高精度实时时钟模块深度解析之一：频率漂移补偿的原理及设计

日常生活中，无论是手机、电脑还是其他电子设备，时间都是不可或缺的一部分。它们之所以能够准确地显示时间，背后离不开一个关键的组件——RTC（实时时钟，Real-Time Clock）。

RTC作为现代电子系统不可或缺的一部分，为各种应用提供了精确的时间基准。随着物联网、通信、电力、安防、医疗等领域的快速发展，对高精度时间同步的需求日益增加。然而，RTC的频率精度往往受到多种因素的影响，特别是环境温度的变化。RTC由于功耗要求较高一般采用32.768kHz的音叉型石英晶片作为振荡源，在-40℃~+85℃的环境下其频率偏差可达到-140ppm~+10ppm（图1），在-40℃环境的应用下月时间偏差达到6分钟。为了在各种应用环境下获取精确的时间基准，需要对音叉型石英晶片的频率温度特性或者输出的脉冲信号进行针对性补偿，修正因环境温度变化而导致的频率偏差。

图1：音叉型石英晶体的频率温度特性

目前市面上的RTC产品采用的频率补偿方式可以分为两大类：内部电容调整方式和输出逻辑调整方式。其中输出逻辑调整方式是通过调整生成1s的脉冲数以及变更补偿频度来实现频率补偿，通俗来讲就是通过把输出信号抹去或添加脉冲来调整秒周期来实现准确的秒信号。输出逻辑调整的频率补偿方式局限于一些只关注到秒信号应用上，在涉及到毫秒级的应用上仍存在较大的偏差。内部电容调整方式不同于输出逻辑调整方式，其通过利用石英晶体振荡频率随振荡负载电容的增减而变化的特点（图2），补偿因周围温度而产生的频率变动。该方式直接对音叉型石英晶体的频率温度特性进行补偿，在毫秒级的分辨率下仍能保证高质量的时间精度。

图2：负载电容与石英晶体振荡频率变化曲线

泰晶科技自主研发的TR8804（图3）和TR8010（图4）均采用内部电容调整方式补偿音叉型石英晶体的频率温度特性。其中TR8804针对音叉型石英晶体个体特性进行差异性补偿，在-40℃~125℃的工作温度范围内保证高精度时间基准输出，在-40℃~105℃的使用环境下月时间偏差在0.2分钟，-40~125℃的使用环境下月时间偏差在0.4分钟。TR8010采用对音叉型石英晶体特性进行批量补偿的方式，在-40℃~85℃的工作温度范围内保证1.3分钟左右的月时间偏差。

图3：TR8804

图4：TR8010