時(shí)間是握不住留不到的，但卻可以計(jì)算時(shí)間的流逝，人們都是用時(shí)鐘來計(jì)量時(shí)間的，大部分產(chǎn)品或者設(shè)備內(nèi)部都有時(shí)鐘基準(zhǔn)模塊，主要用來定時(shí)和計(jì)時(shí)，那么時(shí)鐘模塊又是靠什么維持精確的時(shí)間呢?答案是32.768K頻率的晶體，這是眾所周知的時(shí)鐘晶振,專門用于時(shí)鐘模塊的頻率控制元器件.日本EPSON晶振公司是世界上規(guī)模較大的32.768K制造廠商,每年為全球用戶提供的32.768K晶振超過5億顆,EPSON公司制造和銷售模塊,這些模塊組合成一個(gè)單獨(dú)的封裝,一個(gè)以精確,穩(wěn)定的頻率振蕩的晶體單元和一個(gè)控制晶體的實(shí)時(shí)時(shí)鐘IC.本文將介紹Epson高精度,低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特性,功能和特性.
愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特點(diǎn):
實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是單個(gè)封裝,包含32.768kHz晶振單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘IC,包括振蕩電路時(shí)鐘,日歷和報(bào)警.在愛普生,我們開發(fā)和制造自己的晶體單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘IC,為我們提供穩(wěn)定的晶體單元供應(yīng),這些晶體單元已針對(duì)高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和在理想條件下運(yùn)行的實(shí)時(shí)時(shí)鐘IC進(jìn)行了優(yōu)化這些晶體單元的條件.愛普生的半導(dǎo)體技術(shù)和專業(yè)技術(shù),以及能夠?qū)崿F(xiàn)極其穩(wěn)定的低功耗石英晶體振蕩器的技術(shù),成為手表控制的基礎(chǔ).這些技術(shù)是無數(shù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)和時(shí)計(jì)的核心,從奧運(yùn)會(huì)官方計(jì)時(shí)系統(tǒng)到豪華精工品牌手表,如GrandSeiko.
開發(fā)我們自己的晶體單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘IC使我們能夠設(shè)計(jì)出完美的匹配并充分發(fā)揮兩者的潛力.這導(dǎo)致產(chǎn)品表現(xiàn)出高性能.這就是愛普生的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊與眾不同的原因.
時(shí)鐘應(yīng)用中使用的晶體單元的頻率精度:
石英水晶振子單元通常用于低頻時(shí)鐘,用于計(jì)時(shí)應(yīng)用,以滿足市場需求(例如,以極低的功率消耗保持當(dāng)前時(shí)間).當(dāng)石英水晶振子單元以低功率工作時(shí),頻率-溫度系數(shù)呈現(xiàn)二次曲線,如圖1所示.因此,在設(shè)計(jì)時(shí)鐘誤差時(shí),不僅要考慮室溫下的頻率偏差(+25攝氏度)并且還有二次曲線的頻率-溫度系數(shù)偏差.如果一個(gè)普通的音叉晶體單元在-40℃環(huán)境下連續(xù)工作一個(gè)月,則振蕩頻率偏差應(yīng)為-150[x10-6],并且時(shí)鐘會(huì)損失6分鐘/月或更長時(shí)間.

圖1.音叉晶體頻率-溫度系數(shù)

因此,您可能會(huì)認(rèn)為您更愿意使用具有優(yōu)異頻率溫度系數(shù)的AT切割晶體或其他晶體單元作為頻率源.然而,AT切割晶體單元的振蕩頻率通常在幾MHz的量級(jí),因此必須通過振蕩電路來劃分頻率以獲得用于時(shí)鐘應(yīng)用的所需頻率.如果使用音叉晶體單元,此時(shí)振蕩電路消耗的電流將是消耗的電流的幾百倍.因此,我們認(rèn)為使用AT切割晶體單元作為時(shí)鐘源不符合市場要求.
使用數(shù)字TCXO的頻率精度補(bǔ)償方法:
音叉晶體單元的振蕩頻率隨著環(huán)境溫度的變化而變化,如圖1所示,并且需要一種技術(shù)來補(bǔ)償這些變化以便提高時(shí)鐘精度.愛普生使用數(shù)字TCXO溫補(bǔ)晶振的溫度補(bǔ)償性能來提高頻率精度.該頻率精度補(bǔ)償方法的概要如圖2所示.
在該方法中,通過將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定頻率的數(shù)字值,然后從存儲(chǔ)器中檢索適合于該溫度的補(bǔ)償值來補(bǔ)償振蕩頻率.用于補(bǔ)償振蕩頻率的方法可大致分為兩種類型:負(fù)載電容調(diào)整方法和時(shí)鐘更新脈沖調(diào)整方法.負(fù)載電容調(diào)整方法通常用于EPSON Crystal的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊.
下面解釋這兩種補(bǔ)償方法.

