具有溫度補(bǔ)償性能的晶體振蕩器,是目前常用的晶振類型之一,這種振蕩器憑借自身獨(dú)有的數(shù)字補(bǔ)償,直接補(bǔ)償,間接補(bǔ)償和綜合補(bǔ)償?shù)裙δ?/span>,保持頻率穩(wěn)定性和周圍溫度的穩(wěn)定.主要用于無線基站,GPS/北斗導(dǎo)航,定位,人造衛(wèi)星,通信/電信,網(wǎng)絡(luò)程控,超級(jí)計(jì)算機(jī),井下作業(yè)等高級(jí)的產(chǎn)品領(lǐng)域.Silicon Labs是美國時(shí)序元件供應(yīng)商,其量產(chǎn)的溫補(bǔ)晶振精準(zhǔn)性高,且產(chǎn)量大可滿足市場的用量需求.

所有Silicon Labs C8051F5xxMCU器件的內(nèi)部振蕩器頻率容差均為±0.5％,其額定值為振蕩器的平均頻率.在時(shí)序至關(guān)重要的某些應(yīng)用中,需要具有更高精度的振蕩器.本應(yīng)用筆記介紹了一種提高內(nèi)部振蕩器精度的技術(shù).這是通過將器件溫度與振蕩器的已知特性行為進(jìn)行比較,計(jì)算溫度的振蕩器頻率偏移,以及使用器件上的振蕩器校準(zhǔn)寄存器補(bǔ)償該偏移來實(shí)現(xiàn)的.

更改振蕩器校準(zhǔn)位:

以下內(nèi)部振蕩器頻率與溫度的特性圖表顯示石英晶體振蕩器的頻率在-40°至125°C的工作溫度范圍內(nèi)呈反向拋物線.

圖1.正常振蕩器行為(器件A)

在上面的等式中,f0是25°C時(shí)的內(nèi)部振蕩器頻率,T0是25°C.溫度系數(shù)TC1和TC2分別為5.0和-0.65ppm/℃.有關(guān)內(nèi)部振蕩器的更多信息,請(qǐng)參見表5.6C8051F50x數(shù)據(jù)手冊的內(nèi)部高頻振蕩器電氣特性.使用圖1中的信息作為指導(dǎo),設(shè)備可以檢測在給定溫度下運(yùn)行時(shí)是否應(yīng)增加振蕩器頻率.通過調(diào)整OSCIFIN寄存器來增加振蕩器頻率.

OSCIFIN寄存器是內(nèi)部貼片振蕩器精細(xì)校準(zhǔn)寄存器.在芯片的生產(chǎn)過程中,該寄存器被校準(zhǔn)到適當(dāng)?shù)闹狄援a(chǎn)生24MHz的標(biāo)稱頻率.改變該寄存器的值將調(diào)整振蕩器電路內(nèi)的電容,從而影響振蕩器的頻率.將該寄存器中的值提高1會(huì)使振蕩器的周期縮短約31ps.這意味著振蕩器頻率隨著OSCIFIN的變化而線性增加.重要的是要注意,對(duì)該寄存器的更改不是永久性的.每當(dāng)器件復(fù)位時(shí),OSCIFIN寄存器的值將復(fù)位為出廠校準(zhǔn)值.

通過檢測器件的溫度,軟件可以導(dǎo)出必須設(shè)置OSCIFIN寄存器的值,以便正確溫補(bǔ)晶振的拋物線頻移.圖2顯示了實(shí)現(xiàn)此類補(bǔ)償后內(nèi)部振蕩器速度與溫度的關(guān)系圖.

圖2.理想設(shè)備上的算法行為(帶有線性趨勢線的設(shè)備A)

圖2中的深藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)表示在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)記錄的頻率.紅線是線性趨勢線,非常接近零斜率.深藍(lán)色數(shù)據(jù)顯示的行為中有明顯的步驟,因?yàn)檫@些是示例代碼算法改變OSCIFIN值的點(diǎn),這會(huì)導(dǎo)致石英振蕩器頻率發(fā)生偏移.注意,通過在已知溫度點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用頻率偏移,可以重新創(chuàng)建圖1中的圖2,反之亦然.溫度點(diǎn)可以從本應(yīng)用筆記中包含的示例代碼中獲得.

