Термокомпенсация в приборах учета времени

Термокомпенсация

в приборах учета времени

В статье обсуждаются вопросы учета времени в устройствах с расширенным климатическим исполнением. Рассмотрены микросхемы компании Maxim Илья ГОЛУБЕВ Integrated Products, решающие задачи точного учета времени в широком

liya_Goiubev@maximhq.com диапазоне температур. Даны рекомендации по их применению.

Задача точного учета времени в широком температурном диапазоне

Задача учета времени решается в самых разнообразных приложениях. Среди них счетчики расхода тех или иных ресурсов бытового и индустриального применения, оборудование фискального назначения, телекоммуникационное оборудование со встроенными полными или частичными функциями тарификации, спутниковые навигационные приемники, промышленное оборудование самого разнообразного применения и многое другое.

Измерение времени, как и другие измерения, характеризуется несколькими параметрами точности. Среди них:

• Начальная точность отсчета времени. Этот параметр характеризует точность отсчета времени в нормальных условиях сразу после приведения средства отсчета в действие.

• Температурный коэффициент. Учитывает влияние температуры при ее отклонении от нормального или начального значения.

• Долговременная стабильность. Регламентирует изменение точности измерения, обусловленное старением устройства отсчета. Есть и другие параметры точности отсчета времени. Но приведенные три параметра наиболее часто встречаются в спецификациях на приборы и оборудование, в котором используются счетчики времени. Поэтому целесообразно рассмотреть их подробнее.

Начальная точность отсчета времени, как правило, обусловлена начальной точностью элемента, задающего тактовую частоту устройства (например, кварцевого резонатора). Увеличение начальной точности резонатора сопровождается увеличением его стоимости. Начиная с некоторого порога стоимости и точности становится целесообразным внести в систему функцию коррекции начальной точности хода часов. Часто это сводится к предварительному измерению точности хода часов с использованием более точного оборудования, вычислению ухода часов и соответствующей поправки. Далее программное обеспечение устройства регулярно вносит вы-

численную поправку в показания часов, например, прибавляя несколько секунд к показаниям часов один раз в сутки. Несколько сложнее скомпенсировать начальный уход часов, когда в системе нет микропроцессора и нет программного обеспечения, либо они недоступны для разработчика. Тогда могут помочь часы реального времени (RTC) со встроенной компенсацией начального ухода. Они способны хранить ранее вычисленную поправку и регулярно вносить ее в показания. В любом случае, начальный уход поддается той или иной компенсации или коррекции.

Сложнее компенсировать долговременную нестабильность часов. Она менее предсказуема. Для ее компенсации часто требуется повторное применение измерительного оборудования, калибровка, а это не всегда возможно. Например, при проектировании автономного многотарифного промышленного счетчика расхода воды приходится принимать во внимание уход часов за десять и более лет автономной эксплуатации. Часто в таких случаях приходится идти на улучшение качества кварцевого резонатора в составе задающего генератора и увеличение его стоимости.

Наконец, температурная нестабильность. Именно температурная нестабильность часто становится наиболее важной причиной погрешности в системах учета времени, эксплу-

атируемых в широком температурном диапазоне. Типичными примерами являются многотарифные счетчики тепла и электричества, эксплуатируемые за пределами жилых помещений, а также кассовые аппараты, предназначенные для использования в широком диапазоне температур. Именно для таких применений и предназначены описанные ниже микросхемы.

DS32kHz — генератор с термокомпенсацией

Микросхема DS32kHz является генератором частоты 32 кГц со встроенным кварцевым резонатором. На своем выходе она формирует импульсную последовательность прямоугольной формы с заданой частотой. Основной особенностью микросхемы является встроенная термокомпенсация. В процессе производства снимается зависимость частоты кварцевого резонатора от температуры. Вычисляются соответствующие поправки. Их значения хранятся во внутренней памяти микросхемы. В процессе эксплуатации встроенный датчик измеряет текущее значение температуры кристалла. Из таблицы поправок извлекается соответствующее значение, и электронная схема осуществляет коррекцию частоты выходного сигнала.

Таким образом осуществляется формирование термокомпенсированного тактового сигнала на выходе микросхемы. На рис. 1 приведены графики зависимости ухода собственной частоты кварцевого резонатора и частоты выходного сигнала микросхемы после компенсации.

На рис. 2 приведена внутренняя структура микросхемы.

