高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

內(nèi)建 TCXO 數(shù)字式實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征

【序文】

時(shí)間是我們?nèi)粘Ｉ钪械幕靖拍睢；疖囘\(yùn)行管理、進(jìn)出場管理等各種處理系統(tǒng)和應(yīng)用程序按照時(shí)間信息工作。在金融、股市 領(lǐng)域中，時(shí)間操縱著巨大利益和損失。時(shí)間是我們的生活中不可缺少的部分。近幾年， 我們周圍的產(chǎn)品也搭載了時(shí)間功能，可能 很難找到?jīng)]有時(shí)間功能的產(chǎn)品。在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域還存在著為數(shù)眾多的需要更精確時(shí)間的應(yīng)用程序， 例如金融處理系統(tǒng)、安全系 統(tǒng)、電表等。為了獲得更為精確的時(shí)間， 必須擁有起振高精度頻率的元器件和控制元器件的芯片。愛普生生產(chǎn)和銷售的模塊將能 夠起振高精度、高穩(wěn)定頻率的石英晶體振蕩器和起到控制功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片合為一體。本次， 我們將解說愛普生高精度、低耗 能實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征（功能）及結(jié)構(gòu)。

【愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征】

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是將 32.768kHz 石英晶體振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片合為一體的產(chǎn)品，具備振蕩電路、時(shí)鐘功能、日歷功能和報(bào)警功 能等。愛普生自己開發(fā)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊中使用的石英晶體振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。因此， 可以穩(wěn)定供給最適于高精度實(shí)時(shí)時(shí) 鐘模塊的石英晶體振蕩器，以及在最佳條件下驅(qū)動(dòng)該振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。而且， 愛普生半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用從世界首塊實(shí)用型 石英電子手表起步，還被用于奧運(yùn)會(huì)公式計(jì)時(shí)系統(tǒng)和以“Grand Seiko”為代表的精工牌高級手表的心臟部控制。這些用于控制 芯片的半導(dǎo)體技術(shù)與杰出的低耗能、高穩(wěn)定石英振蕩技術(shù)相結(jié)合，形成了高品質(zhì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的基礎(chǔ)。

如上所述，我們通過自己開發(fā)石英晶體振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，實(shí)現(xiàn)最佳匹配，最大發(fā)揮雙方的實(shí)力，從而為顧客提供能發(fā)揮 高性能的產(chǎn)品。這正是愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征。

【用于時(shí)鐘的石英晶體振蕩器頻率精度】

根據(jù)市場要求（能以極低的耗電量保持現(xiàn)在的時(shí)刻），用于計(jì)時(shí)的低頻時(shí)鐘一般采用音叉型石英晶體振蕩器。

音叉型石英晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)時(shí)耗電量少的反面，其頻率溫度特性為圖 1所示的二次曲線。所以，在進(jìn)行時(shí)鐘誤差設(shè)計(jì)時(shí)，除了室溫（+25℃）條件下的頻率公差以外，還應(yīng)當(dāng)考慮到二次曲線的頻率溫度特性公差。

假設(shè)在-40℃的條件下使一般的音叉型石英晶體振蕩器連續(xù)工作 1 個(gè)月，那么其振蕩頻率公差將達(dá)到-150×10-6 左右，相當(dāng)于出現(xiàn) 6 分鐘（月差6 分鐘）以上的時(shí)間誤差。

為此，設(shè)計(jì)人員也許會(huì)考慮使用 AT 型石英晶體等頻率溫度特性較好的振蕩器作為波源。但 AT 型石英晶體的振蕩頻率通常達(dá)到幾 MHz，所以需要在振蕩電路中進(jìn)行分頻，以達(dá)到用于時(shí)鐘時(shí)的頻率。這時(shí)，在振蕩電路中消耗的電流將達(dá)到使用音叉型石英晶體振蕩器時(shí)的數(shù)百倍。因此，我們認(rèn)為把 AT 型石英晶體用于作為時(shí)鐘波源的方法不符合市場要求。

【使用數(shù)字式 TCXO 的頻率精度補(bǔ)償方法】

如圖 1 所示，音叉型石英晶體振蕩器具有振蕩頻率隨周圍溫度而變化的特性，為提高時(shí)鐘精度則需進(jìn)行精度補(bǔ)償。圖 2 表示的是愛普生所采用的通過數(shù)字式 TCXO 溫度補(bǔ)償而進(jìn)行的頻率精度補(bǔ)償方法。

該方法每隔一定周期將周圍溫度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字，從內(nèi)存中呼出該溫度相應(yīng)的補(bǔ)償值，對振蕩頻率進(jìn)行補(bǔ)償。振蕩頻率補(bǔ)償方式可分為兩大種類：電容調(diào)整方式和邏輯調(diào)整方式。愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊中主要使用電容調(diào)整方式。在下頁中說明補(bǔ)償方式。

