高精度時鐘芯片的測試方法介紹

高精度時鐘芯片的測試方法介紹中國電子科技集團公司第五十八研究所 武新鄭 解維坤摘 要： 高精度時鐘芯片是一種能夠提供精確計時的芯片，相對于普通的時鐘芯片，它的晶體和溫度補償集成在芯片中，為提高計時精度提供了保障，它同時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測試機和相關(guān)儀表為測試環(huán)境，重點介紹以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試。通過測試機測試保存在寄存器中秒、分、時、星期、日期、月、年和鬧鐘設(shè)置等信息，以及電源控制功能，通過測試機對示波器和頻率計的程控實現(xiàn)對老化修正和輸出頻率的測試，同時還會重點介紹該芯片時鐘精度的測試方法和測試環(huán)境。關(guān)鍵詞： 高精度時鐘芯片；DS3231芯片；J750Ex測試機；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是一款高精度的時鐘芯片，具有集成的溫度補償晶體振蕩器和一個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時；寄存器內(nèi)部能保存時間和鬧鐘設(shè)置等信息；提供兩個可編程的日歷鬧鐘和一個可編程方波輸出，支持I2C總線接口。DS3231的特性如下：l 基本計時功能，提供秒、分、時、星期、日、月、年信息，并提供有效期到2100年的閏年補償l 兩個日歷鬧鐘功能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 時鐘精度為：2ppm（040）、3.5ppm（-40+85）l 低功耗2 高精度時鐘芯片的結(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為串行時鐘輸入。下圖是引腳配置圖：DS3231可以分為8個模塊，分別為晶體電容陣列、電源控制、I2C接口電路、控制邏輯驅(qū)動器、溫度傳感器、方波緩沖器和中斷控制、報警和狀態(tài)控制寄存器、時鐘日歷寄存器；這8個模塊可以分為4個功能組，分別為：TCXO、電源控制、復位按鈕、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DS3231還支持兩種頻率模式的工作，分別為標準模式（時鐘頻率100KHz）和快速模式（時鐘頻率400KHz）。下面是總線條件：開始條件：當SCL處于高電平時，SDA由高電平變成低電平時構(gòu)成一個開始條件；停止條件：當SCL處于高電平時，SDA由低電平變成高電平時構(gòu)成一個停止條件；數(shù)據(jù)傳輸：產(chǎn)生在開始條件之后，如果時鐘信號為高電平期間數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，則此時數(shù)據(jù)線狀態(tài)代表有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)必須在時鐘信號為低電平期間改變。應(yīng)答：數(shù)據(jù)傳輸以8位序列進行，DS3231在第九個時鐘周期時將SDA置位為低電平，即送出一個確認信號，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，或者用戶啟動的溫度轉(zhuǎn)換完成時，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償電壓VPF和監(jiān)視VCC電平的比較器電路提供，當VCC高于VPF時，由VCC供電，當VCC低于VPF但是高于VBAT時，仍由VCC供電，當VCC低于VPF和VBAT時，由VBAT供電；實時時鐘功能：DS3231是以TCXO作為時鐘源的，可以通過讀取適當?shù)募拇嫫髯止?jié)獲得時鐘和日歷信息，通過寫入適當?shù)募拇嫫髦翟O(shè)定或者初始化時鐘和日歷信息，提供秒、分、時等信息，少于31天的月份，將自動調(diào)整月末日期，還包括閏年的修正，時鐘工作在24小時或者帶AM/PM指示的12小時格式。鬧鐘和報警：電路內(nèi)部包含2個定時/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位對鬧鐘進行編程，從而在鬧鐘匹配條件下觸發(fā)INT/SQW輸出；老化修正：晶體的老化補償寄存器提供一個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)，上電復位后，寄存器的缺省值設(shè)定為0，控制器啟動溫度轉(zhuǎn)換，新的溫度讀數(shù)存儲在該寄存器中。23 DS3231芯片主要功能測試實現(xiàn)的介紹DS3231電路的測試板是根據(jù)其典型應(yīng)用電路原理圖進行設(shè)計的，其工作信息通過測試板與測試機進行交互，達到對內(nèi)部寄存器訪問、端口輸出信息檢測的目的。