高精度時(shí)鐘芯片的測(cè)試方法介紹

高精度時(shí)鐘芯片的測(cè)試方法介紹中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所 武新鄭 解維坤摘 要： 高精度時(shí)鐘芯片是一種能夠提供精確計(jì)時(shí)的芯片，相對(duì)于普通的時(shí)鐘芯片，它的晶體和溫度補(bǔ)償集成在芯片中，為提高計(jì)時(shí)精度提供了保障，它同時(shí)還具備日歷鬧鐘功能、可編程方波輸出功能等。本文以DS3231芯片為例，以J750Ex測(cè)試機(jī)和相關(guān)儀表為測(cè)試環(huán)境，重點(diǎn)介紹以I2C總線協(xié)議為基礎(chǔ)的內(nèi)部寄存器功能和芯片各模塊功能的測(cè)試。通過測(cè)試機(jī)測(cè)試保存在寄存器中秒、分、時(shí)、星期、日期、月、年和鬧鐘設(shè)置等信息，以及電源控制功能，通過測(cè)試機(jī)對(duì)示波器和頻率計(jì)的程控實(shí)現(xiàn)對(duì)老化修正和輸出頻率的測(cè)試，同時(shí)還會(huì)重點(diǎn)介紹該芯片時(shí)鐘精度的測(cè)試方法和測(cè)試環(huán)境。關(guān)鍵詞： 高精度時(shí)鐘芯片；DS3231芯片；J750Ex測(cè)試機(jī)；I2C總線協(xié)議 Introduction of testing method of the extremely accurate RTCWu Xin-zheng(China Electronic Technology Group Corporation, No.58 Research Institute , Jiangsu Wuxi , China)Abstract: The extremely accurate real time clock is a piece of chip which can maintain accurate timekeeping, compared with the ordinary RTC chip, its integrated temperature compensated crystal oscillator and crystal are located in the center of the chip, which provides an assurance for promoting the exacticy, it also has two programmable time-of-day alarms and a programmable square-wave output. This paper takes DS3231 for instance, the environment with J750Ex and related instruments, introduces inner register with I2C and the testing method of every module. The ATE tests seconds, minutes, hours, day, date, month, and year information, the function of power. By means of OSC and frequency meter, it can test the output wave and register for aging trim, at the same time, also introduced the testing method and environment of accuracy.Key words: Extremely accurate real time clock; DS3231; testing equipment of J750Ex; I2C-bus1 引言DS3231是一款高精度的時(shí)鐘芯片，具有集成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器和一個(gè)32.768KHz的晶體，可為器件提供長期精確度；包含備用電源輸入端，斷開主電源后仍可保持精確的計(jì)時(shí)；寄存器內(nèi)部能保存時(shí)間和鬧鐘設(shè)置等信息；提供兩個(gè)可編程的日歷鬧鐘和一個(gè)可編程方波輸出，支持I2C總線接口。