＜電容調(diào)整方式＞

電容調(diào)整方式指通過改變石英振蕩頻率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。該方式利用振蕩頻率隨石英晶體振蕩器的振蕩負(fù)載電容的增減而變化的特點(diǎn)，補(bǔ)償因周圍溫度而產(chǎn)生的頻率變動(dòng)。簡易原理用圖 3 表示。

圖 3 左表示音叉型石英晶體振蕩器的頻率溫度特性，圖 3 右表示頻率隨負(fù)載電容而變化的電容調(diào)整特性。補(bǔ)償?shù)木唧w內(nèi)容包括根據(jù)周圍溫度①求出頻率變量②，并推導(dǎo)出該頻率變量②相應(yīng)的負(fù)載電容變量③。將該溫度相應(yīng)的負(fù)載電容變量作為補(bǔ)償值呼出后，對振蕩頻率進(jìn)行補(bǔ)償。該方式直接對振蕩頻率進(jìn)行補(bǔ)償，因此可以把實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的振蕩輸出補(bǔ)償為高精度后作為低頻的休眠時(shí)鐘使用。

＜邏輯調(diào)整方式＞

邏輯調(diào)整方式指不調(diào)整石英晶體振蕩器的頻率而起振，在分頻電路的一部分增減脈沖進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。簡易原理用圖 4 表示。補(bǔ)償?shù)木唧w內(nèi)容包括根據(jù)周圍溫度①求出頻率變量②，在分頻電路中對該頻率變量②相應(yīng)的頻率進(jìn)行補(bǔ)償后輸出。

如圖 4 所示，通常由 32768 個(gè)脈沖生成“1 秒”的時(shí)間，若改為由 32767 個(gè)脈沖生成“1 秒”信號，就可以縮短 1 秒的周期。假如以每秒一次的頻度執(zhí)行該補(bǔ)償，其頻率補(bǔ)償量則相當(dāng)于約 30.5×10-6。通過調(diào)整生成 1 秒的脈沖數(shù)以及變更補(bǔ)償頻度，就可以在不更改振蕩電路的條件下進(jìn)行較大的補(bǔ)償。而且，該方式使用邏輯電路進(jìn)行調(diào)整，最終將正確輸出轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鐘的 1 秒信號，因而被廣泛用于以 1 秒工作的手表等的時(shí)鐘源。然而，輸出到外部的時(shí)鐘信號周期因溫度補(bǔ)償而急劇變化，因此將導(dǎo)致使用該時(shí)鐘的 CPU 不能以正確時(shí)間工作，使用這種補(bǔ)償方式時(shí)周圍的元器件將無法享受其恩惠。

圖 5 表示使用數(shù)字式 TCXO 進(jìn)行頻率精度補(bǔ)償（電容調(diào)整方式）的愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的頻率溫度特性。

圖 5：使用數(shù)字式 TCXO 進(jìn)行補(bǔ)償前后的頻率溫度特性

音叉型石英晶體振蕩器的溫度特性（圖 5 中的綠線）相比，可以看出愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的補(bǔ)償后的溫度特性（圖 5 中的藍(lán)線）在較大的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，時(shí)鐘誤差僅相當(dāng)于月差 9 秒（頻率精度為±3.4×10-6），實(shí)現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定。

【愛普生內(nèi)建數(shù)字式 TCXO 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊產(chǎn)品介紹】

愛普生的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊產(chǎn)品使用數(shù)字式 TCXO 進(jìn)行頻率補(bǔ)償后獲得了出色的頻率精度，并擁有高精度、高穩(wěn)定和低耗電的特點(diǎn)。

表 1 表示愛普生產(chǎn)品的特征及概要。

表 1：內(nèi)建數(shù)字式 TCXO 的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的介紹

愛普生的產(chǎn)品不僅具有出色的頻率穩(wěn)定性，還準(zhǔn)備了 LC、SA 兩種外形尺寸，使其兼?zhèn)鋵?shí)時(shí)時(shí)鐘模塊不可或缺的功能。

綜上所述，愛普生憑借具有低耗電優(yōu)勢的音叉型石英晶體振蕩器生產(chǎn)技術(shù)及頻率溫度特性的補(bǔ)償電路技術(shù)，向市場提供高精度、低耗電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊產(chǎn)品。而且，我們的產(chǎn)品在出廠前調(diào)整頻率精度，在保證了精度的基礎(chǔ)上提供給顧客，所以使用時(shí)不需要調(diào)節(jié)頻率，為顧客提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品品質(zhì)做出巨大貢獻(xiàn)。