實時時鐘（RTC）從來都不是系統(tǒng)中引人注目的組件。確實，許多工程師不理解為什么需要RTC。他們可能會認為這是一種非常簡單的組件，只能記錄時間。另外，當今大多數(shù)微控制器都具有內(nèi)置的RTC。

 

那么，為什么系統(tǒng)工程師會花更多的錢并愿意為RTC浪費更多的PCB空間？為什么獨立的RTC不再過時？本文將重點介紹RTC在不同應用中的重要性，并概述關鍵的RTC規(guī)范和相關的設計挑戰(zhàn)。

 

過去，在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，高精度RTC對于無數(shù)應用（例如個人計算機，電子表，便攜式攝像機和車輛）至關重要。即使關閉主電源，RTC也會跟蹤時間。如果沒有RTC，則用戶每次打開設備時都需要設置時間和日期。

 

當今的電子設備可以訪問互聯(lián)網(wǎng)或GPS。連接設備后，就可以輕松獲取最準確的時間。對于那些擁有持續(xù)不斷的互聯(lián)網(wǎng)連接的設備來說，高精度的RTC確實是不必要的，但是這種好處是以高功耗為代價的。

 

為什么現(xiàn)在還需要RTC

 

在過去的十年中，隨著各種自動化應用的興起，如今數(shù)十億設備已啟用互聯(lián)網(wǎng)。安全攝像機，照明燈，娛樂系統(tǒng)和設備等日常物品現(xiàn)在可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。這些設備是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）潮流的一部分。但是，雖然電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設備正在推動大量的物聯(lián)網(wǎng)市場增長，但持續(xù)連接到電源的設備也是物聯(lián)網(wǎng)的一大部分。

 

那么，RTC時代結(jié)束了嗎？并不是的。越來越多的RTC實際上被用于許多自動化和物聯(lián)網(wǎng)應用中。許多遠程物聯(lián)網(wǎng)傳感器（如氣象站）大多由電池供電，并按照預設的時間表進行測量或完成任務。這些設備無法持續(xù)啟用無線收發(fā)器，因為這將很快耗盡電量。

確實，工程師在技術上花了很多心思來延長電池壽命。在大多數(shù)情況下，這些電池供電的設備（包括微控制器）都在深度睡眠模式下運行，以最大程度地減少無任務執(zhí)行時的損耗。這些應用程序受益于極低的RTC，可以不時地喚醒系統(tǒng)以執(zhí)行分配的任務。

 

盡管微控制器通常具有內(nèi)置的RTC，但計時電流通常以mA為單位。而獨立的RTC在運行時僅消耗nA的電流。比如某款RTC，在計時模式下僅消耗150 nA電流，并提供兩個警報設置和兩個可用于喚醒系統(tǒng)的中斷引腳。

 

不要小看幾mA和150 nA之間的差異。在設計IoT應用程序以延長電池壽命時，每mA的電流都很重要。除了物聯(lián)網(wǎng)應用之外，許多醫(yī)療設備還需要納米功率級RTC。例如可穿戴式ECG設備，助聽器和醫(yī)用標簽。

 

大多數(shù)電池供電設備在設計上都非常小，便于攜帶或易于安裝。由于獨立的RTC在微控制器的外部，因此首選具有較小封裝的RTC。更好的是，如果電路板空間有限，工程師可以選擇帶有集成諧振器的RTC。當前，業(yè)界最小的集成諧振器的RTC采用2.1×2.3 mm 8引腳WLP封裝。

 

除了低功耗和小封裝尺寸外，某些應用還要求在寬溫度范圍內(nèi)具有較高的計時精度。例如，對于現(xiàn)場安裝的傳感器，這是一個重要的考慮因素，在該傳感器中，一天中的溫度可能波動很大。對于這些應用，更優(yōu)選擇是具有溫度補償功能的RTC，這將在本系列文章的第2部分中進行討論。

 

帶有外部晶振的RTC

 

