實時時鐘補償裝置及方法
2023-06-28 01:24:41
專利名稱：實時時鐘補償裝置及方法
技術領域：
本發明涉及實時時鐘，更具體地，是一種實時時鐘補償裝置及方法。
背景技術：
實時時鐘(Real_Time Clock，RTC)最重要的功能是提供日曆功能，在嵌入式系統中，通常用RTC來提供可靠的系統時間，包括時、分、秒和年、月、日等，通常RTC需要外接32.788KHz的振蕩晶體和匹配電容等元件，由於晶體振蕩頻率會隨溫度呈曲線漂移，RTC的時鐘模塊會隨溫度變化有計時誤差，因此，常用的RTC時鐘模塊都加入了溫度補償功能，可以將計時誤差控制在±0.5ppm (百萬分之一)範圍內，這可保證一天的計時精度誤差在0.5秒內。如圖1a所 示，是晶振溫度特性的實測結果，如圖1b所示，是實測結果經曲線擬合後得到二次公式Af = β (T-T0) 2+S0的計算值，如圖1c所示，是二次公式計算值與實測值的差值。由此可見，晶振的溫度特性曲線不是單純的二次曲線關係，其中還包涵高階三次的變化項，因此要是得到高精度的RTC計時精度需要對晶振進行三階溫度補償。
發明內容
本發明的目的，在於提供一種新型的實時時鐘補償裝置，其可以通過五點溫度測試，擬合計時模塊隨溫度變化的三次曲線，並可利用粗調和精調的手段對RTC時鐘模塊的輸出頻率進行調整，以補償RTC時鐘模塊隨溫度的漂移。本發明的另一個目的，在於提供一種對該實時時鐘補償裝置相對應的實時時鐘補償方法。本發明的實時時鐘補償裝置，包括振蕩晶體、可調電容陣列、寄存器組件、數據處理單元、解碼器、電容調節單元以及調頻器，其中:該寄存器組件包括測溫溫度寄存器、二次項係數寄存器、二次項頂點溫度寄存器、三次項頂點溫度寄存器、頂點偏移寄存器和三次項係數；該數據處理單元與該寄存器組件相連接，用於計算溫度變化三次曲線以及計算頻
率偏差值；該解碼器與該數據處理單元相連接，用於對該頻率偏差值進行解碼，並輸出粗調調節步進數和精調調節步進數；該電容調節單元分別與該解碼器和該可調電容陣列相連接，用於根據該精調調節步進數，對該可調電容陣列進行調節；該可調電容陣列與該振蕩晶體相連接，用於精調該振蕩晶體輸出的振蕩頻率；該調頻器分別與該解碼器和該振蕩晶體相連接，用於根據該粗調調節步進數，對該振蕩晶體輸出的振蕩頻率進行加頻或減頻調節。優選地，所述調頻器連接有一個分頻器，用於對經所述調頻器調節後的頻率進行分頻處理，並輸出時間信號。
優選地，所述數據處理單元為數位訊號處理器或微處理器。本發明的實時時鐘補償方法包括以下步驟:S100，對五個溫度點進行測試，並進行三次曲線擬合，得出三次曲線參數，並寫入對應的寄存器內，其中，該三次曲線參數包括二次項係數、二次項頂點溫度量、三次項頂點溫度、頂點偏移量和三次項係數；S200，對當前溫度進行採集，得出實際溫度值，並根據該三次曲線參數，計算出在該實際溫度下的頻率偏差值；S300，根據預定的粗調步進調幅和精調步進調幅，計算粗調調節步進數和精調調節步進數；S400，根據該精調調節步進數，對振蕩晶體所匹配的可調電容陣列進行調節，並根據該粗調調節步進數，對該振蕩晶體輸出的振蕩頻率進行調節，並輸出經調節的頻率信號。優選地，該方法在步驟S400後還包括以下步驟:S500，對所述經調節的頻率信號進行分頻處理，並輸出時間信號。本發明的實時時鐘補償裝置及方法，可對實時時鐘進行補償，從而提高了測量精度，並且可補償範圍寬，精度高，有效地降低了晶片的測試成本。
