愛普生內建溫補晶振高精度實時時鐘模塊的特征
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：zyp 2023年06月14
時間是我們日常生活中的基本概念。火車運行管理、進出場管理等各種處理系統和應用程序按照時間信息工作。在金融、股市 領域中，時間操縱著巨大利益和損失。時間是我們的生活中不可缺少的部分。近幾年，我們周圍的產品也搭載了時間功能，可能 很難找到沒有時間功能的產品。在社會的各個領域還存在著為數眾多的需要更精確時間的應用程序，例如金融處理系統、安全系 統、電表等。為了獲得更為精確的時間，必須擁有起振高精度頻率的元器件和控制元器件的芯片。愛普生生產和銷售的模塊將能 夠起振高精度、高穩定頻率的石英晶體振蕩器和起到控制功能的實時時鐘芯片合為一體。本次，我們將解說愛普生高精度、低耗 能實時時鐘模塊的特征（功能）及結構。
一【愛普生實時時鐘模塊的特征】
實時時鐘模塊是將 32.768kHz 石英晶體振蕩器和實時時鐘芯片合為一體的產品，具備振蕩電路、時鐘功能、日歷功能和報警功 能等。愛普生自己開發和生產實時時鐘模塊中使用的石英晶體振蕩器和實時時鐘芯片。因此，可以穩定供給最適于高精度實時時 鐘模塊的石英晶體振蕩器，以及在最佳條件下驅動該振蕩器的實時時鐘芯片。而且，愛普生半導體技術的應用從世界首塊實用型 石英電子手表起步，還被用于奧運會公式計時系統和以“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 芯片的半導體技術與杰出的低耗能、高穩定石英振蕩技術相結合，形成了高品質實時時鐘模塊的基礎。 如上所述，我們通過自己開發石英晶體振蕩器和實時時鐘芯片，實現最佳匹配，最大發揮雙方的實力，從而為顧客提供能發揮 高性能的產品。這正是愛普生實時時鐘模塊的特征。
二【用于時鐘的石英晶體振蕩器頻率精度】
根據市場要求（能以極低的耗電量保持現在的時刻），用于計時的低頻 時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動時耗電量少的反面，其頻率溫度特性為圖 1 所示的二次曲線。所以，在進行時鐘誤差設計時，除了室溫（+25℃） 條件下的頻率公差以外，還應當考慮到二次曲線的頻率溫度特性公差。 假設在-40℃的條件下使一般的音叉型石英晶體振蕩器連續工作 1 個月， 那么其振蕩頻率公差將達到-150×10-6 左右，相當于出現 6 分鐘（月差 6 分鐘）以上的時間誤差。 為此，設計人員也許會考慮使用 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到幾 MHz，所以 需要在振蕩電路中進行分頻，以達到用于時鐘時的頻率。 這時，在振蕩電路中消耗的電流將達到使用音叉型石英晶體振蕩器時的數百倍。因此，我們認為把 AT 型石英晶體用于作為時鐘 波源的方法不符合市場要求。
三【使用數字式 TCXO 的頻率精度補償方法】
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，為提高時鐘精度則需進行精度補償。圖 2 表示的 是愛普生所采用的通過數字式 TCXO 溫度補償而進行的頻率精度補償方法。
該方法每隔一定周期將周圍溫度信息轉換成數字，從內存中呼出該溫度相應的補償值，對振蕩頻率進行補償。振蕩頻率補償方 式可分為兩大種類：電容調整方式和邏輯調整方式。愛普生實時時鐘模塊中主要使用電容調整方式。在后面中說明補償方式。
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＜電容調整方式＞
電容調整方式指通過改變石英振蕩頻率進行補償的方法。該方式利用振蕩頻率隨石英晶體振蕩器的振蕩負載電容的增減而變化 的特點，補償因周圍溫度而產生的頻率變動。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 右表示頻率隨負載電容而變化的電容調整特性。補償的具體內容包括 根據周圍溫度①求出頻率變量②，并推導出該頻率變量②相應的負載電容變量③。將該溫度相應的負載電容變量作為補償值呼出 后，對振蕩頻率進行補償。該方式直接對振蕩頻率進行補償，因此可以把實時時鐘模塊的振蕩輸出補償為高精度后作為低頻的休 眠時鐘使用。
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＜邏輯調整方式＞