下圖所示是DS3231的典型應(yīng)用原理圖：根據(jù)以上原理圖，測試板的原理示意圖如下：在測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電容進行去耦。當在3.3V電源電壓條件下測試時用DPS2供電，DPS1斷開；當在5.5V電源電壓條件下進行測試時用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。在測試板上同時引到了測試機通道，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電容進行去耦，當此電源不用時，通過測試機內(nèi)部繼電器切斷此電源；SDA：上拉電阻選擇1KW電阻。3.1基本計時功能以及備用電池供電計時功能的測試實現(xiàn)DS3231運行于12小時或者24小時模式，小時寄存器的第六位定義為12小時或者24小時的選擇位，該位為高時，選擇12小時模式，在12小時模式下，第五為為AM/PM指示位，邏輯高時為PM。計時的功能是對內(nèi)部的寄存器的時間信息進行測試，包括秒、分、時、星期、日期、月、年，對這種全面時間信息的測試，通常要選取一個覆蓋信息全的時間，我們的測試實現(xiàn)是通過I2C向時間寄存器中寫入數(shù)據(jù)2012年12月31日星期一23點59分59秒，在經(jīng)過1s的時間后，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00分00秒，在J750Ex測試機上通過對比測試向量，判斷功能的正確與否。該電路的備用電源輸入管腳VBAT，能夠為器件提供備用電，當斷掉主電源供電后由備用電池供電，電路的實時時鐘功能不受影響，繼續(xù)正常工作。按照條件DPS2加電3.3V，DPS1斷開，DPS3加電3V施加測試電源電壓，向時間寄存器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日歷鬧鐘功能的測試實現(xiàn)當RTC寄存器值與鬧鐘寄存器的設(shè)定值相匹配時，相應(yīng)的鬧鐘標志位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，鬧鐘條件將會觸發(fā)INT/SQW信號，RTC在時間和日期寄存器每秒更新時都會檢測匹配情況。通過測試向量打開日歷鬧鐘功能并設(shè)置響應(yīng)時間，如果時間到達設(shè)定的鬧鐘響應(yīng)時刻，會將鬧鐘標志位自動置位，可以通過I2C接口訪問該標志位。通過對比標志位是否與向量一致。3.3時鐘精度的測試實現(xiàn)DS3231的時鐘是基于內(nèi)部的秒脈沖進行計時的，可以通過I2C接口配置電路的INT/SQW引腳為計時秒脈沖功能，通過測量電路INT/SQW引腳輸出的秒脈沖信號和標準秒脈沖的時間間隔來測量時鐘精度。時鐘精度的定義是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，從高溫溫度點以每小時2的速度降溫至低溫溫度點，記錄整個降溫過程的時間間隔和持續(xù)時間，時鐘精度的計算公式是：時鐘精度（ppm）時間間隔（單位us）/時間（單位s）。時鐘精度滿足要求的詳細指標是2ppm（040）、3.5ppm（-40+85）。該測試采用銣鐘源作為標準秒脈沖的源，高低溫可控變溫箱作為電路的測試環(huán)境，時間間隔的測量采用53131A型頻率計，基于以上設(shè)備對電路進行配置對輸出的秒脈沖信號進行測量。以下表格是對2顆電路在整個測試過程中數(shù)據(jù)的記錄：時間溫度1號電路（單位：s）2號電路（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2降溫，040計算時間是t1=20小時；-4085計算時間是8540時間間隔22.5小時加上0-40時間間隔20小時，所以-4085計算時間t2=42.5小時。根據(jù)時鐘精度計算方法，1號電路的時鐘精度：040：時鐘精度=|T2-T3|106t13600=0.（ppm）-4085：時鐘精度=|T1-T2|106+|T3-T4|106t23600=0.（ppm）2號電路的時鐘精度：040：時鐘精度=|T6-T7|106t13600=0.（ppm）-4085：時鐘精度=|T5-T6|106+|T7-T8|106t23600=0.（ppm）根據(jù)以上測試計算后結(jié)果均滿足時鐘精度的指標要求。3.4老化修正功能測試實現(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，用頻率計測量32KHz輸出的頻率變化，此項測試采用J750Ex對頻率計進行程控的方式測試，對老化修正前進行32KHz的頻率讀取，進行老化修正后，通過頻率計測量將讀取的數(shù)值再返回給測試機。測試機對頻率計程控的實現(xiàn)是使用以下VB語言實現(xiàn)： result = viWrite(VI_0, :FUNCtion FREQuency 1, 27, rcnt) TheHdw.Wait (0.5) result = viWr