使用高精度 10 MHz 参考驱动任何电子时钟

使用高精度 10 MHz 参考驱动任何电子时钟。

大多数电子时钟，无论是模拟的还是数字的，都使用基于 32.768 kHz 晶体的晶体振荡器 (XO) 作为参考。事实上，它与许多微控制器系统常用作实时时钟的晶体相同。这些晶体的典型年稳定性为 ±3ppm 。

虽然这对于大多数应用程序来说已经足够了，但对于那些从事需要更高稳定性的应用程序的设计人员来说，这太不精确了。这些所谓的“时间螺母”必须依赖于高精度时间源，例如恒温晶体振荡器 (OCXO) ，它提供 ±2*10 -8的年稳定性，或铯标准具有更高的典型稳定性±3 * 10 -12。

不幸的是，将现有应用从基本晶体时钟升级到高稳定性频率基准并不是一项简单的任务。这是因为这些高精度源以标准 10 MHz 工作，这不是标准振荡器， 32.768 kHz 工作频率的整数因子。

一种解决方案是像 SI5351 这样的时钟发生器 IC。它由一个锁相环组成，它将输入频率乘以 600 到 900 MHz，然后将其分频以产生输出频率。这过于复杂，并且可能会因不需要的相位噪声而降低源的质量。这里提出的替代解决方案基于分数除法。

理论

XO 驱动的电子时钟通过 15 个连续的 2 分频计数器将其 32.768 kHz 参考频率降至 1 Hz；2 15 = 32768。假设在一秒内有 32.768 个脉冲，这些脉冲何时以及如何发生并不重要，因为分频器链将平滑任何脉冲位置或占空比不规则性。

将输入 10 MHz 时钟选通以仅允许通过前 32,768 个脉冲的有限状态机可以实现此目的。然而，这将导致一个高度不规则的时钟，由 32,768 个脉冲组成，频率为 10 MHz，然后有近 997 毫秒的间隙。对于期望一致的 32.768 kHz 时钟的系统来说，这可能太不规则了。

相反，分数除法可用于识别 10 MHz 和 32.768 kHz 的公因数，如以下等式所示：

上面的等式表明，所需的除法可以通过 6 次 2.5 分频和 1 次 1.25 分频运算来实现。可以使用标准的 5 分频逻辑元件产生 2.5 分频功能，例如 74HC390 双十进制计数器中可用的逻辑元件。74HC390 由两个独立的 2 分频计数器和两个 5 分频计数器组成。除以 5 具有以下真值表（图 1），其中 Q C是最高有效位 (MSB)，Q A是最低有效位 (LSB)：

图 1除以 5 计数器的真值表

       对于每个人的五个输入时钟脉冲，Q A脉冲两次，因此它执行不规则的 2.5 分频。如果需要正好 50% 的占空比，则可以使用更复杂的架构 [5]。除以 1.25 更复杂，但可以使用简单的有限状态机，因为它相当于每五个输入脉冲产生四个输出脉冲。这是通过将输入时钟与除以五元素的 NOT Q C输出进行与运算来实现的。因此，真值表是（图 2），其中 ↑ 是上升时钟：

图 2除以 1.25 计数器的真值表，源自除以 5 函数

执行

完整的分压器原理图如图 3所示。QG1是一个10MHz的晶振模块，如果需要，它可以是一个高稳定性的OCXO。它为第一个 2.5 分频 IC1A 提供 TTL 兼容时钟。输入 A 是 74HC390 的 2 分频时钟输入。在这种情况下，A 未使用，因此被连接到低电平，而 QA，其相应的输出保持悬空。输入 B 和输出 Q B、 Q C和 Q D形成 5 分频， Q B是 LSB 输出。

图 3分频器链示意图

       IC1A 的Q B产生一个 4 MHz 时钟，然后由 IC1B 进一步分频至 1.6 MHz。IC2 和 IC3 通过 2.5 级将其进一步分频至 40.96 kHz。来自 74HC00 四路双输入与非门的 IC5C 反转 IC4A 的 Q D输出。这被馈送到一个与非门，在那里它与输入时钟进行与运算以形成 1.25 分频，从而在其输出（引脚 8）上产生一个 32.768 kHz 的时钟。

为了验证该理论，电路在如图 4所示的面包板上进行了原型设计。

图 4带有频率计数器的分频器链的面包板实现

       10 MHz 参考 (QG1) 是左侧的金属封装振荡器模块。旁边是四个 74HC390，74HC00 在原型板的最右侧。原型下方显示的是基于 ICM7216D 的频率计数器，用于显示电路的输出频率。

实际结果

图 4 中的频率计数器配置为一秒门控时间，在此期间不规则脉冲序列被平滑。它使用与分频器链相同的 10 MHz 晶体振荡器作为参考。正如预期的那样，它的显示显示平均输出频率是设计指定的 32.768 kHz。

分压器电路的输出脉冲序列也记录在 Keysight DSO-X 1102G 示波器上，如图 5所示。使用内部计数器测量平均频率，结果也显示为 32.768 kHz。另请注意，脉冲序列的不规则性质在示波器显示屏上清晰可见。

图 5在输出端测得的脉冲序列

       这些结果表明，只要有一点独创性，32.768 kHz 就可以从 10 MHz 推导出来。