时钟晶振的实时校准

只看该作者 · 2023-11-10 09:51

只看该作者 · 2023-11-10 09:52

精度接近 20 ppm 的 32.768 kHz 晶振常用于时钟和计时应用，但 20 ppm 对应着 ±0.65536 Hz 的频率偏移，或者说每月51.8秒的巨大误差。这种误差仅与晶振的个体差异有关。其他重要的误差源包括温度、老化、元件选择及布线。
在本应用笔记中，我们将讨论与低成本时钟晶振 —— 用在实时时钟及日历（Real-Time Clock and Calendar，RTCC）应用中 —— 关联的误差以及克服这些误差的方法。我们还将讨论在 Microchip 实时时钟及日历电路中独特的内置校准功能，它将在运行时最小化这些关联的误差。

只看该作者 · 2023-11-10 09:52

晶振误差源
横向切割（X-Cut）晶振是在（RTCC）电路中最经常使用的类型。这类晶振并不昂贵，容易获得，同时还具有相当的精度。

只看该作者 · 2023-11-10 09:53

导致晶振源中振荡器误差的最常见因素如下：
• 机械振动
• 负载电容
• 温度
• 老化
为了最小化晶振误差，应避免机械振动。如果可能，我们应使所有振动源远离晶振。潜在的振动源包括蜂鸣器、扬声器、电机，等等。
要使谐振发生在正确的频率，晶振应加载其规定的负载电容，即与晶振单元一道使用的电容值。负载电容是晶振制造商规定的参数，通常以 pF 为单位。匹配不当的负载电容可能导致高达 400 ppm 的误差。

只看该作者 · 2023-11-10 09:55

温度影响晶振频率，且对晶振误差的影响很大。许多晶振在设计时围绕的中心是接近室温下的误差变化。图 2所示是典型的 32.768 kHz X-Cut 晶振误差 — 温度曲线。从图中我们可以看到，即便温度变化小到 20°C，典型的晶振误差也将翻倍。

所有元件的特性都随着其老化程度而改变。尽管经常被忽视，但元件老化程度可能对晶振误差有显著影响，可高达 50 ppm。
温度及老化导致的误差，使系统设计人员面临严峻考验。即便可以使用电容匹配得当的高品质晶振，且布线最佳，也不能解决温度或老化问题。这是因为，在设计过程中，这些因素是未知的，从而必须在运行时执行期间进行处理。
由于老化或温度变化而引起的计时误差对频率的影响通常极为缓慢，它不会突然改变晶振频率。如果能够搞清楚老化或温度变化的影响，就可以在软件中调整时间。但这将可能使 RTCC 例程复杂化，因为要在正确的时刻施加这样的调整，需要大计数器。为了应对上述误差源导致的漂移，Microchip 的 PIC24FRTCC 提供了自动校准功能。它有一个软件可写的寄存器，能够补偿高达 260 ppm 的晶振误差，这足以应对由于负载电容不匹配、温度变化等引起的典型晶振误差，而不会在运行时增加明显的软件开销。这是独特的功能，因为大部分现货供应的 RTCC 解决方案不支持运行时校准