带温度补偿RTC芯片的选型和应用-器件知识

带温度补偿RTC芯片的需求正在不断增加,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...

  带温度补偿RTC芯片的需求正在不断增加,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,但初始精度、长期稳定性、温度系数这3个参数是最终用户需要特别关注的指标。
  长期以来电子计时一直缺少高精度的解决方案,主要原因是石英晶体的温度特性较差。本文介绍几款带温度补偿的RTC芯片,可以提供独一无二的高精度计时,价格则与普通的未经校准的实时时钟(RTC)相当。这几款器件的推出可以排除当前为提高计时精度而采用的低性价比方案,使得精确计时成为一种标准,而不再是奢望。
  基本原理:
  晶振是晶体振荡器的简称。它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,称为压控振荡器(VCO)。


  初始精度:
  初始精度指器件在常规条件下,最初使用时的精度。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SDIC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
  长期稳定度用来预测器件在整个有效使用期限内的稳定度。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:
  温度系数是估算由于温度变化造成的精度误差。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。


  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为晶体振荡频率误差的TC特性。
  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。
  温度补偿的RTC:
  现在市面上常用的带温度补偿RTC芯片有EPSON公司的RX8025T芯片,Maxim公司的DS3231芯片和SDIC公司的SD3025T芯片等。下表对比3种芯片的主要差异:


  上面表格中的3款带温度补偿RTC芯片都是内部集成了高稳定晶振,输出的波形都是经过温度补偿校准的。可以显著提高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所有比分立的晶体具有更好的长期稳定性。精度在-40℃~85℃范围内都小于±5ppm。
  结语:
  在带温度补偿RTC芯片出现之前,可供选择的方案很难达到精确计时的要求。而且,这些方案都需要投入一定的开发精力,需要用户校准和附加的开发成本。带温度补偿RTC芯片的问世,使精确计时不再是一种奢求,而是一种切实可行的方案。

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