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如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償

發(fā)布時(shí)間:2020-12-10 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)從來(lái)都不是系統(tǒng)中引人注目的組件。確實(shí),許多工程師不理解為什么需要RTC。他們可能會(huì)認(rèn)為這是一種非常簡(jiǎn)單的組件,只能記錄時(shí)間。另外,當(dāng)今大多數(shù)微控制器都具有內(nèi)置的RTC。
 
實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)從來(lái)都不是系統(tǒng)中引人注目的組件。確實(shí),許多工程師不理解為什么需要RTC。他們可能會(huì)認(rèn)為這是一種非常簡(jiǎn)單的組件,只能記錄時(shí)間。另外,當(dāng)今大多數(shù)微控制器都具有內(nèi)置的RTC。
 
那么,為什么系統(tǒng)工程師會(huì)花更多的錢并愿意為RTC浪費(fèi)更多的PCB空間?為什么獨(dú)立的RTC不再過(guò)時(shí)?本文將重點(diǎn)介紹RTC在不同應(yīng)用中的重要性,并概述關(guān)鍵的RTC規(guī)范和相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
 
過(guò)去,在互聯(lián)網(wǎng)普及之前,高精度RTC對(duì)于無(wú)數(shù)應(yīng)用(例如個(gè)人計(jì)算機(jī),電子表,便攜式攝像機(jī)和車輛)至關(guān)重要。即使關(guān)閉主電源,RTC也會(huì)跟蹤時(shí)間。如果沒(méi)有RTC,則用戶每次打開(kāi)設(shè)備時(shí)都需要設(shè)置時(shí)間和日期。
 
當(dāng)今的電子設(shè)備可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)或GPS。連接設(shè)備后,就可以輕松獲取最準(zhǔn)確的時(shí)間。對(duì)于那些擁有持續(xù)不斷的互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備來(lái)說(shuō),高精度的RTC確實(shí)是不必要的,但是這種好處是以高功耗為代價(jià)的。
 
為什么現(xiàn)在還需要RTC
 
在過(guò)去的十年中,隨著各種自動(dòng)化應(yīng)用的興起,如今數(shù)十億設(shè)備已啟用互聯(lián)網(wǎng)。安全攝像機(jī),照明燈,娛樂(lè)系統(tǒng)和設(shè)備等日常物品現(xiàn)在可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。這些設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)潮流的一部分。但是,雖然電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在推動(dòng)大量的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)增長(zhǎng),但持續(xù)連接到電源的設(shè)備也是物聯(lián)網(wǎng)的一大部分。
 
那么,RTC時(shí)代結(jié)束了嗎?并不是的。越來(lái)越多的RTC實(shí)際上被用于許多自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。許多遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器(如氣象站)大多由電池供電,并按照預(yù)設(shè)的時(shí)間表進(jìn)行測(cè)量或完成任務(wù)。這些設(shè)備無(wú)法持續(xù)啟用無(wú)線收發(fā)器,因?yàn)檫@將很快耗盡電量。
 
確實(shí),工程師在技術(shù)上花了很多心思來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。在大多數(shù)情況下,這些電池供電的設(shè)備(包括微控制器)都在深度睡眠模式下運(yùn)行,以最大程度地減少無(wú)任務(wù)執(zhí)行時(shí)的損耗。這些應(yīng)用程序受益于極低的RTC,可以不時(shí)地喚醒系統(tǒng)以執(zhí)行分配的任務(wù)。
 
盡管微控制器通常具有內(nèi)置的RTC,但計(jì)時(shí)電流通常以mA為單位。而獨(dú)立的RTC在運(yùn)行時(shí)僅消耗nA的電流。比如某款RTC,在計(jì)時(shí)模式下僅消耗150 nA電流,并提供兩個(gè)警報(bào)設(shè)置和兩個(gè)可用于喚醒系統(tǒng)的中斷引腳。
 
不要小看幾mA和150 nA之間的差異。在設(shè)計(jì)IoT應(yīng)用程序以延長(zhǎng)電池壽命時(shí),每mA的電流都很重要。除了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外,許多醫(yī)療設(shè)備還需要納米功率級(jí)RTC。例如可穿戴式ECG設(shè)備,助聽(tīng)器和醫(yī)用標(biāo)簽。
 
