魏 群 ，呂 丹

（1 福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

（2 福建省能源計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350003)

石英電子表(以下簡(jiǎn)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(jì)時(shí)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(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)計(jì)時(shí)誤差?，F(xiàn)有的時(shí)間校準(zhǔn)方法，均是通過每日與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)時(shí)以消除誤差，操作過程繁瑣，且人工操作難免會(huì)造成一定的失誤。因此文中運(yùn)用整體誤差校正的設(shè)計(jì)思路探究提高電子表計(jì)時(shí)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(shí)24h的計(jì)時(shí)誤差[1]，瞬時(shí)日差是測(cè)量電子表在某一時(shí)間間隔的走時(shí)誤差折算到24h的計(jì)時(shí)誤差，其單位為s、ms等[2]。日差是評(píng)價(jià)時(shí)鐘走時(shí)快慢、反映其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。一臺(tái)時(shí)鐘相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鐘運(yùn)行快或慢，取決于所用主振器的頻率。若其頻率實(shí)際值比標(biāo)稱值高，則運(yùn)行得快，反之則慢。順勢(shì)法是根據(jù)構(gòu)成時(shí)鐘的時(shí)基振蕩器的頻率或節(jié)拍數(shù)，利用瞬時(shí)日差測(cè)量?jī)x或其他類似儀器直接測(cè)量瞬時(shí)日差，測(cè)量時(shí)間短，對(duì)檢定/校準(zhǔn)環(huán)境要求相對(duì)較低，使用起來比較方便，可以成倍提高檢定/校準(zhǔn)效率[3]。

電子表的計(jì)時(shí)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(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，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(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。一般來說，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅是比較小的，其振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)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(shí)，機(jī)械振動(dòng)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(diǎn)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(jì)的電子表時(shí)間精度誤差校正思路是：根據(jù)構(gòu)成時(shí)鐘的時(shí)基振蕩器的頻率或節(jié)拍數(shù)，利用瞬時(shí)日差測(cè)量?jī)x或其他類似儀器直接測(cè)量瞬時(shí)日差，此測(cè)量誤差為電子表的整體時(shí)間誤差。每隔一段時(shí)間對(duì)表進(jìn)行一次修正，即可有效降低該電子表的計(jì)時(shí)精度誤差。

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

用瞬時(shí)日差測(cè)量?jī)x測(cè)量處于工作狀態(tài)下的成品電子表，獲得該表的時(shí)間日誤差值，并設(shè)置一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)和一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)間間隔值。利用讀寫器，將校準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間日誤差值以及校準(zhǔn)時(shí)間間隔值寫入時(shí)鐘芯片內(nèi)設(shè)定的專用寄存器內(nèi)，并將時(shí)間修正程序固化進(jìn)時(shí)鐘芯片內(nèi)，則時(shí)鐘芯片在輸出時(shí)間信息時(shí)直接加入該修正值，即將時(shí)間修正功能固化入時(shí)鐘芯片中，可使用該時(shí)鐘芯片構(gòu)成集成電路，有效地減少系統(tǒng)時(shí)間誤差，且自動(dòng)修正時(shí)間，更為便捷、顯示的時(shí)間更準(zhǔn)確；另外，對(duì)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(shí)鐘芯片的初始計(jì)數(shù)值的流程圖

2 實(shí)驗(yàn)案例分析

2.1 案例一

以一個(gè)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(jì)時(shí)器對(duì)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(jì)時(shí)器為正誤差且在外界條件影響下的真實(shí)日誤差值為+0.0864s，由此產(chǎn)生的真實(shí)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(shí)日差儀進(jìn)行檢測(cè)，獲得測(cè)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(shí)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(jì)時(shí)器具年誤差由原來的+31.536s減小為-1.314s，大大提高了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度。

2.2 案例二

一個(gè)帶有萬年歷、溫濕度表功能的電子表，用瞬時(shí)日差儀測(cè)量其時(shí)間日誤差值為+0.92s；存入寄存器的修正值為0.92s；同時(shí)，設(shè)定校準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)為23點(diǎn)59分59秒；再設(shè)定的校準(zhǔn)時(shí)間間隔值為5天即120h，即每5日自動(dòng)修正一次時(shí)鐘芯片的時(shí)間，第5天修正時(shí)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(diǎn)59分59秒MCU會(huì)重新修正時(shí)鐘芯片的初始計(jì)數(shù)值，即在下一秒顯示的時(shí)間值加上4.6s；在下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)間間隔5天后，繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。

由于5天的累積誤差為0.92×5=4.60s，第5天修正時(shí)間值0.9×5=4.6s，此時(shí)時(shí)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(shí)間值為4.6s，此時(shí)時(shí)間誤差為0.05s。因此可以看出加入時(shí)間修正功能后，時(shí)間誤差大大減小，同時(shí)有效減少了人工對(duì)時(shí)的繁瑣。

3 結(jié)語

文中所述方法獲得晶振頻率誤差是針對(duì)整個(gè)成品石英計(jì)時(shí)器，能夠避免只獲取單獨(dú)石英晶體的晶振振蕩電路，而忽略成品電路對(duì)石英晶體產(chǎn)生的頻率誤差。另外，采用了溫度補(bǔ)償振蕩器TCXO，能夠減少溫度對(duì)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(zhǔn)。

將校準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間日誤差值以及校準(zhǔn)時(shí)間間隔值寫入時(shí)鐘芯片內(nèi)設(shè)定的專用寄存器內(nèi)，并將時(shí)間修正程序固化進(jìn)時(shí)鐘芯片內(nèi)，則時(shí)鐘芯片在輸出時(shí)間信息時(shí)直接加入該修正值，即，將時(shí)間修正功能固化入時(shí)鐘芯片中，可使用該時(shí)鐘芯片構(gòu)成集成電路，有效地減少系統(tǒng)時(shí)間誤差，且自動(dòng)修正時(shí)間，更為便捷、顯示的時(shí)間更準(zhǔn)確；另外，對(duì)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]JJG 349－2001,通用計(jì)數(shù)器[Z].

[2]董蓮，左建生，劉其華.瞬時(shí)日差信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制[J].北京：儀器儀表學(xué)報(bào), 2011.

[3]崔廣新.石英電子表瞬時(shí)日差測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].北京：計(jì)量技術(shù)，2001.