基于整體誤差校正的石英計時器計時精度提高方法研究

魏 群 ，呂 丹

（1 福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

（2 福建省能源計量重點實驗室，福建 福州 350003)

石英電子表(以下簡稱電子表)是廣泛應(yīng)用于各行業(yè)和日常生活的一種電子計時器。但由于電子表石英晶體本身工藝以及電子表電路中振蕩電容、雜散電容數(shù)值與電容溫度漂移等原因，使得電子表經(jīng)過一段時間運行后會出現(xiàn)計時誤差?，F(xiàn)有的時間校準方法，均是通過每日與標準時鐘對時以消除誤差，操作過程繁瑣，且人工操作難免會造成一定的失誤。因此文中運用整體誤差校正的設(shè)計思路探究提高電子表計時精度的方法。

1 影響電子表精度因素及校正方法

1.1 影響電子表精度的主要因素

電子表日差是電子表連續(xù)走時24h的計時誤差[1]，瞬時日差是測量電子表在某一時間間隔的走時誤差折算到24h的計時誤差，其單位為s、ms等[2]。日差是評價時鐘走時快慢、反映其質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要指標。一臺時鐘相對標準鐘運行快或慢，取決于所用主振器的頻率。若其頻率實際值比標稱值高，則運行得快，反之則慢。順勢法是根據(jù)構(gòu)成時鐘的時基振蕩器的頻率或節(jié)拍數(shù)，利用瞬時日差測量儀或其他類似儀器直接測量瞬時日差，測量時間短，對檢定/校準環(huán)境要求相對較低，使用起來比較方便，可以成倍提高檢定/校準效率[3]。

電子表的計時精度主要取決于石英晶體的振蕩頻率。石英晶片之所以能構(gòu)成振蕩電路(諧振)是基于它的壓電效應(yīng)，若其晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機械變形；反之，若在極板間施加機械力，又會在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機械變形振動，同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(決定于晶片的尺寸)相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。其特點是頻率穩(wěn)定度很高，精度不易改變。

1.2 電子表精度誤差校正流程

文中設(shè)計的電子表時間精度誤差校正思路是：根據(jù)構(gòu)成時鐘的時基振蕩器的頻率或節(jié)拍數(shù)，利用瞬時日差測量儀或其他類似儀器直接測量瞬時日差，此測量誤差為電子表的整體時間誤差。每隔一段時間對表進行一次修正，即可有效降低該電子表的計時精度誤差。

具體步驟為：用瞬時日差測量儀測量處于工作狀態(tài)下的成品石英計時器，獲得該石英計時器的時間日誤差值；在石英計時器的MCU中設(shè)置一校準時間點、一時間日誤差值、以及一校準時間間隔值；最后根據(jù)時間日誤差值重新配置時鐘芯片的初始計時。方法流程圖見圖1。修正過程：當MCU首次讀取石英計時器內(nèi)的時鐘芯片的時間值時，先判斷是否已到校準時間點，若是，則根據(jù)時間日誤差值重新配置時鐘芯片的初始計時，且在經(jīng)過每一個校準時間間隔值后再次根據(jù)時間日誤差值重新配置時鐘芯片的初始計數(shù)值，若否，則繼續(xù)讀取時鐘芯片的時間值。

用瞬時日差測量儀測量處于工作狀態(tài)下的成品電子表，獲得該表的時間日誤差值，并設(shè)置一個校準時間點和一個校準時間間隔值。利用讀寫器，將校準時間點、時間日誤差值以及校準時間間隔值寫入時鐘芯片內(nèi)設(shè)定的專用寄存器內(nèi)，并將時間修正程序固化進時鐘芯片內(nèi)，則時鐘芯片在輸出時間信息時直接加入該修正值，即將時間修正功能固化入時鐘芯片中，可使用該時鐘芯片構(gòu)成集成電路，有效地減少系統(tǒng)時間誤差，且自動修正時間，更為便捷、顯示的時間更準確；另外，對于晶體的品質(zhì)要求可降低，同等精度的情況下，可降低電路成本。