邏輯調整方式指不調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行補償的方法。簡易原理用圖 4 表示。 補償的具體內容包括根據周圍溫度①求出頻率變量②，在分頻電路中對該頻率變量②相應的頻率進行補償后輸出。 如圖 4 所示，通常由 32768 個脈沖生成“1 秒”的時間，若改為由 32767 個脈沖生成“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行該補償，其頻率補償量則相當于約 30.5×10-6。通過調整生成 1 秒的脈沖數以及變更補償頻度，就可 以在不更改振蕩電路的條件下進行較大的補償。而且，該方式使用邏輯電路進行調整，最終將正確輸出轉動時鐘的 1 秒信號，因 而被廣泛用于以 1 秒工作的手表等的時鐘源。然而，輸出到外部的時鐘信號周期因溫度補償而急劇變化，因此將導致使用該時鐘 的 CPU 不能以正確時間工作，使用這種補償方式時周圍的元器件將無法享受其恩惠。
圖 5 表示使用數字式 TCXO 進行頻率精度補償（電容調整方式）的愛普生實時時鐘模塊的頻率溫度特性。
與音叉型石英晶體振蕩器的溫度特性（圖 5 中的綠線）相比，可以看出愛普生實時時鐘模塊的補償后的溫度特性（圖 5 中的藍 線）在較大的溫度范圍內保持穩定，時鐘誤差僅相當于月差 9 秒（頻率精度為±3.4×10-6），實現了高精度、高穩定。
四【愛普生內建數字式 TCXO 的實時時鐘模塊產品介紹】
愛普生的實時時鐘模塊產品使用數字式 TCXO 進行頻率補償后獲得了出色的頻率精度，并擁有高精度、高穩定和低耗電的特點。 表 1 表示愛普生產品的特征及概要。
一【愛普生實時時鐘模塊的特征】
實時時鐘模塊是將 32.768kHz 石英晶體振蕩器和實時時鐘芯片合為一體的產品，具備振蕩電路、時鐘功能、日歷功能和報警功 能等。愛普生自己開發和生產實時時鐘模塊中使用的石英晶體振蕩器和實時時鐘芯片。因此，可以穩定供給最適于高精度實時時 鐘模塊的石英晶體振蕩器，以及在最佳條件下驅動該振蕩器的實時時鐘芯片。而且，愛普生半導體技術的應用從世界首塊實用型 石英電子手表起步，還被用于奧運會公式計時系統和以“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 芯片的半導體技術與杰出的低耗能、高穩定石英振蕩技術相結合，形成了高品質實時時鐘模塊的基礎。 如上所述，我們通過自己開發石英晶體振蕩器和實時時鐘芯片，實現最佳匹配，最大發揮雙方的實力，從而為顧客提供能發揮 高性能的產品。這正是愛普生實時時鐘模塊的特征。
二【用于時鐘的石英晶體振蕩器頻率精度】
根據市場要求（能以極低的耗電量保持現在的時刻），用于計時的低頻 時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動時耗電量少的反面，其頻率溫度特性為圖 1 所示的二次曲線。所以，在進行時鐘誤差設計時，除了室溫（+25℃） 條件下的頻率公差以外，還應當考慮到二次曲線的頻率溫度特性公差。 假設在-40℃的條件下使一般的音叉型石英晶體振蕩器連續工作 1 個月， 那么其振蕩頻率公差將達到-150×10-6 左右，相當于出現 6 分鐘（月差 6 分鐘）以上的時間誤差。 為此，設計人員也許會考慮使用 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到幾 MHz，所以 需要在振蕩電路中進行分頻，以達到用于時鐘時的頻率。 這時，在振蕩電路中消耗的電流將達到使用音叉型石英晶體振蕩器時的數百倍。因此，我們認為把 AT 型石英晶體用于作為時鐘 波源的方法不符合市場要求。
三【使用數字式 TCXO 的頻率精度補償方法】
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，為提高時鐘精度則需進行精度補償。圖 2 表示的 是愛普生所采用的通過數字式 TCXO 溫度補償而進行的頻率精度補償方法。
該方法每隔一定周期將周圍溫度信息轉換成數字，從內存中呼出該溫度相應的補償值，對振蕩頻率進行補償。振蕩頻率補償方 式可分為兩大種類：電容調整方式和邏輯調整方式。愛普生實時時鐘模塊中主要使用電容調整方式。在后面中說明補償方式。
＜電容調整方式＞
