使用高精度 10 MHz 參考驅動任何電子時鐘

使用高精度 10 MHz 參考驅動任何電子時鐘。

大多數電子時鐘，無論是模擬的還是數字的，都使用基于 32.768 kHz 晶體的晶體振蕩器 (XO) 作為參考。事實上，它與許多微控制器系統常用作實時時鐘的晶體相同。這些晶體的典型年穩(wěn)定性為 ±3ppm 。

雖然這對于大多數應用程序來說已經足夠了，但對于那些從事需要更高穩(wěn)定性的應用程序的設計人員來說，這太不精確了。這些所謂的“時間螺母”必須依賴于高精度時間源，例如恒溫晶體振蕩器 (OCXO) ，它提供 ±2*10 -8的年穩(wěn)定性，或銫標準具有更高的典型穩(wěn)定性±3 * 10 -12。

不幸的是，將現有應用從基本晶體時鐘升級到高穩(wěn)定性頻率基準并不是一項簡單的任務。這是因為這些高精度源以標準 10 MHz 工作，這不是標準振蕩器， 32.768 kHz 工作頻率的整數因子。

一種解決方案是像 SI5351 這樣的時鐘發(fā)生器 IC。它由一個鎖相環(huán)組成，它將輸入頻率乘以 600 到 900 MHz，然后將其分頻以產生輸出頻率。這過于復雜，并且可能會因不需要的相位噪聲而降低源的質量。這里提出的替代解決方案基于分數除法。

理論

XO 驅動的電子時鐘通過 15 個連續(xù)的 2 分頻計數器將其 32.768 kHz 參考頻率降至 1 Hz；2 15 = 32768。假設在一秒內有 32.768 個脈沖，這些脈沖何時以及如何發(fā)生并不重要，因為分頻器鏈將平滑任何脈沖位置或占空比不規(guī)則性。

將輸入 10 MHz 時鐘選通以僅允許通過前 32,768 個脈沖的有限狀態(tài)機可以實現此目的。然而，這將導致一個高度不規(guī)則的時鐘，由 32,768 個脈沖組成，頻率為 10 MHz，然后有近 997 毫秒的間隙。對于期望一致的 32.768 kHz 時鐘的系統來說，這可能太不規(guī)則了。

相反，分數除法可用于識別 10 MHz 和 32.768 kHz 的公因數，如以下等式所示：

上面的等式表明，所需的除法可以通過 6 次 2.5 分頻和 1 次 1.25 分頻運算來實現?？梢允褂脴藴实?5 分頻邏輯元件產生 2.5 分頻功能，例如 74HC390 雙十進制計數器中可用的邏輯元件。74HC390 由兩個獨立的 2 分頻計數器和兩個 5 分頻計數器組成。除以 5 具有以下真值表（圖 1），其中 Q C是最高有效位 (MSB)，Q A是最低有效位 (LSB)：

圖 1除以 5 計數器的真值表

       對于每個人的五個輸入時鐘脈沖，Q A脈沖兩次，因此它執(zhí)行不規(guī)則的 2.5 分頻。如果需要正好 50% 的占空比，則可以使用更復雜的架構 [5]。除以 1.25 更復雜，但可以使用簡單的有限狀態(tài)機，因為它相當于每五個輸入脈沖產生四個輸出脈沖。這是通過將輸入時鐘與除以五元素的 NOT Q C輸出進行與運算來實現的。因此，真值表是（圖 2），其中 ↑ 是上升時鐘：

圖 2除以 1.25 計數器的真值表，源自除以 5 函數

執(zhí)行

完整的分壓器原理圖如圖 3所示。QG1是一個10MHz的晶振模塊，如果需要，它可以是一個高穩(wěn)定性的OCXO。它為第一個 2.5 分頻 IC1A 提供 TTL 兼容時鐘。輸入 A 是 74HC390 的 2 分頻時鐘輸入。在這種情況下，A 未使用，因此被連接到低電平，而 QA，其相應的輸出保持懸空。輸入 B 和輸出 Q B、 Q C和 Q D形成 5 分頻， Q B是 LSB 輸出。

圖 3分頻器鏈示意圖

       IC1A 的Q B產生一個 4 MHz 時鐘，然后由 IC1B 進一步分頻至 1.6 MHz。IC2 和 IC3 通過 2.5 級將其進一步分頻至 40.96 kHz。來自 74HC00 四路雙輸入與非門的 IC5C 反轉 IC4A 的 Q D輸出。這被饋送到一個與非門，在那里它與輸入時鐘進行與運算以形成 1.25 分頻，從而在其輸出（引腳 8）上產生一個 32.768 kHz 的時鐘。

為了驗證該理論，電路在如圖 4所示的面包板上進行了原型設計。

圖 4帶有頻率計數器的分頻器鏈的面包板實現

       10 MHz 參考 (QG1) 是左側的金屬封裝振蕩器模塊。旁邊是四個 74HC390，74HC00 在原型板的最右側。原型下方顯示的是基于 ICM7216D 的頻率計數器，用于顯示電路的輸出頻率。

實際結果

圖 4 中的頻率計數器配置為一秒門控時間，在此期間不規(guī)則脈沖序列被平滑。它使用與分頻器鏈相同的 10 MHz 晶體振蕩器作為參考。正如預期的那樣，它的顯示顯示平均輸出頻率是設計指定的 32.768 kHz。

分壓器電路的輸出脈沖序列也記錄在 Keysight DSO-X 1102G 示波器上，如圖 5所示。使用內部計數器測量平均頻率，結果也顯示為 32.768 kHz。另請注意，脈沖序列的不規(guī)則性質在示波器顯示屏上清晰可見。

圖 5在輸出端測得的脈沖序列

       這些結果表明，只要有一點獨創(chuàng)性，32.768 kHz 就可以從 10 MHz 推導出來。