大多數(shù)電池供電設(shè)備在設(shè)計(jì)上都非常小,便于攜帶或易于安裝。由于獨(dú)立的RTC在微控制器的外部,因此首選具有較小封裝的RTC。更好的是,如果電路板空間有限,工程師可以選擇帶有集成諧振器的RTC。當(dāng)前,業(yè)界最小的集成諧振器的RTC采用2.1×2.3 mm 8引腳WLP封裝。
 
除了低功耗和小封裝尺寸外,某些應(yīng)用還要求在寬溫度范圍內(nèi)具有較高的計(jì)時(shí)精度。例如,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器,這是一個(gè)重要的考慮因素,在該傳感器中,一天中的溫度可能波動(dòng)很大。對(duì)于這些應(yīng)用,更優(yōu)選擇是具有溫度補(bǔ)償功能的RTC,這將在本系列文章的第2部分中進(jìn)行討論。
 
帶有外部晶振的RTC
 
具有成本效益的RTC通常需要外部諧振器,而RTC最常用的諧振器是32.768 kHz石英晶體。為什么是32.768 kHz?首先,32768是2的冪函數(shù)。當(dāng)該信號(hào)連接到15級(jí)觸發(fā)器時(shí),輸出是精確的1 Hz信號(hào)。RTC使用此1 Hz信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)邏輯。但是,為什么用32.768 kHz而不是131.072 kHz或1.024 kHz?為了回答這個(gè)問(wèn)題,我們需要了解頻率和功耗之間的權(quán)衡。通常,電流消耗隨著晶體頻率的升高而增加。
 
而晶體的大小與頻率成反比,這意味著較低的頻率晶體在物理上更大,并且占用了更多的電路板空間。因此,選擇32.768 kHz作為功率和尺寸之間的最佳折衷方案。此外,人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20 Hz至20 kHz。如果頻率低于20 kHz,人們可以聽(tīng)到晶體振動(dòng)。32.768 kHz是2的整數(shù)次方第一個(gè)超過(guò)可聽(tīng)范圍的頻率。
 
石英晶體在出廠時(shí)已校準(zhǔn),可以通過(guò)向音叉的尖端添加少量金以精確調(diào)節(jié)振動(dòng)速度,從而在目標(biāo)頻率下振蕩。在規(guī)定的電容器負(fù)載下,室溫下所得的時(shí)鐘精度通常在±20 ppm以內(nèi)。 ppm單位是百萬(wàn)分率的縮寫,是通常用于時(shí)鐘精度測(cè)量的單位。
 
假設(shè)環(huán)境溫度全年恒定為25°C,在這種情況下,±20 ppm的RTC,每年誤差最大可為10.5分鐘的精度為。計(jì)算如下:
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
計(jì)算出10.5分鐘的公式
 
如果溫度波動(dòng),累積誤差可能會(huì)增加。如果購(gòu)買者愿意支付額外的費(fèi)用,則供應(yīng)商可以通過(guò)篩選過(guò)程提供精度更高的晶體。但是,無(wú)論這些晶體在室溫下有多精確,其頻率仍然會(huì)受到以下三個(gè)因素的影響:
 
溫度波動(dòng)
 
帶負(fù)載電容器的頻率上拉
 
老化
 
溫度波動(dòng)
 
水晶晶振的頻率是溫度的函數(shù),可以用一個(gè)二階方程來(lái)近似:
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
晶振頻率的方程
 
其中f0是標(biāo)稱頻率(32.768 kHz)T0是標(biāo)準(zhǔn)溫度(25°C)k是晶體的拋物線系數(shù)(典型值為0.04 ppm /攝氏度²)T是環(huán)境溫度
 
如頻率誤差與溫度的關(guān)系圖所示,隨著溫度偏離室溫(25°C),頻率變慢。
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
該圖顯示了溫度偏離室溫后頻率將變慢。資料來(lái)源:Maxim Integrated
 
