當(dāng)32.768K內(nèi)置到TCXO晶振會有怎樣的驚喜
來源：http://cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月06
時間是握不住留不到的，但卻可以計算時間的流逝，人們都是用時鐘來計量時間的，大部分產(chǎn)品或者設(shè)備內(nèi)部都有時鐘基準(zhǔn)模塊，主要用來定時和計時，那么時鐘模塊又是靠什么維持精確的時間呢?答案是32.768K頻率的晶體，這是眾所周知的時鐘晶振,專門用于時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單獨的封裝,一個以精確,穩(wěn)定的頻率振蕩的晶體單元和一個控制晶體的實時時鐘IC.本文將介紹Epson高精度,低功耗實時時鐘模塊的特性,功能和特性.
愛普生實時時鐘模塊的特點:
實時時鐘模塊是單個封裝,包含32.768kHz晶振單元和實時時鐘IC,包括振蕩電路時鐘,日歷和報警.在愛普生,我們開發(fā)和制造自己的晶體單元和實時時鐘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高精度實時時鐘模塊和在理想條件下運行的實時時鐘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)計時系統(tǒng)和時計的核心,從奧運會官方計時系統(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時時鐘IC使我們能夠設(shè)計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.這就是愛普生的實時時鐘模塊與眾不同的原因.
時鐘應(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鐘,用于計時應(yīng)用,以滿足市場需求(例如,以極低的功率消耗保持當(dāng)前時間).當(dāng)石英水晶振子單元以低功率工作時,頻率-溫度系數(shù)呈現(xiàn)二次曲線,如圖1所示.因此,在設(shè)計時鐘誤差時,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.如果一個普通的音叉晶體單元在-40℃環(huán)境下連續(xù)工作一個月,則振蕩頻率偏差應(yīng)為-150[x10-6],并且時鐘會損失6分鐘/月或更長時間.
圖1.音叉晶體頻率-溫度系數(shù)
因此,您可能會認(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,因此必須通過振蕩電路來劃分頻率以獲得用于時鐘應(yīng)用的所需頻率.如果使用音叉晶體單元,此時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的實時時鐘模塊.
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)計算頻率漂移(2),并導(dǎo)出對應(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鐘,其實時時鐘模塊的振蕩輸出已經(jīng)被高精度地補(bǔ)償.
時鐘更新脈沖調(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)計算頻率漂移(2),并且在分頻器電路和輸出內(nèi)補(bǔ)償對應(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個脈沖上產(chǎn)生“1秒”時間周期時在第32,767個脈沖上產(chǎn)生“1秒”信號,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)確地輸出最終移動時鐘的1秒信號.但是,這種方法存在一個缺點:由于提取的時鐘信號的周期隨著溫度補(bǔ)償?shù)臅r序而動態(tài)波動,因此使用該時鐘的CPU無法在正確的時序運行.因此,當(dāng)使用這種方法時,外圍設(shè)備將無法充分受益.
圖4顯示了Epson實時時鐘模塊的頻率-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..這表明實時時鐘模塊的月時鐘誤差為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時時鐘模塊的特性,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.
除了高頻穩(wěn)定性外,該產(chǎn)品還配備了實時時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,低功耗的實時時鐘模塊.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)計工程效率和質(zhì)量.
愛普生實時時鐘模塊的特點:
實時時鐘模塊是單個封裝,包含32.768kHz晶振單元和實時時鐘IC,包括振蕩電路時鐘,日歷和報警.在愛普生,我們開發(fā)和制造自己的晶體單元和實時時鐘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高精度實時時鐘模塊和在理想條件下運行的實時時鐘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)計時系統(tǒng)和時計的核心,從奧運會官方計時系統(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時時鐘IC使我們能夠設(shè)計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.這就是愛普生的實時時鐘模塊與眾不同的原因.
時鐘應(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鐘,用于計時應(yīng)用,以滿足市場需求(例如,以極低的功率消耗保持當(dāng)前時間).當(dāng)石英水晶振子單元以低功率工作時,頻率-溫度系數(shù)呈現(xiàn)二次曲線,如圖1所示.因此,在設(shè)計時鐘誤差時,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.如果一個普通的音叉晶體單元在-40℃環(huán)境下連續(xù)工作一個月,則振蕩頻率偏差應(yīng)為-150[x10-6],并且時鐘會損失6分鐘/月或更長時間.
圖1.音叉晶體頻率-溫度系數(shù)
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的實時時鐘模塊.
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)計算頻率漂移(2),并導(dǎo)出對應(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鐘,其實時時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
時鐘更新脈沖調(diào)整:時鐘更新脈沖調(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)計算頻率漂移(2),并且在分頻器電路和輸出內(nèi)補(bǔ)償對應(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個脈沖上產(chǎn)生“1秒”時間周期時在第32,767個脈沖上產(chǎn)生“1秒”信號,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)確地輸出最終移動時鐘的1秒信號.但是,這種方法存在一個缺點:由于提取的時鐘信號的周期隨著溫度補(bǔ)償?shù)臅r序而動態(tài)波動,因此使用該時鐘的CPU無法在正確的時序運行.因此,當(dāng)使用這種方法時,外圍設(shè)備將無法充分受益.
圖4顯示了Epson實時時鐘模塊的頻率-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)
表1.具有內(nèi)置數(shù)字TCXO的實時時鐘模塊
| 產(chǎn)品 | 特點 | 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. 寬計時器電壓范圍:1.6V至5.5V. 可選時鐘輸出(32.768kHz,1024Hz,1Hz) 內(nèi)置功能,包括完整日歷,鬧鐘,定時器和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 | ||
| RX-4803SA | 4-wireSPI | SA:10.1×7.4×3.3t(14-pinSOP) | |
| RX-8803SA | I²Cbus |
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,低功耗的實時時鐘模塊.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)計工程效率和質(zhì)量.
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