DS3231的特性如下：l 基本計(jì)時(shí)功能，提供秒、分、時(shí)、星期、日、月、年信息，并提供有效期到2100年的閏年補(bǔ)償l 兩個(gè)日歷鬧鐘功能l 可編程方波輸出l 數(shù)字溫度傳感器輸出：3l 老化修正寄存器功能l 備用電池輸入功能l 時(shí)鐘精度為：2ppm（040）、3.5ppm（-40+85）l 低功耗2 高精度時(shí)鐘芯片的結(jié)構(gòu)及原理介紹2.1 DS3231結(jié)構(gòu)DS3231的引腳功能說明如下：32KHz是32KHz頻率的輸出；VCC用于主電源的DC引腳；INT/SQW為低電平有效中斷或方波輸出；RST是低電平有效復(fù)位引腳；NC表示無連接；GND為地；VBAT為備用電源輸入；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入；SCL為串行時(shí)鐘輸入。下圖是引腳配置圖：DS3231可以分為8個(gè)模塊，分別為晶體電容陣列、電源控制、I2C接口電路、控制邏輯驅(qū)動(dòng)器、溫度傳感器、方波緩沖器和中斷控制、報(bào)警和狀態(tài)控制寄存器、時(shí)鐘日歷寄存器；這8個(gè)模塊可以分為4個(gè)功能組，分別為：TCXO、電源控制、復(fù)位按鈕、RTC。其功能框圖如下圖所示：2.2 DS3231支持I2C總線協(xié)議DS3231支持雙向I2C總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。I2C總線控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)發(fā)送與接受的設(shè)備稱為主設(shè)備，由主設(shè)備控制的設(shè)備為從設(shè)備。主設(shè)備來控制產(chǎn)生串行時(shí)鐘SCL，總線訪問，以及來產(chǎn)生START和STOP的條件。1DS3231在I2C總線上是作為從設(shè)備來工作的，同時(shí)DS3231還支持兩種頻率模式的工作，分別為標(biāo)準(zhǔn)模式（時(shí)鐘頻率100KHz）和快速模式（時(shí)鐘頻率400KHz）。下面是總線條件：開始條件：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA由高電平變成低電平時(shí)構(gòu)成一個(gè)開始條件；停止條件：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA由低電平變成高電平時(shí)構(gòu)成一個(gè)停止條件；數(shù)據(jù)傳輸：產(chǎn)生在開始條件之后，如果時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，則此時(shí)數(shù)據(jù)線狀態(tài)代表有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘信號(hào)為低電平期間改變。應(yīng)答：數(shù)據(jù)傳輸以8位序列進(jìn)行，DS3231在第九個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)將SDA置位為低電平，即送出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，表明數(shù)據(jù)已經(jīng)被收到。2.3 DS3231內(nèi)部功能原理32KHz TXCO：TCXO包括溫度傳感器、振蕩器、控制邏輯?？刂破髯x取芯片溫度傳感器的輸出，使用查找表確定所需要的電容，加上老化修正，設(shè)置電容選擇寄存器。僅在溫度值變化時(shí)，或者用戶啟動(dòng)的溫度轉(zhuǎn)換完成時(shí)，才加載寄存器變化的新值；電源的控制：電源控制功能由溫度補(bǔ)償電壓VPF和監(jiān)視VCC電平的比較器電路提供，當(dāng)VCC高于VPF時(shí)，由VCC供電，當(dāng)VCC低于VPF但是高于VBAT時(shí)，仍由VCC供電，當(dāng)VCC低于VPF和VBAT時(shí)，由VBAT供電；實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能：DS3231是以TCXO作為時(shí)鐘源的，可以通過讀取適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)獲得時(shí)鐘和日歷信息，通過寫入適當(dāng)?shù)募拇嫫髦翟O(shè)定或者初始化時(shí)鐘和日歷信息，提供秒、分、時(shí)等信息，少于31天的月份，將自動(dòng)調(diào)整月末日期，還包括閏年的修正，時(shí)鐘工作在24小時(shí)或者帶AM/PM指示的12小時(shí)格式。