【技术】采用DTCXO技术RTC模块,如何实现9秒/月误差?

2017-06-17 Epson(世强翻译)

本文讨论EPSON的高精度温度补偿实时时钟模块RTC中采用的DTCXO(数字温度补偿晶体振荡器)技术。RTC实时时钟模块内部集成了32.768KHz晶体,包含了晶体振荡电路、时钟、日历、闹钟以及振荡输出功能的模块芯片。


为了符合计时产品的低功耗应用,RTC模块通常采用音叉型晶体。音叉型晶体运行低功耗状态的同时,频率-温度关系呈现为一个以常温25℃为中心的二次曲线,当温度偏离中心点时频率逐渐变低。因此,当我们在计算时钟误差时,不仅需要计算常温25℃时的频率漂移,还需要计算频率-温度漂移关系曲线。


假设一个普通的音叉型晶体在-40℃的环境中持续运行了一个月,在此温度下晶体频率漂移为-150ppm,时钟将会变慢6分钟以上。你可能会想到采用其它具有更好频率-温度漂移特性的晶体类型,比如AT-CUT或者其它切割类型晶体来解决这个问题。然而,AT-CUT型晶体的振荡频率为MHz级别,它需要采用分频电路来得到时钟所需的频率,这将需花费运行音叉型晶体振荡电路100倍的功率消耗。因此我们认为,使用AT-CUT晶体是不适合市场应用要求的。


图1:频率-温度漂移关系曲线图


为了采用音叉型低频晶体,且满足对时钟高精度的要求,需要采用一定技术来对由于环境温度变化而产生的频率漂移进行补偿,以改善时钟的准确度。


EPSON目前采用DTCXO技术来提高频率准确度。其工作示意图如图2所示。该补偿方法通过将环境温度转换成固定的频率,并且从校正数据中检索得到相应温度的补偿数据来完成频率-温度补偿。具体的振荡频率补偿方法可以分为两种:
1)负载电容调整法
2)时钟脉冲调整法


图2:采用DTCXO技术示意图


负载电容调整法
该方法采用纠正晶体匹配负载电容的方式来调整晶体振荡的频率,因为晶体振荡频率可以通过增大和减小负载电容来调整。这种方法适用于纠正由于环境温度变化产生的频率漂移问题。基本原理如下图3所示,左侧是频率-温度关系图,右侧为负载电容调整特性曲线-负载电容与频率变化关系图。


由图中可知,从环境温度变化(1)得到频率漂移量(2),然后可推导出偏移相应频率所需调整的负载电容量(3)。负载电容量以偏移量的形式表示,以偏移量直接调整负载电容完成振荡频率补偿。由于此补偿方法直接对振荡频率进行补偿,所以RTC模块可以采用模块经过补偿后输出的高精度低频振荡来作为休眠时钟。


图3:负载电容调整法温度补偿示意图


时钟脉冲调整法
采用时钟脉冲调整法进行补偿无需调整晶体振荡,而是采用分频电路来调整脉冲的计数值来完成。基本原理如下图4所示。


由图4可知,从环境温度变化(1)得到频率漂移量(2),然后相应的频率漂移补偿通过分频电路来进行补偿。正常由32767个脉冲组成的“1S”会比由32768个脉冲组成的“1S”短。如果每秒调整一次,每次调整的最小范围是30.5ppm(1/32768)。由于通过分频电路调整的时钟是不连续的,实际上此方法补偿后时钟输出是会产生波动的,使用该时钟的CPU外设不能很好地工作。


图4:时钟脉冲调整法温度补偿示意图


因此,EPSON RTC模块中DTCXO技术采用了负载电容调整法进行温度补偿。图5展示了采用负载电容调整频率-温度补偿法的EPSON DTCXO实时时钟RTC模块的频率-温度漂移关系(与未补偿时进行对比)。


图5:EPSON DTCXO频率-温度补偿法温漂特性


从图5可以发现,经过DTCXO补偿后与未补偿的普通RTC模块时钟相比,前者在一个相当宽泛的温度范围内保持极高的频率稳定度。这意味着采用带DTCXO技术的RTC,1个月内时钟误差只有9秒(精度±3.4ppm),具有相当高的精度和稳定度。以下是采用EPSON DTCXO技术的RTC产品列表(两种封装LC和SA)。



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