結(jié)果的可變性:

圖2中所示結(jié)果的計(jì)算公差為24.06MHz±0.083％.示例代碼非常成功,圖1中可以更清楚地看到成功的原因.拋物線的頂點(diǎn)非常接近25°C.示例代碼需要一個(gè)頂點(diǎn)恰好在25°C的振蕩器,因?yàn)樗?/span>C8051F50x器件的頂點(diǎn)平均為25°C.頂點(diǎn)的實(shí)際值可以在任一方向上與25°C相差幾度.接下來的兩個(gè)數(shù)字來自最壞情況的角落設(shè)備,以夸大和證明在最壞情況下算法的行為.圖3顯示了當(dāng)石英晶振的頂點(diǎn)溫度低于25°C時(shí)會(huì)發(fā)生什么.這會(huì)導(dǎo)致溫度低于25°C時(shí)的過補(bǔ)償和溫度高于25°C時(shí)的補(bǔ)償太少.在圖3中,該器件的容差約為24.09MHz±0.188％.

圖3.低于25°C的頂點(diǎn)(轉(zhuǎn)角裝置B)

圖4顯示了如果內(nèi)部溫補(bǔ)晶振的頂點(diǎn)與溫度特性之間的溫度高于預(yù)期的25°C會(huì)發(fā)生什么.該算法過度補(bǔ)償高于25°C且在25°C以下的補(bǔ)償不足.這導(dǎo)致公差約為24.06MHz±這個(gè)特定設(shè)備的0.168％.

圖4.高于25°C的頂點(diǎn)(轉(zhuǎn)角裝置C)

根據(jù)溫度傳感器讀取的內(nèi)容,使用該算法調(diào)整OSCIFIN寄存器,內(nèi)部振蕩器的平均頻率公差最大值為±0.25％.該算法有可能將理想零件的公差降低到±0.1％以下,但零件之間的差異導(dǎo)致公差平均更高,最壞情況下的公差為±0.25％.對(duì)于未運(yùn)行此算法的部件,這明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的±0.5％容差.

溫度傳感:

溫補(bǔ)晶體振蕩器算法需要使用器件的片上內(nèi)部溫度傳感器.為了正確估算設(shè)備的溫度,需要為軟件提供溫度的一點(diǎn)校準(zhǔn)值.通過UART通信,示例軟件可以用戶輸入當(dāng)前環(huán)境溫度.使用此輸入和溫度轉(zhuǎn)換返回的當(dāng)前值,軟件可以計(jì)算并存儲(chǔ)所有未來溫度轉(zhuǎn)換的偏移值.不正確的溫度校準(zhǔn)值將給出與第3頁的“3.結(jié)果的可變性”中所述相同的結(jié)果.這是因?yàn)闇囟刃?zhǔn)會(huì)影響算法用于處理OSCIFIN變化的溫度.

溫度靈敏度:

為了將第3節(jié)中討論的公差轉(zhuǎn)換為溫度靈敏度,百分比值必須更改為ppm/°C的單位.以下步驟提供了如何在第一階上將±0.25％轉(zhuǎn)換為25ppm/°C的示例.

1.將百分比轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù).

0.25％=0.0025

2.確定最大溫度差并除以該值.此應(yīng)用的最大增量為25°C至125°C,因此delta值為100°C.

0.0025/100°C=.000025

3.乘以100萬,以使價(jià)值達(dá)到百萬分之幾.

.000025x1000000=第一順序?yàn)?/span>25ppm/°C

改進(jìn)的考慮因素:

本應(yīng)用筆記的示例代碼未針對(duì)最低CPU利用率,內(nèi)存效率或速度進(jìn)行優(yōu)化.可以通過多種方式改進(jìn)代碼,例如表征每個(gè)器件以找到其真正的頂點(diǎn)值,修改OSCIFIN的起始值以調(diào)整振蕩器的平均頻率,以及將溫度移至Celsius轉(zhuǎn)換以釋放更多內(nèi)存并降低CPU利用率.

