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為滿足市場對更高時鐘精度的需求，半導體廠商正在研發創新的時鐘解決方案，以提高計時精度。現在有越來越多的應用要求實時時鐘在寬溫度范圍內具有極高的計時精度。多費率智能電表就是其中一個典型實例，因為供電公司需要記錄多費率電能的使用數據，以便精確計算電費，這要求在23℃的參考溫度下，實時時鐘每天計時精度小于±0.5秒，即計時精度小于±6 ppm (百萬分之一)。中國最新的電能表標準Q/GDW 357-2009規定，在-25℃至+60℃的溫度范圍內，實時時鐘每天計時精度必須在±1秒(即±12 ppm)內。考慮到這個標準，普通實時時鐘(RTC)無法滿足這個應用要求。本文將論述多個提高計時精度的解決方案，同時還論述一個最佳的參考方案。 挑戰 典型實時時鐘采用32.768 kHz音叉表晶石英晶體。這類晶振容易在市場買到，而且價格較便宜。在25℃時，晶體通常可提供大約±25 ppm的計時精度或每天2秒的誤差。雖然非常適合電池供電應用的低功耗需求，但是在-40 ℃至+85 ℃的工業溫度范圍內，頻率變化很大。在極端溫度條件下，頻率誤差可能在-108 ppm至-177 ppm之間，如圖圖1所示。最終時鐘可能每天慢10秒至16秒。 因晶體內在特性而產生的頻率誤差曲線為拋物線，實時時鐘計時精度只能與其參考時鐘（晶體）相同。 
圖1：典型的32.768 kHz頻率誤差對溫度曲線 提高計時精度的可行方案 晶體篩選 有多種方法可提高實時時鐘的計時精度。提高參考時鐘（晶體）的技術參數是首選的且最簡單的解決辦法。通過晶體篩選可獲得±10 ppm甚至±5 ppm的精度。時鐘篩選雖然可行，但不是最佳方案，因為廠商提高晶體計時精度的成本昂貴。這種方法的最大限制是只能在一個溫度點（例如室溫）篩選晶體。但是，隨著工業溫度變化，頻率偏差的拋物線特性依然存在。 將晶體置于實時時鐘封裝內 雖然將晶體置入實時時鐘封裝內是一個較好的可提高計時精度的解決辦法，可以消除濕度、振動和壓力等環境因素的影響，但是無法單獨解決石英晶體的頻率隨溫度變化的不良特性導致時鐘精度不高的問題。 以60 Hz電力線為參考時鐘 該解決方案的原理是把60 Hz電力線(例如，美國市電)變成可用的時鐘源。電力線的頻率誤差遠遠低于普通晶體。該解決方案必須把交流電源轉換成實時時鐘適用的頻率源。大多數實時時鐘的輸入需要32.768 kHz的通用晶振，該晶振在內部分頻，為應用提供第二時鐘源。多數實時時鐘不支持60Hz時鐘，因此需要使用鎖相環PLL修正實時時鐘的輸入頻率。此外，因為60Hz時鐘不是32,768時鐘的約數,所以在進入鎖相環之前，60Hz時鐘被不斷地分頻，直到是32,768的公約數為止。該解決方案需要多個步驟，可能不適用某些用戶。 某些實時時鐘的時鐘源可使用60Hz頻率。盡管該改進方案不再需要鎖相環，但是電路對于部分用戶仍然過于復雜，見圖2。當主電源掉電時，實時時鐘的精度沒有保證。
圖2：60 Hz正弦波保護 使用AT切型晶體 另一個可行的解決方案是使用AT切型晶體。AT切型晶體與微處理器配合，速度越快，晶體隨溫度變化的頻率誤差就越小，因此可提供更高的計時精度，但是，它們的晶振卻不適合低功耗應用，因為在AT切型晶體的典型頻率下，晶振的電流消耗太大。AT切型晶體誤差見 圖 3。
圖3：AT切型晶體與表晶典型特性對比 該解決方案的主要原理是，微控制器的AT切型晶振為微控制器的定時器提供時鐘信號。因為該晶體在工作溫度范圍內的誤差很低，所以定時器時鐘信號的頻率誤差也很低。因此，采用這個定時器的實時時鐘在校準后，精度可接近時鐘源的精度，因此可降低表晶因溫度飄移而導致的計時誤差。 意法半導體的應用筆記AN2678詳述了如何使用AT切型晶體補償M41T82-83-93系列實時時鐘的精度，在寬溫度范圍內取得更高的計時精度。 上文提到的較精確的時鐘源僅是諸多可行方案的一部分，其它時鐘源還包括互聯網或衛星的遠程系統時鐘。 使用TCXO 另一個解決方案是使用TCXO (溫度補償晶振)替代基本石英，以提高時鐘源的計時精度。TCXO內置溫度傳感器，可使晶體對溫度曲線在寬溫度范圍內變得平滑，取得±5 ppm的精度，但是該解決方案是一個成本更高的方案。 圖 4.是一個典型的TCXO功能框圖。晶體和補償電路都集成在TCXO芯片內，但是這種做法提高了TCXO的成本，使其成本比普通晶體至少高兩倍。
