ＭＸＴ５６１１：高精度可配置定時(shí)電路（下）

劉風(fēng)華

(接上期)

其中定時(shí)器0和定時(shí)器1的組成基本一致，以5個(gè)觸發(fā)器(其中4個(gè)觸發(fā)器處理正常計(jì)數(shù)功能，一個(gè)觸發(fā)器處理進(jìn)位、置數(shù)使能)作為“定時(shí)單元”。4個(gè)“定時(shí)單元”構(gòu)成16位定時(shí)器，通過對(duì)“定時(shí)單元”定時(shí)過程中置數(shù)使能的產(chǎn)生和置數(shù)值的設(shè)定來(lái)設(shè)置不同的定時(shí)狀態(tài)(如十進(jìn)制定時(shí)則“定時(shí)單元”在從9減到0這個(gè)過程的下一個(gè)時(shí)鐘周期為置數(shù)周期，產(chǎn)生置數(shù)使能信號(hào)，同時(shí)置數(shù)值設(shè)定為1001：而如果是六進(jìn)制定時(shí)則“定時(shí)單元”在從5減到O這個(gè)過程的下一個(gè)時(shí)鐘周期為置數(shù)周期，產(chǎn)生置數(shù)使能信號(hào)，同時(shí)置數(shù)值設(shè)定為0110。其他進(jìn)制的定時(shí)過程同理)。通過對(duì)4個(gè)定時(shí)單元的不同設(shè)置，可產(chǎn)生全十進(jìn)制定時(shí)方式，二進(jìn)制定時(shí)方式，六十進(jìn)制定時(shí)方式(應(yīng)用于北京時(shí)間的分、秒處理)、二十四進(jìn)制定時(shí)方式(應(yīng)用于北京時(shí)間的小時(shí)處理)、三十進(jìn)制定時(shí)方式(應(yīng)用于北京時(shí)間的目處理，因?yàn)闆]有“0天”這種說(shuō)法，故該處理需要在定時(shí)單元的結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)判定)。

在此結(jié)構(gòu)上，如果需要增加新的定時(shí)進(jìn)制處理，只需要對(duì)置數(shù)rom邏輯進(jìn)行增加即可。

定時(shí)器T2的設(shè)計(jì)是針對(duì)北京時(shí)間二進(jìn)制表示的定時(shí)設(shè)計(jì)，同時(shí)具備基本的二進(jìn)制定時(shí)。它主要處理北京時(shí)間小時(shí)級(jí)及小時(shí)以上的數(shù)據(jù)處理。做為基本二進(jìn)制定時(shí)時(shí)，它可單獨(dú)使用、也可以與定時(shí)器T0和定時(shí)器T1做級(jí)聯(lián)使用。當(dāng)它需要處理北京時(shí)間二進(jìn)制表示高位信息處理時(shí)，和定時(shí)器T1組成32位定時(shí)器，定時(shí)器l處理“秒”、“分”信息，定時(shí)器T2處理“小時(shí)”、“天”“月”“年”數(shù)據(jù)。T2+T1的級(jí)聯(lián)方式，主要用于處理從某一時(shí)刻到另一時(shí)刻的定時(shí)方式。

精度控制

電路提供兩種可選擇時(shí)鐘源輸入：內(nèi)部集成硅振蕩器和外部晶體振蕩器輸入。電路設(shè)計(jì)了兩種精度控制方法，其一是時(shí)基腳準(zhǔn)，時(shí)基校準(zhǔn)就是解決因定時(shí)時(shí)鐘誤差引起的定時(shí)累計(jì)誤差的辦法。如果我們能得到一個(gè)精確的定時(shí)時(shí)鐘，則沒有這部分定時(shí)誤差。但是不管怎么樣的校準(zhǔn)，始終是無(wú)法得到一個(gè)完全精確的定時(shí)時(shí)鐘的，我們要做的是最大可能的得到一個(gè)精確定時(shí)時(shí)鐘。

其二是定時(shí)校正，指在定時(shí)過程中，電路根據(jù)設(shè)定的某一固定值對(duì)定時(shí)過程進(jìn)行校正或者接受外部校正信號(hào)對(duì)定時(shí)過程進(jìn)行校正。這一方法旨在解決引非時(shí)鐘誤差問題引起的定時(shí)誤差。同時(shí)，該校正方法也可以用于解決因時(shí)鐘規(guī)律性偏差所引起的誤差問題，比如時(shí)鐘的溫度漂移偏差問題。

硅振蕩器的精度調(diào)整方法總的來(lái)說(shuō)有兩種：模擬方法和數(shù)字方法。模擬調(diào)整方法主要是在電路中測(cè)過程對(duì)電路中的電容陣列進(jìn)行熔絲處理，調(diào)整電容值大小，得到一個(gè)較為精確的時(shí)鐘，但是這種方法需要很大的成本，并且調(diào)整后的精度范圍為1％左右，如果要得到更高精度的硅振蕩器，則需要付出更大的成本，并且給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。本電路提供一種更高精度的數(shù)字調(diào)整方法，該方法可以在電路正常工作前對(duì)電路進(jìn)行在線校準(zhǔn)，也可以在測(cè)試過程中對(duì)批電路進(jìn)行一次性校準(zhǔn)。

