由于石英晶振的溫度特性較差,電子計時一直缺乏高精度.已經應用了許多不同的技術來提高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,它以與未校準的獨立實時時鐘(RTC)相當的價格提供無與倫比的計時準確性.該設備將使當前的精確度改進技術過時,有助于使準確的計時成為標準而非奢侈品.
“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是大多數電子應用的標準計時參考.RTC通過計算秒數來維持時間和日期,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進行計時沒有任何內在錯誤.但是,時間只能與使用的參考一樣準確.不幸的是,典型的32.768kHz音叉式晶體在很寬的溫度范圍內都不能提供很高的精度.由于其在溫度范圍內具有拋物線特性(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低于150ppm,相當于每天損失近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為標稱晶體頻率,k為曲率常數,T是溫度,To是轉換溫度,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隨溫度變化的三個變量.這些是曲率常數,周轉溫度和室溫頻率偏差.曲率常數對頻率偏差隨溫度的拋物線性質影響最大,但該常數具有非常小的偏差.不同的周轉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
對于要求計時準確性的應用,可用于改善晶體不準確性的選擇有限.應用可通過晶體屏蔽,集成晶體,校準寄存器或溫補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商提供落在特定室溫精度范圍內的晶體.這要求供應商在裝運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“改進的”晶體仍會在高溫和低溫下遭受大的不準確性.
根據所需的精度和負載電容水平,還會產生產量損失.這可能導致可接受的晶體數量不足.
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溫度,但這是不切實際且昂貴的.水晶制造商使用許多自動化流程,但仍然難以滿足需求.誘導制造商中斷其非標準部件的制造順序的可能性很低.
集成晶體
進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擔.提供集成晶體可消除晶體采購問題,從而減少設計人員的工作量.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.這些公司從供應商處購買晶體,并將芯片和晶體組裝成單個封裝.預計此選項無法提高準確性.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用,這些都是出色的設備.
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.這種方法的缺點是陶瓷封裝和晶體微調增加了整個解決方案的成本.
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