為了保證最佳的精度性能,必須將環(huán)境溫度調(diào)節(jié)在25℃左右。許多室內(nèi)電池供電的設(shè)備可以將此RTC與外部晶振解決方案配合使用,從而節(jié)省了成本并降低了功耗。
 
負(fù)載電容拉動(dòng)
 
晶體的頻率會(huì)受到其負(fù)載電容器的影響。皮爾斯振蕩器是RTC內(nèi)部最常用的晶體振蕩器電路。它通常由晶體,逆變器和負(fù)載電容器組成。
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
RTC內(nèi)部裝有一個(gè)振蕩器電路。資料來(lái)源:Maxim Integrated
 
由晶體和負(fù)載電容器組成的等效電路如下圖所示。
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
基于晶體和負(fù)載電容器的等效電路。資料來(lái)源:Maxim Integrated
 
在所示的電路中,RCL串聯(lián)電路與C0和CL并聯(lián)諧振。振蕩頻率公式如下:
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
振蕩頻率方程
 
其中,R1,C1和L1是晶體參數(shù),C0是晶體端子之間的電容,F(xiàn)L是具有總有效電容的振蕩頻率,CT是總有效電容,C1與(CL + C0)串聯(lián)
 
CT是整體有效電容方程
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
FS是晶體的串聯(lián)諧振頻率
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
由于C0 + CL遠(yuǎn)大于C1,因此FL公式可以近似為
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
FL相對(duì)于CL的導(dǎo)數(shù)表示相對(duì)于負(fù)載電容,以Hz為單位的頻率變化。用串聯(lián)頻率除以計(jì)算每單位電容頻率的變化率。該公式顯示了各種負(fù)載電容值CL時(shí)的頻率靈敏度:
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
僅當(dāng)CL接近指定的負(fù)載電容值時(shí),該公式才是一個(gè)很好的近似值。如果負(fù)載電容器偏離規(guī)定值太多,則振蕩器可能無(wú)法正常工作,因?yàn)榫w和電容器無(wú)法產(chǎn)生180度相移回到輸入端。
 
為了降低成本和占用電路板空間,許多RTC都內(nèi)置有工廠調(diào)整過(guò)的負(fù)載電容器。它們應(yīng)與晶體的指定負(fù)載電容非常匹配。如果布局設(shè)計(jì)合理,則室溫下的頻率誤差應(yīng)很小。從晶體到RTC焊盤的PCB走線會(huì)造成額外的雜散電容。在市場(chǎng)上的一種RTC中,根據(jù)評(píng)估套件的PCB布局,對(duì)負(fù)載電容器進(jìn)行了修整,以提供最佳的時(shí)鐘精度。換句話說(shuō),評(píng)估套件中的雜散電容已作為CL的一部分包括在內(nèi)。
 
老化
 
老化是指晶體的諧振頻率隨時(shí)間的變化。老化是由于晶體封裝內(nèi)部的污染而導(dǎo)致的晶體質(zhì)量隨時(shí)間的變化而引起的。 通常,晶體的頻率每年變化幾ppm,大多數(shù)變化發(fā)生在前兩年。
 
將晶體暴露在高溫環(huán)境中可以加快老化速度。不幸的是,除了不時(shí)校準(zhǔn)晶體外,工程師對(duì)老化幾乎無(wú)能為力。某些RTC提供了老化補(bǔ)償寄存器,供用戶手動(dòng)調(diào)整時(shí)鐘頻率。
 
帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC
 
對(duì)于在溫度穩(wěn)定但平均溫度不是25℃的環(huán)境中運(yùn)行的應(yīng)用,可以使用帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC來(lái)校正。概念是從時(shí)鐘計(jì)數(shù)器中增加或減少計(jì)數(shù),以加快或減慢時(shí)鐘速度??梢允褂镁w供應(yīng)商提供的晶體頻率公式來(lái)計(jì)算校正時(shí)間所需的計(jì)數(shù)。
 
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也可以將這種RTC與外部溫度傳感器結(jié)合使用?;跍囟葌鞲衅鞯妮敵觯⒖刂破骺梢远ㄆ谡{(diào)整計(jì)數(shù)值。但是,這種方法有許多缺點(diǎn)。
 