圖1 MCU重新配置時鐘芯片的初始計數(shù)值的流程圖

2 實驗案例分析

2.1 案例一

以一個成品電子表為例：該電子表的頻率偏差為1PPM的32kHz晶振，即在工作環(huán)境下的頻率誤差：△f=（f *頻率偏差）×106=（32×103×1）/106=32×10-3Hz。其中f為該晶振頻率；則該片晶振構(gòu)成成品計時器對應(yīng)的日誤差為±（1×24×60×60）/106=±0.0864 s。假設(shè)該片晶振構(gòu)成成品計時器為正誤差且在外界條件影響下的真實日誤差值為+0.0864s，由此產(chǎn)生的真實年誤差值為（+0.0864s）×365=+31.536 s。

將該電子表利用精度優(yōu)于0.4PPM的瞬時日差儀進行檢測，獲得測量的日誤差值為+0.09s；因此需要修正的年誤差值為（+0.09s）×365=+32.85s。該方法將需修正的該電子表年誤差為+32.85s，其減去該電子表的真實年誤差值+31.536s，則經(jīng)該方法修正后的電子表的年誤差值為-1.314s。

因此，利用該方法修正后，該頻率偏差為1PPM的晶振構(gòu)成的計時器具年誤差由原來的+31.536s減小為-1.314s，大大提高了計時器的準確度。

2.2 案例二

一個帶有萬年歷、溫濕度表功能的電子表，用瞬時日差儀測量其時間日誤差值為+0.92s；存入寄存器的修正值為0.92s；同時，設(shè)定校準時間點為23點59分59秒；再設(shè)定的校準時間間隔值為5天即120h，即每5日自動修正一次時鐘芯片的時間，第5天修正時間值0.92×5=4.60s，修正值四舍五入保留兩位有效數(shù)字，則在第5天的23點59分59秒MCU會重新修正時鐘芯片的初始計數(shù)值，即在下一秒顯示的時間值加上4.6s；在下一個校準時間間隔5天后，繼續(xù)進行自動校準。

由于5天的累積誤差為0.92×5=4.60s，第5天修正時間值0.9×5=4.6s，此時時間誤差為0.0s；若日誤差為0.91s，5天的累積誤差為4.55s，第五天修正時間值為4.6s，此時時間誤差為0.05s。因此可以看出加入時間修正功能后，時間誤差大大減小，同時有效減少了人工對時的繁瑣。

3 結(jié)語

文中所述方法獲得晶振頻率誤差是針對整個成品石英計時器，能夠避免只獲取單獨石英晶體的晶振振蕩電路，而忽略成品電路對石英晶體產(chǎn)生的頻率誤差。另外，采用了溫度補償振蕩器TCXO，能夠減少溫度對石英晶體振蕩頻率產(chǎn)生的影響，因此獲得的晶振頻率誤差更加精準。

將校準時間點、時間日誤差值以及校準時間間隔值寫入時鐘芯片內(nèi)設(shè)定的專用寄存器內(nèi)，并將時間修正程序固化進時鐘芯片內(nèi)，則時鐘芯片在輸出時間信息時直接加入該修正值，即，將時間修正功能固化入時鐘芯片中，可使用該時鐘芯片構(gòu)成集成電路，有效地減少系統(tǒng)時間誤差，且自動修正時間，更為便捷、顯示的時間更準確；另外，對于晶體的品質(zhì)要求可降低，同等精度的情況下，可降低電路成本，減少由于電子表的誤差給日常生活所帶來的不便，有著明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]JJG 349－2001,通用計數(shù)器[Z].

[2]董蓮，左建生，劉其華.瞬時日差信號標準裝置的研制[J].北京：儀器儀表學(xué)報, 2011.

[3]崔廣新.石英電子表瞬時日差測量不確定度的評定[J].北京：計量技術(shù)，2001.