温度补偿在实时时钟中至关重要
文章作者:戈登·李
温度波动是导致晶体频率漂移的重要原因，温度补偿在rtc中至关重要。
所第1部分其中，温度波动是引起晶体频率漂移的最主要原因。系统工程师可以考虑几个选项来缓解这个问题。
RTC与校准寄存器
对于在温度稳定但平均温度不是25°C的环境中工作的应用，可以使用带校准寄存器的实时时钟(RTC)来校正时间。这个概念是从时钟计数器中添加或减去计数来加速或减慢时钟。校正时间所需的正计数或负计数的数量，可使用水晶供应商提供的水晶频率公式计算。
系统设计者也可以将这种RTC与外部温度传感器结合使用。基于温度传感器的输出，单片机可以定期调整计数值。然而，这种方法有许多缺点。
首先，一个额外的温度传感器将增加系统成本和占用更多的板空间。其次，单片机将需要定期调整校准寄存器，这将增加单片机的开销。第三，晶体频率公式可能不能很准确地反映晶体的实际温度响应，因为每个晶体可能会略有不同，晶体频率公式只是代表了典型情况。对于高精度的应用，这种解决方案可能不能被接受。
TCXO作为时钟源
温度补偿晶体振荡器(TCXO)将振荡晶体、温度传感器和数字逻辑组合在一个单独的封装中。在整个工作温度范围内，其输出频率误差非常低。简单地将TCXO的输出连接到晶体输入或RTC的时钟输入来驱动时间保持逻辑。这种解决方案不需要单片机来校正时间，但仍然存在板空间大、成本高、功耗高等问题。
RTC与集成TCXO
通过集成温度传感器、晶体、负载电容和温度补偿电路，可以形成高精度的RTC。这种类型的RTC的精度规格通常在5 ppm左右或更低的工作温度范围内-40至85°C工业级，或-40至125°C汽车级。它节省了电路板空间、电源和微控制器资源。
如前所述，除温度外，RTC还需要知道晶体的温度响应特性，以纠正频率误差。这些信息可以从制造过程中的校准过程中获得。虽然晶体供应商提供了一个计算典型频率的公式，但每个晶体可能有略微不同的特性。在室温下，一个典型的晶体可以有高达20ppm的误差。
每个RTC应单独校准，以达到最高的精度性能。因此，在校准过程中，测量晶体在多个不同温度点的频率。显然，测量的定标点越多，测量数据与实际频率-温度特性曲线越吻合。
在校准过程中，每次在进行新的测量之前，测试工程师都需要改变测试室的温度或将晶圆移动到预置的温度不同的测试室。当晶圆的温度达到平衡后，可以进行测量。由于这些原因，制造商不希望进行大量的测量，因为这将显著增加测试时间，因此，设备的成本。
设计工程师经常利用有限的实测数据点来重构频率-温度曲线。当设计师考虑二阶方程时，例如:
地点:
F是频率
T是温度
A b c是系数
这是一个足够好的晶体频率-温度曲线的近似值，以满足所需的精度规格，因此工程师只需在不同的温度点测量三个数据点，就可以求解三个系数。对于任何类型的插值，误差在给定的数据点上都是最小的。输入参数离给定数据点越远，计算结果与实际曲线的偏差越大。因此，测量的温度应该分开。在这种情况下，选择最低温度点、室温温度点和最高温度点是一个合理的选择。
现在，有了插值公式和一个温度传感器，RTC就“准确地”知道实际的振荡器频率与理想的32.768 kHz有多远。但是RTC是如何校正频率的呢?使用前面讨论的校准寄存器是一种可能的方法，但它很少在集成晶体的RTC中实现。在上面提到的带外部谐振器的RTC中，有几个因素可以影响晶体振荡频率。
其中之一就是负载电容器。通过控制负载电容，温度补偿电路可以精确地提高或降低振荡频率。可变电容器的一个例子是一个简单的电容器阵列加上一组开关，这些开关将并联地断开或连接电容器。
与RTC内部的所有其他组件相比，温度传感器消耗了大量的能量。传感器越频繁地被打开，RTC的平均总电流就会越高。多久测量温度和运行补偿算法取决于运行环境的需要。有些rtc提供选项供用户设置适当的温度测量间隔。
这是集成TCXO和晶体的RTC的一个例子。DS3231SN具有精度规格，在整个工作温度范围-40°到85°C支持最大3.5 ppm，但只有2 ppm从0°到40°C。图1显示了TCXO和典型晶体振荡器的精度差。
图1通过对DS3231SN与典型晶体振荡器的比较，突出了采用集成TCXO的RTC获得的精度增益。源。马克西姆集成
集成MEMS谐振器的RTC
