為了在很寬的溫度范圍內實現計時精度,需要某種形式的溫度補償.溫度補償需要定期測量溫度,然后根據測量的溫度調節晶體負載或時鐘源.溫度補償可以通過兩種方式之一完成.第一種選擇是通過使用具有計時裝置的溫度傳感器來開發溫度補償算法,該計時裝置提供某種形式的模擬或數字時鐘校準.這種方法通常需要大量的開發和校準投資.第二種選擇是使用現成的溫補晶振(TCXO)作為RTC的時鐘源.
校準寄存器
某些RTC(如DS1340)提供數字校準寄存器,可用于定期調整離散量的時間.該方法根本不試圖改變晶體行為,而是根據在指定溫度下的預期頻率偏差周期性地調整時間.其效果是將32.768kHz拋物線曲線向上或向下移動到所需溫度下接近0.0ppm的精度.這是通過在石英晶體振蕩器分頻器鏈中加上或減去時鐘周期來實現的.去除的時鐘脈沖數(減去負校準)或插入(添加用于正校準)由校準寄存器中的值設置.通過添加時鐘脈沖,時間加快(晶體曲線向上移動);通過減去時鐘脈沖,時間減慢(晶體曲線向下移動).圖2顯示了典型的晶體曲線如何向上移動,直到精度接近0.0ppm.在此示例中,測量的溫度為+55°C.

圖1.典型的晶體曲線向上移動,直到精度接近0.0ppm.

帶有校準寄存器的RTC可以與溫度傳感器組合,在一個特定溫度下達到-2.034ppm至+4.068ppm的精度水平.總調節范圍為-126ppm至+63ppm,因此,在極高和極低溫度下,曲線無法調節到足以達到0.0ppm.需要處理器開銷來定期測量溫度,計算新的校準寄存器值,并調整適當的RTC寄存器.
該方法的主要困難是所需的工廠校準工作.由于每個晶振的行為都不同,因此每個計時裝置都需要一個適合所需溫度范圍的定制校準表.這種努力所需的人力和時間可能變得很麻煩.存儲校準數據也需要一定量的非易失性存儲器,這增加了總成本.此外,補償值不能補償不可避免的晶體老化,僅在第一年就可以接近±3ppm.雖然校準寄存器方法在溫度變化時不提供自動調整,但它仍然提供了精度的漸進改進.
溫度補償晶體振蕩器
另一個極大提高計時精度的選擇是使用32.768KHZ溫度補償晶體振蕩器(TCXO),如DS32kHz,作為獨立RTC的時鐘源.這些器件經過工廠校準,在工業溫度范圍(-40°C至+85°C)內可提供±7.5ppm的精度.TCXO晶振的作用是使晶體曲線的拋物線性質隨溫度變平(圖3).

圖2.由TCXO壓平的晶體曲線.

TCXO包含一個集成傳感器,可定期測量設備溫度.該測量用于訪問查找表,其輸出用于計算并應用集成的32.768kHz晶振的負載電容值,以實現0.0ppm的精度.查找表存在于設備上,無需外部輸入.
制造晶體時,它針對特定的負載電容進行了優化,這在數據手冊中有詳細說明.如果實際負載電容與規格不匹配,則結果是與標稱頻率的偏差.TCXO利用這一事實來提高準確性.如果已知特定有源晶振的每個溫度的頻率偏差量,則TCXO可以調整負載電容以抵消與溫度相關的頻率偏差.
使用現成的TCXO的優點是不需要算法開發或工廠校準.缺點是多芯片解決方案需要額外的成本和PC板空間.
最精確的解決方案-RTC/TCXO/晶體集成
理想的精確計時裝置是將RTC,TCXO和石英晶體集成到一個封裝中的裝置.DS3231S就是這樣一種設備.它在0°C至+40°C范圍內提供±2.0ppm的無與倫比的精度,相當于每年超過±1.0分鐘.-40°C至0°C和+40°C至+85°C的精度為±3.5ppm,相當于每年±1.8分鐘.圖4顯示了該器件的最壞情況精度.如前一節所述,集成的TCXO使晶體曲線的拋物線特性在溫度范圍內變平.

圖3.DS3231S的最差情況精度.

與之前的溫補晶振解決方案一樣,集成設備已經過工廠校準,無需客戶校準或開發工作.單封裝解決方案在更小的區域內以更低的成本結合了相同的功能.
與獨立的TCXO不同,集成設備寄存器組可通過串行接口端口訪問.片上老化寄存器可對負載電容和溫度補償進行調整.這允許應用還補償由于晶體老化而導致的精度損失.
摘要
在集成TCXO,RTC和32.768kHz貼片晶振之前,需要計時精度的應用選擇有限.所有可用選項都需要開發工作,工廠校準和額外成本的組合.隨著單封裝TCXO/RTC/晶體集成的出現,計時精度不再是奢侈品,而是適用于所有應用！

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此文關鍵字： 32.768KHZ振蕩器溫度補償精度

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溫補晶振可以通過兩種方式完成溫度補償

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