鬧鐘和報(bào)警：電路內(nèi)部包含2個(gè)定時(shí)/日期鬧鐘，鬧鐘1可通過寫入寄存器07h0Ah設(shè)定，鬧鐘2可以通過0Bh0Dh設(shè)定，通過控制寄存器的鬧鐘使能位和INTCH位對(duì)鬧鐘進(jìn)行編程，從而在鬧鐘匹配條件下觸發(fā)INT/SQW輸出；老化修正：晶體的老化補(bǔ)償寄存器提供一個(gè)8位碼，并加到電容陣列寄存器中，在正常溫度轉(zhuǎn)換期間，如果與前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果相比發(fā)生了變化，應(yīng)該在每次老化寄存器更改后啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換；溫度傳感器：溫度值采用10位編碼表示，具有0.25的分辨率，訪問地址11h和12h。溫度編碼是2的補(bǔ)碼格式，高8位位于地址11h，低2位位于地址12h的高半字節(jié)，上電復(fù)位后，寄存器的缺省值設(shè)定為0，控制器啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，新的溫度讀數(shù)存儲(chǔ)在該寄存器中。23 DS3231芯片主要功能測(cè)試實(shí)現(xiàn)的介紹DS3231電路的測(cè)試板是根據(jù)其典型應(yīng)用電路原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其工作信息通過測(cè)試板與測(cè)試機(jī)進(jìn)行交互，達(dá)到對(duì)內(nèi)部寄存器訪問、端口輸出信息檢測(cè)的目的。下圖所示是DS3231的典型應(yīng)用原理圖：根據(jù)以上原理圖，測(cè)試板的原理示意圖如下：在測(cè)試板上的外圍器件要求以及端口處理要求如下：VCC：主電源的引腳，需要使用0.1uF至1.0uF電容進(jìn)行去耦。當(dāng)在3.3V電源電壓條件下測(cè)試時(shí)用DPS2供電，DPS1斷開；當(dāng)在5.5V電源電壓條件下進(jìn)行測(cè)試時(shí)用DPS1；32KHz：此漏極開路輸出引腳要求接上拉電阻，使能狀態(tài)下，輸出可工作在任意電源下。在測(cè)試板上同時(shí)引到了測(cè)試機(jī)通道，上拉電阻選擇1KW；INT/SQW：低電平有效中斷或方波輸出，該漏極開路輸出引腳需要接上拉電阻，此管腳上拉接10KW電阻；VBAT：備用電源輸入，需要使用0.1uF至1.0uF電容進(jìn)行去耦，當(dāng)此電源不用時(shí)，通過測(cè)試機(jī)內(nèi)部繼電器切斷此電源；SDA：上拉電阻選擇1KW電阻。3.1基本計(jì)時(shí)功能以及備用電池供電計(jì)時(shí)功能的測(cè)試實(shí)現(xiàn)DS3231運(yùn)行于12小時(shí)或者24小時(shí)模式，小時(shí)寄存器的第六位定義為12小時(shí)或者24小時(shí)的選擇位，該位為高時(shí)，選擇12小時(shí)模式，在12小時(shí)模式下，第五為為AM/PM指示位，邏輯高時(shí)為PM。計(jì)時(shí)的功能是對(duì)內(nèi)部的寄存器的時(shí)間信息進(jìn)行測(cè)試，包括秒、分、時(shí)、星期、日期、月、年，對(duì)這種全面時(shí)間信息的測(cè)試，通常要選取一個(gè)覆蓋信息全的時(shí)間，我們的測(cè)試實(shí)現(xiàn)是通過I2C向時(shí)間寄存器中寫入數(shù)據(jù)2012年12月31日星期一23點(diǎn)59分59秒，在經(jīng)過1s的時(shí)間后，讀取內(nèi)部寄存器的信息，應(yīng)該為2013年01月01日星期二00點(diǎn)00分00秒，在J750Ex測(cè)試機(jī)上通過對(duì)比測(cè)試向量，判斷功能的正確與否。該電路的備用電源輸入管腳VBAT，能夠?yàn)槠骷峁﹤溆秒?，?dāng)斷掉主電源供電后由備用電池供電，電路的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能不受影響，繼續(xù)正常工作。按照條件DPS2加電3.3V，DPS1斷開，DPS3加電3V施加測(cè)試電源電壓，向時(shí)間寄存器00h寫入數(shù)據(jù)50h，按照DPS2斷開，DPS1斷開，DPS3加電3V的條件施加電源電壓，供電等待1s，1s后按照最初的電壓條件供電，讀取內(nèi)部寄存器地址00h的數(shù)據(jù)，若讀取數(shù)據(jù)為51h，則在VCC斷開的條件下，VBAT可以繼續(xù)供電使芯片持續(xù)工作。3.2日歷鬧鐘功能的測(cè)試實(shí)現(xiàn)當(dāng)RTC寄存器值與鬧鐘寄存器的設(shè)定值相匹配時(shí)，相應(yīng)的鬧鐘標(biāo)志位A1F或A2F置為邏輯1，如果相應(yīng)的鬧鐘中斷使能位A1IE或A2IE也置為邏輯1，并且INTCH位置為邏輯1，鬧鐘條件將會(huì)觸發(fā)INT/SQW信號(hào)，RTC在時(shí)間和日期寄存器每秒更新時(shí)都會(huì)檢測(cè)匹配情況。