一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，是一种实时时钟RTC芯片结合可变电容的高精度微处理器频偏补偿方法。首先，通过分段函数的方式，采用最小二乘法和Lagrange插值算法，构建温度和频偏之间的数学模型，求出最佳拟合系数；接下来，在此模型的基础上，设计出高精度的电容补偿与基于累积误差的数字补偿二者相结合的频偏补偿方式；最后，根据温度传感器探测的实际温度情况，在MCU模块的控制下完成相应补偿工作。本发明专利技术提出的方法能够高效集约地完成RTC芯片的频偏补偿工作，这将为电力系统用电领域智能电表的高精度计时的实现提供设计参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种RTC芯片高精度频偏补偿方法，特别涉及一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法。
技术介绍
RTC芯片是一种能提供日历、时钟及数据存储等功能的专用集成电路，其核心部件之一为32.768kHz的音叉石英晶体振荡器，依之可为智能电表的诸如电能计量、电费结算、事件记录等重要功能提供准确的时间参考。RTC芯片的计时精度在很大程度上受制于电器工作的环境温度、芯片老化效应和其它一些次要因素。其中环境温度是影响石英晶体谐振器频率变化的最主要因素，也即芯片晶振的谐振频率会随温度的波动而变化，也就是所谓的频温特性；老化效应则是石英晶体固有的一种物理现象，即其谐振频率会随芯片使用时间的推移而缓慢减小或增加；此外，诸如激励电平的变化、负载的变化、电源电压的波动和核辐射等因素也会导致石英晶体谐振器的谐振频率发生变动。目前，我国在高精度RTC芯片方面的研发成果积累与国外相比仍有较大的差距，不过随着我国智能电子测量技术的飞速发展，日益增长的市场需求对自身集成频偏补偿功能的高精度RTC芯片的需求也愈加迫切。既然温度是影响RTC芯片计时精度的最主要的因素，改善或提高温度补偿也就自然成为提高RTC计时精度的有效手段。常见的温度补偿方法分为模拟和数字两种。对于模拟温度补偿技术，关键是温度补偿网络的设计，一般采用热敏电阻和固定电阻共同构成补偿网络，将输出电压作用于变容二极管两端，以达到调节时钟芯片输出频率的目的。基于热敏电阻的模拟温度补偿技术使得整个系统具有结构简单、体积小、功耗低、无需预热等特点，曾广泛应用于精度要求不高的领域。不过由于热敏电阻本身参数的误差导致微调相当困难，再加上补偿网络的设计和参数优化计算也很复杂，这些都制约了其在高精度计时领域的应用。而对于数字温度补偿技术，则是利用温度传感器获取外界环境温度，通过数字技术对温度信号进行相关处理并形成相应的控制电压，从而达到补偿目的。在宽温范围内经过数字温度补偿后的RTC芯片输出时钟精度明显优越于热敏电阻网络的模拟温度补偿技术，因而近年来得到了比较广泛的关注。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，可使补偿后的RTC芯片在全温区工作范围内达到±3.8ppm(partspermillion，百万分之一)的时钟精度，从而满足智能电表对精确计时的需求。本专利技术在综合考虑模拟温补技术电路设计复杂、受电路干扰波动大等因素的情况下，结合数字补偿技术充分发挥软件的优势，建立了一种新的温度和频偏之间的数学模型，并进而设计出了一种结合可变电容的高精度数字频偏补偿方法，能够实现RTC芯片的精准计时。本专利技术提供一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，具体步骤如下：步骤1，根据实测数据，构建RTC芯片的频-温特性模型，具体为：1)通过Lagrange插值算法求取温度划分点；2)根据1)中求得的划分点，采用最小二乘法对实测数据分段进行多项式拟合，得到RTC芯片频-温特性模型表达式：式中，fn为RTC芯片的频偏值，Tn为当前工作温度，a0,a1,a2和b0,b1,b2为根据最小二乘法求得的多项式拟合系数；T0为温度划分点；步骤2，根据实际工作温度和步骤1中的频-温特性模型，计算相应频偏，若得到的频偏绝对值大于等于30.5ppm，则采用数字补偿算法对频偏进行补偿；若得到的频偏绝对值小于30.5ppm，则采用电容补偿方法对频偏进行补偿。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤1中通过Lagrange插值算法求取温度划分点，具体为：进行w次等间隔RTC芯片温度区间的划分，即共有w种区间划分间隔；针对不同的区间间隔，通过Lagrange插值法循环进行w次运算后，以“均方差最小”为原则，求得拟合理想曲线的最佳三点位置；再根据三点位置规律性的分布，确定温度划分点。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤2中，实际工作温度由温度传感器获得。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤2中，数字补偿算法的具体步骤为：以累积误差原理为基础，也即：输入补偿周期并设定起初的累积误差值为0，随着补偿周期的增加，误差在不断累积的过程中也进行着频偏的计算；最后，通过计数器的计数调整方式，获得理想频率输出。