圖4：TCXO功能框圖 采用溫度補償 如果系統級有外部溫度傳感器，并位于實時時鐘和晶體附近，則使用這個溫度傳感器可大幅提高計時精度。實時溫度補償只需增加應用軟件，因此無需增加額外的元器件。意法半導體的應用筆記AN2971詳述了如何在系統級使用溫度傳感器提高M41T83-93系列實時時鐘精度的方法。 這個方法是根據已知晶體拋物線特性制作一個ΔPPM (實際頻率與32,768 Hz參考頻率的偏差)－溫度查閱表，然后執行下列步驟： 1. 測量溫度，然后在查閱表中找到ΔPPM值。 2. 調整模擬校準寄存器的設置，以修改CXI和CXO（連接XI和XO引腳的內部電容陣列）的負載電容值。 因為模擬校準功能集成在實時時鐘內，所以負載電容的變化能夠影響晶體，降低或提高振蕩頻率。 還可以通過數字方式校準實時時鐘。數字校準的原理非常簡單，就是向時鐘鏈定期增減脈沖，以加快或減慢時鐘運行速度。 不管是采用模擬校準還是數字校準，系統級溫度補償都需要在電路板上安裝溫度傳感器和內置校準功能的實時時鐘以及相關的軟件。 最佳方案——內置晶體的溫度補償型實時時鐘 上文提及的解決方案不是成本昂貴就是系統復雜。要么無法顯著解決溫度誤差問題，要么依靠外部溫度傳感器、電力線或微控制器，相關軟件的開發成本昂貴。最大的缺陷是即使采用溫度補償方法，當主電源掉電時，仍不能在電池供電的方式下工作。因此，需要一個更好的解決方案! 最佳解決方案應該具有以下特性: 1. 將晶體、溫度傳感器和實時時鐘集成在一個封裝內。 2. 能夠在-40℃至85℃溫度范圍內保證計時精度的高效補償算法 3. 在電池供電模式下功耗極低 4. 簡單易用，無需系統級軟件開發 5. 低成本 意法半導體的M41TC8025是一個實時時鐘整體解決方案，具有高成本效益，無需另行開發軟件。晶體、溫度傳感器和實時時鐘以及自動補償算法都集成在一個封裝內。只連接一個簡單的外部電路，即可在-40 ℃至85 ℃的寬溫度范圍內取得極高的計時精度(±5 ppm)。見圖6。在0 ℃至50 ℃的溫度范圍內，計時精度提高到±3.8 ppm，這個成績超出了大多數應用的要求，包括智能電表。 M41TC8025功能框圖與外部硬件連接 圖5所示是 M41TC8025溫度補償實時時鐘功能框圖。這個內置溫度傳感器和補償算法的普通石英晶體為應用提供了一個高精度的32.768Hz時鐘源，這個分段時鐘鏈提供超高精度的時鐘和日歷數值，處理器可通過I2C總線訪問這些數值。
圖5：所示是M41TC8025溫度補償實時時鐘功能框圖。 圖6所示是 M41TC8025 硬件連接圖。使用兩個二極管可實現后備電池開關功能，以防主電池被反極性充電。
圖6：M41TC8025硬件連接圖 M41TC8025的其它特性 除計時精度非常高外，M41TC8025還有很多實用功能： ● 鬧鐘準許設置未來事件條件，然后由IRQ(中斷)引腳發送信號。 ● IRQ中斷引腳還提供時間更新(秒更新或分鐘更新,用戶可配置)功能。 ● 固定周期定時器中斷功能通過IRQ引腳，在244.14 μs至4095分鐘內，以可編程的固定周期產生周期性方波。 ● 實時時鐘的FOUT引腳輸出1 Hz、1,024 Hz和32,768 Hz的可編程的精確頻率，以便在產品出廠前進行精度檢測。將外部使能引腳(FOE)接地，可禁用FOUT引腳。 ● 雖然M41TC8025的功耗極低，工作電流在3.0 V電源電壓時僅為0.8μA，用戶還是可以設置溫度補償周期，按照是自己的需要選擇精度－功耗比。 ● 提供低電標志位。 結論 為滿足市場對時鐘精度的更高需求，半導體廠商正在研發創新的時鐘解決方案，以提高計時精度。意法半導體的M41TC8025是一個實時時鐘整體解決方案，在一個簡單易用的封裝內集成了晶體、溫度傳感器、自動溫度補償算法和實時時鐘。該解決方案不僅計時精度極高，而且成本低廉，特別適用于智能電表等計時精度要求高的應用設計。 來源：意法半導體 |