圖1a為頻率溫度特性實測值；圖1b為實測結果經曲線擬合後得到二次公式的計算值；圖1c為二次公式計算值與實測值的差值所得的三次曲線圖。圖2為振蕩晶體的等效電路圖；圖3為本發明的時鐘補償裝置的電路結構圖；圖4為利用該時鐘補償裝置進行時鐘補償的流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
，對本發明的實時時鐘補償裝置和方法的結構、組成步驟和工作原理進行詳細說明。如上所述，晶振的溫度特性曲線不是單純的二次曲線關係，其中還包涵高階三次的變化項，Af= a (T-T1) 3+β (T-Ttl) WSci (公式1)，其中Af是晶體頻率相對三次曲線頂點頻率的頻率偏差值，單位ppm ；T是溫度變量；α是三次項係數J1是三次項頂點溫度；β是二次項係數，典型值-0.04ppm/°C 2 ；T0是二次項頂點溫度，典型值是25°C ；S0是三次曲線頂點的縱向偏離值，典型值有0，-20，-50等。如圖2所示是振蕩晶體110的等效電路圖，其中CO是靜態電容，典型值2pF ;Rm是諧振電阻；Lm是動態電感，典型值3900H ；Cm是動態電容，典型值6pF ；Cin和Cout是負載電容，典型值25pF ；CT是可調電容陣列，具有一定的可調精度(步進調幅)，例如lppm，其可以在-15ppm +15ppm範圍內精調晶體振蕩頻率。基於以上特點，本發明提供了一種新的實時時鐘補償裝置。如圖3所示，是本發明的實時時鐘補償裝置的組成示意圖，結合附圖，該實時時鐘補償裝置包括振蕩晶體110、可調電容陣列120、寄存器組件130、數據處理單元140、解碼器150、電容調節單元160以及調頻器170。具體地，該寄存器組件130包括測溫溫度寄存器131、二次項係數寄存器132、二次項頂點溫度寄存器133、頂點偏移寄存器134、三次項係數寄存器135和三次項頂點溫度寄存器136。測溫溫度寄存器131用於寄存所測的一個或多個實際溫度，二次項係數寄存器132用於寄存二次項係數β，二次項頂點溫度寄存器133用於寄存二次項頂點溫度Ttl，頂點偏移寄存器134用於寄存三次曲線頂點的縱向偏離值Stl，三次項係數寄存器用於寄存三次項係數α，三次項頂點溫度寄存器136用於寄存三次項頂點溫度1\。在初始時，可以將任何初始值寫入二次項係數寄存器132、二次項頂點溫度寄存器133、頂點偏移寄存器134、三次項係數135、三次項頂點溫度寄存器136，例如均寫入O。數據處理單元140與寄存器組件130相連接，用於計算溫度變化三次曲線以及計算頻率偏差值。數據處理單元140可根據測溫溫度寄存器五個溫度點(例如-35°C，-50C，250C，550C，75°C )的秒脈衝輸出計時誤差(ppm值)，即在五個溫度點標準溫度計的輸出值和實時時鐘實際輸出的計時的差值，根據上述公式I，進行曲線擬合或解方程，得出和α五個與晶體特性相關的參數，並將這五個值存入對應的寄存器內。進一步地，數據處理單元140還用於計算頻率偏差值。具體地，當出β、T0、T1、S0和α得出後，即可根據採集到的溫度值(利用標準溫度計採集)和確定參數後的公式1，得出在該溫度下的頻率偏差值Af。數據處理單元140可以為數位訊號處理器或微處理器。例如DSP晶片、RAM微處
