智能电表中的实时钟校准研究.doc

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1、智能电表中的实时钟校准研究　　　　1引言　　在国内使用的智能电表都具有实时时钟，根据行业标准，要求其在工作温度范围内精度满足小于1s/day（11.5ppm），在23℃时满足小于0.5s/day（ppm）实际应用中还要考虑到晶体的老化及校准误差等因素影响[1-6]，RTC时钟误差在厂家校准应该至少做到8ppm以下。　　目前智能电表的RTC校准一般有2种方式。　　（1）采用外置带温度补偿的RTC，如EPSON的RX8025T，其校准是由芯片厂家出厂前根据多温度点测试校准好的，电表厂家不需要校准，这

2、种方式由于成本因素本应逐渐退出智能电表领域[7,8]。行业普遍应用的是单温度点校准方法，这种方法虽然不能保证每个电表的RTC精度都是合格的，所以仍占有较大市场份额。　　　　（2）主控制器内置RTC，如复旦微的FM3318，其RTC的校准是只进行常温下单点校准，二次曲线系数是根据32768Hz晶体的批量数据预制的，每批电表都使用相同之处的系数[9-13]。　　频率为32768Hz晶体的温度曲线如图1，接近二次曲线，这种单温度点校准相当于β和T0使用固定值，只校准S0[14,15]。根据晶体厂家提供

3、的参数，β一般为0.035±0.0012ppm，T0为23±2℃。　　根据二次曲线，假如β为0.035，和预制值一致，T0预置23与实际值偏差2℃时，并且考虑到温度误差0.5℃，在温度-25℃Y的偏差分别为8.6ppm，在工作温度-40℃和85℃时达到-11ppm.这几个偏差值还不包括晶体实际曲线与二次曲线的偏差β及校准偏差以及晶体本身的老化影响。　　从上面数据可以看出采用单点校准方法一定会导致部分RTC在高低温下超差。另一个影响RTC运行中精度的重要因素是晶体自身的年老化率，按照晶体厂家提供的

4、数据，第一年晶体的最大老化率有±3ppm，以后每年约±1ppm，按照电表能够使用10年的要求，由于晶体老化的影响，智能电表5年后就有可能不满足23℃时RTC误差小于0.5s/day的要求。而此年老化率的影响是正负都有可能，无法在生产校准中解决。　　2通过实验数据得到晶体的温度曲线　　困扰智能电表行业多年的一个难题，即采用SoC方案的智能电表的RTC，如果采用单温度点校准法，能满足量产化需求，却无法保证每个表的RTC精度都合格。采用三温度点校准发，能保证电表RTC精度合格，但却由于校准时间长无法量

5、产。为了更好地解决这一问题，通过实验数据归纳出了RTC的精度受晶体频率影响的曲线，如表1所示。　　通过测试多组RTC未校准前的精度受温度影响数据，根据图1中的数据描出温度与精度曲线，可以得到1个近似的二次曲线y=ax3+bx2+cx+d，β为二次项系数，T0为顶点温度，S0为常数。按表1数据拟合出的曲线中，β为-0.0343，T0为23.3，S0为12.52。选择不同的温度点数据拟合曲线的β和T0值并不一致，且变化范围也有所不同。采用3温度点数据拟合二次曲线的方法得到的数据见表2。　　从数据中明

6、显可见：采用不同的温度点数据拟合出来的二次曲线的系数明显不同。前4组温度点拟合出来的β值与多点拟合时的β值相差较小，但T0的变化范围相对较大。　　实测-40℃到85℃误差数据得到与拟合的二次曲线的差值曲线，可见温度对频率影响曲线还应该包含三次或更高次项，因此得到根据差值曲线拟合的三次曲线y=ax3+bx2+cx+d，或四次拟合曲线y=hx4+ax3+bx2+cx+d　　根据表1中的差值数据可以得到式1。　　（1）　　采用不同的温度点数据拟合出来的二次曲线的系数明显不同的原因就是此三次曲线或更高次

7、曲线影响引起的。　　可见，若要实现全温度范围内的高精度RTC，必须要对二次曲线和三次或更高次曲线都进行校准。根据曲线公式，可以看出，若要准确校准RTC至少需要五个温度点，这在电表批量生产时是不现实的。可是，在三温度点拟合二次曲线前，如果先把三次曲线的影响补偿了，再进行拟合，得到的二次曲线系数很接近，见表2中进行三次修正后拟合的数据。　　3两点校准的数据实验　　选择适合的校准点，确定温度对频率影响曲线中的二次项系数β，实现两点校准。通过实验总结，同一型号的晶体，从批量测试数据得到二次曲线中β的变化

8、范围较小，见表3。　　为此我们可以根据选定型号的晶体，选择适合测试及校准温度点，固定β值，只进行2温度点测试及校准T0或S0，选取的校准温度点需要满足2个特征:此温度点便于操作，且最好是正常电表生产工艺中使用的温度点，此温度点下，β的变化范围较小，选取的温度点能够兼顾常温和高低温。　　根据拟合的三次曲线（四次曲线或更高次曲线方法类似）。　　（2）　　根据对其求导后的公式，可以得到变化率最小的温度点。　　（3）　　x=22.2±32.5　　x1=54.7，x2=-10.3　　选定温度点后，在选定温