CN106505996A - 一种结合可变电容的rtc芯片高精度频偏补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，是一种实时时钟RTC芯片结合可变电容的高精度微处理器频偏补偿方法。首先，通过分段函数的方式，采用最小二乘法和Lagrange插值算法，构建温度和频偏之间的数学模型，求出最佳拟合系数；接下来，在此模型的基础上，设计出高精度的电容补偿与基于累积误差的数字补偿二者相结合的频偏补偿方式；最后，根据温度传感器探测的实际温度情况，在MCU模块的控制下完成相应补偿工作。本发明提出的方法能够高效集约地完成RTC芯片的频偏补偿工作，这将为电力系统用电领域智能电表的高精度计时的实现提供设计参考。

Description

一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法

技术领域

本发明涉及一种RTC芯片高精度频偏补偿方法，特别涉及一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法。

背景技术

RTC芯片是一种能提供日历、时钟及数据存储等功能的专用集成电路，其核心部件之一为32.768kHz的音叉石英晶体振荡器，依之可为智能电表的诸如电能计量、电费结算、事件记录等重要功能提供准确的时间参考。RTC芯片的计时精度在很大程度上受制于电器工作的环境温度、芯片老化效应和其它一些次要因素。其中环境温度是影响石英晶体谐振器频率变化的最主要因素，也即芯片晶振的谐振频率会随温度的波动而变化，也就是所谓的频温特性；老化效应则是石英晶体固有的一种物理现象，即其谐振频率会随芯片使用时间的推移而缓慢减小或增加；此外，诸如激励电平的变化、负载的变化、电源电压的波动和核辐射等因素也会导致石英晶体谐振器的谐振频率发生变动。目前，我国在高精度RTC芯片方面的研发成果积累与国外相比仍有较大的差距，不过随着我国智能电子测量技术的飞速发展，日益增长的市场需求对自身集成频偏补偿功能的高精度RTC芯片的需求也愈加迫切。

既然温度是影响RTC芯片计时精度的最主要的因素，改善或提高温度补偿也就自然成为提高RTC计时精度的有效手段。常见的温度补偿方法分为模拟和数字两种。对于模拟温度补偿技术，关键是温度补偿网络的设计，一般采用热敏电阻和固定电阻共同构成补偿网络，将输出电压作用于变容二极管两端，以达到调节时钟芯片输出频率的目的。基于热敏电阻的模拟温度补偿技术使得整个系统具有结构简单、体积小、功耗低、无需预热等特点，曾广泛应用于精度要求不高的领域。不过由于热敏电阻本身参数的误差导致微调相当困难，再加上补偿网络的设计和参数优化计算也很复杂，这些都制约了其在高精度计时领域的应用。而对于数字温度补偿技术，则是利用温度传感器获取外界环境温度，通过数字技术对温度信号进行相关处理并形成相应的控制电压，从而达到补偿目的。在宽温范围内经过数字温度补偿后的RTC芯片输出时钟精度明显优越于热敏电阻网络的模拟温度补偿技术，因而近年来得到了比较广泛的关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，可使补偿后的RTC芯片在全温区工作范围内达到±3.8ppm(parts per million，百万分之一)的时钟精度，从而满足智能电表对精确计时的需求。本发明在综合考虑模拟温补技术电路设计复杂、受电路干扰波动大等因素的情况下，结合数字补偿技术充分发挥软件的优势，建立了一种新的温度和频偏之间的数学模型，并进而设计出了一种结合可变电容的高精度数字频偏补偿方法，能够实现RTC芯片的精准计时。