具有成本效益的RTC通常需要外部諧振器，而RTC最常用的諧振器是32.768 kHz石英晶體。為什么是32.768 kHz？首先，32768是2的冪函數(shù)。當該信號連接到15級觸發(fā)器時，輸出是精確的1 Hz信號。RTC使用此1 Hz信號來驅(qū)動計時邏輯。但是，為什么用32.768 kHz而不是131.072 kHz或1.024 kHz？為了回答這個問題，我們需要了解頻率和功耗之間的權衡。通常，電流消耗隨著晶體頻率的升高而增加。

 

而晶體的大小與頻率成反比，這意味著較低的頻率晶體在物理上更大，并且占用了更多的電路板空間。因此，選擇32.768 kHz作為功率和尺寸之間的最佳折衷方案。此外，人的聽覺范圍是20 Hz至20 kHz。如果頻率低于20 kHz，人們可以聽到晶體振動。32.768 kHz是2的整數(shù)次方第一個超過可聽范圍的頻率。

 

石英晶體在出廠時已校準，可以通過向音叉的尖端添加少量金以精確調(diào)節(jié)振動速度，從而在目標頻率下振蕩。在規(guī)定的電容器負載下，室溫下所得的時鐘精度通常在±20 ppm以內(nèi)。 ppm單位是百萬分率的縮寫，是通常用于時鐘精度測量的單位。

 

假設環(huán)境溫度全年恒定為25°C，在這種情況下，±20 ppm的RTC，每年誤差最大可為10.5分鐘的精度為。計算如下：

 

 

計算出10.5分鐘的公式

 

如果溫度波動，累積誤差可能會增加。如果購買者愿意支付額外的費用，則供應商可以通過篩選過程提供精度更高的晶體。但是，無論這些晶體在室溫下有多精確，其頻率仍然會受到以下三個因素的影響：

 

溫度波動

 

帶負載電容器的頻率上拉

 

老化

 

溫度波動

 

水晶晶振的頻率是溫度的函數(shù)，可以用一個二階方程來近似：

 

 

晶振頻率的方程

 

其中f0是標稱頻率（32.768 kHz）T0是標準溫度（25°C）k是晶體的拋物線系數(shù)（典型值為0.04 ppm /攝氏度²）T是環(huán)境溫度

 

如頻率誤差與溫度的關系圖所示，隨著溫度偏離室溫（25°C），頻率變慢。

 

 

該圖顯示了溫度偏離室溫后頻率將變慢。資料來源：Maxim Integrated

 

為了保證最佳的精度性能，必須將環(huán)境溫度調(diào)節(jié)在25℃左右。許多室內(nèi)電池供電的設備可以將此RTC與外部晶振解決方案配合使用，從而節(jié)省了成本并降低了功耗。

 

負載電容拉動

 

晶體的頻率會受到其負載電容器的影響。皮爾斯振蕩器是RTC內(nèi)部最常用的晶體振蕩器電路。它通常由晶體，逆變器和負載電容器組成。

 

 

RTC內(nèi)部裝有一個振蕩器電路。資料來源：Maxim Integrated

 

由晶體和負載電容器組成的等效電路如下圖所示。

 

 

基于晶體和負載電容器的等效電路。資料來源：Maxim Integrated

 

在所示的電路中，RCL串聯(lián)電路與C0和CL并聯(lián)諧振。振蕩頻率公式如下：

 

 

振蕩頻率方程

 

其中，R1，C1和L1是晶體參數(shù)，C0是晶體端子之間的電容，F(xiàn)L是具有總有效電容的振蕩頻率，CT是總有效電容，C1與（CL + C0）串聯(lián)

 

CT是整體有效電容方程

 

 

FS是晶體的串聯(lián)諧振頻率

 

 

由于C0 + CL遠大于C1，因此FL公式可以近似為

 

 

FL相對于CL的導數(shù)表示相對于負載電容，以Hz為單位的頻率變化。用串聯(lián)頻率除以計算每單位電容頻率的變化率。該公式顯示了各種負載電容值CL時的頻率靈敏度：

 

 

