具有溫度補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有的數(shù)字補償,直接補償,間接補償和綜合補償?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/北斗導航,定位,人造衛(wèi)星,通信/電信,網(wǎng)絡程控,超級計算機,井下作業(yè)等高級的產(chǎn)品領(lǐng)域.Silicon Labs是美國時序元件供應商,其量產(chǎn)的溫補晶振精準性高,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.在時序至關(guān)重要的某些應用中,需要具有更高精度的振蕩器.本應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行比較,計算溫度的振蕩器頻率偏移,以及使用器件上的振蕩器校準寄存器補償該偏移來實現(xiàn)的.

更改振蕩器校準位:

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,設備可以檢測在給定溫度下運行時是否應增加振蕩器頻率.通過調(diào)整OSCIFIN寄存器來增加振蕩器頻率.

OSCIFIN寄存器是內(nèi)部貼片振蕩器精細校準寄存器.在芯片的生產(chǎn)過程中,該寄存器被校準到適當?shù)闹狄援a(chǎn)生24MHz的標稱頻率.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,對該寄存器的更改不是永久性的.每當器件復位時,OSCIFIN寄存器的值將復位為出廠校準值.

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

圖2.理想設備上的算法行為(帶有線性趨勢線的設備A)

圖2中的深藍色數(shù)據(jù)點表示在整個工作溫度范圍內(nèi)記錄的頻率.紅線是線性趨勢線,非常接近零斜率.深藍色數(shù)據(jù)顯示的行為中有明顯的步驟,因為這些是示例代碼算法改變OSCIFIN值的點,這會導致石英振蕩器頻率發(fā)生偏移.注意,通過在已知溫度點對數(shù)據(jù)應用頻率偏移,可以重新創(chuàng)建圖1中的圖2,反之亦然.溫度點可以從本應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.拋物線的頂點非常接近25°C.示例代碼需要一個頂點恰好在25°C的振蕩器,因為所有C8051F50x器件的頂點平均為25°C.頂點的實際值可以在任一方向上與25°C相差幾度.接下來的兩個數(shù)字來自最壞情況的角落設備,以夸大和證明在最壞情況下算法的行為.圖3顯示了當石英晶振的頂點溫度低于25°C時會發(fā)生什么.這會導致溫度低于25°C時的過補償和溫度高于25°C時的補償太少.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(轉(zhuǎn)角裝置B)

圖4顯示了如果內(nèi)部溫補晶振的頂點與溫度特性之間的溫度高于預期的25°C會發(fā)生什么.該算法過度補償高于25°C且在25°C以下的補償不足.這導致公差約為24.06MHz±這個特定設備的0.168％.

圖4.高于25°C的頂點(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致公差平均更高,最壞情況下的公差為±0.25％.對于未運行此算法的部件,這明顯優(yōu)于標準的±0.5％容差.

溫度傳感:

溫補晶體振蕩器算法需要使用器件的片上內(nèi)部溫度傳感器.為了正確估算設備的溫度,需要為軟件提供溫度的一點校準值.通過UART通信,示例軟件可以用戶輸入當前環(huán)境溫度.使用此輸入和溫度轉(zhuǎn)換返回的當前值,軟件可以計算并存儲所有未來溫度轉(zhuǎn)換的偏移值.不正確的溫度校準值將給出與第3頁的“3.結(jié)果的可變性”中所述相同的結(jié)果.這是因為溫度校準會影響算法用于處理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)換為十進制數(shù).

0.25％=0.0025

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

0.0025/100°C=.000025

3.乘以100萬,以使價值達到百萬分之幾.

.000025x1000000=第一順序為25ppm/°C

改進的考慮因素:

本應用筆記的示例代碼未針對最低CPU利用率,內(nèi)存效率或速度進行優(yōu)化.可以通過多種方式改進代碼,例如表征每個器件以找到其真正的頂點值,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)果與頂點近似的準確性直接相關(guān).改善結(jié)果的一個好方法是在整個溫度范圍內(nèi)表征每個器件的溫補晶振;從結(jié)果中獲得其真正的頂點值,并調(diào)整軟件以期望測量的頂點值而不是標準的25°C.有兩種不同的方法可用于表征器件的振蕩器.

一種方法是讓設備將其系統(tǒng)時鐘輸出到端口引腳.使用溫度控制環(huán)境和示波器或頻率計數(shù)器,可以在器件的整個溫度范圍內(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的上升沿.然后,軟件計算上升沿之間的系統(tǒng)時鐘,并使用1kHz方波的已知周期將計數(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口溫補晶振頻率將給出該器件的頂點值的良好估計.

當振蕩器容差至關(guān)重要時,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的點位于溫度范圍的最末端.如果設備不會暴露在這個完整的溫度范圍內(nèi),則可以顯著限制公差范圍.

只有OSCIFIN寄存器的低6位用于振蕩器校準值.這意味著值0x3F(63d)是OSCIFIN寄存器可以設置的最高值.該算法被編程為在遠離頂點值的最極端溫度下將OSCIFIN增加多達九個單位.重要的是要考慮如果工廠校準的OSCIFIN值大于54d會發(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離頂點的較高溫度增量下正確補償振蕩器.

解決此問題的最佳方法是在允許溫度補償算法運行之前讀取OSCIFIN寄存器.如果OSCIFIN寄存器大于54d,則應將其設置為54d.這仍然會產(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,因為該算法將使振蕩器的頻率不會偏離所需頻率太遠.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.

在研究在其他應用中包含溫度校準振蕩器算法的方法時,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)變量以提高存儲器效率.在沒有溫度轉(zhuǎn)換的情況下進行溫度檢測的主要缺點是調(diào)試更加困難,因為溫度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溫度校準值.最好的方法是在溫度校準功能中僅進行一些溫度到攝氏溫度的轉(zhuǎn)換.溫度校準值也可以使用另一組軟件導出,然后硬編碼到TCXO振蕩器算法中.