高精度时钟芯片的测试方法介绍

1、高精度时钟芯片的测试方法介绍中国电子科技集团公司第五十八研究所 武新郑 解维坤摘 要： 高精度时钟芯片是一种能够提供精确计时的芯片，相对于普通的时钟芯片，它的晶体和温度补偿集成在芯片中，为提高计时精度提供了保障，它同时还具备日历闹钟功能、可编程方波输出功能等。本文以DS3231芯片为例，以J750Ex测试机和相关仪表为测试环境，重点介绍以I2C总线协议为基础的内部寄存器功能和芯片各模块功能的测试。通过测试机测试保存在寄存器中秒、分、时、星期、日期、月、年和闹钟设置等信息，以及电源控制功能，通过测试机对示波器和频率计的程控实现对老化修正和输出频率的测试，同时还会重点介绍该芯片时钟精度的测试方法和

2、测试环境。关键词： 高精度时钟芯片；DS3231芯片；J750Ex测试机；I2C总线协议 Introduction of testing method of the extremely accurate RTCWu Xin-zheng(China Electronic Technology Group Corporation, No.58 Research Institute , Jiangsu Wuxi 214035, China)Abstract: The extremely accurate real time clock is a piece of chip which can mai

3、ntain 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 squ

4、are-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

5、 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是一款高精度的时钟芯片，具有集成的温度补偿晶体振荡器和一个32.768KHz的

6、晶体，可为器件提供长期精确度；包含备用电源输入端，断开主电源后仍可保持精确的计时；寄存器内部能保存时间和闹钟设置等信息；提供两个可编程的日历闹钟和一个可编程方波输出，支持I2C总线接口。DS3231的特性如下：l 基本计时功能，提供秒、分、时、星期、日、月、年信息，并提供有效期到2100年的闰年补偿l 两个日历闹钟功能l 可编程方波输出l 数字温度传感器输出：3l 老化修正寄存器功能l 备用电池输入功能l 时钟精度为：2ppm（040）、3.5ppm（-40+85）l 低功耗2 高精度时钟芯片的结构及原理介绍2.1 DS3231结构DS3231的引脚功能说明如下：32KHz是32KHz频率的输

7、出；VCC用于主电源的DC引脚；INT/SQW为低电平有效中断或方波输出；RST是低电平有效复位引脚；NC表示无连接；GND为地；VBAT为备用电源输入；SDA为串行数据输入；SCL为串行时钟输入。下图是引脚配置图：DS3231可以分为8个模块，分别为晶体电容阵列、电源控制、I2C接口电路、控制逻辑驱动器、温度传感器、方波缓冲器和中断控制、报警和状态控制寄存器、时钟日历寄存器；这8个模块可以分为4个功能组，分别为：TCXO、电源控制、复位按钮、RTC。其功能框图如下图所示：2.2 DS3231支持I2C总线协议DS3231支持双向I2C总线和数据传输协议。I2C总线控制系统中，控制信号发送与接

8、受的设备称为主设备，由主设备控制的设备为从设备。主设备来控制产生串行时钟SCL，总线访问，以及来产生START和STOP的条件。1DS3231在I2C总线上是作为从设备来工作的，同时DS3231还支持两种频率模式的工作，分别为标准模式（时钟频率100KHz）和快速模式（时钟频率400KHz）。下面是总线条件：开始条件：当SCL处于高电平时，SDA由高电平变成低电平时构成一个开始条件；停止条件：当SCL处于高电平时，SDA由低电平变成高电平时构成一个停止条件；数据传输：产生在开始条件之后，如果时钟信号为高电平期间数据保持稳定，则此时数据线状态代表有效数据，数据必须在时钟信号为低电平期间改变。应答