首先,額外的溫度傳感器會(huì)增加系統(tǒng)成本并占用更多的占板空間。其次,微控制器將需要定期調(diào)整校準(zhǔn)寄存器,這將增加微控制器的開(kāi)銷。第三,晶體頻率公式可能無(wú)法非常準(zhǔn)確地反映晶體的實(shí)際溫度響應(yīng),因?yàn)槊總€(gè)晶體可能與其他晶體稍有不同,并且晶體頻率公式僅代表典型情況。對(duì)于高精度應(yīng)用,此解決方案可能無(wú)法接受。
 
TCXO作為時(shí)鐘源
 
溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)在單個(gè)封裝中結(jié)合了振蕩晶體,溫度傳感器和數(shù)字邏輯。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi),其輸出頻率誤差非常低。只需將TCXO的輸出連接至晶振輸入或RTC的時(shí)鐘輸入即可驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)邏輯。該解決方案不需要微控制器來(lái)校正時(shí)間,但是它仍然具有占板空間,高成本和更高功耗的問(wèn)題。
 
帶有集成TCXO的RTC
 
通過(guò)集成溫度傳感器,晶振,負(fù)載電容器和溫度補(bǔ)償電路,可以形成高精度的RTC。這種RTC的精度規(guī)格通常在工業(yè)級(jí)-40至85℃或汽車級(jí)-40至125℃的工作溫度范圍內(nèi)約為5 ppm或更低。它節(jié)省了占板空間,電源和微控制器資源。
 
如前所述,除了溫度以外,RTC還需要了解晶體的溫度響應(yīng)特性,以校正頻率誤差??梢詮男?zhǔn)過(guò)程中獲取此信息。盡管晶體供應(yīng)商提供了一個(gè)公式來(lái)計(jì)算典型頻率,但是每種晶體的特性可能略有不同。在室溫下,典型的晶體可能具有高達(dá)20 ppm的誤差。
 
每個(gè)RTC都應(yīng)單獨(dú)校準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)最高的精度性能。因此,在校準(zhǔn)過(guò)程中,會(huì)在多個(gè)不同的溫度點(diǎn)測(cè)量晶體的頻率。顯然,測(cè)量的校準(zhǔn)點(diǎn)越多,測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際頻率——溫度特性曲線的匹配越好。
 
在校準(zhǔn)期間,每次進(jìn)行新測(cè)量之前,測(cè)試工程師都需要更改測(cè)試室的溫度或?qū)⒕浦辆哂蓄A(yù)設(shè)溫度的另一個(gè)測(cè)試室。晶圓溫度達(dá)到平衡后即可進(jìn)行測(cè)量。由于這些原因,制造商并不想進(jìn)行大量測(cè)量,因?yàn)檫@將大大增加測(cè)試時(shí)間并因此增加設(shè)備成本。
 
設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用插值方法,以有限的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)重建頻率——溫度曲線。以設(shè)計(jì)人員考慮二階方程為例:
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
其中:f是頻率,t是溫度,a,b,c是系數(shù)
 
它足夠接近晶體的頻率——溫度曲線,可以滿足所需的精度指標(biāo),因此工程師只需在不同溫度點(diǎn)測(cè)量三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可解決這三個(gè)系數(shù)。對(duì)于任何種類的插值,在給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)處的誤差都是最小的。當(dāng)輸入?yún)?shù)距離給定數(shù)據(jù)點(diǎn)更遠(yuǎn)時(shí),計(jì)算將與實(shí)際曲線有更大的偏差。因此,應(yīng)將測(cè)量溫度隔開(kāi)。在這種情況下,選擇最低、最高溫度是一個(gè)合理的選擇。
 
現(xiàn)在,借助插值公式和溫度傳感器,RTC可以“確切地”知道實(shí)際振蕩器頻率與理想的32.768 kHz相差多少。但是RTC如何校正頻率?如上所述,使用校準(zhǔn)寄存器是一種可能的方法,但很少在帶有集成晶體的RTC中實(shí)現(xiàn)。在上面提到的帶有外部諧振器部分的RTC中,有幾個(gè)因素會(huì)影響晶體的振蕩頻率。
 