如結(jié)果的可變性部分所示,該方法的結(jié)果與頂點(diǎn)近似的準(zhǔn)確性直接相關(guān).改善結(jié)果的一個(gè)好方法是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)表征每個(gè)器件的溫補(bǔ)晶振;從結(jié)果中獲得其真正的頂點(diǎn)值,并調(diào)整軟件以期望測量的頂點(diǎn)值而不是標(biāo)準(zhǔn)的25°C.有兩種不同的方法可用于表征器件的振蕩器.

一種方法是讓設(shè)備將其系統(tǒng)時(shí)鐘輸出到端口引腳.使用溫度控制環(huán)境和示波器或頻率計(jì)數(shù)器,可以在器件的整個(gè)溫度范圍內(nèi)記錄器件的頻率.表征振蕩器的第二種方法是通過信號(hào)發(fā)生器將已知的,精確的1kHz方波饋入器件.器件的PCA輸入捕捉可用于檢測此信號(hào)的上升沿.然后,軟件計(jì)算上升沿之間的系統(tǒng)時(shí)鐘,并使用1kHz方波的已知周期將計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為其頻率.使用這些方法中的任何一種在溫度掃描上記錄進(jìn)口溫補(bǔ)晶振頻率將給出該器件的頂點(diǎn)值的良好估計(jì).

當(dāng)振蕩器容差至關(guān)重要時(shí),最好注意器件的工作溫度.返回參考圖1和2,注意振蕩器距其額定頻率最遠(yuǎn)的點(diǎn)位于溫度范圍的最末端.如果設(shè)備不會(huì)暴露在這個(gè)完整的溫度范圍內(nèi),則可以顯著限制公差范圍.

只有OSCIFIN寄存器的低6位用于振蕩器校準(zhǔn)值.這意味著值0x3F(63d)是OSCIFIN寄存器可以設(shè)置的最高值.該算法被編程為在遠(yuǎn)離頂點(diǎn)值的最極端溫度下將OSCIFIN增加多達(dá)九個(gè)單位.重要的是要考慮如果工廠校準(zhǔn)的OSCIFIN值大于54d會(huì)發(fā)生什么.如果允許程序繼續(xù)遞增超過63d,則OSCIFIN寄存器將循環(huán)回零,振蕩器將突然減速很多.如果程序在OSCIFIN寄存器中創(chuàng)建了最大值63d,則程序?qū)⒉辉僭谶h(yuǎn)離頂點(diǎn)的較高溫度增量下正確補(bǔ)償振蕩器.

解決此問題的最佳方法是在允許溫度補(bǔ)償算法運(yùn)行之前讀取OSCIFIN寄存器.如果OSCIFIN寄存器大于54d,則應(yīng)將其設(shè)置為54d.這仍然會(huì)產(chǎn)生如圖2所示的波形,但結(jié)果將偏移到較低的值.新波形的容差與OSCIFIN寄存器的起始值未被修改且允許寄存器增加超過63d的容差相同,但由于偏移,振蕩器的平均頻率將略微變慢.這仍然是可以接受的,因?yàn)樵撍惴▽⑹拐袷幤鞯念l率不會(huì)偏離所需頻率太遠(yuǎn).注意,也可以故意修改OSCIFIN的起始值以改變振蕩器的平均頻率.

在研究在其他應(yīng)用中包含溫度校準(zhǔn)振蕩器算法的方法時(shí),可以提高該算法的CPU利用率和內(nèi)存使用率.通過從溫度傳感器獲取ADC讀數(shù)并將這些ADC代碼轉(zhuǎn)換為攝氏溫度值來實(shí)現(xiàn)溫度感測.通過去除轉(zhuǎn)換為攝氏溫度值并僅使用原始ADC讀數(shù),算法的響應(yīng)速度將得到改善,并且可以移除許多長整數(shù)變量以提高存儲(chǔ)器效率.在沒有溫度轉(zhuǎn)換的情況下進(jìn)行溫度檢測的主要缺點(diǎn)是調(diào)試更加困難,因?yàn)闇囟?/span>ADC讀數(shù)都不再是攝氏溫度.同樣重要的是要注意軟件仍然需要一點(diǎn)溫度校準(zhǔn)值.最好的方法是在溫度校準(zhǔn)功能中僅進(jìn)行一些溫度到攝氏溫度的轉(zhuǎn)換.溫度校準(zhǔn)值也可以使用另一組軟件導(dǎo)出,然后硬編碼到TCXO振蕩器算法中.