9、：数据传输以8位序列进行，DS3231在第九个时钟周期时将SDA置位为低电平，即送出一个确认信号，表明数据已经被收到。2.3 DS3231内部功能原理32KHz TXCO：TCXO包括温度传感器、振荡器、控制逻辑。控制器读取芯片温度传感器的输出，使用查找表确定所需要的电容，加上老化修正，设置电容选择寄存器。仅在温度值变化时，或者用户启动的温度转换完成时，才加载寄存器变化的新值；电源的控制：电源控制功能由温度补偿电压VPF和监视VCC电平的比较器电路提供，当VCC高于VPF时，由VCC供电，当VCC低于VPF但是高于VBAT时，仍由VCC供电，当VCC低于VPF和VBAT时，由VBAT供电；实时

10、时钟功能：DS3231是以TCXO作为时钟源的，可以通过读取适当的寄存器字节获得时钟和日历信息，通过写入适当的寄存器值设定或者初始化时钟和日历信息，提供秒、分、时等信息，少于31天的月份，将自动调整月末日期，还包括闰年的修正，时钟工作在24小时或者带AM/PM指示的12小时格式。闹钟和报警：电路内部包含2个定时/日期闹钟，闹钟1可通过写入寄存器07h0Ah设定，闹钟2可以通过0Bh0Dh设定，通过控制寄存器的闹钟使能位和INTCH位对闹钟进行编程，从而在闹钟匹配条件下触发INT/SQW输出；老化修正：晶体的老化补偿寄存器提供一个8位码，并加到电容阵列寄存器中，在正常温度转换期间，如果与前一次转

11、换结果相比发生了变化，应该在每次老化寄存器更改后启动温度转换；温度传感器：温度值采用10位编码表示，具有0.25的分辨率，访问地址11h和12h。温度编码是2的补码格式，高8位位于地址11h，低2位位于地址12h的高半字节，上电复位后，寄存器的缺省值设定为0，控制器启动温度转换，新的温度读数存储在该寄存器中。23 DS3231芯片主要功能测试实现的介绍DS3231电路的测试板是根据其典型应用电路原理图进行设计的，其工作信息通过测试板与测试机进行交互，达到对内部寄存器访问、端口输出信息检测的目的。下图所示是DS3231的典型应用原理图：根据以上原理图，测试板的原理示意图如下：在测试板上的外围器件

12、要求以及端口处理要求如下：VCC：主电源的引脚，需要使用0.1uF至1.0uF电容进行去耦。当在3.3V电源电压条件下测试时用DPS2供电，DPS1断开；当在5.5V电源电压条件下进行测试时用DPS1；32KHz：此漏极开路输出引脚要求接上拉电阻，使能状态下，输出可工作在任意电源下。在测试板上同时引到了测试机通道，上拉电阻选择1KW；INT/SQW：低电平有效中断或方波输出，该漏极开路输出引脚需要接上拉电阻，此管脚上拉接10KW电阻；VBAT：备用电源输入，需要使用0.1uF至1.0uF电容进行去耦，当此电源不用时，通过测试机内部继电器切断此电源；SDA：上拉电阻选择1KW电阻。3.1基本计时

13、功能以及备用电池供电计时功能的测试实现DS3231运行于12小时或者24小时模式，小时寄存器的第六位定义为12小时或者24小时的选择位，该位为高时，选择12小时模式，在12小时模式下，第五为为AM/PM指示位，逻辑高时为PM。计时的功能是对内部的寄存器的时间信息进行测试，包括秒、分、时、星期、日期、月、年，对这种全面时间信息的测试，通常要选取一个覆盖信息全的时间，我们的测试实现是通过I2C向时间寄存器中写入数据2012年12月31日星期一23点59分59秒，在经过1s的时间后，读取内部寄存器的信息，应该为2013年01月01日星期二00点00分00秒，在J750Ex测试机上通过对比测试向量，判

