CN103248358A - 实时时钟补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时时钟补偿装置和方法。该装置包括振荡晶体、可调电容阵列、寄存器组件、数据处理单元、解码器、电容调节单元以及调频器，其中：该寄存器组件包括测温温度寄存器、二次项系数寄存器、二次项顶点温度寄存器、三次项顶点温度寄存器、顶点偏移寄存器和三次项系数寄存器；该数据处理单元与该寄存器组件相连接；该电容调节单元分别与该解码器和该可调电容阵列相连接；该可调电容阵列与该振荡晶体相连接；该调频器分别与该解码器和该振荡晶体相连接。本发明的实时时钟补偿装置及方法，可对实时时钟进行补偿，从而提高了测量精度，并且可补偿范围宽，精度高，有效地降低了芯片的测试成本。

Description

实时时钟补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及实时时钟，更具体地，是一种实时时钟补偿装置及方法。

背景技术

实时时钟（Real_Time Clock，RTC）最重要的功能是提供日历功能，在嵌入式系统中，通常用RTC来提供可靠的系统时间，包括时、分、秒和年、月、日等，通常RTC需要外接32.788KHz的振荡晶体和匹配电容等元件，由于晶体振荡频率会随温度呈曲线漂移，RTC的时钟模块会随温度变化有计时误差，因此，常用的RTC时钟模块都加入了温度补偿功能，可以将计时误差控制在±0.5ppm（百万分之一）范围内，这可保证一天的计时精度误差在0.5秒内。

如图1a所示，是晶振温度特性的实测结果，如图1b所示，是实测结果经曲线拟合后得到二次公式Δf＝β(T-T₀)²+S₀的计算值，如图1c所示，是二次公式计算值与实测值的差值。由此可见，晶振的温度特性曲线不是单纯的二次曲线关系，其中还包涵高阶三次的变化项，因此要是得到高精度的RTC计时精度需要对晶振进行三阶温度补偿。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种新型的实时时钟补偿装置，其可以通过五点温度测试，拟合计时模块随温度变化的三次曲线，并可利用粗调和精调的手段对RTC时钟模块的输出频率进行调整，以补偿RTC时钟模块随温度的漂移。

本发明的另一个目的，在于提供一种对该实时时钟补偿装置相对应的实时时钟补偿方法。

本发明的实时时钟补偿装置，包括振荡晶体、可调电容阵列、寄存器组件、数据处理单元、解码器、电容调节单元以及调频器，其中：

该寄存器组件包括测温温度寄存器、二次项系数寄存器、二次项顶点温度寄存器、三次项顶点温度寄存器、顶点偏移寄存器和三次项系数；

该数据处理单元与该寄存器组件相连接，用于计算温度变化三次曲线以及计算频率偏差值；

该解码器与该数据处理单元相连接，用于对该频率偏差值进行解码，并输出粗调调节步进数和精调调节步进数；

该电容调节单元分别与该解码器和该可调电容阵列相连接，用于根据该精调调节步进数，对该可调电容阵列进行调节；

该可调电容阵列与该振荡晶体相连接，用于精调该振荡晶体输出的振荡频率；

该调频器分别与该解码器和该振荡晶体相连接，用于根据该粗调调节步进数，对该振荡晶体输出的振荡频率进行加频或减频调节。

优选地，所述调频器连接有一个分频器，用于对经所述调频器调节后的频率进行分频处理，并输出时间信号。

优选地，所述数据处理单元为数字信号处理器或微处理器。

本发明的实时时钟补偿方法包括以下步骤：

S100，对五个温度点进行测试，并进行三次曲线拟合，得出三次曲线参数，并写入对应的寄存器内，其中，该三次曲线参数包括二次项系数、二次项顶点温度量、三次项顶点温度、顶点偏移量和三次项系数；

S200，对当前温度进行采集，得出实际温度值，并根据该三次曲线参数，计算出在该实际温度下的频率偏差值；

S300，根据预定的粗调步进调幅和精调步进调幅，计算粗调调节步进数和精调调节步进数；

S400，根据该精调调节步进数，对振荡晶体所匹配的可调电容阵列进行调节，并根据该粗调调节步进数，对该振荡晶体输出的振荡频率进行调节，并输出经调节的频率信号。

优选地，该方法在步骤S400后还包括以下步骤：

S500，对所述经调节的频率信号进行分频处理，并输出时间信号。

本发明的实时时钟补偿装置及方法，可对实时时钟进行补偿，从而提高了测量精度，并且可补偿范围宽，精度高，有效地降低了芯片的测试成本。

附图说明

图1a为频率温度特性实测值；

图1b为实测结果经曲线拟合后得到二次公式的计算值；

图1c为二次公式计算值与实测值的差值所得的三次曲线图。

图2为振荡晶体的等效电路图；

图3为本发明的时钟补偿装置的电路结构图；

图4为利用该时钟补偿装置进行时钟补偿的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明的实时时钟补偿装置和方法的结构、组成步骤和工作原理进行详细说明。

