温度补偿晶体振荡器参考设计程序员指南

相关设备：本应用笔记适用于以下设备：C8051F300,C8051F302

1.简介

实时时钟（RTC）用于许多需要跟踪时间和日期的应用中信息.将专用RTC器件添加到电路板的常见解决方案会增加BOM成本增加了电路板空间.更好,更具成本效益的替代方案是将RTC功能实现为微控制器也执行其他有用的任务.TCXO温补晶振,温度补偿实时时钟（TCRTC）参考设计是一个完整的RTC解决方案,包括所需的所有固件和硬件实现具有完整时钟和日历功能的RTC以及温度补偿.这个解决方案与涉及提供类似功能的专用RTC的解决方案相比,可显着节省成本.该设计采用Silicon Laboratories C8051F300混合信号MCU,采用3x3mm 11引脚QFN封装包.

TC-RTCRD固件实现以下功能：

实时时钟,以闰年计算秒,分钟,小时,日期,星期几,月份和年份赔偿有效期至2099年

温度引起的晶振晶体频率变化的自动时间补偿

56字节NVRAM,数据存储在内部闪存中

SMBus/I2C接口或UART接口,具体取决于加载的固件

1.5Hz速率的方波输出信号

本应用笔记介绍了TC-RTC硬件和温度补偿晶体振荡器参考设计程序员指南.

2.硬件概述

TC-RTC参考设计硬件实现为评估板,如图1所示Silicon Laboratories C8051F300MCU使用连接到定时器输入的外部32.768K晶振作为时钟源RTC.RTC评估板提供两个接口-UART和SMBus/I2C.

图1.TC-RTC C8051F300评估板

美国Silicon Crystal公司的C8051F300MCU是一款小型混合信号MCU,具有丰富的功能集,下面列出了本参考设计中使用的MCU的功能：

高速8051内核,25MHz贴片晶振,可提供高达25MIPS的吞吐量

8kB Flash存储器（系统内可编程）和256字节内部数据RAM

25MHz内部振荡器和外部晶振/振荡器输入

8位500 ksps ADC

片上温度传感器

硬件增强型UART和SMBus串行端口

三个通用16位计数器/定时器

使用定时器和外部时钟源的实时时钟模式

本设计中使用的C8051F300MCU的引脚连接如图2所示.

图2.TC-RTC C8051F300MCU引脚连接

3.温补晶振的补偿温度变化

本节介绍TC-RTCRD温度补偿功能背后的操作原理.

3.1、需要赔偿

导致石英晶体频率偏差的主要参数如下：环境温度、水晶的年龄、电源电压.

其中,影响石英晶振晶体频率的主要因素是环境温度.图3显示了一个图晶体频率随温度的变化.从抛物线曲线可以看出,RTC会如果温度从室温值（25℃）升高或降低,则会浪费时间.注意RTC由于最大频率,温度变化（即增益时间）不会产生正误差在室温下.

图3.抛物线温度曲线

最大频率变化约为-0.04ppm/ºC2.因此,可以表示频率偏差如下：

△f/△f=0.04ppmx（△T）2

△T=环境温度-25ºC

3.2、计算时间补偿

TC-RTC参考设计固件每分钟重复以下步骤一次以计算和累积失去的时间.

1.ADC用于测量片内温度传感器的芯片温度.“3.3、计算“环境温度”描述了所涉及的计算.

2.然后使用ADC测量的值计算以ppm为单位的石英晶体偏差,并将结果存储在记忆.这表示需要补偿的微秒数.

在24小时结束时,总累积误差被加到RTC时间以完成补偿处理.假设温度在一分钟内没有广泛变化.

3.3、计算环境温度

片上温度传感器产生的电压输出与绝对温度成正比F300模具如图4所示.显示了该电压与芯片温度之间的典型关系下面：

VTEMP是温度传感器电压输出（mV）

TEMPC是模具温度（℃）