14、断功能的正确与否。该电路的备用电源输入管脚VBAT，能够为器件提供备用电，当断掉主电源供电后由备用电池供电，电路的实时时钟功能不受影响，继续正常工作。按照条件DPS2加电3.3V，DPS1断开，DPS3加电3V施加测试电源电压，向时间寄存器00h写入数据50h，按照DPS2断开，DPS1断开，DPS3加电3V的条件施加电源电压，供电等待1s，1s后按照最初的电压条件供电，读取内部寄存器地址00h的数据，若读取数据为51h，则在VCC断开的条件下，VBAT可以继续供电使芯片持续工作。3.2日历闹钟功能的测试实现当RTC寄存器值与闹钟寄存器的设定值相匹配时，相应的闹钟标志位A1F或A2F置为逻辑1

15、，如果相应的闹钟中断使能位A1IE或A2IE也置为逻辑1，并且INTCH位置为逻辑1，闹钟条件将会触发INT/SQW信号，RTC在时间和日期寄存器每秒更新时都会检测匹配情况。通过测试向量打开日历闹钟功能并设置响应时间，如果时间到达设定的闹钟响应时刻，会将闹钟标志位自动置位，可以通过I2C接口访问该标志位。通过对比标志位是否与向量一致。3.3时钟精度的测试实现DS3231的时钟是基于内部的秒脉冲进行计时的，可以通过I2C接口配置电路的INT/SQW引脚为计时秒脉冲功能，通过测量电路INT/SQW引脚输出的秒脉冲信号和标准秒脉冲的时间间隔来测量时钟精度。时钟精度的定义是在规定的温度范围内，从高温温

16、度点以每小时2的速度降温至低温温度点，记录整个降温过程的时间间隔和持续时间，时钟精度的计算公式是：时钟精度（ppm）时间间隔（单位us）/时间（单位s）。时钟精度满足要求的详细指标是2ppm（040）、3.5ppm（-40+85）。该测试采用铷钟源作为标准秒脉冲的源，高低温可控变温箱作为电路的测试环境，时间间隔的测量采用53131A型频率计，基于以上设备对电路进行配置对输出的秒脉冲信号进行测量。以下表格是对2颗电路在整个测试过程中数据的记录：时间温度1号电路（单位：s）2号电路（单位：s）10月31日12:2785T1：0.5094631694T5：0.520074789510月31日14:5

17、9 0.4999058069 0.511545324510月31日16:09 0.4958397184 0.508125153511月01日08:11 0.4505266914 0.473754876511月01日10:5440T2：0.4442344989T6：0.469391544511月01日14:11 0.4284447074 0.457142694511月01日16:52 0.4171869269 0.448338779011月02日07:160T3：0.3733545614T7：0.418211889011月02日10:48 0.3622411449 0.407629434011月

18、02日13:30 0.3534252309 0.398982194011月02日15:19 0.3464794334 0.394585134011月03日03:28-40T4：0.3090530464T8：0.3737103380以每小时2降温，040计算时间是t1=20小时；-4085计算时间是8540时间间隔22.5小时加上0-40时间间隔20小时，所以-4085计算时间t2=42.5小时。根据时钟精度计算方法，1号电路的时钟精度：040：时钟精度=|T2-T3|106t13600=0.9844431（ppm）-4085：时钟精度=|T1-T2|106+|T3-T4|106t23600=0

19、.8466026（ppm）2号电路的时钟精度：040：时钟精度=|T6-T7|106t13600=0.7108292（ppm）-4085：时钟精度=|T5-T6|106+|T7-T8|106t23600=0.6221229（ppm）根据以上测试计算后结果均满足时钟精度的指标要求。3.4老化修正功能测试实现该电路包含老化修正寄存器，它的作用是通过改变老化修正寄存器的值可以调整输出频率值，从而修正电路由于老化产生的频率偏差。通过I2C向寄存器10h写入数据08h，用频率计测量32KHz输出的频率变化，此项测试采用J750Ex对频率计进行程控的方式测试，对老化修正前进行32KHz的频率读取，进行老化修正后，通过频率计测量将读取的数值再返回给测试机。测试机对频率计程控的实现是使用以下VB语言实现： result = viWrite(VI_0, :FUNCtion FREQuency 1, 27, rcnt) TheH