實時時鐘計時精度提高方案

　前言

　　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