时间是握不住留不到的，但却可以计算时间的流逝，人们都是用时钟来计量时间的，大部分产品或者设备内部都有时钟基准模块，主要用来定时和计时，那么时钟模块又是靠什么维持精确的时间呢?答案是32.768K频率的晶体，这是众所周知的时钟晶振,专门用于时钟模块的频率控制元器件.日本EPSON晶振公司是世界上规模较大的32.768K制造厂商,每年为全球用户提供的32.768K晶振超过5亿颗,EPSON公司制造和销售模块,这些模块组合成一个单独的封装,一个以精确,稳定的频率振荡的晶体单元和一个控制晶体的实时时钟IC.本文将介绍Epson高精度,低功耗实时时钟模块的特性,功能和特性.
爱普生实时时钟模块的特点:
实时时钟模块是单个封装,包含32.768kHz晶振单元和实时时钟IC,包括振荡电路时钟,日历和报警.在爱普生,我们开发和制造自己的晶体单元和实时时钟IC,为我们提供稳定的晶体单元供应,这些晶体单元已针对高精度实时时钟模块和在理想条件下运行的实时时钟IC进行了优化这些晶体单元的条件.爱普生的半导体技术和专业技术,以及能够实现极其稳定的低功耗石英晶体振荡器的技术,成为手表控制的基础.这些技术是无数计时系统和时计的核心,从奥运会官方计时系统到豪华精工品牌手表,如GrandSeiko.
开发我们自己的晶体单元和实时时钟IC使我们能够设计出完美的匹配并充分发挥两者的潜力.这导致产品表现出高性能.这就是爱普生的实时时钟模块与众不同的原因.
时钟应用中使用的晶体单元的频率精度:
石英水晶振子单元通常用于低频时钟,用于计时应用,以满足市场需求(例如,以极低的功率消耗保持当前时间).当石英水晶振子单元以低功率工作时,频率-温度系数呈现二次曲线,如图1所示.因此,在设计时钟误差时,不仅要考虑室温下的频率偏差(+25摄氏度)并且还有二次曲线的频率-温度系数偏差.如果一个普通的音叉晶体单元在-40℃环境下连续工作一个月,则振荡频率偏差应为-150[x10-6],并且时钟会损失6分钟/月或更长时间.

图1.音叉晶体频率-温度系数

因此,您可能会认为您更愿意使用具有优异频率温度系数的AT切割晶体或其他晶体单元作为频率源.然而,AT切割晶体单元的振荡频率通常在几MHz的量级,因此必须通过振荡电路来划分频率以获得用于时钟应用的所需频率.如果使用音叉晶体单元,此时振荡电路消耗的电流将是消耗的电流的几百倍.因此,我们认为使用AT切割晶体单元作为时钟源不符合市场要求.
使用数字TCXO的频率精度补偿方法:
音叉晶体单元的振荡频率随着环境温度的变化而变化,如图1所示,并且需要一种技术来补偿这些变化以便提高时钟精度.爱普生使用数字TCXO温补晶振的温度补偿性能来提高频率精度.该频率精度补偿方法的概要如图2所示.
在该方法中,通过将环境温度数据转换为固定频率的数字值,然后从存储器中检索适合于该温度的补偿值来补偿振荡频率.用于补偿振荡频率的方法可大致分为两种类型:负载电容调整方法和时钟更新脉冲调整方法.负载电容调整方法通常用于EPSON Crystal的实时时钟模块.
下面解释这两种补偿方法.

负载电容调整方法:
负载电容调整方法通过调整石英晶振的振荡频率来校正频率.可以通过增大或减小振荡负载电容来改变晶体单元的振荡频率.该方法用于校正响应于环境温度变化而发生的频率变化.该原理在图3中示意性地示出.
音叉晶体单元的频率-温度系数示于图3的左侧.右侧示出了负载电容调节特性,其中频率根据负载电容值而变化.具体地,根据环境温度数据(1)计算频率漂移(2),并导出对应于该频率漂移的负载电容中的变化量(3).检测与该温度对应的负载电容的变化量作为偏移值.然后应用偏移值以补偿振荡频率.由于该方法直接补偿振荡频率,因此振荡频率可以用作低频睡眠时钟,其实时时钟模块的振荡输出已经被高精度地补偿.

图3负载电容调整的描述

时钟更新脉冲调整:
时钟更新脉冲调整方法通过使用分频器电路的一部分来调整脉冲来补偿晶体单元的频率,该晶体单元允许在没有调节的情况下振荡.该原理在图4中示意性地示出.具体地,根据环境温度数据(1)计算频率漂移(2),并且在分频器电路和输出内补偿对应于该频率漂移的频率.
如图4所示,通常如果晶振在第32,768个脉冲上产生“1秒”时间周期时在第32,767个脉冲上产生“1秒”信号,则可以缩短1-秒周期.例如,如果每秒施加这种补偿,则它将对应于30.5×10-6附近的频率补偿.通过调整脉冲数产生1秒并通过改变补偿频率,您可以在不改变振荡电路的情况下显着补偿频率.利用这种补偿方法,通过逻辑电路进行调整,从而准确地输出最终移动时钟的1秒信号.但是,这种方法存在一个缺点:由于提取的时钟信号的周期随着温度补偿的时序而动态波动,因此使用该时钟的CPU无法在正确的时序运行.因此,当使用这种方法时,外围设备将无法充分受益.

图4显示了Epson实时时钟模块的频率-温度系数,其中数字TCXO用于补偿频率精度(负载电容调整方法).

图5使用DTCXO补偿前后的频率温度系数

从图中可以看出,与音叉晶体单元(图5中的绿线)相比,带有数字TCXO(图中的蓝色)的模块的补偿频率在很宽的温度范围内非常稳定..这表明实时时钟模块的月时钟误差为9秒(频率精度:±3.4×10-6),具有出色的精度和稳定性.表1总结了爱普生晶振的低电流实时时钟模块的特性,所有这些都使用数字TCXO来保证出色的频率精度和稳定性.

表1.具有内置数字TCXO的实时时钟模块

产品	特点	接口	尺寸(mm)
RX-4803LC	内置32.768kHz数字温度补偿晶体振荡器(DTCXO)源频率精度:(±3.4×10-6@-40至+85°C,±5×10-6@-40至+85°C) 1/100s定时器寄存器接口电压范围:1.6V至5.5V. 温度补偿电压范围:2.2V至5.5V. 宽计时器电压范围:1.6V至5.5V. 可选时钟输出(32.768kHz,1024Hz,1Hz) 内置功能,包括完整日历,闹钟,定时器和EVIN输入根据端子连接,可用作32.768kHzDTCXO	4-wireSPI	LC:3.6×2.8×1.2t(20-pinVSOJ)
RX-8803LC		I²Cbus	LC:3.6×2.8×1.2t(20-pinVSOJ)
RX-4803SA		4-wireSPI	SA:10.1×7.4×3.3t(14-pinSOP)
RX-8803SA		I²Cbus	SA:10.1×7.4×3.3t(14-pinSOP)

除了高频稳定性外,该产品还配备了实时时钟模块所必需的所有功能.它们有两种封装尺寸:LC和SA.
正如本文所述,爱普生利用其技术制造极低电流的32.768K晶体单元和制造电路的技术,这些电路可补偿频率-温度系数,从而制造和销售高精度,低功耗的实时时钟模块.这些产品的频率精度在出厂前已在工厂进行调整和保证,因此用户无需进行频率调谐.这些产品可以显着提高用户的设计工程效率和质量.

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当32.768K内置到TCXO晶振会有怎样的惊喜

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