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤2中，电容补偿方法的具体步骤为：在单片机设计过程中，集成07FF的11位电容寄存器；根据当前RTC芯片的输出频偏，求得电容的改变值，通过设置所需的位置0或置1来修改电容寄存器值，进而实现对频偏的微调。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、频-温曲线模型进一步得到了优化，能够根据已知温度信息准确地求得RTC芯片的频偏值；2、设计出基于累积误差数字补偿算法，简化了电路设计，降低了生产成本，使得RTC芯片输出的时钟精度受集成电路工艺波动的影响大大减小，有效保证了RTC芯片的长期高效运行；3、采用数字补偿结合电容补偿的方法对RTC芯片温度误差进行补偿，在保证晶振电路起振的同时，提高了温度误差补偿的精度。附图说明图1为RTC芯片温度误差补偿系统示意图。图2为RTC芯片频-温特性分段拟合曲线及最佳拟合数据点。图3为基于微处理器的RTC芯片高精度温度频偏补偿电路结构示意图。图4为RTC芯片频偏自动补偿整体流程图。图5为基于累积误差的数字补偿算法流程图。图6全数字时钟补偿电路结构示意图图7为电容补偿流程图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明，所给出的实施例是为了说明本专利技术方法的技术特点和功能特点，而不是限制本专利技术的应用范围。本专利技术是一种智能电表用实时时钟(RTC)芯片频偏高精度数字补偿的新方法，即通过设计一种新颖的结合可变电容的高精度微处理器控制方案，以有效补偿RTC芯片的温度频偏，提高计时精度。本专利技术方法首先在构建温度和频偏之间的数学模型时，通过分段函数的方式，采用最小二乘和Lagrange插值算法，实现测量数据频—温曲线的拟合以及最佳拟合系数的求取。基于此，能够根据实际工作温度情况，在MCU模块的控制下，通过累积误差算法，完成大频偏情况下的数字频率补偿工作。由于电容补偿可以实现频偏小于±1ppm的高精度补偿，为保证RTC芯片中晶体振荡器起振及性能稳定，对于频偏小于30.5ppm的误差部分则选用寄存器电容补偿方式。整个系统在硬件自动补偿流程的控制下，可完成高精度频率补偿工作，减少硬件资源，提高抗干扰性能。本专利技术适用于一切需要微功耗及准确计时的工业仪表和电气自动化控制等领域和场合。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：1、通过分段函数的方式，采用最小二乘实现测量数据频-温曲线的拟合；2、设计出基于累积误差数字补偿算法；3、设计一种新颖的结合可变电容的高精度微处理器控制方案。鉴于石英晶体振荡器的分立特性，既使石英晶体规格相同，其各自的输出频率仍有所差异，因此建立适当的频—温特性模型对研究与设计具体的频偏补偿方案就显得尤为重要。通常，RTC芯片的频-温特性曲线可以用式(1)来表示：式中，DT为二次曲线顶点处的偏差值；KT为RTC芯片的温度系数值，且该温度系数为负值；TI为曲线顶点所对应的温度值；Tn为当前工作温度；f0为RTC芯片的原始频率；Δf为输出频率与原始频率之差。为实现上述表达式(1)，理论本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，根据实测数据，构建RTC芯片的频‑温特性模型，具体为：1)通过Lagrange插值算法求取温度划分点；2)根据1)中求得的划分点，采用最小二乘法对实测数据分段进行多项式拟合，得到RTC芯片频‑温特性模型表达式：fn=a0+a1Tn+a2Tn2,Tn<T0b0+b1Tn+b2Tn2,Tn≥T0]]>式中，fn为RTC芯片的频偏值，Tn为当前工作温度，a0,a1,a2和b0,b1,b2为根据最小二乘法求得的多项式拟合系数；T0为温度划分点；步骤2，根据实际工作温度和步骤1中的频‑温特性模型，计算相应频偏，若得到的频偏绝对值大于等于30.5ppm，则采用数字补偿算法对频偏进行补偿；若得到的频偏绝对值小于30.5ppm，则采用电容补偿方法对频偏进行补偿。

【技术特征摘要】
1.一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，根据实测数据，构建RTC芯片的频-温特性模型，具体为：1)通过Lagrange插值算法求取温度划分点；2)根据1)中求得的划分点，采用最小二乘法对实测数据分段进行多项式拟合，得到RTC芯片频-温特性模型表达式：fn=a0+a1Tn+a2Tn2,Tn<T0b0+b1Tn+b2Tn2,Tn≥T0]]>式中，fn为RTC芯片的频偏值，Tn为当前工作温度，a0,a1,a2和b0,b1,b2为根据最小二乘法求得的多项式拟合系数；T0为温度划分点；步骤2，根据实际工作温度和步骤1中的频-温特性模型，计算相应频偏，若得到的频偏绝对值大于等于30.5ppm，则采用数字补偿算法对频偏进行补偿；若得到的频偏绝对值小于30.5ppm，则采用电容补偿方法对频偏进行补偿。2.根据权利要求1所述的一种结合可变电容的RTC芯片高精度频偏补偿方法，其特征在于，步骤1中通过Lagrange插值算法求取温度划分点，具体为：进行w次等间...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岳衡，孙得娣，潘进勇，郭臣，徐荣蓉，孙蔓，居美艳，黄平，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32