本发明提供一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，具体步骤如下：

步骤1，根据实测数据，构建RTC芯片的频-温特性模型，具体为：

1)通过Lagrange插值算法求取温度划分点；

2)根据1)中求得的划分点，采用最小二乘法对实测数据分段进行多项式拟合，得到RTC芯片频-温特性模型表达式：

式中，f_n为RTC芯片的频偏值，T_n为当前工作温度，a₀,a₁,a₂和b₀,b₁,b₂为根据最小二乘法求得的多项式拟合系数；T₀为温度划分点；

步骤2，根据实际工作温度和步骤1中的频-温特性模型，计算相应频偏，若得到的频偏绝对值大于等于30.5ppm，则采用数字补偿算法对频偏进行补偿；若得到的频偏绝对值小于30.5ppm，则采用电容补偿方法对频偏进行补偿。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中通过Lagrange插值算法求取温度划分点，具体为：

进行w次等间隔RTC芯片温度区间的划分，即共有w种区间划分间隔；针对不同的区间间隔，通过Lagrange插值法循环进行w次运算后，以“均方差最小”为原则，求得拟合理想曲线的最佳三点位置；再根据三点位置规律性的分布，确定温度划分点。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中，实际工作温度由温度传感器获得。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中，数字补偿算法的具体步骤为：

以累积误差原理为基础，也即：输入补偿周期并设定起初的累积误差值为0，随着补偿周期的增加，误差在不断累积的过程中也进行着频偏的计算；最后，通过计数器的计数调整方式，获得理想频率输出。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中，电容补偿方法的具体步骤为：

在单片机设计过程中，集成07FF的11位电容寄存器；根据当前RTC芯片的输出频偏，求得电容的改变值，通过设置所需的位置0或置1来修改电容寄存器值，进而实现对频偏的微调。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、频-温曲线模型进一步得到了优化，能够根据已知温度信息准确地求得RTC芯片的频偏值；

2、设计出基于累积误差数字补偿算法，简化了电路设计，降低了生产成本，使得RTC芯片输出的时钟精度受集成电路工艺波动的影响大大减小，有效保证了RTC芯片的长期高效运行；

3、采用数字补偿结合电容补偿的方法对RTC芯片温度误差进行补偿，在保证晶振电路起振的同时，提高了温度误差补偿的精度。

附图说明

图1为RTC芯片温度误差补偿系统示意图。

图2为RTC芯片频-温特性分段拟合曲线及最佳拟合数据点。

图3为基于微处理器的RTC芯片高精度温度频偏补偿电路结构示意图。

图4为RTC芯片频偏自动补偿整体流程图。

图5为基于累积误差的数字补偿算法流程图。

图6全数字时钟补偿电路结构示意图

图7为电容补偿流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，所给出的实施例是为了说明本发明方法的技术特点和功能特点，而不是限制本发明的应用范围。

本发明是一种智能电表用实时时钟(RTC)芯片频偏高精度数字补偿的新方法，即通过设计一种新颖的结合可变电容的高精度微处理器控制方案，以有效补偿RTC芯片的温度频偏，提高计时精度。本发明方法首先在构建温度和频偏之间的数学模型时，通过分段函数的方式，采用最小二乘和Lagrange插值算法，实现测量数据频—温曲线的拟合以及最佳拟合系数的求取。基于此，能够根据实际工作温度情况，在MCU模块的控制下，通过累积误差算法，完成大频偏情况下的数字频率补偿工作。由于电容补偿可以实现频偏小于±1ppm的高精度补偿，为保证RTC芯片中晶体振荡器起振及性能稳定，对于频偏小于30.5ppm的误差部分则选用寄存器电容补偿方式。整个系统在硬件自动补偿流程的控制下，可完成高精度频率补偿工作，减少硬件资源，提高抗干扰性能。本发明适用于一切需要微功耗及准确计时的工业仪表和电气自动化控制等领域和场合。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

1、通过分段函数的方式，采用最小二乘实现测量数据频-温曲线的拟合；

2、设计出基于累积误差数字补偿算法；

3、设计一种新颖的结合可变电容的高精度微处理器控制方案。

鉴于石英晶体振荡器的分立特性，既使石英晶体规格相同，其各自的输出频率仍有所差异，因此建立适当的频—温特性模型对研究与设计具体的频偏补偿方案就显得尤为重要。通常，RTC芯片的频-温特性曲线可以用式(1)来表示：