負(fù)載電容調(diào)整方法:
負(fù)載電容調(diào)整方法通過調(diào)整石英晶振的振蕩頻率來校正頻率.可以通過增大或減小振蕩負(fù)載電容來改變晶體單元的振蕩頻率.該方法用于校正響應(yīng)于環(huán)境溫度變化而發(fā)生的頻率變化.該原理在圖3中示意性地示出.
音叉晶體單元的頻率-溫度系數(shù)示于圖3的左側(cè).右側(cè)示出了負(fù)載電容調(diào)節(jié)特性,其中頻率根據(jù)負(fù)載電容值而變化.具體地,根據(jù)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)(1)計(jì)算頻率漂移(2),并導(dǎo)出對(duì)應(yīng)于該頻率漂移的負(fù)載電容中的變化量(3).檢測與該溫度對(duì)應(yīng)的負(fù)載電容的變化量作為偏移值.然后應(yīng)用偏移值以補(bǔ)償振蕩頻率.由于該方法直接補(bǔ)償振蕩頻率,因此振蕩頻率可以用作低頻睡眠時(shí)鐘,其實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的振蕩輸出已經(jīng)被高精度地補(bǔ)償.

圖3負(fù)載電容調(diào)整的描述

時(shí)鐘更新脈沖調(diào)整:
時(shí)鐘更新脈沖調(diào)整方法通過使用分頻器電路的一部分來調(diào)整脈沖來補(bǔ)償晶體單元的頻率,該晶體單元允許在沒有調(diào)節(jié)的情況下振蕩.該原理在圖4中示意性地示出.具體地,根據(jù)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)(1)計(jì)算頻率漂移(2),并且在分頻器電路和輸出內(nèi)補(bǔ)償對(duì)應(yīng)于該頻率漂移的頻率.
如圖4所示,通常如果晶振在第32,768個(gè)脈沖上產(chǎn)生“1秒”時(shí)間周期時(shí)在第32,767個(gè)脈沖上產(chǎn)生“1秒”信號(hào),則可以縮短1-秒周期.例如,如果每秒施加這種補(bǔ)償,則它將對(duì)應(yīng)于30.5×10-6附近的頻率補(bǔ)償.通過調(diào)整脈沖數(shù)產(chǎn)生1秒并通過改變補(bǔ)償頻率,您可以在不改變振蕩電路的情況下顯著補(bǔ)償頻率.利用這種補(bǔ)償方法,通過邏輯電路進(jìn)行調(diào)整,從而準(zhǔn)確地輸出最終移動(dòng)時(shí)鐘的1秒信號(hào).但是,這種方法存在一個(gè)缺點(diǎn):由于提取的時(shí)鐘信號(hào)的周期隨著溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)序而動(dòng)態(tài)波動(dòng),因此使用該時(shí)鐘的CPU無法在正確的時(shí)序運(yùn)行.因此,當(dāng)使用這種方法時(shí),外圍設(shè)備將無法充分受益.

圖4顯示了Epson實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的頻率-溫度系數(shù),其中數(shù)字TCXO用于補(bǔ)償頻率精度(負(fù)載電容調(diào)整方法).

圖5使用DTCXO補(bǔ)償前后的頻率溫度系數(shù)

從圖中可以看出,與音叉晶體單元(圖5中的綠線)相比,帶有數(shù)字TCXO(圖中的藍(lán)色)的模塊的補(bǔ)償頻率在很寬的溫度范圍內(nèi)非常穩(wěn)定..這表明實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的月時(shí)鐘誤差為9秒(頻率精度:±3.4×10-6),具有出色的精度和穩(wěn)定性.表1總結(jié)了愛普生晶振的低電流實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特性,所有這些都使用數(shù)字TCXO來保證出色的頻率精度和穩(wěn)定性.

表1.具有內(nèi)置數(shù)字TCXO的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

產(chǎn)品	特點(diǎn)	接口	尺寸(mm)
RX-4803LC	內(nèi)置32.768kHz數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(DTCXO)源頻率精度:(±3.4×10-6@-40至+85°C,±5×10-6@-40至+85°C) 1/100s定時(shí)器寄存器接口電壓范圍:1.6V至5.5V. 溫度補(bǔ)償電壓范圍:2.2V至5.5V. 寬計(jì)時(shí)器電壓范圍:1.6V至5.5V. 可選時(shí)鐘輸出(32.768kHz,1024Hz,1Hz) 內(nèi)置功能,包括完整日歷,鬧鐘,定時(shí)器和EVIN輸入根據(jù)端子連接,可用作32.768kHzDTCXO	4-wireSPI	LC:3.6×2.8×1.2t(20-pinVSOJ)
RX-8803LC		I²Cbus	LC:3.6×2.8×1.2t(20-pinVSOJ)
RX-4803SA		4-wireSPI	SA:10.1×7.4×3.3t(14-pinSOP)
RX-8803SA		I²Cbus	SA:10.1×7.4×3.3t(14-pinSOP)

除了高頻穩(wěn)定性外,該產(chǎn)品還配備了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊所必需的所有功能.它們有兩種封裝尺寸:LC和SA.
正如本文所述,愛普生利用其技術(shù)制造極低電流的32.768K晶體單元和制造電路的技術(shù),這些電路可補(bǔ)償頻率-溫度系數(shù),從而制造和銷售高精度,低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊.這些產(chǎn)品的頻率精度在出廠前已在工廠進(jìn)行調(diào)整和保證,因此用戶無需進(jìn)行頻率調(diào)諧.這些產(chǎn)品可以顯著提高用戶的設(shè)計(jì)工程效率和質(zhì)量.

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