专利名称：高稳定度实时时钟电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种时钟电路，特别是一种高稳定度时钟电路。
背景技术：
传统的高稳定(稳定度小于士0. 5ppm)实时时钟一般采用温度补偿晶体振荡器 TCX0、恒温晶体振荡器0CX0等作为实时时钟的基准时钟，TCX0、0CX0具有高精度特点，但功 耗较高，不适合便携导航设备待机时使用，且不易集成。同时现有高稳定度实时时钟没有对 长期老化带来的影响进行必要的补偿，导致长期稳定度不能满足一些应用场合的需要。另一方面，传统时钟的温度补偿方式都是根据温度信息补偿晶振的输出频率，补 偿操作都是基于模拟电路参数调节，相对纯数字电路功耗大，很难满足极低的待机守时功 耗指标要求。而且现有时钟各种补偿方式中最大的缺点就是只补偿了环境温度对晶振的影 响，而忽略了晶体自身老化对输出频率的影响，从而无法根据已知的老化情况不断修正，导 致时钟使用时间越长则守时精度越差。
发明内容本实用新型的目的是提供一种高稳定度实时时钟电路，要解决的技术问题是对于 长时间守时可以保证较高精度。本实用新型采用以下技术方案一种高稳定度实时时钟电路，所述高稳定度实时 时钟电路设有同步接口连接的待机守时电路和精确守时电路，所述精确守时电路连接有1/
0接口。本实用新型的待机守时电路包括顺序连接的起振电路、计时和计数器、温度传感 电路和存储温度历史的存储器，所述计时和计数器连接同步接口。本实用新型的精确守时电路设有微控制器，微控制器分别连接外部参考时间修正 电路、精确计时和计数器、温补和老化算法存储器。本实用新型的微控制器是具有通过温度传感器实时获取的温度信息，从导航接收 机或原子钟电路模块中获得的卫星时或原子时和本地时的比对，实时建立并修正长期老化 模型的微处理器。本实用新型的微控制器是具有通过温度传感器实时获取的温度信息，从导航接收 机或原子钟电路模块中获得的卫星时或原子时和本地时的比对，实时建立并修正频率温度 模型的微处理器。本实用新型的微控制器为采用8/16/32位精简指令系统计算机RISC的微控制器。本实用新型的同步接口采用同步串行接口 spi，石英晶体谐振器采用AT切晶体， 频率2MHz 10MHz，起振电路采用Pierce结构的晶体振荡器电路，计时和计数器采用29位 可编程加、减法器，温度传感器采用双管等效电阻互补金属氧化物半导体开关电路温度传 感器，存储温度历史的存储器采用静态存储器，外部参考时间修正电路采用全数字锁相环， 精确计时和计数器采用16位加、减法器，温补和老化算法存储器采用电可擦写可编程只读存储器或闪存器，I/O接口采用串行接口 I2C、SPI或UART。本实用新型的温度传感器采用威尔逊电流镜、普通电流镜、二极管、双管等效电阻 连接组成。本实用新型的待机守时电路和精确守时电路采用单芯片集成电路结构。本实用新型的待机守时电路连接有双电源供电模块，所述双电源供电模块上设有 电源管理模块。本实用新型与现有技术相比，在温度补偿、老化补偿模型、低功耗、晶体谐振器类 型和频率的设计上均有改进，形成了低成本、低功耗、高稳定度和可单片集成的特点，实际 电路的守时误差优于士1秒/月，即稳定度小于士o. 4ppm，平均功耗小于200uA。
图1是本实用新型的电路框图。图2是本实用新型的待机守时电路框图。图3是本实用新型的精确守时电路框图。图4是本实用新型的应用连接图。图5是本实用新型的软件工作流程图。图6是本实用新型的温度传感器电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。如图1所示，本实用新型 的高稳定度实时时钟电路，设有待机守时电路和精确守时电路，同步接口连接待机守时电 路和精确守时电路。待机守时电路是在备用电源供电的条件下，以极低的功耗进行守时和 环境温度记录。待机守时电路连接有晶体谐振器，晶体振荡器采用AT切基频高于2MHz的 石英晶体谐振器，有效地提高秒信号的调整精度。