精密计时——自动化与大众化

时间：10-22 来源：Maxim 点击：

图2. 典型晶体曲线向上平移，使精度接近0.0ppm

带有校准寄存器的RTC配合温度传感器，能够在指定温度达到-2.034ppm到+4.068ppm的计时精度。在高温和低温端点，调整范围为-126ppm 至 +63ppm，无法将曲线校准到接近0.0ppm。需要处理器周期性地测量温度，对校准寄存器以及其它RTC寄存器进行调节。

这种方法的主要难点在于需要工厂校准。因为每个晶体的特征不同，因此需要对每个RTC提供一个指定温度范围内的校准表，从而花费较大的人力和较长时间。通常采用非易失寄存器保存校准数据，也大大增加了器件成本。另外，校准过程并未补偿晶体的老化，可能存在±3ppm的变化。尽管校准寄存器不能自动地随着温度的变化进行调整，但它仍然提高了计时精度。

温补晶振

另一种有效提高计时精度的方法是使用具有温度补偿的32.768kHz晶体振荡器 (TCXO)，如DS32kHz，作为独立的RTC时钟源。这种器件经过工厂校准，在扩展工业级温度范围内 (-40°C至+85°C)能够提供±7.5ppm的精度。TCXO的作用是将晶体抛物线变得平坦(图3)。
图3. 利用TCXO使晶体特性曲线平坦

TCXO的内置温度传感器可以定时检测器件温度，用得到的温度值在查找表内查询，查找到的参数用来计算并产生内部32.768kHz晶体的负载电容，以达到0.0ppm的精度。查找表置于芯片内，不需要额外的输入。

晶体在生产过程中优化于特定的负载电容，数据资料中提供了相应的规格。如果实际负载电容不符合规格要求，将相对于标称频率产生偏差。这也正是TCXO提高精度的途径。如果知道特定晶体在每个温度点的频偏，TCXO可以通过调整负载电容来调整频偏。

使用现成的TCXO不需要研究算法，也不需要工厂校准。缺点是增加了成本，这种多芯方案也增大了PCB面积。

最精确的方案-集成RTC/TCXO/晶体

理想的精确计时器件是集成了RTC、TCXO和石英晶体的单芯片方案。DS3231S、 DS3232和即将公布的DS3234既是这样的器件。这些器件具有无与伦比的精度：0°C 到 +40°C范围内精度为±2.0ppm，相当于每年±1.0分钟；-40°C到0°C和+40°C到+85°C范围内为±3.5ppm，相当于每年±1.8分钟。最差情况下所能提供的精度如图4所示。如上所述，集成TCXO使晶体原有的抛物线特性曲线变成较为平坦的曲线。
图4. DS3231S在最差情况下的精度
与上述TCXO方案相同，完全集成的器件经过工厂校准，不需要用户校准，也不需要额外的开发投入。它将同样的功能集成在更小的面积上，同时也降低了系统成本。

与独立TCXO不同的是，其内部寄存器可以通过串行接口访问。芯片内部的器件老化寄存器可以提供进一步的负载电容和温度补偿，补偿晶体老化造成的精度损失。

结论

在集成TCXO、RTC和32.768kHz晶体出现之前，可供选择的方案很难达到精度要求。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。单芯片集成TCXO/RTC/晶体的问世，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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