為滿足市場對更高時鐘精度的需求，半導(dǎo)體廠商正在研發(fā)創(chuàng)新的時鐘解決方案，以提高計時精度。現(xiàn)在有越來越多的應(yīng)用要求實(shí)時時鐘在寬溫度范圍內(nèi)具有極高的計時精度。多費(fèi)率智能電表就是其中一個典型實(shí)例，因為供電公司需要記錄多費(fèi)率電能的使用數(shù)據(jù)，以便精確計算電費(fèi)，這要求在23℃的參考溫度下，實(shí)時時鐘每天計時精度小于±0.5秒，即計時精度小于±6 ppm （百萬分之一）。中國最新的電能表標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 357-2009規(guī)定，在-25℃至+60℃的溫度范圍內(nèi)，實(shí)時時鐘每天計時精度必須在±1秒（即±12 ppm）內(nèi)。考慮到這個標(biāo)準(zhǔn)，普通實(shí)時時鐘（RTC）無法滿足這個應(yīng)用要求。本文將論述多個提高計時精度的解決方案，同時還論述一個最佳的參考方案。
挑戰(zhàn)
典型實(shí)時時鐘采用32.768 kHz音叉表晶石英晶體。這類晶振容易在市場買到，而且價格較便宜。在25℃時，晶體通常可提供大約±25 ppm的計時精度或每天2秒的誤差。雖然非常適合電池供電應(yīng)用的低功耗需求，但是在-40 ℃至+85 ℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)，頻率變化很大。在極端溫度條件下，頻率誤差可能在-108 ppm至-177 ppm之間，如圖圖1所示。最終時鐘可能每天慢10秒至16秒。
因晶體內(nèi)在特性而產(chǎn)生的頻率誤差曲線為拋物線，實(shí)時時鐘計時精度只能與其參考時鐘（晶體）相同。
圖1：典型的32.768 kHz頻率誤差對溫度曲線
提高計時精度的可行方案
晶體篩選
有多種方法可提高實(shí)時時鐘的計時精度。提高參考時鐘（晶體）的技術(shù)參數(shù)是首選的且最簡單的解決辦法。通過晶體篩選可獲得±10 ppm甚至±5 ppm的精度。時鐘篩選雖然可行，但不是最佳方案，因為廠商提高晶體計時精度的成本昂貴。這種方法的最大限制是只能在一個溫度點(diǎn)（例如室溫）篩選晶體。但是，隨著工業(yè)溫度變化，頻率偏差的拋物線特性依然存在。
將晶體置于實(shí)時時鐘封裝內(nèi)
雖然將晶體置入實(shí)時時鐘封裝內(nèi)是一個較好的可提高計時精度的解決辦法，可以消除濕度、振動和壓力等環(huán)境因素的影響，但是無法單獨(dú)解決石英晶體的頻率隨溫度變化的不良特性導(dǎo)致時鐘精度不高的問題。
以60 Hz電力線為參考時鐘
該解決方案的原理是把60 Hz電力線（例如，美國市電）變成可用的時鐘源。電力線的頻率誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通晶體。該解決方案必須把交流電源轉(zhuǎn)換成實(shí)時時鐘適用的頻率源。大多數(shù)實(shí)時時鐘的輸入需要32.768 kHz的通用晶振，該晶振在內(nèi)部分頻，為應(yīng)用提供第二時鐘源。多數(shù)實(shí)時時鐘不支持60Hz時鐘，因此需要使用鎖相環(huán)PLL修正實(shí)時時鐘的輸入頻率。此外，因為60Hz時鐘不是32，768時鐘的約數(shù)，所以在進(jìn)入鎖相環(huán)之前，60Hz時鐘被不斷地分頻，直到是32，768的公約數(shù)為止。該解決方案需要多個步驟，可能不適用某些用戶。
