基于SoC方案的智能電表時(shí)鐘校準

　　摘要：智能電表可以實(shí)現多費率及階梯電價(jià)等諸多與時(shí)間相關(guān)的電量計費功能，要求具有精確計時(shí)的功能，在運行溫度范圍內每天的計時(shí)誤差小于1s。本文介紹了晶振的溫度特性，分析了振蕩電路并聯(lián)電容對晶體振蕩的影響，提出了基于集成型SoC(System on Chip)單片機的溫度補償方案，通過(guò)設計校準程序，實(shí)現了常溫下計算時(shí)鐘偏差并寫(xiě)入補償數據，使智能電表到達常溫下±1.5ppm，全溫區±3.8ppm的計時(shí)精度。

　　引言

　　智能電表作為智能電網(wǎng)建設中的重要組成設備，從以往單一電量計量，發(fā)展為可以實(shí)現階梯電量計費，保存用電數據以及關(guān)鍵事件記錄等復雜功能。因而需要具備一個(gè)準確的計時(shí)單元，以作為各項與時(shí)間相關(guān)數據計算的基準。這一計時(shí)單元不僅要求常溫條件下能夠準確計時(shí)，在電表工作的整個(gè)溫度范圍內的偏差也不能超過(guò)規定范圍，國內電表方案分為獨立式時(shí)鐘芯片和單片機集成時(shí)鐘模塊兩種，其中后者較前者有更大的成本優(yōu)勢，本文就SoC方案電表的時(shí)鐘校準展開(kāi)討論。

　　晶振溫度特性

　　智能電表的時(shí)鐘模塊在停電狀態(tài)下由電池供電，為實(shí)現低功耗運行，時(shí)鐘模塊時(shí)鐘源只能選擇低頻晶振，因為使用高頻晶振電流消耗也隨之增大。目前電表、石英手表等計時(shí)設備中普遍采用低頻音叉晶振，圖1為音叉晶振結構圖，能量在電信號與機械振動(dòng)之間轉換，具有很高的Q值，電流在電阻上的消耗很小，驅動(dòng)功耗小于1μA。音叉晶振頻率通常介于10kHz~200kHz之間，本文討論的晶振工作頻率為32.768kHz?！　?/p>

　　

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　　石英晶振的振蕩頻率會(huì )隨溫度變化，稱(chēng)之為溫度特性^[1]，音叉晶振的溫度特性如圖2所示，呈二次函數關(guān)系。在高溫和低溫區溫度系數大約是AT切型的2倍，但其零溫度系數點(diǎn)對切角公差要求較松，生產(chǎn)中便于控制定點(diǎn)溫度一致性，因此廣泛應用于各種帶有溫度補償功能的時(shí)鐘芯片中，圖2曲線(xiàn)用公式表示為：
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　　其中K_T為溫度系數，TI為頂點(diǎn)溫度，D_T為曲線(xiàn)頂點(diǎn)偏差^[2]，對于不同晶振，參數也會(huì )不同，但可以通過(guò)改善工藝和篩選晶體提高系數K_T和頂點(diǎn)溫度TI的一致性。通過(guò)批量測試，曲線(xiàn)擬合時(shí)所有晶體采用統一參數。而不同晶體頂點(diǎn)偏差差距較大，需要在校準時(shí)進(jìn)行測量，補償時(shí)將這一偏差值計算在內。

　　補償原理

　　電容補償

　　晶振等效電路如圖3所示，其中R_s為晶體的動(dòng)態(tài)電阻，C_s為動(dòng)態(tài)電容，L_s為動(dòng)態(tài)電感，C₀為靜態(tài)電容，C_s、L_s 由晶體的質(zhì)量和彈性決定，R_s代表晶體振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗，取決于石英晶體的幾何尺寸、表面光潔度、切割工藝以及安裝結構等，C₀代表晶體切片和金屬板構成的靜態(tài)電容。