如上所述，晶振的温度特性曲线不是单纯的二次曲线关系，其中还包涵高阶三次的变化项，Δf＝α(T-T₁)³+β(T-T₀)²+S₀（公式1），其中Δf是晶体频率相对三次曲线顶点频率的频率偏差值，单位ppm；T是温度变量；α是三次项系数；T₁是三次项顶点温度；β是二次项系数，典型值-0.04ppm/℃²；T₀是二次项顶点温度，典型值是25℃；S₀是三次曲线顶点的纵向偏离值，典型值有0，-20，-50等。

如图2所示是振荡晶体110的等效电路图，其中C0是静态电容，典型值2pF；Rm是谐振电阻；Lm是动态电感，典型值3900H；Cm是动态电容，典型值6pF；Cin和Cout是负载电容，典型值25pF；CT是可调电容阵列，具有一定的可调精度（步进调幅），例如1ppm，其可以在-15ppm～+15ppm范围内精调晶体振荡频率。

基于以上特点，本发明提供了一种新的实时时钟补偿装置。如图3所示，是本发明的实时时钟补偿装置的组成示意图，结合附图，该实时时钟补偿装置包括振荡晶体110、可调电容阵列120、寄存器组件130、数据处理单元140、解码器150、电容调节单元160以及调频器170。

具体地，该寄存器组件130包括测温温度寄存器131、二次项系数寄存器132、二次项顶点温度寄存器133、顶点偏移寄存器134、三次项系数寄存器135和三次项顶点温度寄存器136。测温温度寄存器131用于寄存所测的一个或多个实际温度，二次项系数寄存器132用于寄存二次项系数β，二次项顶点温度寄存器133用于寄存二次项顶点温度T₀，顶点偏移寄存器134用于寄存三次曲线顶点的纵向偏离值S₀，三次项系数寄存器用于寄存三次项系数α，三次项顶点温度寄存器136用于寄存三次项顶点温度T₁。在初始时，可以将任何初始值写入二次项系数寄存器132、二次项顶点温度寄存器133、顶点偏移寄存器134、三次项系数135、三次项顶点温度寄存器136，例如均写入0。

数据处理单元140与寄存器组件130相连接，用于计算温度变化三次曲线以及计算频率偏差值。数据处理单元140可根据测温温度寄存器五个温度点（例如-35℃,-5℃,25℃,55℃,75℃）的秒脉冲输出计时误差（ppm值），即在五个温度点标准温度计的输出值和实时时钟实际输出的计时的差值，根据上述公式1，进行曲线拟合或解方程，得出β、T₀、T₁、S₀和α五个与晶体特性相关的参数，并将这五个值存入对应的寄存器内。

进一步地，数据处理单元140还用于计算频率偏差值。具体地，当出β、T0、T1、S0和α得出后，即可根据采集到的温度值（利用标准温度计采集）和确定参数后的公式1，得出在该温度下的频率偏差值Δf。

数据处理单元140可以为数字信号处理器或微处理器。例如DSP芯片、RAM微处理器等。

解码器150与数据处理单元140相连接，用于对频率偏差值进行解码，并输出粗调调节步进数m和精调调节步进数n。由于电容调节单元160的调节精度可达1ppm，可控调节范围为-15ppm～+15ppm；而调频器加减一个时钟周期对应的调节值为30.5ppm（假设晶体的频率为32768Hz，则加减一个时钟周期的ppm时间调节量为1/32768，即约30.5ppm）。因此，电容调节单元160的精调步进调幅为1ppm，而调频器160的粗调调节步进量可为30.5ppm。首先，解码器150根据频率偏差值Δf和粗调步进调幅，确定粗调调节步进数，然后再根据余量和精调调节步进量，确定精调调节步进数。

粗调的范围完全由粗调值的位宽确定。例如，4位粗调步进数的最大调整范围为2⁴×30.5ppm＝488ppm，常用的晶振在-45℃～85℃温度范围最大温飘值约为-200ppm，因此粗调范围完全能涵盖市面上的不同晶振类型。再配合精调，将计时误差控制在±1ppm。

电容调节单元160分别与解码器150和可调电容阵列120相连接，用于根据精调调节步进数n，对可调电容阵列120进行调节。如上所述，电容调节单元160可根据计算得出的调节步进数n，输出调节指令，以对可调电容阵列120进行精调操作。

可调电容阵列120与振荡晶体110相连接，用于精调振荡晶体110输出的振荡频率。通常，可调电容阵列的精调调节调幅为1ppm。

调频器170分别与解码器150和振荡晶体110相连接，用于根据粗调调节步进数m，对振荡晶体110输出的振荡频率进行加频或减频调节，也即粗调调节。如上所述，调频器170的粗调步进调幅，即每增减一个时钟周期所带来的时间变化，和输出的振荡频率相关，例如，如上所述，当输出的振荡频率为32768Hz时，粗调步进调幅为30.5ppm。