某些實(shí)時時鐘的時鐘源可使用60Hz頻率。盡管該改進(jìn)方案不再需要鎖相環(huán)，但是電路對于部分用戶仍然過于復(fù)雜，見圖2。當(dāng)主電源掉電時，實(shí)時時鐘的精度沒有保證。
圖2：60 Hz正弦波保護(hù)
使用AT切型晶體
另一個可行的解決方案是使用AT切型晶體。AT切型晶體與微處理器配合，速度越快，晶體隨溫度變化的頻率誤差就越小，因此可提供更高的計時精度，但是，它們的晶振卻不適合低功耗應(yīng)用，因為在AT切型晶體的典型頻率下，晶振的電流消耗太大。AT切型晶體誤差見 圖 3。
圖3：AT切型晶體與表晶典型特性對比
該解決方案的主要原理是，微控制器的AT切型晶振為微控制器的定時器提供時鐘信號。因為該晶體在工作溫度范圍內(nèi)的誤差很低，所以定時器時鐘信號的頻率誤差也很低。因此，采用這個定時器的實(shí)時時鐘在校準(zhǔn)后，精度可接近時鐘源的精度，因此可降低表晶因溫度飄移而導(dǎo)致的計時誤差。
意法半導(dǎo)體的應(yīng)用筆記AN2678詳述了如何使用AT切型晶體補(bǔ)償M41T82-83-93系列實(shí)時時鐘的精度，在寬溫度范圍內(nèi)取得更高的計時精度。
上文提到的較精確的時鐘源僅是諸多可行方案的一部分，其它時鐘源還包括互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星的遠(yuǎn)程系統(tǒng)時鐘。
使用TCXO
另一個解決方案是使用TCXO （溫度補(bǔ)償晶振）替代基本石英，以提高時鐘源的計時精度。TCXO內(nèi)置溫度傳感器，可使晶體對溫度曲線在寬溫度范圍內(nèi)變得平滑，取得±5 ppm的精度，但是該解決方案是一個成本更高的方案。
圖 4.是一個典型的TCXO功能框圖。晶體和補(bǔ)償電路都集成在TCXO芯片內(nèi)，但是這種做法提高了TCXO的成本，使其成本比普通晶體至少高兩倍。
圖4：TCXO功能框圖
采用溫度補(bǔ)償
如果系統(tǒng)級有外部溫度傳感器，并位于實(shí)時時鐘和晶體附近，則使用這個溫度傳感器可大幅提高計時精度。實(shí)時溫度補(bǔ)償只需增加應(yīng)用軟件，因此無需增加額外的元器件。意法半導(dǎo)體的應(yīng)用筆記AN2971詳述了如何在系統(tǒng)級使用溫度傳感器提高M(jìn)41T83-93系列實(shí)時時鐘精度的方法。
這個方法是根據(jù)已知晶體拋物線特性制作一個ΔPPM （實(shí)際頻率與32，768 Hz參考頻率的偏差）－溫度查閱表，然后執(zhí)行下列步驟：
1. 測量溫度，然后在查閱表中找到ΔPPM值。
2. 調(diào)整模擬校準(zhǔn)寄存器的設(shè)置，以修改CXI和CXO（連接XI和XO引腳的內(nèi)部電容陣列）的負(fù)載電容值。
因為模擬校準(zhǔn)功能集成在實(shí)時時鐘內(nèi)，所以負(fù)載電容的變化能夠影響晶體，降低或提高振蕩頻率。
還可以通過數(shù)字方式校準(zhǔn)實(shí)時時鐘。數(shù)字校準(zhǔn)的原理非常簡單，就是向時鐘鏈定期增減脈沖，以加快或減慢時鐘運(yùn)行速度。
不管是采用模擬校準(zhǔn)還是數(shù)字校準(zhǔn)，系統(tǒng)級溫度補(bǔ)償都需要在電路板上安裝溫度傳感器和內(nèi)置校準(zhǔn)功能的實(shí)時時鐘以及相關(guān)的軟件。