集成TCXO的RTC似乎是一个完美的解决方案;然而，它仍然有一些缺点。集成32.768 kHz晶体的RTC对于可穿戴设备或其他小尺寸应用来说过于笨重。水晶供应商不能减少水晶的大小，因为频率决定了它的大小。为了进一步减小尺寸，可以使用一种不同类型的谐振器——即集成MEMS谐振器的RTC。
MEMS是一个非常小的机电设备，振动和产生高度稳定的参考频率。新一代微机电系统对温度变化的敏感性比晶体低得多。它的质量比晶体小千分之一。而且因为MEMS谐振器的重量要轻得多，所以它在抵抗振动和机械冲击方面更有弹性。MEMS谐振器被安装在IC芯片上，所以整体封装尺寸几乎可以和芯片尺寸一样小。
MEMS谐振器通常比晶体谐振器消耗更多的功率。设计者可以通过最大化MEMS谐振器的阻抗来降低功耗，从而降低电流消耗。等效阻抗为:
当Cl趋近于0，在这种情况下，谐振器在其并联谐振频率附近工作。它将减少电流和电力消耗;然而，一个负载电容将不是有用的调整振荡频率的温度补偿，因为没有负载电容。
由于振荡器的输出频率不能通过增加或减少负载电容来改变，设计工程师需要实现不同的方法来调整频率，然后将其输入RTC计时逻辑。一种解决方案是在振荡器输出和RTC时钟输入之间插入一个分数分频器。
分数分规
从介绍性数字设计类中，可能会重新调用许多方法来实现可以通过任何正整数分割的时钟分频器。分数分频器可以将时钟除以任何分数数。要了解分数分隔器如何工作的高级概念，让我们考虑一个非常简单的例子。假设输入时钟为100 Hz，目标是从该100 Hz参考时钟获得1-Hz输出。我们可以简单地将时钟划分为100。
图2一个简单的时钟分频器不能产生精确的输出频率在0.999 Hz和1.009 Hz之间。源。马克西姆集成
如果参考输入时钟从100 Hz稍微改变为99.9 Hz，该怎么办？我们如何从99.9 Hz产生1 Hz？我们知道，如果除数为100，则输出将变为0.999 Hz;也就是说，略微慢于1赫兹。如果除数是99，则输出变为1.009 Hz;这比1 Hz略快。图3显示了除100和除99时钟信号的重叠，1-Hz时钟的理想上升边缘位于灰色区域的某个地方。
图3这张图显示了除以99和除以100输出时钟操作。来源:箴言集成
一个简单的时钟分频器不能产生精确的输出频率在0.999 Hz和1.009 Hz之间。一个分数分频器有一个控制电路来调制除数，使其输出时钟频率可以在0.999 Hz和1.009 Hz之间切换。如果仔细设计了两个除数值之间的出现比，那么这个除数在理论上可以随着时间产生0.999 Hz到1.009 Hz之间的任何频率的平均值。虽然每个时钟周期不是一个精确的1 hz时钟周期，但随着时间的推移，平均输出时钟可以非常精确。
设x为0.999 Hz时钟的出现次数，y为1.009 Hz时钟的出现次数。为了计算x和y的正确比率，可以这样建立一个方程:
地点:
X是除以100时钟周期出现的次数
Y是除以99时钟周期出现的次数
TDiv_100是一个除以100的时钟周期(TDiv_100= 100/99.9 Hz)
TDiv_99是一个除以99的时钟周期(TDiv_99= 99/99.9 Hz)
T目标是一个目标平均时钟周期(T目标在这个例子中=1)
代入所有周期变量:
用这个方程，经过一些代数运算，计算出的x:y的比值是9:1。这意味着当小数分频器的输入时钟为99.9 Hz时，对于每9个除以100的时钟，插入1个除以99的时钟。在总共10个时钟周期中，平均频率将恰好为1 Hz。这个9:1模式将不断重复，直到输入频率改变。如前所述，输入频率可以通过温度-频率转换函数或校准得到的查表来确定。
Maxim Integrated的MAX31343是业界最小的集成谐振器RTC。它有一个内置的温度传感器和分压器的温度补偿，只消耗970 nA的计时电流。它在小于5ppm的工作温度范围内具有强大的精度规格，使其适用于各种应用，特别是那些空间有限，需要高精度和鲁棒性，以承受机械振动和冲击。
本文最初发表于经济日报。
戈登•李是Maxim Integrated公司应用、核心产品组的主要技术人员。
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