式中，D_T为二次曲线顶点处的偏差值；K_T为RTC芯片的温度系数值，且该温度系数为负值；T_I为曲线顶点所对应的温度值；T_n为当前工作温度；f₀为RTC芯片的原始频率；Δf为输出频率与原始频率之差。为实现上述表达式(1)，理论上仅需求得D_T、K_T和T_I即可，但事实上，频—温曲线并非严格意义上的二次抛物线，即曲线不以某一温度点为中轴线对称，因此只能以分段的方式完成整个曲线的拟合。

图1为RTC芯片温度误差补偿系统示意图。数据线SDA和时钟线SCL是I²C串行通信电路中的重要组成部分，I²C逻辑电路把SDA传输来的串行数据转换为8位并行数据，以能够快速地对寄存器进行读写操作。在01h～07h中，依次存放秒、分、时等7个实时时间寄存器。石英晶体振荡器模块采用的是低频32.768kHz的音叉晶体振荡器，并将其输出频率信号送至数字分频器进行分频，实现1Hz方波的输出。温度寄存器用于存储来自温度传感器A/D转换后的工作环境温度。实时时间逻辑产生电路与秒、分、时等实时时间寄存器进行数据通信，该电路用来对输入的1Hz方波进行计数。频率温度误差数字补偿计数器根据温度误差数字补偿计数器输出信号实施数字补偿操作。电容寄存器用于在满足基本晶振起振条件下，改变负载电容值，实现频偏小于30.5ppm时的晶振频偏精确微调。根据当前温度获取对应晶振型号温度频偏的拟合系数，直接求得频偏值并进行基于累积误差的温度补偿，对数字补偿计数器的值进行修改并存储于数字校正寄存器中。结合此方法，对于同一型号的RTC芯片而言，仅需知道拟合系数便可实现量产全温区温度补偿的效果。

以某型号RTC芯片为例，图2为RTC芯片频—温特性分段拟合曲线及最佳拟合数据点。通过最小二乘法并结合分段的方式对全温区-40～85℃内的温度频偏进行曲线拟合。在该实施例中，以T₀＝23℃为温度划分点，分别实现左右两部分曲线图。同时，采用Lagrange插值算法求得最佳的拟合数据点为：(-34，-110)、(-13，-46)、(22，0)和(22，0)、(57，-37)、(78，-106)(数值标示意义：(温度，频偏))。在此拟合模型的基础上，能够为图4中a₀,a₁,a₂和b₀,b₁,b₂的数值计算提供依据。拟合系数a₀,a₁,a₂的详细算法为：

同理，求得b₀,b₁,b₂。因此，本实施例中具体的函数模型为：

图3是在微处理器(MCU)控制下的RTC芯片高精度温度频偏补偿电路实现结构示意图，主要包括Flash模块、温度传感器模块、频偏补偿模块和上位机等。Flash模块中包括温度存储器、电容控制寄存器和数字校正寄存器等，便于频偏补偿模块数据的读取与存储；本实施例中秒脉冲基准为1s，即正常运行情况下，当频率计计数到32768个时钟时，输出1s；电源模块为RTC芯片的持续工作提供可靠的电源保障，在外部断电的情况下，能够自动切换至蓄电池继续供电；温度传感器模块以快速温度数字转换技术把模拟量的温度信息，通过数字转换的方式变成数字量，然后与频偏补偿单元进行数字域的运算；频偏补偿模块则根据图3所示的补偿流程依次完成相应的操作，实现RTC芯片的高精度计时。此外，MCU单元需要与上位机进行实时数据通信，以保证整个补偿过程的顺利完成及后期的数据处理。

