愛普生-內建溫度補償功能為RTC實現高精度計時器特性
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內建溫度補償功能為 RTC 實現高精度計時器特性
Features of Real-Time Clock with built-in Digital TCXO (D-TCXO)
參考資料來源:
https://www5.epsondevice.com/en/information/technical_info/pdf/wp_e20130918_rtc.pdf
Epson 技術介紹
AN0027 ( May, 2022 )
文: 林志遠，任職於台灣愛普生科技股份有限公司 電子零件事業部。
無論工作時段或休閒娛樂，「時間」在我們日常生活中扮演極為重要的部分。
無數的應用多依賴時間為運作或事件的參考，像是從列車調度發車到進出的時間記錄，對於世界金融和股票市場的盈虧也有著巨大的影響。
時間和時鐘功能對我們的日常生活極為重要，時鐘功能也早已經悄悄進入許多日常生活使用的產品中。而在現實生活中，要找到一種沒有時鐘功能的產品是非常的困難，而世界上也充滿著許多需要更精確計時的應用，例如銀行系統，安全監控系統和電力表。
為獲取更精準參考時間，主要關鍵要素有(1)高精度頻率特性的石英元件，以及(2)計時功能控制 IC。
愛普生結合上述兩大要素，設計開發出高精度、低功耗的即時時鐘模組。它是由一個高精度頻率特性、穩定振盪的石英晶體，搭配即時時鐘控制 IC 一體封裝而成的「即時時鐘模組」，如下圖，
圖一. 愛普生即時時鐘模組方案，內建 32.768kHz 英叉型石英晶體諧振器和即時時鐘 IC 於單一封裝內 本文將介紹愛普生的高精度、低功耗即時時鐘模組的功能和特性。
愛普生即時時鐘模組(Real Time Clock Module)的產品特色
愛普生的即時時鐘模組，內部是由一個 32.768 kHz 石英晶體諧振器和一個即時時鐘控制 IC 的整合型封裝元件，其中包括時鐘用振盪電路、日曆和鬧鈴等功能。
愛普生是採用自有品牌的石英晶體諧振器以及自行開發製造的即時時鐘控制 IC，並將內部的石英晶體諧振器與即時時鐘控制 IC 進行最佳化配置組合，以提供高精度、高穩定性的即時時鐘模組。
運用愛普生的半導體技術與專業核心知識，結合手錶計時控制基礎，實現了高穩定度、低功耗的即時時鐘模組產品開發與製造。
透過愛普生製石英晶體諧振器和即時時鐘 IC 的開發設計，充分發揮兩者的潛力，以達到最完美的匹配，實現更高的效能，這就是愛普生即時時鐘模組與其他品牌產品不同之處。
音叉型石英晶體諧振器的頻率精度與時鐘應用
音叉型石英晶體諧振器除了做為計時功能的參考時脈，同時還可以滿足其他設計需求(例如，可在極低的功耗維持即時時間計數)。
音叉型石英晶體諧振器雖然適合用在低功耗模式的工作要求，但頻率-溫度特性曲線呈現出二次拋 物線特性，如圖 1 所示。因此，在設計精準的時鐘功能時，不僅要考慮在室溫下的頻率偏差(+25 攝氏度)，同時還要考慮在不同溫度條件時的頻率-溫度特性偏差量。
舉例來說，如果音叉型石英晶體諧振器在-40°C 的環境下連續運行一個月，振盪頻率偏差將為-150 ppm[x10̄̄⁶]，換算成時間的話，將會在這一個月慢約 6 分鐘*¹ 或更長時間。
*1 1,000,000 / ( 24 x 60 x 60 ) = 11.574(ppm) = 一秒計時偏差/每日
大多人會認為使用 AT 切割型的石英晶體或其他具有優越頻率/溫度特性的石英晶體諧振器更適合做為頻率源。然而，AT 切割型的石英晶體諧振器，其振盪頻率通常為幾 MHz，因此頻率必須被振 盪電路除頻到 32.768kHz 以滿足時鐘應用所需的振盪頻率，但此時高頻振盪電路(mA)所消耗的電流 將搭載音叉型晶體諧振器(nA~𝜇A)近百倍。因此，我們認為使用 AT 切割型的石英晶體諧振器並不適 合做為計時器時鐘需要級低耗電應用的參考訊號源，也無法滿足市場對於低功耗產品的開發需求。