В соответствии со структурной схемой DS32 может использоваться совместно с устройствами, имеющими вход тактового сигнала 32 кГц. Например, с микросхемами часов реального времени или с микроконтроллерами, содержащими на кристалле часы реального времени. Соответствующие структурные схемы приведены на рис. 3.

Если в устройстве использованы часы реального времени, то, скорее всего, используется дополнительная (резервная) батарея для поддержания хода часов в обесточенном состоянии. Помимо часов резервное батарейное питание должен иметь и генератор. Поэтому микросхема DS32 имеет два вывода питания УВАт и Усс — для подключения резервной батареи и основного источника питания соответственно. При выборе батареи и основного источника питания следует обратить внимание на зависимость стабильности генератора от напряжения питания. Типовыми напряжениями являются 5 В для основного источника и 3 В для батареи.

Использование DS32kHz в схемах с программной или аппаратной фильтрацией сигналов

Если микроконтроллер или иная тактируемая схема снабжены умножителем частоты (ИХ) с входом 32 кГц, то DS32 может использоваться в качестве задающего генератора для главного тактового сигнала системы. Иногда это может привести к значительному улучшению качества работы системы. Примером служат схемы измерения напряжения на основе дельта-сигма АЦП или АЦП двойного интегрирования, применяемые в условиях интенсивных помех с частотой промышленной сети. В таких устройствах требуется эффективное подавление помех с определенной частотой (как правило, 50 или 60 Гц) и кратных им гармоник. Теоретически, добиться

DS32kHz

RTC

Main PSU

Battery

MCU **

Peripheral

units

DS32kHz

Battery

H

Main PSU

E

Core

RTC

Peripheral

MCU with RTC on board

Рис 3. Структурные схемы DS32:

а) с часами реального времени; б) с микроконтроллерами, содержащими на кристалле часы реального времени

приемлемого подавления можно. Но практически это требует поддержания заданной и стабильной частоты преобразования. Если в нормальных условиях окружающей среды задачу способен решить обычный кварцевый генератор, то в расширенном температурном диапазоне целесообразным будет применение генератора DS32kHz. Соответствующая структурная схема приведена на рис. 4.

В конце рассмотрения возможных применений генератора DS32kHz приведем некоторые технические характеристики этой микросхемы.

• Температурная нестабильность:

- ±2 млн-1 (±1 мин/год) при T от 0 до +40 °С;

- ±7,5 млн-1 (±4 мин/год) при T от -40 до +85 °С.

• Напряжение питания:

- VBAt от 2,7 В до 5,5 В;

- VCC от 4,5 В до 5,5 В.

• Диапазон рабочих температур:

- от 0 до +70 °С для коммерческого исполнения;

- от -40 до +85 °С для промышленного исполнения.

• Корпуса DIP 14; SO 16; BGA 36.

• Потребляемый ток — около 150 мкА.

• Ток утечки через батарею ±50 мкА.

• Нестабильность частоты от напряжения питания — около 2 млн-1/В.

• Долговременная нестабильность в первый год эксплуатации, около ±1 млн-1. Условия измерения параметров, а также

другие характеристики приведены в Data Sheet на сайте w ww.maxim-ic.c om.

Генератор DS32 является достаточно сложным устройством, он содержит цифровые, аналоговые элементы и гибридный компонент — кварцевый резонатор. Соответственно, его стоимость значительно превышает стоимость обычного кварцевого резонатора.

Для оптимизации стоимости устройств, содержащих отдельную микросхему часов реального времени, можно использовать компонент DS3231.

DS3231 — часы реального времени со встроенным термокомпенсированным генератором

Эта микросхема представляет собой часы реального времени со встроенным термокомпенсированным кварцевым генератором. Блок-диаграмма микросхемы представлена на рис. 5.

Помимо собственно часов и тактового генератора на кристалле расположено несколько дополнительных блоков и соответствующих выводов. Среди них:

• Power control. Осуществляет переключение питания между основным источником питания и батареей. Питание от батареи осуществляется только тогда, когда основное напряжение питания меньше напряжения на батарее и основное напряжение питания меньше заданного внутренним компаратором порога (около 2,57 В). Такая логика работы позволяет использовать микросхему при номинальном напряжении основного источника питания 3,3 В совместно с батареей резервного питания, имеющей напряжение в начале разряда больше 3,3 В. При этом не возникает преждевременного разряда батареи.

