如何提高32.768K提供的精度

由于石英晶振的温度特性较差,电子计时一直缺乏高精度.已经应用了许多不同的技术来提高32.768kHz石英晶体提供的精度.本文介绍了一种高度集成的器件,它以与未校准的独立实时时钟(RTC)相当的价格提供无与伦比的计时准确性.该设备将使当前的精确度改进技术过时,有助于使准确的计时成为标准而非奢侈品.

“你可能会拖延,但时间不会.”-本杰明•富兰克林

如果本杰明富兰克林不得不使用石英晶体和RTC来维持一天中的时间,他可能会重新考虑他的陈述.晶体在温度上的不准确性通常会使时间看起来延迟(或者偶尔会更快地移动).

带有32.768kHz石英音叉式晶体振荡器的RTC是大多数电子应用的标准计时参考.RTC通过计算秒数来维持时间和日期,这需要从32.768K晶体振荡器得到的1Hz时钟信号.当前时间和日期信息存储在一组寄存器中,通过通信接口访问.

问题

使用RTC进行计时没有任何内在错误.但是,时间只能与使用的参考一样准确.不幸的是,典型的32.768kHz音叉式晶体在很宽的温度范围内都不能提供很高的精度.由于其在温度范围内具有抛物线特性(图1),因此室温(+25°C)时的精度通常为±20ppm.这相当于每天增加或减少1.7秒的时间,或每年10.34分钟.如图1所示,在更高的极端高温和低温下精度会降低.这些温度下的典型精度远低于150ppm,相当于每天损失近13.0秒或每年超过1.3小时.

图1.典型32.768K音叉晶体的温度与精度的关系.

特定频率(f)和温度(T)下典型晶振的频率偏差(Δf)为:

Δf/f=k(T-To)2+fo

其中f为标称晶体频率,k为曲率常数,T是温度,To是转换温度,fo是室温下的频率偏差.

对该等式的分析仅揭示了控制每个晶体频率响应随温度变化的三个变量.这些是曲率常数,周转温度和室温频率偏差.曲率常数对频率偏差随温度的抛物线性质影响最大,但该常数具有非常小的偏差.不同的周转温度使偏差曲线向左或向右偏移,并且室温下的不同频率偏差使曲线向上或向下移动.

各种方案

对于要求计时准确性的应用,可用于改善晶体不准确性的选择有限.应用可通过晶体屏蔽,集成晶体,校准寄存器或温补晶体振荡器提高计时精度.

水晶筛选

改善计时的一个选择是让供应商提供落在特定室温精度范围内的晶体.这要求供应商在装运前分析每个晶体在室温下的频率偏差,这显然增加了晶体的成本.该方法对晶体精度曲线的抛物线性质没有影响.

通过使用筛选工艺,晶振厂家可以提供一组晶体,将室温精度从±20ppm提高到±10ppm或±5ppm.这些“改进的”晶体仍会在高温和低温下遭受大的不准确性.

根据所需的精度和负载电容水平,还会产生产量损失.这可能导致可接受的晶体数量不足.

制造商还可以通过最初切割晶体的角度来控制石英晶体谐振器周转温度,但这是不切实际且昂贵的.水晶制造商使用许多自动化流程,但仍然难以满足需求.诱导制造商中断其非标准部件的制造顺序的可能性很低.

集成晶体

进一步采用晶体筛选工艺,一些公司将音叉晶振包含在与计时装置相同的包装中,这将向晶体管制造商提供晶体的负担.提供集成晶体可消除晶体采购问题,从而减少设计人员的工作量.这减轻了与计时装置要求相匹配的晶体参数的顾虑,并减少了印刷电路板(PC板)布局问题.

没有垂直整合的公司无法测量或修整晶体参数.这些公司从供应商处购买晶体,并将芯片和晶体组装成单个封装.预计此选项无法提高准确性.DallasSemiconductor为这类集成器件提供DS1337C,DS1338C,DS1339C,DS1340C和DS1374C.对于不需要高精度的应用,这些都是出色的设备.

其他制造自己晶振的公司能够在较小的密封包装中放置晶体毛坯(未包装的石英),并修整毛坯以满足一定的精度要求.如前一节所述,此方法不会改变抛物线曲线,但仅在室温下提供较小的精度改善.高温和低温的改善可以忽略不计.这种方法的缺点是陶瓷封装和晶体微调增加了整个解决方案的成本.