高精度时钟芯片的测试方法介绍

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 RTC

Wu 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 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-bus

1 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：

●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

●两个日历闹钟功能

●可编程方波输出

●数字温度传感器输出：±3℃

●老化修正寄存器功能

●备用电池输入功能

●时钟精度为：±2ppm（0℃～40℃）、±3.5ppm（-40℃～+85℃）

●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；VBA T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。[1]

DS3231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：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VBA T时，仍由VCC供电，当VCC低于VPF和VBA T时，由VBAT供电；

实时时钟功能：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