其中之一是負(fù)載電容。通過(guò)操作負(fù)載電容器,溫度補(bǔ)償電路可以精確地增加或減少振蕩頻率??勺冸娙萜鞯囊粋€(gè)例子是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器陣列,加上一組電容器并聯(lián)開(kāi)關(guān)。
 
與RTC內(nèi)部的所有其他組件相比,溫度傳感器消耗大量功率。傳感器打開(kāi)的次數(shù)越多,RTC的平均總電流將越高。多久測(cè)量一次溫度并運(yùn)行補(bǔ)償算法取決于操作環(huán)境的需求。一些RTC為用戶提供了設(shè)置適當(dāng)溫度測(cè)量間隔的選項(xiàng)。
 
這是帶有集成TCXO和晶體的RTC的一個(gè)示例。DS3231SN具有一個(gè)精度指標(biāo),在-40℃至85℃的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)最高支持3.5 ppm精度,而在0℃至40℃的范圍內(nèi)誤差僅為2 ppm。下圖傳達(dá)了TCXO和典型晶體振蕩器之間的精度差異。
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
該圖顯示了時(shí)間和頻率與溫度的關(guān)系。DS3231SN與典型晶體振蕩器的比較,顯示了通過(guò)將RTC與集成的TCXO一起使用所獲得的精度增益。資源來(lái)源:Maxim Integrated
 
集成MEMS諧振器的RTC
 
集成了TCXO的RTC似乎是一個(gè)完美的解決方案。但是,它仍然存在一些缺點(diǎn)。集成了32.768 kHz晶體的RTC對(duì)于可穿戴設(shè)備或其他小尺寸應(yīng)用而言體積太大。晶體供應(yīng)商無(wú)法減小晶體的尺寸,因?yàn)轭l率決定了晶體的尺寸。為了進(jìn)一步減小尺寸,可以使用不同類型的諧振器,即帶有集成MEMS諧振器的RTC。
 
MEMS是一種非常小的機(jī)電設(shè)備,它會(huì)振動(dòng)并產(chǎn)生高度穩(wěn)定的參考頻率。與傳統(tǒng)水晶晶振相比,新一代MEMS對(duì)溫度變化的敏感度要低得多,它的質(zhì)量比晶體小數(shù)千倍。而且,由于MEMS諧振器的重量輕得多,因此它對(duì)振動(dòng)和機(jī)械沖擊具有更大的彈性。MEMS諧振器可安裝在IC裸片上,因此整體封裝尺寸幾乎可以與裸片尺寸一樣小。
 
MEMS諧振器通常比傳統(tǒng)晶體諧振器消耗更多的功率,設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)最大化MEMS諧振器的阻抗來(lái)降低功耗,從而降低電流消耗。等效阻抗為:
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
當(dāng)CL接近0時(shí),阻抗最高,在這種情況下,諧振器在其并聯(lián)諧振頻率附近工作。它將減少電流和功耗,但是,因?yàn)闆](méi)有負(fù)載電容器,所以不需要調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償?shù)恼袷庮l率。
 
由于不能通過(guò)增加或減小負(fù)載電容的方法來(lái)改變振蕩器的輸出頻率,因此設(shè)計(jì)工程師需要采用另一種方法來(lái)調(diào)節(jié)頻率,然后再將其饋入RTC計(jì)時(shí)邏輯。一種解決方案是在振蕩器輸出和RTC計(jì)時(shí)時(shí)鐘輸入之間插入一個(gè)分?jǐn)?shù)分頻器。
 
分?jǐn)?shù)分頻器
 
從入門的數(shù)字設(shè)計(jì)類中,您可能會(huì)想起許多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)可以除以任何正整數(shù)的時(shí)鐘分頻器。分?jǐn)?shù)分頻器可以將時(shí)鐘除以任何分?jǐn)?shù)。要了解分?jǐn)?shù)除法器如何工作的高級(jí)概念,我們來(lái)看一個(gè)非常簡(jiǎn)單的示例。假設(shè)輸入時(shí)鐘為100 Hz,目標(biāo)是從該100 Hz參考時(shí)鐘獲得1 Hz輸出。我們可以將時(shí)鐘簡(jiǎn)單地除以100。
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)鐘分頻器無(wú)法產(chǎn)生0.999 Hz至1.009 Hz之間的精確輸出頻率。資源:Maxim Integrated
 
