32.768K晶振可与时间产生时钟同步源
时间的珍贵在于它不可把握不可追回,时间是可以说是比较抽象的,因为它无处不在却容易忽视,其实时间本身就是一个概念,每一分每一秒,哪怕只是眨下眼睛它都在流逝。世间几乎没有任何东西比时间更有意义更重要,但是有一种东西可以帮助我们计算它“溜走”的证据,那就是时钟,可以与时间保持一致,任何钟表类产品内部都有一颗32.768K晶振,这种频率元件还有其他名字,例如音叉晶体,时钟晶振等。32.768KHz频率的石英晶体绝大多数都是应用在产品里的基准时钟设置系统。
阿尔伯特爱因斯坦说:“时间的唯一原因是一切都不会立即发生”(图1)。人们只能假设他在发表评论时并未谈论同步的全球网络。如果事件必须同步发生,则时间比石英振荡器频率更重要。产生“时序”的振荡器的频率和精度并不重要,只要它们都准确知道它的时间。
另一方面,如果产生定时的振荡器不能使其自身与参考定时源同步,那么产生时间的晶振频率的准确度现在非常重要。国际公认的时间标准是UTC(协调世界时)并保持不变由美国国家标准与技术研究所,美国商务部的一个分支机构。
在Telecoms基础设施中,各种级别的所需时序精度被定义为Stratumlevel1到4.最准确,因此主要参考源是Stratum1,原子钟(通常是铯束或氢气脉冲激光器),其频率维持在生命的准确度<1x10-11。下一级,Stratum2,其频率保持在<1x10-10天的准确度,Stratum3将其频率保持在<3.7x10-7天的精度。使用SC切割晶体,使用精密OCXO(烘箱控制晶体振荡器)实现层2级。使用AT切割晶体,使用精密TCXO(温补晶体振荡器)实现层3。
那么这些稳定性如何与时间相关?一年是365天x24小时x60分钟x60秒=31,536,000秒。如果保持时钟时间的振荡器具有1×10-6年的精度(1x10-6是1ppm[百万分之一])那么时钟将每年增加(或丢失)31.536秒。这使得上述示例中的原子钟在20年的使用寿命内精确到0.006秒,OCXO振荡器在每天0.00009秒内,TCXO在每天0.032秒内。
然而,大多数对计时的引用是指“时间”而不是数据同步,特别是手表或时钟上显示的时间。第一个石英钟是由沃伦·马里森和J.W.建造的。1927年贝尔电话实验室的霍顿。第一款采用石英晶体作为计时元件的商用腕表是由Seiko制造的35SQAstron手表,并于1969年圣诞节推出(图2),零售价约为1250美元(约为一辆小型车的价格)这。使用了一个8.192kHzX切割音叉水晶。
所有不同的石英晶体切割均来自相同的培养石英棒,但是以不同的角度切割到晶体轴(图3)。它们各自具有针对最终应用定制的不同机械和电气性质。AT Cut用于大多数石英晶体振荡器,特别适用于精密TCXO,SCCut晶体主要用于OCXO。
X Cut音叉晶体(图4)用于'TimeofDay'时间应用(腕表,家用钟表等),因为它具有自然的低振荡频率,极低的工作功率要求和25℃左右的低温度系数(图5)。
特别是XCut音叉晶体可以在32.768K处振荡,当数字分频为215时,产生1秒方波,非常适合计时。通过将16.777216MHz的Cut晶体振荡器分频为224可以产生相同的1秒方波,但由于更高的频率和额外的分频器而导致的功耗增加可能是XCut音叉晶振选项的100倍以上(不是适用于电池供电的应用)。
由于计时涉及计数和分频,所选的常用振荡器是门控皮尔斯,但增加的限制是极低的晶体驱动功率和(通常)低电压应用的Vdd电压。
典型的32.768 kHzXCut时钟晶振将具有30kΩ至60kΩ的ESR(等效串联电阻),需要6pF至15pF的负载电容(典型值为12.5pF),第一年的老化小于±3ppm,但更多重要的是最大晶体驱动电平为1μW。使用无缓冲变频器的图6中的电路将通过以下电路值提供可接受的性能。C1=10pF,C2=22pF,Rlim=330kΩ,Rf=22MΩ。Rextra可用于限制非开关逆变器在开关期间消耗的电流,值为47kΩ,Vdd=2V时应将电流消耗限制在~5μA。
32.768KHz系列可以分为两种不同的晶振,分别是32.768晶体和32.768K晶体振荡器,前者是无源的,后一种是有源的,稳定性更高,性能更好。32.768KHz是标准的计时参考,是频率控制元器件行业中最重要的一种时钟频率,常见的封装有2*6mm/3*8mm圆柱晶振,和SMD型的8038晶振,7015晶振,4918晶振,4115晶振,3215晶振,2012晶振,1610晶振等。以上尺寸都可以应用到时钟与数字模块产品身上。