• Reset. Выход формирует сигнал сброса для процессора, когда напряжение питания падает ниже заданного порога. Его особенностью является совместимость с внешней кнопкой ручного сброса. Внутренняя логика устанавливает минимальное время активного состояния сигнала и подавляет возможный дребезг контактов.

32kHz. Выход с открытым стоком позволяет получить последовательность импульсов частотой 32 кГц. Имеется возможность управлять состоянием выхода как в активном режиме, так и в режиме питания от резервной батареи. Частота сигнала стабилизирована и термокомпенсирована. INT/SQW. Выход с открытым стоком формирует сигнал прерывания при срабатывании таймера или низкочастотный прямоугольный сигнал 1 Гц; 1,024 Гц; 4,096 Гц;, 8,192 Гц. Частота сигнала также стабилизирована и термокомпенсирована. Temperature Sensor. Датчик температуры кристалла. Его данные используются для компенсации генератора. Кроме того, его показания могут быть считаны через последовательный интерфейс.

Control Registers. Регистры управления. В числе прочих содержат управление компенсацией долговременного старения кварцевого резонатора.

I2C interface. Блок интерфейса поддерживает стандартные временные характеристики I2C интерфейса и обеспечивает скорость передачи до 400 кГц.

Типовая схема включения часов 083231 (рис. 6) отличается от обычной в части формирования дополнительных сигналов.

Поскольку в составе микросхемы 083231 использован генератор, близкий по структуре к Б832кШ, соответствующие характеристики стабильности частоты также близки. Тем не менее, есть различия. Ниже приведен список основных технических характеристик часов реального времени со встроенным термокомпенсированным генератором.

• Температурная нестабильность частоты:

- ±2 млн-1 при Т от 0 до +40 °С,

- ±3,5 млн-1 при Т от -40 до +85 °С.

• Нестабильность частоты от напряжения питания — около 1 млн-1/В.

• Долговременная нестабильность:

- в первый год эксплуатации — около ±1 млн-1,

- в первые 10 лет эксплуатации — около ±5 млн-1.

• Напряжения питания:

УВАТ и УСС от 2,3 до 5,5 В.

• Потребляемый ток от батареи — около 1 мкА.

• Ток утечки через батарею — около 25 мкА.

• Часы реального времени с отсчетом секунд, минут, часов, дней недели, дней месяца, года, включая високосные до 2100 года и два таймера.

• Точность датчика температуры ±3 °C.

• Продолжительность сигнала Reset — около 250 мс.

• Диапазон рабочих температур:

- от 0 до +70 °С

для коммерческого исполнения,

- от 40 до +85 °С

для промышленного исполнения.

• Корпус — SO 16.

Условия измерения параметров и другие характеристики приведены в Data Sheet на сайте w ww .maxim-ic.c om.

DS3232 — часы реального времени со встроенными термокопенсированным генератором и 256 байт SRAM

Из структуры ранее описанной микросхемы DS3231 видно, что она содержит блок управления питанием, который отвечает за переключение питания внутренних узлов микросхемы с основного источника на резервный и обратно в соответствии с заданным алгоритмом. Фактически данный узел обеспечивает бесперебойное питание генератора и счетчика времени. Он также может обеспечить бесперебойным питанием и другие малопотребляющие узлы, например, встроенное ОЗУ. При этом данные в ОЗУ сохранятся все то время, пока присутствует основное или резервное питание и, соответственно, осуществляется отсчет времени. Принимая во внимание исключительно низкое энергопотребление микросхемы и высокую надежность современных литиевых батарей, такое ОЗУ может, фактиче-

ски, выполнять функции постоянной перепрограммируемой памяти с неограниченным числом циклов доступа и последовательным интерфейсом. Оно может быть использовано для хранения временных меток в фискальном оборудовании или для хранения калибровочных параметров в счетчиках расхода воды, тепла, электричества и т. д. Указанная функциональность реализована в микросхеме 083232. Ее структурная схема приведена на рис. 7.

На структурной схеме выделен блок SRAM. Типовая схема включения микросхемы 083232 мало отличается от аналогичной схемы для 083231, и здесь не приводится.

Электрические характеристики данной микросхемы указаны в полном техническом описании, которое можно найти на официальном сайте компании Maxim Integrated Products по адресу w w w.maxim-ic.c om.

Материалы

При подготовке текста и иллюстраций были использованы спецификации на микросхемы с сайта w ww .maxim-ic.c om компании Maxim Integrated Products. Для быстрого доступа к информации о той или иной микросхеме предлагается воспользоваться функцией поиска на сайте.