图4是RTC芯片频偏自动补偿整体流程图。在MCU的控制下，当调校定时时间到时，整个系统将从休眠状态中被唤醒，并读取芯片型号及分段函数拟合系数值。拟合系数值由图1所示最佳拟合点求出，需要注意的是，不同型号的RTC芯片其拟合系数值不同。接着，由温度传感器获得当前工作温度T_n，并存放至温度寄存器中。由图1分段函数拟合的温度分界点可知，在全温区工作范围内，当温度值小于23℃时，以a₀,a₁,a₂为拟合系数求出工作温度在T_n时的输出频偏值f_n；反之，则以b₀,b₁,b₂为拟合系数求取。理论上，1个计数脉冲带来的频偏误差约为30.5ppm，如式(3)：

对于该温度补偿系统中数字补偿单元，是通过计数器增加或减去相当于输出误差的计数脉冲，来补偿芯片的固有偏差而实现高精度时钟输出的。

式(4)为负载电容C_L对频偏修调灵敏度S的影响情况：

其中，C_S表征构成RTC芯片晶体的质量，C₀表征晶体切片和金属外壳所构成的静态电容。由上式可见，修调灵敏度S与负载电容C_L存在着一定的反比关系：负载电容越大，修调灵敏度越小；负载电容越小，修调灵敏度越大。因此，实际应用中如果想获得一个稳定的频率信号，需要外加一较大值的负载电容；如果想获得一个频率可调的振荡器，则需要外加一较小值的负载电容；如果既要保证频率的精确度又要有较高的稳定性，负载电容的大小需要控制在一定的范围内。实施电容补偿的优势在于精细，通过修改负载电容的大小，可以实现步距小于±1ppm的精确微调，这一点纯数字补偿是做不到的。综上，为保证RTC芯片中晶体振荡器起振和稳定运行，通常电容补偿偏差范围限定在±40ppm范围内。因此，当频偏值绝对值大于30.5ppm时，采用数字补偿方式；小于30.5ppm时，采用高精度的电容补偿方式。在整个补偿流程中，累积误差计算、计数器计数和负载电容接入值的运算过程和结果不受集成电路工艺的影响，从而能够保证补偿结果的准确性。

图5是基于累积误差的数字补偿算法流程图。累积误差的基本原理为：当利用递推公式对各部分计算结果进行累加或积分时，其误差也随之累加，最后所得到误差总和即为累积误差。累积误差补偿需设定适当的补偿周期t，并设定起初的累积误差值为0，随着补偿循环次数的增加，误差在不断累积的过程中也进行着补偿脉冲N_n的计算。最后，通过计数器的计数调整方式，获得理想的补偿频率输出值。其中，Y_n的计算表达式为：

Y_n＝X_n+Y_n-1-N_n×30.5 (5)

图6为全数字时钟补偿电路结构示意图。由于采用全数字的方式实现，受电路波动的影响几乎可以忽略不计。详细数字补偿例如，系统测得当前环境温度为76.0992℃，原始频偏为-92.20ppm，补偿周期设定为10，且76.0992∈[23，85]，将温度值与系数值代入表达式(5)重复10次运算，计数器经计数调整后输出频率为32.765kHz，频偏为-91.55，与原始频偏仅相差0.64ppm。因此，将计数器溢出值设置为32765即可。

图7是电容补偿流程图。为在MCU控制下实现数字调节负载电容大小的目的，在图2的Flash模块中设计了11位的电容控制寄存器，同时在原始电路模块中外接负载电容，通过对相应寄存器的bit位置0或1，实现相应位置的负载电容与芯片的并联或断开，以改变接入负载电容值的大小。其中第n片电容的大小为：

C_n＝2ⁿ×0.016pF (6)

电容并联后的值为：

C_n＝(d₀2⁰+d₁2¹+···+d₁₀2¹⁰)×0.016＝D_reg×0.016 (7)