理器等。解碼器150與數據處理單元140相連接，用於對頻率偏差值進行解碼，並輸出粗調調節步進數m和精調調節步進數η。由於電容調節單元160的調節精度可達lppm,可控調節範圍為-15ppm +15ppm ;而調頻器加減一個時鐘周期對應的調節值為30.5ppm (假設晶體的頻率為32768Hz，則加減一個時鐘周期的ppm時間調節量為1/32768，即約30.5ppm)。因此，電容調節單元160的精調步進調幅為lppm，而調頻器160的粗調調節步進量可為30.5ppm。首先，解碼器150根據頻率偏差值△ f和粗調步進調幅，確定粗調調節步進數，然後再根據餘量和精調調節步進量，確定精調調節步進數。粗調的範圍完全由粗調值的位寬確定。例如，4位粗調步進數的最大調整範圍為24X30.5ppm = 488ppm，常用的晶振在_45°C 85°C溫度範圍最大溫飄值約為_200ppm，因此粗調範圍完全能涵蓋市面上的不同晶振類型。再配合精調，將計時誤差控制在±lppm。電容調節單元160分別與解碼器150和可調電容陣列120相連接，用於根據精調調節步進數n，對可調電容陣列120進行調節。如上所述，電容調節單元160可根據計算得出的調節步進數n，輸出調節指令，以對可調電容陣列120進行精調操作。可調電容陣列120與振蕩晶體110相連接,用於精調振蕩晶體110輸出的振蕩頻率。通常，可調電容陣列的精調調節調幅為lppm。調頻器170分別與解碼器150和振蕩晶體110相連接，用於根據粗調調節步進數m，對振蕩晶體110輸出的振蕩頻率進行加頻或減頻調節，也即粗調調節。如上所述，調頻器170的粗調步進調 幅，即每增減一個時鐘周期所帶來的時間變化，和輸出的振蕩頻率相關，例如，如上所述，當輸出的振蕩頻率為32768Hz時，粗調步進調幅為30.5ppm。
另外，調頻器170連接有分頻器180，用於對經調頻器170調節後的頻率進行分頻處理，並輸出時間信號。如圖4所示，是利用該時鐘補償裝置進行時鐘補償的流程圖，該補償方法包括步驟SlOO至步驟S400。以下對各步驟進行具體說明。步驟SlOO。該步驟中，對五個溫度點進行測試，並進行三次曲線擬合，得出三次曲線參數，並寫入對應的寄存器內，其中，該三次曲線參數包括二次項係數、二次項頂點溫度量、三次項頂點溫度量、頂點偏移量、三次項係數。例如，可初始地在α、五個寄存器中填入「0」，然後，對五個溫度點進行測試，得出五個溫度點下實時時鐘輸出的秒脈衝輸出計時誤差(ppm)，並利用公式I進行三次曲線擬合，得出三次曲線參數βS。、α，寫入對應的寄存器內。步驟S200。該步驟中，對當前溫度進行採集，得出實際溫度值，並根據該三次曲線參數β、T0,T1^s0, α以及結合公式1，計算出在該實際溫度下的頻率偏差值。
步驟S300。該步驟中，根據預定的粗調步進調幅和精調步進調幅，計算粗調調節步進數和精調調節步進數。當得到上述頻率偏差值後，可根據該頻率偏差值轉換成的時間差值(ppm)，並根據粗調步進調幅(例如30.5ppm)和精調步進調幅(例如lppm)，進行解碼處理，計算粗調調節步進數m和精調調節步進數η。步驟S400。該步驟中，根據精調調節步進數，對振蕩晶體110所匹配的可調電容陣列120進行調節，並根據粗調調節步進數，對該振蕩晶體110輸出的振蕩頻率進行調節，並輸出經調節的頻率信號。參照圖3，在一個實施方式中，精調調節利用電容調節單元160進行，以對可調電容陣列120按照Ippm的精調調節步進數進行精調；粗調調節利用調頻器170進行，即對振蕩晶體110的輸出的震蕩頻率進行加頻(即增加一個或多個時鐘周期)或減頻(即減少一個或多個時鐘周期)處理。通過以上步驟S100-S400，可以得到經過調節校正的頻率信號。接下來，在步驟S500中，利用分頻器180對經調節的頻率信號進行分頻處理，並輸出時間信號。通過以上精調和粗調，可使得時間信號的誤差控制在±lppm的範圍內。綜上所述，本發明的實時時鐘補償裝置及方法，可對實時時鐘進行補償，從而提高了測量精度，並且可補償範圍寬，精度高，有效地降低了晶片的測試成本。