本電路的時(shí)基校準(zhǔn)方法是通過外部端口輸入標(biāo)準(zhǔn)S12ms時(shí)間長(zhǎng)度，以振蕩器輸出頻率對(duì)512ms時(shí)間進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，得出一個(gè)計(jì)數(shù)值。然后把該計(jì)數(shù)值除以512，得到商值和余數(shù)。商值做為1ms時(shí)鐘的基本長(zhǎng)度，然后通過判斷再次基本長(zhǎng)度上增加或者不增加1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來(lái)得到最終的1ms時(shí)鐘信號(hào)，這樣每一個(gè)1ms輸出時(shí)鐘最大誤差為1T(硅振蕩器輸出時(shí)鐘周期)，而s12ms時(shí)間最大誤差也為1T。上述判斷過程以512位周期，即每一個(gè)512ms對(duì)商和余數(shù)做同樣的處理。

那么，在不考慮溫度等條件的情況下，以該方案得到的時(shí)鐘進(jìn)行Nms(N=512X+Y，x=0，1，2，3，……；0≤Y≤5lI)時(shí)間長(zhǎng)度定時(shí)，最大誤差為(X+Y/4)，T。我們通過分析，可以得出以下幾句數(shù)據(jù)：

438s時(shí)間長(zhǎng)度定時(shí)誤差為103T(T為內(nèi)建振蕩器輸出時(shí)鐘周期，當(dāng)設(shè)計(jì)值為1us時(shí)，此時(shí)的定時(shí)精度約為2ppm)。

82m時(shí)間長(zhǎng)度定時(shí)誤差為104T(T為內(nèi)建振蕩器輸出時(shí)鐘周期，當(dāng)設(shè)計(jì)值為1us時(shí)，此時(shí)的定時(shí)精度約為2ppm)。

142h時(shí)間長(zhǎng)度定時(shí)誤差為106T(T為內(nèi)建振蕩器輸出時(shí)鐘周期，當(dāng)設(shè)計(jì)值為1us時(shí)，此時(shí)的定時(shí)精度約為2ppm)。

在不考慮硅振蕩器的溫度特性條件下，利用本方法產(chǎn)生時(shí)鐘進(jìn)行的定時(shí)精度為2ppm，可以等同于壓控制式晶體振蕩器頻率精度的10^-6～10^-5量級(jí)。

本電路給出的定時(shí)校正方法主要是用以解決定時(shí)過程中因外部環(huán)境所引起的定時(shí)偏差，或者解決因控制需要而改變定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度的問題。電路在定時(shí)過程中，接受外部信號(hào)，對(duì)定時(shí)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。

圖4為定時(shí)器的結(jié)構(gòu)示意圖，以減計(jì)數(shù)器為核心，同時(shí)接受定時(shí)數(shù)據(jù)和修正數(shù)據(jù)。定時(shí)數(shù)據(jù)做為減計(jì)數(shù)器的定時(shí)起點(diǎn)，而修正數(shù)據(jù)主要是用來(lái)對(duì)進(jìn)入定時(shí)器的定時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整。定時(shí)器的修正功能模塊可以保證，在任何一時(shí)刻，處理一幀數(shù)據(jù)，緩存一幀數(shù)據(jù)，讓進(jìn)入修正模塊處理的數(shù)據(jù)完成后，緩存器中的數(shù)據(jù)立刻進(jìn)入修正模塊，而修正總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)入緩存器。

修正方法是根據(jù)外部修正數(shù)據(jù)的符號(hào)位進(jìn)行增減判斷，如果是增長(zhǎng)定時(shí)過程N(yùn)個(gè)時(shí)鐘周期，則，在對(duì)定時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行N個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿磨平處理；如果是縮短N(yùn)個(gè)時(shí)鐘周期，則在N個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，定時(shí)器進(jìn)入雙沿觸發(fā)定時(shí)過程。

圖5為定時(shí)修正波形圖，從ADJUST端口輸入具體修正時(shí)間，圖中第一幀為定時(shí)增長(zhǎng)7個(gè)時(shí)鐘周期，第二幀為定時(shí)縮短7個(gè)時(shí)鐘周期。CLKIN為定時(shí)時(shí)鐘，CLKOUT為修正后時(shí)鐘。T0counter[15:0]為定時(shí)器的數(shù)據(jù)。

功耗考慮

根據(jù)電路的工作狀態(tài)，可以把電路分為配置工作狀態(tài)和定時(shí)狀態(tài)。任意工作狀態(tài)下，并非所有的模塊都處于工作狀態(tài)下。在設(shè)計(jì)模塊間接口信號(hào)時(shí)，同時(shí)設(shè)計(jì)模塊電源控制信號(hào)。在進(jìn)行配置工作狀態(tài)下，通信模塊和儲(chǔ)存單元處于工作狀態(tài)，而整個(gè)定時(shí)處理工作模塊處于等待狀態(tài)。在這段時(shí)間，定時(shí)處理工作模塊一直處于清零狀態(tài)，而且對(duì)定時(shí)器時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行鎖定不工作。當(dāng)處于定時(shí)狀態(tài)下，大部分的通信模塊及存儲(chǔ)單元不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)變化，此時(shí)可以關(guān)斷EEPROM的參考電流源來(lái)降低電路功耗。

結(jié)論

通過本文的配置方案和精度方案，可以保證電路定時(shí)精度在2ppm左右。采用菊花鏈?zhǔn)脚渲枚〞r(shí)器結(jié)構(gòu)，可以通過簡(jiǎn)單的配置得到多種定時(shí)應(yīng)用，滿足多種控制要求。