如何用石英晶體保持時間穩定和精準
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年07月25
時間即留不住也握不住,但是人類用自己特殊的計算方法,去合理的利用時間,古時候人們將白天和黑夜劃分為十二個時辰,現代人更精確的把這十二個時辰演變成24個小時.主要的時間計算工具從古至今有日晷,日冕,沙漏,鐘表,手表等,現在最常用的估計就是手機了吧.那么是什么東西給現在鐘表和手機提供精確的時間呢?答案當然是石英晶體了,尤其是32.768K,這是產品時鐘基準設置和時鐘系統里,最常用的頻率元器件.由于32.768K晶振可以給鐘表和其他設備帶來精準穩定的時鐘信號,也被業界叫做時鐘晶振.
如果事件必須同步發生,則時間比振蕩器頻率更重要.產生”時序”的振蕩器的頻率和精度并不重要,只要它們都準確知道它的時間.另一方面,如果產生定時的振蕩器不能使其自身與參考定時源同步,那么產生時間的貼片振蕩器頻率的精度現在是非常重要的.國際公認的時間標準是UTC(協調世界時),由美國商務部的分支機構國家標準與技術研究所維護.
在Telecoms基礎設施中,各種級別的所需時序精度被定義為Stratum級別1到4.最準確的,因此主要參考源是Stratum1,原子鐘(通常是銫束或氫氣脈沖激光器),其頻率維持在生命的準確度<1x10-11.下一級,Stratum2,其頻率保持在每天<1x10-10的準確度,Stratum3將其頻率保持在每天<3.7x10-7的精度.使用SC切割晶體,使用精密OCXO(烘箱控制晶體振蕩器)實現層2.使用AT切割晶體,使用精密TCXO(溫度補償晶體振蕩器)實現層3級.
那么這些穩定性如何與時間相關?一年是~365天x24小時x60分x60秒=31,536,000秒.如果保持時鐘時間的Oscillator的精度為每年1x10-6(1x10-6為1ppm[百萬分之一]),則時鐘每年將增加(或丟失)31.536秒.這使得上述示例中的原子鐘在20年的使用壽命內精確到0.006秒,OCXO在每天0.00009秒內,TCXO在每天0.032秒內.
然而,大多數對計時的引用是指”時間”而不是數據同步,特別是手表或時鐘上顯示的時間.第一個石英鐘是由沃倫·馬里森和J.W.建造的.1927年貝爾電話實驗室的Horton.第一款采用石英晶體作為計時元件的商用腕表是由Seiko制造的35SQAstron手表,并于1969年圣誕節推出(圖2),零售價為1250美元(相當小型車的價格).這使用了8.192kHzX切割音叉晶體.
所有不同的石英晶體切割均來自相同的培養石英棒,但是以不同的角度切割到晶體軸(圖3).它們各自具有針對最終應用定制的不同機械和電氣性質.AT Cut用于大多數晶體振蕩器,特別適用于精密TCXO溫補晶振,SC Cut晶體主要用于OCXO恒溫晶振.
XCut音叉式水晶燈(圖4)用于'Timeof Day'計時應用(腕表,家用鐘表等),因為它具有自然的低振蕩頻率,極低的工作功率要求和25oC左右的低溫度系數(圖5).
特別是XCut音叉晶體可以在32.768kHz處振蕩,當數字分頻為215時,產生1秒方波,非常適合計時.通過將16.777216MHz AT Cut SPXO振蕩器分頻為224可以產生相同的1秒方波,但由于更高的頻率和額外的分頻器導致的功耗增加可能超過XCut音叉晶振選項的100倍(不適合電池供電的應用).
由于計時涉及計數和分頻,所選的常用晶體振蕩器是門控皮爾斯(如文章'IC CRYSTAL OSCILLATOR CIRCUITS'中所述),但增加的限制是極低的晶體驅動功率和(通常)低電壓應用的Vdd電壓.
典型的32.768KHz音叉晶體將具有30kΩ至60kΩ的ESR(等效串聯電阻),需要6pF至15pF的負載電容(典型值為12.5pF),第一年的老化小于±3ppm,但更多重要的是最大晶體驅動電平為1μW.使用無緩沖變頻器的圖6中的電路將通過以下電路值提供可接受的性能.C1=10pF,C2=22pF,Rlim=330kΩ,Rf=22MΩ.Rextra可用于限制非開關逆變器在開關期間消耗的電流,值為47kΩ,Vdd=2V時應將電流消耗限制在~5μA.
如果事件必須同步發生,則時間比振蕩器頻率更重要.產生”時序”的振蕩器的頻率和精度并不重要,只要它們都準確知道它的時間.另一方面,如果產生定時的振蕩器不能使其自身與參考定時源同步,那么產生時間的貼片振蕩器頻率的精度現在是非常重要的.國際公認的時間標準是UTC(協調世界時),由美國商務部的分支機構國家標準與技術研究所維護.
在Telecoms基礎設施中,各種級別的所需時序精度被定義為Stratum級別1到4.最準確的,因此主要參考源是Stratum1,原子鐘(通常是銫束或氫氣脈沖激光器),其頻率維持在生命的準確度<1x10-11.下一級,Stratum2,其頻率保持在每天<1x10-10的準確度,Stratum3將其頻率保持在每天<3.7x10-7的精度.使用SC切割晶體,使用精密OCXO(烘箱控制晶體振蕩器)實現層2.使用AT切割晶體,使用精密TCXO(溫度補償晶體振蕩器)實現層3級.
那么這些穩定性如何與時間相關?一年是~365天x24小時x60分x60秒=31,536,000秒.如果保持時鐘時間的Oscillator的精度為每年1x10-6(1x10-6為1ppm[百萬分之一]),則時鐘每年將增加(或丟失)31.536秒.這使得上述示例中的原子鐘在20年的使用壽命內精確到0.006秒,OCXO在每天0.00009秒內,TCXO在每天0.032秒內.
然而,大多數對計時的引用是指”時間”而不是數據同步,特別是手表或時鐘上顯示的時間.第一個石英鐘是由沃倫·馬里森和J.W.建造的.1927年貝爾電話實驗室的Horton.第一款采用石英晶體作為計時元件的商用腕表是由Seiko制造的35SQAstron手表,并于1969年圣誕節推出(圖2),零售價為1250美元(相當小型車的價格).這使用了8.192kHzX切割音叉晶體.
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