如果參考輸入時(shí)鐘從100 Hz略微更改為99.9 Hz怎么辦?我們?nèi)绾螐?9.9 Hz產(chǎn)生1 Hz?我們知道,如果除數(shù)為100,輸出將變?yōu)?.999 Hz;即比1 Hz稍慢。如果除數(shù)為99,則輸出變?yōu)?.009 Hz,比1 Hz快一點(diǎn)。下圖顯示了100分頻和99分頻時(shí)鐘輸出信號(hào)的重疊,并且1 Hz時(shí)鐘的理想上升沿位于灰色區(qū)域內(nèi)的某個(gè)位置。
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
該圖顯示了99分頻和100分頻輸出時(shí)鐘操作。資料來(lái)源:Maxim Integrated
 
簡(jiǎn)單的時(shí)鐘分頻器不能產(chǎn)生0.999 Hz至1.009 Hz之間的精確輸出頻率。分?jǐn)?shù)分頻器具有一個(gè)控制電路來(lái)調(diào)制除數(shù),因此其輸出時(shí)鐘頻率可以在0.999 Hz和1.009 Hz之間切換。如果精心設(shè)計(jì)兩個(gè)分頻值之間的比率,則分頻器理論上可以隨時(shí)間產(chǎn)生0.999 Hz至1.009 Hz之間任何頻率的平均值。盡管每個(gè)時(shí)鐘周期都不是正確的1Hz,但平均輸出時(shí)鐘隨時(shí)間變化可以非常精確。
 
令x為0.999 Hz時(shí)鐘的出現(xiàn)次數(shù),y為1.009 Hz時(shí)鐘的出現(xiàn)次數(shù)。要計(jì)算x與y出現(xiàn)的正確比率,可以用以下方式建立方程:
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
其中:x是100分頻時(shí)鐘周期的出現(xiàn)次數(shù),y是99分頻時(shí)鐘周期的出現(xiàn)次數(shù),TDiv_100是一個(gè)100分頻時(shí)鐘周期的周期(本例中TDiv_100 = 100 / 99.9 Hz),TDiv_99是一個(gè)99分頻時(shí)鐘周期的周期(在此示例中,TDiv_99 = 99 / 99.9 Hz),TTarget是一個(gè)目標(biāo)平均時(shí)鐘周期的周期(在此示例中,TTarget = 1)
 
如何對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行低功耗,高效率的精準(zhǔn)補(bǔ)償
 
通過(guò)替換所有期間變量:x與y出現(xiàn)比例與變量的比率。使用該方程式,經(jīng)過(guò)幾次代數(shù)運(yùn)算后,x:y的計(jì)算比率為9:1。這意味著當(dāng)分?jǐn)?shù)分頻器的輸入時(shí)鐘為99.9 Hz時(shí),對(duì)于每9個(gè)100分頻時(shí)鐘,插入1個(gè)99分頻時(shí)鐘。在總共10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),平均頻率將恰好為1 Hz。此9:1模式將連續(xù)重復(fù)工作直到輸入頻率改變?yōu)橹?。如前所述,輸入頻率可以通過(guò)溫度——頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)或從校準(zhǔn)中獲得的查詢表來(lái)確定。
 
Maxim Integrated的MAX31343是業(yè)界最小的集成諧振器的RTC。它具有一個(gè)內(nèi)置的溫度傳感器和用于溫度補(bǔ)償?shù)姆謹(jǐn)?shù)分頻器,并且僅消耗970 nA的電流。它在小于5 ppm的工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的精度指標(biāo),使其適合各種應(yīng)用,尤其是那些空間受限且需要高精度和魯棒性,并且需要承受機(jī)械振動(dòng)和沖擊的嚴(yán)苛應(yīng)用。
(來(lái)源:EEWORLD,編譯自EDN,作者M(jìn)axim Intergrated 核心產(chǎn)品部應(yīng)用產(chǎn)品高級(jí)技術(shù)人員Gordon Lee)
 
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