精确守时电路是在时钟电路转入正常工 作模式时精确向CPU输出当前的时间信息，同时根据外部时钟基准源，如卫星导航接收机、 原子钟等模块提供的参考秒周期信号进行精确守时和检测晶振老化状况，提供给待机守时 电路。精确守时电路连接有I/O接口，通过处理器CPU采用时频预测方法实现对秒信号数 字化温度和老化补偿。如图2所示，待机守时电路设有顺序连接的起振电路、计时和计数器、温度传感电 路和存储温度历史的存储器，计时和计数器连接同步接口。如图3所示，精确守时电路设有微控制器，微控制器连接外部参考时问修正电路、 精确计时和计数器及温补和老化算法存储器。微控制器接收温度传感器送来的的温度信 息，卫星导航接收或原子钟模块送来的的外部参考时间信息经外部参考时间修正电路至微 控制器，精确计时和计数器连接同步接口，并将微控制器的时间、温度、状态信息向I/O接 口输出。如图4所示，本实用新型的高稳定度实时时钟电路应用时，将I/O接口连接到应用 处理电路。本实用新型的高稳定度实时时钟电路可作为独立专用集成电路进行实施，也可应 用于类似卫星导航接收机基带处理芯片中。作为最佳实施例，同步接口采用飞思卡尔半导体公司(原摩托罗拉半导体部)的同步串行接口 spi，石英晶体谐振器采用AT切晶体，频 率2MHz 10MHz，起振电路采用Pierce结构的晶体振荡器电路，计时和计数器采用29位可 编程加、减法器，温度传感器采用双管等效电阻互补金属氧化物半导体开关电路CMOS温度 传感器，存储温度历史的存储器采用静态存储器SRAM，微控制器采用8/16/32位精简指令 系统计算机RISC的微控制器MCU，外部参考时间修正电路采用全数字锁相环DPLL，精确计 时和计数器采用16位加、减法器，温补和老化算法存储器采用电可擦写可编程只读存储器 EEPR0M或闪存器FLASH，I/O接口采用串行接口 I2C、SPI或UART。本实用新型根据供电状态不同分为待机和正常工作两种工作状态。待机状态下， 只有待机守时电路工作，由备用电池供电；正常工作状态下，精确守时电路和待机守时电路 同时工作，由主电源供电。待机状态下待机守时电路依靠普通晶振守时，同时记录环境温度 信息。从待机状态向工作状态转换时，待机守时电路向精确守时电路提供周时分秒计数信 息和守时期间的温度历史信息，精确守时电路根据时间、温度和老化预测信息完成初始时 间修正后对外输出精确的初始时间，然后才开始精确守时操作。正常工作状态下，精确守时 电路根据外部参考时标信号进行精确守时和晶振的老化检测。本实用新型的高稳定度实时时钟电路的I/O接口全部由精确守时电路管理。本实 用新型利用了待机守时不需要对外提供守时信息，对外提供守时信息时又不需要低功耗待 机的特点，把高功耗和复杂运算的外时标参考守时修正、老化修正、I/O操作完全转移到非 待机状态下完成，从而解决了高精度守时和长待机时间的矛盾。本实用新型的核心是在待机守时状态下保证低功耗、高稳定度的守时。它的工作 状态是在正常的工作模式下进行各种模型的修正与建立，利用已修正的模型在待机守时模 式下实现低功耗、高稳定度的守时。本实用新型在待机守时模式下仅对待机守时电路供电，所以当芯片由待机守时模 式转入正常工作模式时，内置微控制器将重新启动，首先输出10MHz晶体(或其他频率AT 切晶体)的待机守时结果，然后在修正后的守时结果基础上以外部秒周期信号为基础继续 修正待机守时的计数值，同时不断修正晶振的老化预测值，为下次待机守时做准备。鉴于晶体频率_温度特性存在个体差异并且老化预测是逐步学习修改的求精过 程，因此温补和老化算法所需要的数据存储器采用EEPR0M或FLASH实现。如图6所示，双管等效电阻CMOS温度传感器电路采用威尔逊电流镜(Wilson current mirror)、普通电流镜CM (current mirror)、二极管、双管等效电阻连接组成。通过 调整二极管丽3的尺寸可以改变电流L的大小，通过电流镜电路，I2 = L，继而改变12的 大小，12流入双管等效电阻。