由于石英晶振的溫度特性較差,電子計時一直缺乏高精度.已經(jīng)應(yīng)用了許多不同的技術(shù)來提高32.768kHz石英晶體提供的精度.本文介紹了一種高度集成的器件,它以與未校準(zhǔn)的獨(dú)立實(shí)時時鐘(RTC)相當(dāng)?shù)膬r格提供無與倫比的計時準(zhǔn)確性.該設(shè)備將使當(dāng)前的精確度改進(jìn)技術(shù)過時,有助于使準(zhǔn)確的計時成為標(biāo)準(zhǔn)而非奢侈品.

“你可能會拖延,但時間不會.”-本杰明•富蘭克林

如果本杰明富蘭克林不得不使用石英晶體和RTC來維持一天中的時間,他可能會重新考慮他的陳述.晶體在溫度上的不準(zhǔn)確性通常會使時間看起來延遲(或者偶爾會更快地移動).

帶有32.768kHz石英音叉式晶體振蕩器的RTC是大多數(shù)電子應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)計時參考.RTC通過計算秒數(shù)來維持時間和日期,這需要從32.768K晶體振蕩器得到的1Hz時鐘信號.當(dāng)前時間和日期信息存儲在一組寄存器中,通過通信接口訪問.

問題

使用RTC進(jìn)行計時沒有任何內(nèi)在錯誤.但是,時間只能與使用的參考一樣準(zhǔn)確.不幸的是,典型的32.768kHz音叉式晶體在很寬的溫度范圍內(nèi)都不能提供很高的精度.由于其在溫度范圍內(nèi)具有拋物線特性(圖1),因此室溫(+25°C)時的精度通常為±20ppm.這相當(dāng)于每天增加或減少1.7秒的時間,或每年10.34分鐘.如圖1所示,在更高的極端高溫和低溫下精度會降低.這些溫度下的典型精度遠(yuǎn)低于150ppm,相當(dāng)于每天損失近13.0秒或每年超過1.3小時.

圖1.典型32.768K音叉晶體的溫度與精度的關(guān)系.

特定頻率(f)和溫度(T)下典型晶振的頻率偏差(Δf)為:

Δf/f=k(T-To)2+fo

其中f為標(biāo)稱晶體頻率,k為曲率常數(shù),T是溫度,To是轉(zhuǎn)換溫度,fo是室溫下的頻率偏差.

對該等式的分析僅揭示了控制每個晶體頻率響應(yīng)隨溫度變化的三個變量.這些是曲率常數(shù),周轉(zhuǎn)溫度和室溫頻率偏差.曲率常數(shù)對頻率偏差隨溫度的拋物線性質(zhì)影響最大,但該常數(shù)具有非常小的偏差.不同的周轉(zhuǎn)溫度使偏差曲線向左或向右偏移,并且室溫下的不同頻率偏差使曲線向上或向下移動.

各種方案

對于要求計時準(zhǔn)確性的應(yīng)用,可用于改善晶體不準(zhǔn)確性的選擇有限.應(yīng)用可通過晶體屏蔽,集成晶體,校準(zhǔn)寄存器或溫補(bǔ)晶體振蕩器提高計時精度.

水晶篩選

改善計時的一個選擇是讓供應(yīng)商提供落在特定室溫精度范圍內(nèi)的晶體.這要求供應(yīng)商在裝運(yùn)前分析每個晶體在室溫下的頻率偏差,這顯然增加了晶體的成本.該方法對晶體精度曲線的拋物線性質(zhì)沒有影響.

通過使用篩選工藝,晶振廠家可以提供一組晶體,將室溫精度從±20ppm提高到±10ppm或±5ppm.這些“改進(jìn)的”晶體仍會在高溫和低溫下遭受大的不準(zhǔn)確性.

根據(jù)所需的精度和負(fù)載電容水平,還會產(chǎn)生產(chǎn)量損失.這可能導(dǎo)致可接受的晶體數(shù)量不足.

制造商還可以通過最初切割晶體的角度來控制石英晶體諧振器周轉(zhuǎn)溫度,但這是不切實(shí)際且昂貴的.水晶制造商使用許多自動化流程,但仍然難以滿足需求.誘導(dǎo)制造商中斷其非標(biāo)準(zhǔn)部件的制造順序的可能性很低.

集成晶體

進(jìn)一步采用晶體篩選工藝,一些公司將音叉晶振包含在與計時裝置相同的包裝中,這將向晶體管制造商提供晶體的負(fù)擔(dān).提供集成晶體可消除晶體采購問題,從而減少設(shè)計人員的工作量.這減輕了與計時裝置要求相匹配的晶體參數(shù)的顧慮,并減少了印刷電路板(PC板)布局問題.

沒有垂直整合的公司無法測量或修整晶體參數(shù).這些公司從供應(yīng)商處購買晶體,并將芯片和晶體組裝成單個封裝.預(yù)計此選項無法提高準(zhǔn)確性.DallasSemiconductor為這類集成器件提供DS1337C,DS1338C,DS1339C,DS1340C和DS1374C.對于不需要高精度的應(yīng)用,這些都是出色的設(shè)備.

其他制造自己晶振的公司能夠在較小的密封包裝中放置晶體毛坯(未包裝的石英),并修整毛坯以滿足一定的精度要求.如前一節(jié)所述,此方法不會改變拋物線曲線,但僅在室溫下提供較小的精度改善.高溫和低溫的改善可以忽略不計.這種方法的缺點(diǎn)是陶瓷封裝和晶體微調(diào)增加了整個解決方案的成本.

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