基于整体误差校正的石英计时器计时精度提高方法研究

魏 群 ，吕 丹

（1 福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2 福建省能源计量重点实验室，福建 福州 350003)

石英电子表(以下简称电子表)是广泛应用于各行业和日常生活的一种电子计时器。但由于电子表石英晶体本身工艺以及电子表电路中振荡电容、杂散电容数值与电容温度漂移等原因，使得电子表经过一段时间运行后会出现计时误差。现有的时间校准方法，均是通过每日与标准时钟对时以消除误差，操作过程繁琐，且人工操作难免会造成一定的失误。因此文中运用整体误差校正的设计思路探究提高电子表计时精度的方法。

1 影响电子表精度因素及校正方法

1.1 影响电子表精度的主要因素

电子表日差是电子表连续走时24h的计时误差[1]，瞬时日差是测量电子表在某一时间间隔的走时误差折算到24h的计时误差，其单位为s、ms等[2]。日差是评价时钟走时快慢、反映其质量优劣的一个重要指标。一台时钟相对标准钟运行快或慢，取决于所用主振器的频率。若其频率实际值比标称值高，则运行得快，反之则慢。顺势法是根据构成时钟的时基振荡器的频率或节拍数，利用瞬时日差测量仪或其他类似仪器直接测量瞬时日差，测量时间短，对检定/校准环境要求相对较低，使用起来比较方便，可以成倍提高检定/校准效率[3]。

电子表的计时精度主要取决于石英晶体的振荡频率。石英晶片之所以能构成振荡电路(谐振)是基于它的压电效应，若其晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高，精度不易改变。

1.2 电子表精度误差校正流程

文中设计的电子表时间精度误差校正思路是：根据构成时钟的时基振荡器的频率或节拍数，利用瞬时日差测量仪或其他类似仪器直接测量瞬时日差，此测量误差为电子表的整体时间误差。每隔一段时间对表进行一次修正，即可有效降低该电子表的计时精度误差。

具体步骤为：用瞬时日差测量仪测量处于工作状态下的成品石英计时器，获得该石英计时器的时间日误差值；在石英计时器的MCU中设置一校准时间点、一时间日误差值、以及一校准时间间隔值；最后根据时间日误差值重新配置时钟芯片的初始计时。方法流程图见图1。修正过程：当MCU首次读取石英计时器内的时钟芯片的时间值时，先判断是否已到校准时间点，若是，则根据时间日误差值重新配置时钟芯片的初始计时，且在经过每一个校准时间间隔值后再次根据时间日误差值重新配置时钟芯片的初始计数值，若否，则继续读取时钟芯片的时间值。

用瞬时日差测量仪测量处于工作状态下的成品电子表，获得该表的时间日误差值，并设置一个校准时间点和一个校准时间间隔值。利用读写器，将校准时间点、时间日误差值以及校准时间间隔值写入时钟芯片内设定的专用寄存器内，并将时间修正程序固化进时钟芯片内，则时钟芯片在输出时间信息时直接加入该修正值，即将时间修正功能固化入时钟芯片中，可使用该时钟芯片构成集成电路，有效地减少系统时间误差，且自动修正时间，更为便捷、显示的时间更准确；另外，对于晶体的品质要求可降低，同等精度的情况下，可降低电路成本。

图1 MCU重新配置时钟芯片的初始计数值的流程图

2 实验案例分析

2.1 案例一

以一个成品电子表为例：该电子表的频率偏差为1PPM的32kHz晶振，即在工作环境下的频率误差：△f=（f *频率偏差）×106=（32×103×1）/106=32×10-3Hz。其中f为该晶振频率；则该片晶振构成成品计时器对应的日误差为±（1×24×60×60）/106=±0.0864 s。假设该片晶振构成成品计时器为正误差且在外界条件影响下的真实日误差值为+0.0864s，由此产生的真实年误差值为（+0.0864s）×365=+31.536 s。

将该电子表利用精度优于0.4PPM的瞬时日差仪进行检测，获得测量的日误差值为+0.09s；因此需要修正的年误差值为（+0.09s）×365=+32.85s。该方法将需修正的该电子表年误差为+32.85s，其减去该电子表的真实年误差值+31.536s，则经该方法修正后的电子表的年误差值为-1.314s。

因此，利用该方法修正后，该频率偏差为1PPM的晶振构成的计时器具年误差由原来的+31.536s减小为-1.314s，大大提高了计时器的准确度。

2.2 案例二

一个带有万年历、温湿度表功能的电子表，用瞬时日差仪测量其时间日误差值为+0.92s；存入寄存器的修正值为0.92s；同时，设定校准时间点为23点59分59秒；再设定的校准时间间隔值为5天即120h，即每5日自动修正一次时钟芯片的时间，第5天修正时间值0.92×5=4.60s，修正值四舍五入保留两位有效数字，则在第5天的23点59分59秒MCU会重新修正时钟芯片的初始计数值，即在下一秒显示的时间值加上4.6s；在下一个校准时间间隔5天后，继续进行自动校准。

由于5天的累积误差为0.92×5=4.60s，第5天修正时间值0.9×5=4.6s，此时时间误差为0.0s；若日误差为0.91s，5天的累积误差为4.55s，第五天修正时间值为4.6s，此时时间误差为0.05s。因此可以看出加入时间修正功能后，时间误差大大减小，同时有效减少了人工对时的繁琐。

3 结语

文中所述方法获得晶振频率误差是针对整个成品石英计时器，能够避免只获取单独石英晶体的晶振振荡电路，而忽略成品电路对石英晶体产生的频率误差。另外，采用了温度补偿振荡器TCXO，能够减少温度对石英晶体振荡频率产生的影响，因此获得的晶振频率误差更加精准。

将校准时间点、时间日误差值以及校准时间间隔值写入时钟芯片内设定的专用寄存器内，并将时间修正程序固化进时钟芯片内，则时钟芯片在输出时间信息时直接加入该修正值，即，将时间修正功能固化入时钟芯片中，可使用该时钟芯片构成集成电路，有效地减少系统时间误差，且自动修正时间，更为便捷、显示的时间更准确；另外，对于晶体的品质要求可降低，同等精度的情况下，可降低电路成本，减少由于电子表的误差给日常生活所带来的不便，有着明显的社会效益和经济效益。

[1]JJG 349－2001,通用计数器[Z].

[2]董莲，左建生，刘其华.瞬时日差信号标准装置的研制[J].北京：仪器仪表学报, 2011.

[3]崔广新.石英电子表瞬时日差测量不确定度的评定[J].北京：计量技术，2001.