另外，调频器170连接有分频器180，用于对经调频器170调节后的频率进行分频处理，并输出时间信号。

如图4所示，是利用该时钟补偿装置进行时钟补偿的流程图，该补偿方法包括步骤S100至步骤S400。以下对各步骤进行具体说明。

步骤S100。

该步骤中，对五个温度点进行测试，并进行三次曲线拟合，得出三次曲线参数，并写入对应的寄存器内，其中，该三次曲线参数包括二次项系数、二次项顶点温度量、三次项顶点温度量、顶点偏移量、三次项系数。

例如，可初始地在β、T₀、T₁、S₀和α、五个寄存器中填入“0”，然后，对五个温度点进行测试，得出五个温度点下实时时钟输出的秒脉冲输出计时误差（ppm），并利用公式1进行三次曲线拟合，得出三次曲线参数β、T₀、T₁、S₀、α，写入对应的寄存器内。

步骤S200。

该步骤中，对当前温度进行采集，得出实际温度值，并根据该三次曲线参数β、T₀、T₁、S₀、α以及结合公式1，计算出在该实际温度下的频率偏差值。

步骤S300。

该步骤中，根据预定的粗调步进调幅和精调步进调幅，计算粗调调节步进数和精调调节步进数。

当得到上述频率偏差值后，可根据该频率偏差值转换成的时间差值（ppm），并根据粗调步进调幅（例如30.5ppm）和精调步进调幅（例如1ppm），进行解码处理，计算粗调调节步进数m和精调调节步进数n。

步骤S400。

该步骤中，根据精调调节步进数，对振荡晶体110所匹配的可调电容阵列120进行调节，并根据粗调调节步进数，对该振荡晶体110输出的振荡频率进行调节，并输出经调节的频率信号。

参照图3，在一个实施方式中，精调调节利用电容调节单元160进行，以对可调电容阵列120按照1ppm的精调调节步进数进行精调；粗调调节利用调频器170进行，即对振荡晶体110的输出的震荡频率进行加频（即增加一个或多个时钟周期）或减频（即减少一个或多个时钟周期）处理。

通过以上步骤S100-S400，可以得到经过调节校正的频率信号。

接下来，在步骤S500中，利用分频器180对经调节的频率信号进行分频处理，并输出时间信号。通过以上精调和粗调，可使得时间信号的误差控制在±1ppm的范围内。

综上所述，本发明的实时时钟补偿装置及方法，可对实时时钟进行补偿，从而提高了测量精度，并且可补偿范围宽，精度高，有效地降低了芯片的测试成本。

Claims (5)

1.一种实时时钟补偿装置，其特征在于，该装置包括振荡晶体、可调电容阵列、寄存器组件、数据处理单元、解码器、电容调节单元以及调频器，其中：

该寄存器组件包括测温温度寄存器、二次项系数寄存器、二次项顶点温度寄存器、三次项顶点温度寄存器、顶点偏移寄存器和三次项系数寄存器；

该数据处理单元与该寄存器组件相连接，用于计算温度变化三次曲线以及计算频率偏差值；

该解码器与该数据处理单元相连接，用于对该频率偏差值进行解码，并输出粗调调节步进数和精调调节步进数；

该电容调节单元分别与该解码器和该可调电容阵列相连接，用于根据该精调调节步进数，对该可调电容阵列进行调节；

该可调电容阵列与该振荡晶体相连接，用于精调该振荡晶体输出的振荡频率；

该调频器分别与该解码器和该振荡晶体相连接，用于根据该粗调调节步进数，对该振荡晶体输出的振荡频率进行加频或减频调节。

2.根据权利要求1所述的实时时钟补偿装置，其特征在于，所述调频器连接有一个分频器，用于对经所述调频器调节后的频率进行分频处理，并输出时间信号。

3.根据权利要求1所述的实时时钟补偿装置，其特征在于，所述数据处理单元为数字信号处理器或微处理器。

4.一种实时时钟补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S100，对五个温度点进行测试，并进行三次曲线拟合，得出三次曲线参数，并写入对应的寄存器内，其中，该三次曲线参数包括二次项系数、二次项顶点温度量、三次项顶点温度、顶点偏移量和三次项系数；

S200，对当前温度进行采集，得出实际温度值，并根据该三次曲线参数，计算出在该实际温度下的频率偏差值；

S300，根据预定的粗调步进调幅和精调步进调幅，计算粗调调节步进数和精调调节步进数；

S400，根据该精调调节步进数，对振荡晶体所匹配的可调电容阵列进行调节，并根据该粗调调节步进数，对该振荡晶体输出的振荡频率进行调节，并输出经调节的频率信号。

5.根据权利要求4所述的实时时钟补偿方法，其特征在于，该方法在步骤S400后还包括以下步骤：

S500，对所述经调节的频率信号进行分频处理，并输出时间信号。

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