最佳方案——內(nèi)置晶體的溫度補(bǔ)償型實(shí)時時鐘
上文提及的解決方案不是成本昂貴就是系統(tǒng)復(fù)雜。要么無法顯著解決溫度誤差問題，要么依靠外部溫度傳感器、電力線或微控制器，相關(guān)軟件的開發(fā)成本昂貴。最大的缺陷是即使采用溫度補(bǔ)償方法，當(dāng)主電源掉電時，仍不能在電池供電的方式下工作。因此，需要一個更好的解決方案！
最佳解決方案應(yīng)該具有以下特性：
1. 將晶體、溫度傳感器和實(shí)時時鐘集成在一個封裝內(nèi)。
2. 能夠在-40℃至85℃溫度范圍內(nèi)保證計時精度的高效補(bǔ)償算法
3. 在電池供電模式下功耗極低
4. 簡單易用，無需系統(tǒng)級軟件開發(fā)
5. 低成本
意法半導(dǎo)體的M41TC8025是一個實(shí)時時鐘整體解決方案，具有高成本效益，無需另行開發(fā)軟件。晶體、溫度傳感器和實(shí)時時鐘以及自動補(bǔ)償算法都集成在一個封裝內(nèi)。只連接一個簡單的外部電路，即可在-40 ℃至85 ℃的寬溫度范圍內(nèi)取得極高的計時精度（±5 ppm）。見圖6。在0 ℃至50 ℃的溫度范圍內(nèi)，計時精度提高到±3.8 ppm，這個成績超出了大多數(shù)應(yīng)用的要求，包括智能電表。
M41TC8025功能框圖與外部硬件連接
圖5所示是 M41TC8025溫度補(bǔ)償實(shí)時時鐘功能框圖。這個內(nèi)置溫度傳感器和補(bǔ)償算法的普通石英晶體為應(yīng)用提供了一個高精度的32.768Hz時鐘源，這個分段時鐘鏈提供超高精度的時鐘和日歷數(shù)值，處理器可通過I2C總線訪問這些數(shù)值。
圖5：所示是M41TC8025溫度補(bǔ)償實(shí)時時鐘功能框圖。
圖6所示是 M41TC8025 硬件連接圖。使用兩個二極管可實(shí)現(xiàn)后備電池開關(guān)功能，以防主電池被反極性充電。
圖6：M41TC8025硬件連接圖
M41TC8025的其它特性
除計時精度非常高外，M41TC8025還有很多實(shí)用功能：
● 鬧鐘準(zhǔn)許設(shè)置未來事件條件，然后由IRQ（中斷）引腳發(fā)送信號。
● IRQ中斷引腳還提供時間更新（秒更新或分鐘更新，用戶可配置）功能。
● 固定周期定時器中斷功能通過IRQ引腳，在244.14 μs至4095分鐘內(nèi)，以可編程的固定周期產(chǎn)生周期性方波。
● 實(shí)時時鐘的FOUT引腳輸出1 Hz、1，024 Hz和32，768 Hz的可編程的精確頻率，以便在產(chǎn)品出廠前進(jìn)行精度檢測。將外部使能引腳（FOE）接地，可禁用FOUT引腳。
● 雖然M41TC8025的功耗極低，工作電流在3.0 V電源電壓時僅為0.8μA，用戶還是可以設(shè)置溫度補(bǔ)償周期，按照是自己的需要選擇精度－功耗比。
● 提供低電標(biāo)志位。
結(jié)論
為滿足市場對時鐘精度的更高需求，半導(dǎo)體廠商正在研發(fā)創(chuàng)新的時鐘解決方案，以提高計時精度。意法半導(dǎo)體的M41TC8025是一個實(shí)時時鐘整體解決方案，在一個簡單易用的封裝內(nèi)集成了晶體、溫度傳感器、自動溫度補(bǔ)償算法和實(shí)時時鐘。該解決方案不僅計時精度極高，而且成本低廉，特別適用于智能電表等計時精度要求高的應(yīng)用設(shè)計。
