摘要：智能電表可以實現(xiàn)多費率及階梯電價等諸多與時間相關(guān)的電量計費功能，要求具有精確計時的功能，在運行溫度范圍內(nèi)每天的計時誤差小于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，通過設(shè)計校準(zhǔn)程序，實現(xiàn)了常溫下計算時鐘偏差并寫入補償數(shù)據(jù)，使智能電表到達常溫下±1.5ppm，全溫區(qū)±3.8ppm的計時精度。

　　引言

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

　　晶振溫度特性

　　智能電表的時鐘模塊在停電狀態(tài)下由電池供電，為實現(xiàn)低功耗運行，時鐘模塊時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、石英手表等計時設(shè)備中普遍采用低頻音叉晶振，圖1為音叉晶振結(jié)構(gòu)圖，能量在電信號與機械振動之間轉(zhuǎn)換，具有很高的Q值，電流在電阻上的消耗很小，驅(qū)動功耗小于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。　　

　　

?

　　石英晶振的振蕩頻率會隨溫度變化，稱之為溫度特性^[1]，音叉晶振的溫度特性如圖2所示，呈二次函數(shù)關(guān)系。在高溫和低溫區(qū)溫度系數(shù)大約是AT切型的2倍，但其零溫度系數(shù)點對切角公差要求較松，生產(chǎn)中便于控制定點溫度一致性，因此廣泛應(yīng)用于各種帶有溫度補償功能的時鐘芯片中，圖2曲線用公式表示為：
??????? ?

　　其中K_T為溫度系數(shù)，TI為頂點溫度，D_T為曲線頂點偏差^[2]，對于不同晶振，參數(shù)也會不同，但可以通過改善工藝和篩選晶體提高系數(shù)K_T和頂點溫度TI的一致性。通過批量測試，曲線擬合時所有晶體采用統(tǒng)一參數(shù)。而不同晶體頂點偏差差距較大，需要在校準(zhǔn)時進行測量，補償時將這一偏差值計算在內(nèi)。

　　補償原理

　　電容補償

　　晶振等效電路如圖3所示，其中R_s為晶體的動態(tài)電阻，C_s為動態(tài)電容，L_s為動態(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代表晶體振動時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(jié)構(gòu)等，C₀代表晶體切片和金屬板構(gòu)成的靜態(tài)電容。