基于SoC方案的智能電表時鐘校準

　　摘要：智能電表可以實現多費率及階梯電價等諸多與時間相關的電量計費功能，要求具有精確計時的功能，在運行溫度范圍內每天的計時誤差小于1s。本文介紹了晶振的溫度特性，分析了振蕩電路并聯電容對晶體振蕩的影響，提出了基于集成型SoC(System on Chip)單片機的溫度補償方案，通過設計校準程序，實現了常溫下計算時鐘偏差并寫入補償數據，使智能電表到達常溫下±1.5ppm，全溫區±3.8ppm的計時精度。

　　引言

　　智能電表作為智能電網建設中的重要組成設備，從以往單一電量計量，發展為可以實現階梯電量計費，保存用電數據以及關鍵事件記錄等復雜功能。因而需要具備一個準確的計時單元，以作為各項與時間相關數據計算的基準。這一計時單元不僅要求常溫條件下能夠準確計時，在電表工作的整個溫度范圍內的偏差也不能超過規定范圍，國內電表方案分為獨立式時鐘芯片和單片機集成時鐘模塊兩種，其中后者較前者有更大的成本優勢，本文就SoC方案電表的時鐘校準展開討論。

　　晶振溫度特性

　　智能電表的時鐘模塊在停電狀態下由電池供電，為實現低功耗運行，時鐘模塊時鐘源只能選擇低頻晶振，因為使用高頻晶振電流消耗也隨之增大。目前電表、石英手表等計時設備中普遍采用低頻音叉晶振，圖1為音叉晶振結構圖，能量在電信號與機械振動之間轉換，具有很高的Q值，電流在電阻上的消耗很小，驅動功耗小于1μA。音叉晶振頻率通常介于10kHz~200kHz之間，本文討論的晶振工作頻率為32.768kHz。　　

　　

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　　石英晶振的振蕩頻率會隨溫度變化，稱之為溫度特性^[1]，音叉晶振的溫度特性如圖2所示，呈二次函數關系。在高溫和低溫區溫度系數大約是AT切型的2倍，但其零溫度系數點對切角公差要求較松，生產中便于控制定點溫度一致性，因此廣泛應用于各種帶有溫度補償功能的時鐘芯片中，圖2曲線用公式表示為：
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　　其中K_T為溫度系數，TI為頂點溫度，D_T為曲線頂點偏差^[2]，對于不同晶振，參數也會不同，但可以通過改善工藝和篩選晶體提高系數K_T和頂點溫度TI的一致性。通過批量測試，曲線擬合時所有晶體采用統一參數。而不同晶體頂點偏差差距較大，需要在校準時進行測量，補償時將這一偏差值計算在內。

　　補償原理

　　電容補償

　　晶振等效電路如圖3所示，其中R_s為晶體的動態電阻，C_s為動態電容，L_s為動態電感，C₀為靜態電容，C_s、L_s 由晶體的質量和彈性決定，R_s代表晶體振動時因摩擦而造成的損耗，取決于石英晶體的幾何尺寸、表面光潔度、切割工藝以及安裝結構等，C₀代表晶體切片和金屬板構成的靜態電容。