为抑制沟道长度调制效应，采用第一至第六P沟道M0S场效应 管MP1 MP6连接组成了威尔逊电流镜，同时增加了输出带负载的能力。第一 N沟道M0S 场效应管丽1、第二 N沟道M0S场效应管连接丽2构成了普通CM，用于提供一个与温度成正 比的输出电压Vout。第三N沟道M0S场效应管MN3是一种二极管接法的N沟道金属-氧化 物_半导体NM0S，与由两个N沟道M0S场效应管Mrl、Mr2连接构成的双管等效电阻形成电 路结构上的匹配。为防止短沟道效应，MP1 MP6、MN1 MN3、Mrl Mr2的栅长L都大于 2 li m。在正常工作状态中，外部参考时间修正电路的作用是根据外部输入的标准秒信 号，如原子钟或卫星导航信号产生的lpps信号，卫星导航时间或天文时间信息修正精确守时电路的守时信息，保证正常工作状态下精确守时信息和卫星导航时间或天文时间实时同步。同步接口的作用是在时钟电路由待机守时模式向精确守时模式转换时将待机守 时信息传递给精确守时电路；另外，当电路已经处于精确守时模式时，实时将精确守时信息 和待机守时电路内的守时信息进行同步，以保证一旦主电源发生断电等异常状况，实时时 钟电路仍能从最近的同步时刻起进行待机守时。本实用新型采用双电源模块供电，由电源管理模块负责双电源管理在双电源模 式下由主电源为后备电源充电，并由主电源接替后备电源为待机守时电路供电；失去主电 源时，电源管理模块将待机守时电路切换至备用电源供电，精确守时电路则完全切断电源。I/O接口实现秒周期信号输出、外部参考秒周期信号输入。通过该串行接口提供精 确的导航卫星时(整周计数和周内秒计数)和实时钟(年、月、日、分、秒)信息。串行接口在长时间待机刚完成时，向应用处理模块提供准确的时间信息，秒周期 信号输出则作为时标信号保证输出的时间同步性。而在正常工作模式下，应用处理模块则 通过串行接口配合秒周期信号输入修正实时时钟电路的守时信息。如图5所示，微控制器根据预设温度补偿和老化补偿算法修正守时信息当芯片 从待机守时模式向精确守时模式转换时，读取待机守时电路的温度历史信息、待机守时信 息和老化预测信息，根据预设算法完成对计时信息的精确修正，并通过串行接口和输出秒 周期信号向应用处理模块输出精确修正后的守时信息。进入精确守时模式后，在没有启用串行接口的情况下，精确守时电路将根据温度 信息直接修正待机守时电路的守时值，并产生输出秒周期信号。在外部输入的秒周期信号 存在的条件下，还可以用外部秒周期信号检测内部的秒周期信号的误差，二次修正守时结果。在已知频率变化历史的条件下，可以通过数学模型对未来的晶振老化状况进行预 测。老化修正算法可以依据精确守时电路正常工作时记录的内部秒周期信号的误差检测结 果不断修改老化预测数学模型的各个参数值。一旦进入待机守时模式，那么待机守时期间 的守时老化修正依据就是进入待机前最新的老化预测参数。微控制器是本实用新型的关键部分，温度补偿和老化补偿操作都是由它配合软件 程序完成的，该微控制器是具有通过对接收到的导航信号的处理获得的原子时和卫星时和 本地时的比对实时，建立并修正频率温度模型和长期老化模型的微处理器。因为温度和老 化补偿算法都使用了浮点运算，为了保证运算精度，本实用新型在算法中采用的标准32位 单精度浮点数，所以实时时钟电路中的使用的微处理器为32位微处理器。最佳是ARM系列 中面积较小、功耗较低的ARM7嵌入式处理器核。实时时钟电路在使用前的检测中除了要写入程序代码外，还要写入对应晶振电路 的频率-温度特性参数，采用嵌入式非易失性存储器来存放上述程序代码和晶振特性参 数。本实用新型是根据温度信息直接补偿晶振的守时结果，补偿操作是纯数字运算， 不含有模拟电路，因此完全实现低功耗待机。而晶体的自然老化情况是可以通过数学模型 拟合的方法进行预测的，数学模型的参数还可以根据已知的老化情况不断修正，使模型对 老化未来的预测更加精确，因此本实用新型是基于微处理器+软件算法方式进行守时修正，配合外部时标(秒周期信号)对晶振频率老化的测量，可以灵活地修正晶振老化对守时 结果的误差，保证长时间待机的守时精度。