其中d_n为寄存器相应bit位的值，D_reg为寄存器值。负载电容C_L与频偏Δf之间呈现出反比函数的曲线关系：

上式中，L_S为动态电感，大小由晶体振荡器的弹性决定。可见，通过增大外接负载电容C_L可以减小输出频偏；而减小外接负载电容则可以增大输出频偏。因此，电容补偿在获得相应的频偏值后，通过修改电容寄存器值达到修改负载电容的目的，从而实现小频偏范围内的精细微调。

表1是本实施例在全温区范围内工作时，某RTC芯片频偏补偿后的部分实测参数值。其中，温度值是由高精度温度传感器直接获取的；当补偿后的输出频率为32764时，意味着频率计仅需计数到32764个时钟时，即可输出秒脉冲基准值1s；输出频偏在补偿后输出频率的基础上求得；原始频偏根据温度值和拟合系数获得；全温区范围内，补偿后的误差大小均小于3.8ppm。该误差很好地满足了智能电表用RTC芯片对计时精度的需求。

表1 某RTC芯片频偏补偿后的部分实测参数值

由以上本发明给出的具体实施过程可以看出，在RTC芯片中，通过采用基于微处理器数字频偏初始补偿，并结合可变电容小步长精调的高精度频偏补偿方法具有非常好的适用性和准确性。本发明规避了原始频–温特性曲线表达式(1)所示的二次顶点形式，采用分段函数数据点插值的方式获得拟合系数；同时，在已有模拟补偿与数字补偿理论知识的基础上，通过微处理器控制技术，设计高精度的电容补偿与基于累积误差的数字补偿相结合的方式，既减少硬件资源，节约成本，又避免了集成电路工艺的影响，能够有效地提高芯片的计时时钟精度，有利于高精度RTC芯片的实现。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，根据实测数据，构建RTC芯片的频-温特性模型，具体为：

1)通过Lagrange插值算法求取温度划分点；

2)根据1)中求得的划分点，采用最小二乘法对实测数据分段进行多项式拟合，得到RTC芯片频-温特性模型表达式：

$f_n=\left\{\begin{array}{cc}{a}_0+a_1{T}_n+a_2{T}_n^2,& T_n<T_0\\ b_0+b_1{T}_n+b_2{T}_n^2,& T_n\&GreaterEqual;T_0\end{array}\right.$

式中，f_n为RTC芯片的频偏值，T_n为当前工作温度，a₀,a₁,a₂和b₀,b₁,b₂为根据最小二乘法求得的多项式拟合系数；T₀为温度划分点；

步骤2，根据实际工作温度和步骤1中的频-温特性模型，计算相应频偏，若得到的频偏绝对值大于等于30.5ppm，则采用数字补偿算法对频偏进行补偿；若得到的频偏绝对值小于30.5ppm，则采用电容补偿方法对频偏进行补偿。

2.根据权利要求1所述的一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，步骤1中通过Lagrange插值算法求取温度划分点，具体为：

进行w次等间隔RTC芯片温度区间的划分，即共有w种区间划分间隔；针对不同的区间间隔，通过Lagrange插值法循环进行w次运算后，以“均方差最小”为原则，求得拟合理想曲线的最佳三点位置；再根据三点位置规律性的分布，确定温度划分点。

3.根据权利要求1所述的一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，步骤2中，实际工作温度由温度传感器获得。

4.根据权利要求1所述的一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，步骤2中，数字补偿算法的具体步骤为：

以累积误差原理为基础，也即：输入补偿周期并设定起初的累积误差值为0，随着补偿周期的增加，误差在不断累积的过程中也进行着频偏的计算；最后，通过计数器的计数调整方式，获得理想频率输出。

5.根据权利要求1所述的一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，步骤2中，电容补偿方法的具体步骤为：

在单片机设计过程中，集成07FF的11位电容寄存器；根据当前RTC芯片的输出频偏，求得电容的改变值，通过设置所需的位置0或置1来修改电容寄存器值，进而实现对频偏的微调。