通過測(cè)試向量打開日歷鬧鐘功能并設(shè)置響應(yīng)時(shí)間，如果時(shí)間到達(dá)設(shè)定的鬧鐘響應(yīng)時(shí)刻，會(huì)將鬧鐘標(biāo)志位自動(dòng)置位，可以通過I2C接口訪問該標(biāo)志位。通過對(duì)比標(biāo)志位是否與向量一致。3.3時(shí)鐘精度的測(cè)試實(shí)現(xiàn)DS3231的時(shí)鐘是基于內(nèi)部的秒脈沖進(jìn)行計(jì)時(shí)的，可以通過I2C接口配置電路的INT/SQW引腳為計(jì)時(shí)秒脈沖功能，通過測(cè)量電路INT/SQW引腳輸出的秒脈沖信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的時(shí)間間隔來測(cè)量時(shí)鐘精度。時(shí)鐘精度的定義是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，從高溫溫度點(diǎn)以每小時(shí)2的速度降溫至低溫溫度點(diǎn)，記錄整個(gè)降溫過程的時(shí)間間隔和持續(xù)時(shí)間，時(shí)鐘精度的計(jì)算公式是：時(shí)鐘精度（ppm）時(shí)間間隔（單位us）/時(shí)間（單位s）。時(shí)鐘精度滿足要求的詳細(xì)指標(biāo)是2ppm（040）、3.5ppm（-40+85）。該測(cè)試采用銣鐘源作為標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的源，高低溫可控變溫箱作為電路的測(cè)試環(huán)境，時(shí)間間隔的測(cè)量采用53131A型頻率計(jì)，基于以上設(shè)備對(duì)電路進(jìn)行配置對(duì)輸出的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。以下表格是對(duì)2顆電路在整個(gè)測(cè)試過程中數(shù)據(jù)的記錄：時(shí)間溫度1號(hào)電路（單位：s）2號(hào)電路（單位：s）10月31日12:2785T1：0.T5：0.10月31日14:59 0. 0.10月31日16:09 0. 0.11月01日08:11 0. 0.11月01日10:5440T2：0.T6：0.11月01日14:11 0. 0.11月01日16:52 0. 0.11月02日07:160T3：0.T7：0.11月02日10:48 0. 0.11月02日13:30 0. 0.11月02日15:19 0. 0.11月03日03:28-40T4：0.T8：0.以每小時(shí)2降溫，040計(jì)算時(shí)間是t1=20小時(shí)；-4085計(jì)算時(shí)間是8540時(shí)間間隔22.5小時(shí)加上0-40時(shí)間間隔20小時(shí)，所以-4085計(jì)算時(shí)間t2=42.5小時(shí)。根據(jù)時(shí)鐘精度計(jì)算方法，1號(hào)電路的時(shí)鐘精度：040：時(shí)鐘精度=|T2-T3|106t13600=0.（ppm）-4085：時(shí)鐘精度=|T1-T2|106+|T3-T4|106t23600=0.（ppm）2號(hào)電路的時(shí)鐘精度：040：時(shí)鐘精度=|T6-T7|106t13600=0.（ppm）-4085：時(shí)鐘精度=|T5-T6|106+|T7-T8|106t23600=0.（ppm）根據(jù)以上測(cè)試計(jì)算后結(jié)果均滿足時(shí)鐘精度的指標(biāo)要求。3.4老化修正功能測(cè)試實(shí)現(xiàn)該電路包含老化修正寄存器，它的作用是通過改變老化修正寄存器的值可以調(diào)整輸出頻率值，從而修正電路由于老化產(chǎn)生的頻率偏差。通過I2C向寄存器10h寫入數(shù)據(jù)08h，用頻率計(jì)測(cè)量32KHz輸出的頻率變化，此項(xiàng)測(cè)試采用J750Ex對(duì)頻率計(jì)進(jìn)行程控的方式測(cè)試，對(duì)老化修正前進(jìn)行32KHz的頻率讀取，進(jìn)行老化修正后，通過頻率計(jì)測(cè)量將讀取的數(shù)值再返回給測(cè)試機(jī)。測(cè)試機(jī)對(duì)頻率計(jì)程控的實(shí)現(xiàn)是使用以下VB語言實(shí)現(xiàn)： result = viWrite(VI_0, :FUNCtion FREQuency 1, 27, rcnt) TheHdw.Wait (0.5) result = viWr