長(cháng)期以來(lái)電子計時(shí)一直缺少高精度的解決方案，主要原因是石英晶體的溫度特性較差。本文介紹幾款帶溫度補償的RTC芯片，可以提供獨一無(wú)二的高精度計時(shí)，價(jià)格則與普通的未經(jīng)校準的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)相當。這幾款器件的推出可以排除當前為提高計時(shí)精度而采用的低性?xún)r(jià)比方案，使得精確計時(shí)成為一種標準，而不再是奢望。

基本原理：

晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)。它用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬(wàn)分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內調整頻率，稱(chēng)為壓控振蕩器（VCO）。

初始精度：

初始精度指器件在常規條件下，最初使用時(shí)的精度。初始精度主要受振蕩器質(zhì)量的影響，通常精度越高價(jià)格也越貴，比較經(jīng)濟的方法是根據具體的設計對振蕩器的初始頻率進(jìn)行簡(jiǎn)單補償。通常需要測量振蕩器的實(shí)際頻率，計算出校準值，用其補償振蕩器的頻率誤差。補償初始精度的主要困難在于獲得足夠高的振蕩頻率測量分辨率。實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用的音叉振蕩器在室溫下精度的典型值為±20×10-6，頻率測量的分辨率直接影響了時(shí)鐘精度的提高，但要獲得頻率的高分辨率測量需要大量的累計計數或以極高的精度測量脈沖周期。

確定RTC的初始精度后，可以使用軟件補償時(shí)間誤差，但這種方法補償的僅僅是已知的時(shí)間間隔，不會(huì )改變振蕩器的頻率。如果振蕩器輸出用于需要高精度時(shí)鐘的場(chǎng)合，這種方法將不適合。

另外一種RTC經(jīng)常使用的方法是測量基頻，對分頻鏈路進(jìn)行加、減計數來(lái)調節計時(shí)頻率。這種方法無(wú)須額外的軟件開(kāi)銷(xiāo)即可提高計時(shí)精度，但不能調節基頻。此外，這種方法也需要高精度測量振蕩頻率。以SDIC公司的RTC為例，它采用的方法是通過(guò)調節晶體的負載電容來(lái)調節晶體的振蕩頻率。這種方法可以補償基頻，有效提高計時(shí)精度和方波輸出時(shí)鐘的精度，二者工作在同一時(shí)鐘源。

長(cháng)期穩定度：

長(cháng)期穩定度用來(lái)預測器件在整個(gè)有效使用期限內的穩定度。提高精度的另一途徑是補償器件的長(cháng)期穩定度，要求器件在其使用期限內重復測量并進(jìn)行校準，這種條件在某些場(chǎng)合是可以接受的，但有些應用則無(wú)法采納或不便操作。對于不能進(jìn)行讀寫(xiě)操作、獨立工作的設備，如電表，設計人員必須提高振蕩器精度或改變系統結構，以便對其進(jìn)行讀/寫(xiě)操作和調節，但是，無(wú)論哪種方案都會(huì )提高系統成本。

頻率的長(cháng)期穩定性主要受石英晶體老化的影響，補償這種影響的唯一方法是測量頻率并根據測量結果進(jìn)行頻率校準或調理。因為晶體老化的程度隨著(zhù)時(shí)間而減弱，影響較大的時(shí)期一般在設備運行后的前兩年。晶體工作在高溫環(huán)境時(shí)會(huì )加速老化。晶體安裝在芯片封裝內時(shí)，回流焊過(guò)程中受高溫影響，會(huì )使老化發(fā)生一次躍變。但在安裝之后，系統的老化程度會(huì )大大減緩。將晶體封裝在RTC芯片內，相對于其他外置晶體的RTC具有更好的老化特性。

溫度影響：

溫度系數是估算由于溫度變化造成的精度誤差。溫度的不穩定和相應的溫度系數是許多應用所面臨的問(wèn)題，特別是那些工作在寬溫范圍的應用，如室外電表或水表。標準的用作RTC時(shí)基的32.768kHz音叉晶體的頻率響應與溫度之間的關(guān)系為Δf/f=k(T-T0)2+f0。其中，Δf為頻率偏差，f為基頻，k為曲率，T為溫度，T0為折點(diǎn)溫度，f0為折點(diǎn)溫度處的頻偏。

當器件工作在溫度變化較大的環(huán)境中，頻率隨溫度的變化將成為影響計時(shí)精度的主要因素。標準的±20×10-6晶體每天產(chǎn)生的計時(shí)誤差是±1.7s（每年 ±10.3分鐘），如果工作在擴展級溫度范圍，誤差可能達到-150×10-6，每天計時(shí)誤差為±13s，每年±1.3h。圖1為晶體振蕩頻率誤差的TC特性。

消除溫度對精度影響的唯一途徑是提供實(shí)時(shí)的溫度補償。校準程序要準確測量晶體/振蕩器隨溫度的變化情況，并存儲結果。然后按照一定的時(shí)間間隔測量晶體溫度，利用存儲的校準信息調節溫度效應。

溫度補償的RTC：

現在市面上常用的帶溫度補償RTC芯片有EPSON公司的RX8025T芯片，Maxim公司的DS3231芯片和SDIC公司的SD3025T芯片等。下表對比3種芯片的主要差異:

上面表格中的3款帶溫度補償RTC芯片都是內部集成了高穩定晶振，輸出的波形都是經(jīng)過(guò)溫度補償校準的?？梢燥@著(zhù)提高RTC的初始精度和溫度穩定性。由于內嵌在封裝內的晶體已經(jīng)經(jīng)過(guò)高溫老化處理所有比分立的晶體具有更好的長(cháng)期穩定性。精度在-40℃~85℃范圍內都小于±5ppm。

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