採用數位溫度補償功能
音叉型石英晶體諧振器的振盪頻率會隨環境溫度變化而改變，如下圖所示，所以需要一種技術來補正這些因為環境溫度變化所造成的頻率變動，以提高時鐘精度。
而愛普生採用數位溫度補償的方式來提高頻率精度，頻率精度補償方法的概略說明，如下圖;
此種方法是將環境溫度數據轉換為固定頻率的數位值，然後從記憶體中檢索出適合該溫度的補正值來補償振盪頻率。
補償振盪頻率的方法大致可分為兩種:透過負載電容調整和時脈脈衝信號更新調整。
愛普生的即時時鐘模組通常是採用負載電容調整，以下將對這兩種頻率補償方法進行說明;
愛普生的即時時鐘模組通常是採用負載電容調整，以下將對這兩種頻率補償方法進行說明;
負載電容調整
透過調整負載電容值來改變石英晶體的振盪頻率以進行頻率補正。
石英晶體諧振器的振盪頻率可以透過增加或減少振盪回路的負載電容來調整，該方法可用於補正因環境溫度變化而造成的頻率變化，此原理如下圖所示。
音叉型石英晶體諧振器的頻率-溫度特性曲線如上圖(左)所示，頻率-負載電容的特性曲線，如上圖 (右)所示。
上圖的頻率偏移量(2)是根據音叉型石英晶體諧振器的溫度係數(1)與環境溫度變化計算出來 的，同時可再推算出與該頻率偏移量相對應的負載電容變化量(3)，而後再將對應於該溫度的負載 電容變化量作為偏移值進行檢索，然後施加補正調整值以補償振盪頻率。
時脈脈衝信號更新調整
時脈脈衝信號更新調整，是使用除法器電路來調整時脈脈衝信號以補償石英晶體諧振器的頻率，而無需調整石英晶體諧振器的振盪頻率，此原理如下圖所示。
頻率偏移量(2)是根據環境溫度數據(1)換算得知的，並且在除法器電路和輸出端對於與該頻 率偏移量相對應的頻率進行補償。
如上圖所示，正常來說，32,768 個時脈脈衝信號可產生“1 秒”的時間週期信號，如果是以 32,767 個時脈脈衝信號來產生“1 秒”信號時，則可以將 1 秒的週期縮短。如果是以每 1 秒的基礎來應用此 補償信號，它將可對應約 1Hz(30.5×10-6)的頻率補償值。而透過調整時脈脈衝信號數以產生 1 秒並改 變補償頻率，這樣便可以在不改變振盪電路的前提下有效的對於頻率進行補償。而使用這種補償方法，是以邏輯電路來進行調整，可確保持續輸出精準的 1 秒訊號。
然而，這種方法有一個缺點，由於所截取的時鐘信號週期會隨著溫度補償的時序而動態波動，因 此使用此時鐘的 CPU 將無法在正確的時間運行。因此，當使用這種方法時，週邊設備將無法完全受益。
從下圖可以看出，與音叉型石英晶體諧振器(圖中的綠線)相比，帶有數位溫度補償功能的即時 時鐘模組(圖中的藍色)在很寬的溫度範圍內可達到非常高精準的頻率特性(每月時間誤差約為 9 秒, 頻率精度:±3.4×10-6)
內建數位溫度補償的即時時鐘模組
下表產品彙整愛普生高精度、低功耗即時時鐘模組的特點，而這些即時時鐘模組都是使用數位溫 度補償(DTCXO)來保證極為出色的頻率精度和穩定性。除了高精度與穩定性之外，這些產品還配備了即時時鐘模組所需的所有功能。
總結來說，愛普生利用自有品牌的石英元件與半導體技術的完美結合，將極低電流的音叉型石英 晶體諧振器，以及整合數位溫度補償電路的功能控制 IC 以提供高精度、低功耗即時時鐘模組。
愛普生的即時時鐘模組在出廠前都經過 100%頻率精度測試和品質保證，因此使用者無需進行頻率 調整與振盪回路匹配設計，可以更有效提高使用者在設計時的效率和穩定性。
如果您有任何產品規格與設計問題時，可洽詢台灣愛普生公司各授權電子零件代理商，或是與我們聯絡。
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https://www5.epsondevice.com/en/information/#rtc
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