基于SoC方案的智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)

　　摘要：智能電表可以實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率及階梯電價(jià)等諸多與時(shí)間相關(guān)的電量計(jì)費(fèi)功能，要求具有精確計(jì)時(shí)的功能，在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)每天的計(jì)時(shí)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(duì)晶體振蕩的影響，提出了基于集成型SoC(System on Chip)單片機(jī)的溫度補(bǔ)償方案，通過設(shè)計(jì)校準(zhǔn)程序，實(shí)現(xiàn)了常溫下計(jì)算時(shí)鐘偏差并寫入補(bǔ)償數(shù)據(jù)，使智能電表到達(dá)常溫下±1.5ppm，全溫區(qū)±3.8ppm的計(jì)時(shí)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(jì)量，發(fā)展為可以實(shí)現(xiàn)階梯電量計(jì)費(fèi)，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(gè)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)單元，以作為各項(xiàng)與時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算的基準(zhǔn)。這一計(jì)時(shí)單元不僅要求常溫條件下能夠準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，在電表工作的整個(gè)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(dú)立式時(shí)鐘芯片和單片機(jī)集成時(shí)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(shí)鐘校準(zhǔn)展開討論。

　　晶振溫度特性

　　智能電表的時(shí)鐘模塊在停電狀態(tài)下由電池供電，為實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，時(shí)鐘模塊時(shí)鐘源只能選擇低頻晶振，因?yàn)槭褂酶哳l晶振電流消耗也隨之增大。目前電表、石英手表等計(jì)時(shí)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(hào)與機(jī)械振動(dòng)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(dòng)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。　　

　　

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　　石英晶振的振蕩頻率會(huì)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(diǎn)對(duì)切角公差要求較松，生產(chǎn)中便于控制定點(diǎn)溫度一致性，因此廣泛應(yīng)用于各種帶有溫度補(bǔ)償功能的時(shí)鐘芯片中，圖2曲線用公式表示為：
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　　其中K_T為溫度系數(shù)，TI為頂點(diǎn)溫度，D_T為曲線頂點(diǎn)偏差^[2]，對(duì)于不同晶振，參數(shù)也會(huì)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(diǎn)溫度TI的一致性。通過批量測試，曲線擬合時(shí)所有晶體采用統(tǒng)一參數(shù)。而不同晶體頂點(diǎn)偏差差距較大，需要在校準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行測量，補(bǔ)償時(shí)將這一偏差值計(jì)算在內(nèi)。

　　補(bǔ)償原理

　　電容補(bǔ)償

　　晶振等效電路如圖3所示，其中R_s為晶體的動(dòng)態(tài)電阻，C_s為動(dòng)態(tài)電容，L_s為動(dòng)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(dòng)時(shí)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。