日常生活中,無論是手機、電腦還是其他電子設備,時間都是不可或缺的一部分。它們之所以能夠準確地顯示時間,背后離不開一個關鍵的組件——RTC(實時時鐘,Real-Time Clock)。
RTC作為現代電子系統不可或缺的一部分,為各種應用提供了精確的時間基準。隨著物聯網、通信、電力、安防、醫療等領域的快速發展,對高精度時間同步的需求日益增加。然而,RTC的頻率精度往往受到多種因素的影響,特別是環境溫度的變化。RTC由于功耗要求較高一般采用32.768kHz的音叉型石英晶片作為振蕩源,在-40℃~+85℃的環境下其頻率偏差可達到-140ppm~+10ppm(圖1),在-40℃環境的應用下月時間偏差達到6分鐘。為了在各種應用環境下獲取精確的時間基準,需要對音叉型石英晶片的頻率溫度特性或者輸出的脈沖信號進行針對性補償,修正因環境溫度變化而導致的頻率偏差。
圖1:音叉型石英晶體的頻率溫度特性
目前市面上的RTC產品采用的頻率補償方式可以分為兩大類:內部電容調整方式和輸出邏輯調整方式。其中輸出邏輯調整方式是通過調整生成1s的脈沖數以及變更補償頻度來實現頻率補償,通俗來講就是通過把輸出信號抹去或添加脈沖來調整秒周期來實現準確的秒信號。輸出邏輯調整的頻率補償方式局限于一些只關注到秒信號應用上,在涉及到毫秒級的應用上仍存在較大的偏差。內部電容調整方式不同于輸出邏輯調整方式,其通過利用石英晶體振蕩頻率隨振蕩負載電容的增減而變化的特點(圖2),補償因周圍溫度而產生的頻率變動。該方式直接對音叉型石英晶體的頻率溫度特性進行補償,在毫秒級的分辨率下仍能保證高質量的時間精度。
圖2:負載電容與石英晶體振蕩頻率變化曲線
泰晶科技自主研發的TR8804(圖3)和TR8010(圖4)均采用內部電容調整方式補償音叉型石英晶體的頻率溫度特性。其中TR8804針對音叉型石英晶體個體特性進行差異性補償,在-40℃~125℃的工作溫度范圍內保證高精度時間基準輸出,在-40℃~105℃的使用環境下月時間偏差在0.2分鐘,-40~125℃的使用環境下月時間偏差在0.4分鐘。TR8010采用對音叉型石英晶體特性進行批量補償的方式,在-40℃~85℃的工作溫度范圍內保證1.3分鐘左右的月時間偏差。
圖3:TR8804
圖4:TR8010
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原文標題:高精度實時時鐘模塊深度解析之一:頻率漂移補償的原理及設計
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