器随温度的变化情况，并存储结果。然后按照一定的时间间隔测量晶体温度，利用存储的校准信息调节温度效应。

温补晶体振荡器
本节将以Maxim公司的DS32kHz温补晶体振荡器为例，介绍通过改变晶体负载电容修正由于温度变化产生的频偏的概念，如图2所示，Maxim的这项内部校准技术还获得了专利。DS32kHz可以作为大多数系统的32kHz输入，如RTC或内置RTC的微控制器。

图2 补偿和未补偿晶体振荡器的频率与温度关系曲线

带有RTC的设备通常都有备份电池，当主电源掉电时由备份电池支持RTC工作。备份电池为时钟振荡器和RTC供电，DS32kHz有两个电源输入引脚，如图3所示，VBAT接电池，Vcc接主电源。设计人员须注意电池电压对频率稳定度的影响（典型的供电电压是主电源5V，备份电池电压为3V）。DS32kHz温补电路的设计能够保证受电源电压变化的影响最小。当供电电源由主电源切换到电池时，将启用不同的补偿系统。这种方法几乎消除了供电电压变化产生的频率误差。

图3 DS32kHz的简单框图

带有温偿晶振的RTC
本节将以Maxim公司的DS3231为例，介绍带有温偿晶振的RTC。如图4所示，DS3231内部集成了温补振荡器，类似于DS32kHz。除了RTC和振荡器外，DS3231还包括以下电路模块。

图4 DS3231集成了温补晶振、I2C接口的实时时钟

电源控制：电路用于切换主电源和备份电池，仅在主电源低于内部电压基准时才启用电池供电。这种结构允许使用工作电压范围较宽的电池和3.3V主电源，避免不必要的电池放电。

复位：在主电源电压低于内部门限时被触发。该芯片带有一个外部手动复位，内部电路设置最小复位周期，对复位信号进行去抖动处理。

32kHz：为漏极开路输出，可以工作在常规模式和电池备份模式，时钟输出经过温度补偿。

INT/SQW：为漏极开路输出，产生方波中断信号。可通过软件设置1Hz、1.024Hz、4.096Hz或8.192Hz频率，输出经过温度补偿。

温度传感器：提供温度数据输出，通过串口读取温度数据。DS3231集成温度传感器（精度为±3.0℃）由于替代了外部分立传感器，从而有效降成本。利用传感器测量的温度值，在校准数据查找表内选择补偿数值，由补偿电路对温度产生的频率误差进行修正。

控制寄存器：包含对晶体振荡器长期稳定性补偿的数值。

I2C接口：支持标准的I2C接口通信，最高速率达400kHz。

图5 DS3231 RTC典型应用电路

如图5所示，典型的DS3231应用电路内部集成了晶体，其他电路类似于普通RTC，设计人员无须考虑分立晶体的选择和布板。因为DS3231包含经过温度补偿校准的振荡器，可显著提高RTC的初始精度和温度稳定性。由于内嵌在封装内的晶体已经经过高温老化处理，DS3231与分立的晶体相比具有更好的长期稳定性。精度可以达到±2×10-6，温度范围0～+40℃。