利用高精度10MHz參考驅動電子鐘

作者 : Gavin Watkins,Toshiba UK電子工程師

大多數的電子鐘,都使用基於32.768kHz石英晶體的石英晶體振盪(XO)作為參考。雖然這對於大多數應用來說已經足夠了,但對於從事需要更高穩定應用的設計人員來說,它實在太不精確了...

大多數的電子鐘,無論是類比還是數位,都使用基於32.768kHz石英晶體的石英晶體振盪器(XO)作為參考。事實上,它與許多微控制器(MCU)系統通常用作即時時脈的石英晶體相同。這些石英晶體的典型年穩定度為±3ppm。

雖然這對於大多數應用來說已經足夠了,但對於從事需要更高穩定應用的設計人員來說,它實在太不精確了。這些所謂「時間管理達人」必須依賴的高精度時間來源,例如恒溫石英晶體振盪器(OCXO),其年穩定度為±2×10-8;或銫標準,其典型穩定度更高達±3×10-12

遺憾的是,將現有應用從基本的石英晶體時脈升級到高穩定度的頻率參考,並不是一項簡單的任務。這是因為這些高精度來源是在10MHz的標準頻率下運作,也即不是標準石英晶體振盪器的32.768kHz工作頻率之整數因數。

另一種解決方案是使用時脈產生器IC,例如SI5351。它由一個鎖相環(PLL)所組成,可將輸入頻率倍增至600至900MHz,然後將其分頻後產生輸出頻率。這種解決方案過於複雜,而且可能會受到不理想的相位雜訊影響而降低訊號源的性能。本文所提出的替代解決方案則基於分數除法。

理論

由石英晶體振盪器驅動的電子鐘可使用15個連續的2分頻計數器將其32.768kHz參考頻率分頻為1Hz:215=32768。假設1秒內有32,768個脈衝,由於分頻器鏈會對任何不規則的脈衝位置或工作週期進行平滑,因此這些脈衝何時以及如何發生並不重要。

如果有一個有限狀態機,它可以對10MHz時脈輸入進行閘控,而僅讓前32,768個脈衝通過,那麼就可以實現此目的。然而,這將得到一個非常不規則的時脈,它由32,768個脈衝組成,頻率為10MHz,然後有幾乎997ms的間隙。對於期望獲得一致32.768kHz時脈的系統來說,這可能就太不規則了。

取而代之,可以使用分數除法來辨識10MHz和32.768kHz的公因數,如以下等式所示:

上面的等式說明,所需的除法可以透過6次2.5分頻運算和1次1.25分頻運算實現。可以使用標準的5分頻邏輯元件,例如74HC390雙十進位計數器中所提供的那個元件來產生2.5分頻函數。74HC390由2個獨立的2分頻計數器和2個5分頻計數器組成。5分頻的真值表如1所示,其中QC是最高有效位元(MSB),QA是最低有效位(LSB)。

15分頻計數器的真值表。

對於每5個輸入時脈脈衝,QA產生兩次脈衝,因此它執行不規則的2.5分頻。如果恰好需要50%的工作週期,則可以使用更先進的架構。1.25分頻則更複雜,但由於它相當於每5個輸入脈衝產生4個輸出脈衝,因此也可以使用簡單的有限狀態機來實現。這可以透過將輸入時脈與5分頻元件的QC非輸出進行與運算來實現。因此其真值表如2所示,其中↑是上升時脈。

2:源自5分頻函數的1.25分頻計數器之真值表。

實現

完整的分頻器原理圖如3所示。QG1是一個10MHz石英晶體振盪器模組,如果需要的話,它可以是一個高穩定度的OCXO。它為第一個2.5分頻IC1A提供了一個TTL相容時脈。輸入A是74HC390的2分頻時脈輸入。在本例中,A未使用,因此將它連接到低電平,而其相應的輸出QA則懸空。輸入B則和輸出QB、QC和QD形成5分頻,其中QB是LSB輸出。

3:分頻器鏈的原理圖。

IC1A的QB將產生4MHz時脈,然後由IC1B進一步分頻為1.6MHz。IC2和IC3使用2.5分頻級將其進一步分頻至40.96kHz。來自74HC00四路雙輸入反及閘的IC5D對IC4A的QD輸出進行反轉。然後將它饋送到反及閘,並在此將它與輸入時脈進行「與」運算以形成1.25分頻,從而在其輸出(接腳8)處產生32.768kHz時脈。

為了驗證該理論,將該電路在麵包板上製作了原型,如4所示。

4:用麵包板實現帶頻率計數器的分頻器鏈。

10MHz參考(QG1)是左側的金屬封裝振盪器模組。4個74HC390在它的旁邊,而74HC00則位於原型板的最右側。原型板下方所示的顯示器是基於ICM7216D的頻率計數器,用於顯示電路的輸出頻率。

實際結果

4中的頻率計數器配置有1s的閘控時間,在此期間對不規則的脈衝序列進行平滑。它使用與分頻器鏈相同的10MHz石英晶體振盪器作為參考。正如預期的那樣,如顯示器所示,該平均輸出頻率是設計所指定的32.768kHz。

分頻器電路的輸出脈衝序列也使用Keysight DSO-X 1102G示波器進行記錄,如5所示。其平均頻率是用內部計數器測量的,顯示為32.768kHz。此外,請注意,脈衝串的不規則性質在示波器顯示幕上清晰可見。

5:在輸出端測得的脈衝序列。

這些確定的結果說明可如何巧妙地從10MHz得到32.768kHz。

(參考原文:Drive any electronic clock with a high-precision 10-MHz reference,by Gavin Watkins)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年1月號雜誌

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