電容調整方式指通過改變石英振蕩頻率進行補償的方法。該方式利用振蕩頻率隨石英晶體振蕩器的振蕩負載電容的增減而變化 的特點，補償因周圍溫度而產生的頻率變動。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 右表示頻率隨負載電容而變化的電容調整特性。補償的具體內容包括 根據周圍溫度①求出頻率變量②，并推導出該頻率變量②相應的負載電容變量③。將該溫度相應的負載電容變量作為補償值呼出 后，對振蕩頻率進行補償。該方式直接對振蕩頻率進行補償，因此可以把實時時鐘模塊的振蕩輸出補償為高精度后作為低頻的休 眠時鐘使用。
＜邏輯調整方式＞
邏輯調整方式指不調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行補償的方法。簡易原理用圖 4 表示。 補償的具體內容包括根據周圍溫度①求出頻率變量②，在分頻電路中對該頻率變量②相應的頻率進行補償后輸出。 如圖 4 所示，通常由 32768 個脈沖生成“1 秒”的時間，若改為由 32767 個脈沖生成“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行該補償，其頻率補償量則相當于約 30.5×10-6。通過調整生成 1 秒的脈沖數以及變更補償頻度，就可 以在不更改振蕩電路的條件下進行較大的補償。而且，該方式使用邏輯電路進行調整，最終將正確輸出轉動時鐘的 1 秒信號，因 而被廣泛用于以 1 秒工作的手表等的時鐘源。然而，輸出到外部的時鐘信號周期因溫度補償而急劇變化，因此將導致使用該時鐘 的 CPU 不能以正確時間工作，使用這種補償方式時周圍的元器件將無法享受其恩惠。
圖 5 表示使用數字式 TCXO 進行頻率精度補償（電容調整方式）的愛普生實時時鐘模塊的頻率溫度特性。
與音叉型石英晶體振蕩器的溫度特性（圖 5 中的綠線）相比，可以看出愛普生實時時鐘模塊的補償后的溫度特性（圖 5 中的藍 線）在較大的溫度范圍內保持穩定，時鐘誤差僅相當于月差 9 秒（頻率精度為±3.4×10-6），實現了高精度、高穩定。
四【愛普生內建數字式 TCXO 的實時時鐘模塊產品介紹】
愛普生的實時時鐘模塊產品使用數字式 TCXO 進行頻率補償后獲得了出色的頻率精度，并擁有高精度、高穩定和低耗電的特點。 表 1 表示愛普生產品的特征及概要。
表 1：內建數字式 TCXO 的高精度實時時鐘模塊的介紹
 產品名稱 |
 特征 |
 接口方式 |
 外形尺寸[mm] |
|
| RX-4803LC |
· 內建 32.768kHz 溫度補償振蕩器(數字式 TCXO)波源 ·頻率精度： (-40 至+85℃時±3.4×10-6 ，-40 至+85℃時±5×10-6) ·1/100 秒定時器控制寄存器 ·接口電壓范圍： 1.6V-5.5V ·溫度補償工作電壓范圍： 2.2V-5.5V ·計時(保持)電壓范圍： 1.6V-5.5V ·可選擇頻率的時鐘輸出(32.768kHz、1024Hz、1Hz) · 時鐘、日歷功能、報警功能、定時功能、內建 EVIN 輸入功能 ·可通過連接端子而作為振蕩器(32.768kHz 數字式 TCXO)使用 |
4-wire SPI | LC : 3.6×2.8×1.2t (VSOJ-20pin) | |
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|||
| RX-8803LC | I2C bus | |||
| RX-4803SA | 4-wire SPI |
SA : 10.1 ×7.4×3.3t (SOP- 14pin).png) |
||
| RX-8803SA | I2C bus | |||
愛普生的產品不僅具有出色的頻率穩定性，還準備了 LC 、SA 兩種外形尺寸，使其兼備實時時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勢的音叉型石英晶體振蕩器生產技術及頻率溫度特性的補償電路技術， 向市場提供高精度、 低耗電的實時時鐘模塊產品。而且， 我們的產品在出廠前調整頻率精度， 在保證了精度的基礎上提供給顧客， 所以使用時不需要調 節頻率，為顧客提高設計效率和產品品質做出巨大貢獻。
綜上所述， 愛普生憑借具有低耗電優勢的音叉型石英晶體振蕩器生產技術及頻率溫度特性的補償電路技術， 向市場提供高精度、 低耗電的實時時鐘模塊產品。而且， 我們的產品在出廠前調整頻率精度， 在保證了精度的基礎上提供給顧客， 所以使用時不需要調 節頻率，為顧客提高設計效率和產品品質做出巨大貢獻。
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