權利要求
1.一種實時時鐘補償裝置，其特徵在於，該裝置包括振蕩晶體、可調電容陣列、寄存器組件、數據處理單元、解碼器、電容調節單元以及調頻器，其中: 該寄存器組件包括測溫溫度寄存器、二次項係數寄存器、二次項頂點溫度寄存器、三次項頂點溫度寄存器、頂點偏移寄存器和三次項係數寄存器； 該數據處理單元與該寄存器組件相連接，用於計算溫度變化三次曲線以及計算頻率偏差值; 該解碼器與該數據處理單元相連接，用於對該頻率偏差值進行解碼，並輸出粗調調節步進數和精調調節步進數； 該電容調節單元分別與該解碼器和該可調電容陣列相連接，用於根據該精調調節步進數，對該可調電容陣列進行調節； 該可調電容陣列與該振蕩晶體相連接，用於精調該振蕩晶體輸出的振蕩頻率； 該調頻器分別與該解碼器和該振蕩晶體相連接，用於根據該粗調調節步進數，對該振蕩晶體輸出的振蕩頻率進行加頻或減頻調節。
2.根據權利要求1所述的實時時鐘補償裝置，其特徵在於，所述調頻器連接有一個分頻器，用於對經所述調頻器調節後的頻率進行分頻處理，並輸出時間信號。
3.根據權利要求1所述的實時時鐘補償裝置，其特徵在於，所述數據處理單元為數位訊號處理器或微處理器。
4.一種實時時鐘補償方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: S100，對五個溫 度點進行測試，並進行三次曲線擬合，得出三次曲線參數，並寫入對應的寄存器內，其中，該三次曲線參數包括二次項係數、二次項頂點溫度量、三次項頂點溫度、頂點偏移量和三次項係數； S200，對當前溫度進行採集，得出實際溫度值，並根據該三次曲線參數，計算出在該實際溫度下的頻率偏差值； S300，根據預定的粗調步進調幅和精調步進調幅，計算粗調調節步進數和精調調節步進數； S400，根據該精調調節步進數，對振蕩晶體所匹配的可調電容陣列進行調節，並根據該粗調調節步進數，對該振蕩晶體輸出的振蕩頻率進行調節，並輸出經調節的頻率信號。
5.根據權利要求4所述的實時時鐘補償方法，其特徵在於，該方法在步驟S400後還包括以下步驟: S500，對所述經調節的頻率信號進行分頻處理，並輸出時間信號。
全文摘要
本發明公開了一種實時時鐘補償裝置和方法。該裝置包括振蕩晶體、可調電容陣列、寄存器組件、數據處理單元、解碼器、電容調節單元以及調頻器，其中該寄存器組件包括測溫溫度寄存器、二次項係數寄存器、二次項頂點溫度寄存器、三次項頂點溫度寄存器、頂點偏移寄存器和三次項係數寄存器；該數據處理單元與該寄存器組件相連接；該電容調節單元分別與該解碼器和該可調電容陣列相連接；該可調電容陣列與該振蕩晶體相連接；該調頻器分別與該解碼器和該振蕩晶體相連接。本發明的實時時鐘補償裝置及方法，可對實時時鐘進行補償，從而提高了測量精度，並且可補償範圍寬，精度高，有效地降低了晶片的測試成本。
文檔編號H03L1/02GK103248358SQ201310211339
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月30日 優先權日2013年5月30日
發明者李鵬, 張亮, 王偉, 吳豔輝 申請人:上海貝嶺股份有限公司