基于SoC方案的智能电表时钟校准

　　该谐振器具有串联谐振频率f_q和并联谐振频率f_p两个谐振频率，分别为：
         　　(3) 　　

 

　　单片机振荡电路除了晶体振荡器之外还包括放大器^[3]，如图4所示，两者形成闭环，晶体起到选频反馈作用，放大器输入阻抗较大。为达到匹配效果，晶振工作在并联谐振状态下，并联电容C₀对频率响应有较大影响，通过在外围增加旁路电容C_L，减小电容C₀对并联谐振频率的影响，并联电容后谐振频率变为:
            (4) 

　　由式(4)还可以看出晶体的并联谐振频率随着负载电容的变化会产生微小变化，可以通过改变负载电容的大小抵消晶体频率随温度的偏移^[4]，这就是电容补偿时钟精度的基本原理，修调灵敏度S用来表示晶体的中心频率与负载电容C_L的关系：
             (5) 

　　修调灵敏度与负载电容C_L有关，C_L越大修调灵敏度越小，如果希望得到一个相对稳定的频率信号，需要一个大的C_L值;如果希望得到一个频率可变的振荡器，需要一个相对较小的C_L值^[5]。所以C_L需要控制在一定范围内，同时保证频率精度和工作稳定性。

　　数字补偿

　　电容补偿的优势在于精细，可以实现步距小于±1ppm的校准，实现精确微调，但为保证晶振起振和稳定运行，旁路电容的大小有一定限制，电容补偿的偏差范围通常限定在±40ppm范围内，为增加补偿量，需要采用数字补偿的方式。电表输出的秒脉冲是通过一个计数器对32.768kHz时钟计数，计数值满32768时溢出，计为一个秒周期。如将计数器溢出值改为32769，则秒周期改变量为:
          

　　因此通过改变计数器溢出值即可获得30.5ppm整数倍的频率补偿量。

　　补偿数据计算

　　为实现晶体振荡器全温度范围内输出精确频率，需要通过调节负载电容和数据补偿寄存器，获得一定频率补偿量∆f_cal ，保证其与晶体在这一温度下的振荡偏移值大小相等符号相反，即∆f_cal=-∆f 。为实现调节负载电容大小的目的，单片机中设计了11位的电容控制寄存器，用以控制11个并联电容的通断，其中第n颗电容的大小为：
          

　　通过对相应寄存器的bit位置1或0，实现相应位置的电容与晶振并联或断开，达到改变负载电容大小的目的，电容并联后的值：
             (8) 

　　其中b_n为寄存器相应bit位的值，D_reg为寄存器值。

　　通过单片机自带的温度传感器，可以获得当前晶振温度，利用式1计算出晶体振荡的偏差∆f，通过修改负载电容补偿频率偏差，为此需要建立电容与频率改变之间的关系，图5显示了电容与频率改变量的关系，横轴为并联电容值，纵轴为频率改变量。