权利要求一种高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述高稳定度实时时钟电路设有同步接口连接的待机守时电路和精确守时电路，所述精确守时电路连接有I/O接口。
2.根据权利要求1所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述待机守时电路包 括顺序连接的起振电路、计时和计数器、温度传感电路和存储温度历史的存储器，所述计时 和计数器连接同步接口。
3.根据权利要求2所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述精确守时电路设 有微控制器，微控制器分别连接外部参考时间修正电路、精确计时和计数器、温补和老化算 法存储器。
4.根据权利要求3所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述微控制器是具有 通过温度传感器实时获取的温度信息，从导航接收机或原子钟电路模块中获得的卫星时或 原子时和本地时的比对，实时建立并修正长期老化模型的微处理器。
5.根据权利要求3所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述微控制器是具有 通过温度传感器实时获取的温度信息，从导航接收机或原子钟电路模块中获得的卫星时或 原子时和本地时的比对，实时建立并修正频率温度模型的微处理器。
6.根据权利要求3所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述微控制器为采用 8/16/32位精简指令系统计算机RISC的微控制器。
7.根据权利要求6所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述同步接口采用同 步串行接口 spi，石英晶体谐振器采用AT切晶体，频率2MHz 10MHz，起振电路采用Pierce 结构的晶体振荡器电路，计时和计数器采用29位可编程加、减法器，温度传感器采用双管 等效电阻互补金属氧化物半导体开关电路温度传感器，存储温度历史的存储器采用静态存 储器，外部参考时间修正电路采用全数字锁相环，精确计时和计数器采用16位加、减法器， 温补和老化算法存储器采用电可擦写可编程只读存储器或闪存器，I/O接口采用串行接口 I2C、SPI 或 UART。
8.根据权利要求7所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述温度传感器采用 威尔逊电流镜、普通电流镜、二极管、双管等效电阻连接组成。
9.根据权利要求8所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述待机守时电路和 精确守时电路采用单芯片集成电路结构。
10.根据权利要求9所述的高稳定度实时时钟电路，其特征在于所述待机守时电路连 接有双电源供电模块，所述双电源供电模块上设有电源管理模块。
专利摘要本实用新型公开了一种高稳定度实时时钟电路，要解决的技术问题是对于长时间守时可以保证较高精度。本实用新型的高稳定度实时时钟电路，设有同步接口连接的待机守时电路和精确守时电路，所述精确守时电路连接有I/O接口。本实用新型与现有技术相比，在温度补偿、老化补偿模型、低功耗、晶体谐振器类型和频率的设计上均有改进，形成了低成本、低功耗、高稳定度和可单片集成的特点，实际电路的守时误差优于±1秒/月，即稳定度小于±0.4ppm，平均功耗小于200uA。
文档编号G04G5/00GK201607626SQ20102005674
公开日2010年10月13日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者李耿民, 陈亮 申请人:深圳市星芯趋势科技有限责任公司