僅當CL接近指定的負載電容值時，該公式才是一個很好的近似值。如果負載電容器偏離規(guī)定值太多，則振蕩器可能無法正常工作，因為晶體和電容器無法產(chǎn)生180度相移回到輸入端。

 

為了降低成本和占用電路板空間，許多RTC都內(nèi)置有工廠調(diào)整過的負載電容器。它們應與晶體的指定負載電容非常匹配。如果布局設計合理，則室溫下的頻率誤差應很小。從晶體到RTC焊盤的PCB走線會造成額外的雜散電容。在市場上的一種RTC中，根據(jù)評估套件的PCB布局，對負載電容器進行了修整，以提供最佳的時鐘精度。換句話說，評估套件中的雜散電容已作為CL的一部分包括在內(nèi)。

 

老化

 

老化是指晶體的諧振頻率隨時間的變化。老化是由于晶體封裝內(nèi)部的污染而導致的晶體質(zhì)量隨時間的變化而引起的。 通常，晶體的頻率每年變化幾ppm，大多數(shù)變化發(fā)生在前兩年。

 

將晶體暴露在高溫環(huán)境中可以加快老化速度。不幸的是，除了不時校準晶體外，工程師對老化幾乎無能為力。某些RTC提供了老化補償寄存器，供用戶手動調(diào)整時鐘頻率。

 

帶有校準寄存器的RTC

 

對于在溫度穩(wěn)定但平均溫度不是25℃的環(huán)境中運行的應用，可以使用帶有校準寄存器的RTC來校正。概念是從時鐘計數(shù)器中增加或減少計數(shù)，以加快或減慢時鐘速度?？梢允褂镁w供應商提供的晶體頻率公式來計算校正時間所需的計數(shù)。

 

系統(tǒng)設計人員也可以將這種RTC與外部溫度傳感器結(jié)合使用?；跍囟葌鞲衅鞯妮敵觯⒖刂破骺梢远ㄆ谡{(diào)整計數(shù)值。但是，這種方法有許多缺點。

 

首先，額外的溫度傳感器會增加系統(tǒng)成本并占用更多的占板空間。其次，微控制器將需要定期調(diào)整校準寄存器，這將增加微控制器的開銷。第三，晶體頻率公式可能無法非常準確地反映晶體的實際溫度響應，因為每個晶體可能與其他晶體稍有不同，并且晶體頻率公式僅代表典型情況。對于高精度應用，此解決方案可能無法接受。

 

TCXO作為時鐘源

 

溫度補償晶體振蕩器（TCXO）在單個封裝中結(jié)合了振蕩晶體，溫度傳感器和數(shù)字邏輯。在整個工作溫度范圍內(nèi)，其輸出頻率誤差非常低。只需將TCXO的輸出連接至晶振輸入或RTC的時鐘輸入即可驅(qū)動計時邏輯。該解決方案不需要微控制器來校正時間，但是它仍然具有占板空間，高成本和更高功耗的問題。

 

帶有集成TCXO的RTC

 

通過集成溫度傳感器，晶振，負載電容器和溫度補償電路，可以形成高精度的RTC。這種RTC的精度規(guī)格通常在工業(yè)級-40至85℃或汽車級-40至125℃的工作溫度范圍內(nèi)約為5 ppm或更低。它節(jié)省了占板空間，電源和微控制器資源。

 

如前所述，除了溫度以外，RTC還需要了解晶體的溫度響應特性，以校正頻率誤差?？梢詮男蔬^程中獲取此信息。盡管晶體供應商提供了一個公式來計算典型頻率，但是每種晶體的特性可能略有不同。在室溫下，典型的晶體可能具有高達20 ppm的誤差。

 

每個RTC都應單獨校準，以實現(xiàn)最高的精度性能。因此，在校準過程中，會在多個不同的溫度點測量晶體的頻率。顯然，測量的校準點越多，測量數(shù)據(jù)與實際頻率——溫度特性曲線的匹配越好。

 

在校準期間，每次進行新測量之前，測試工程師都需要更改測試室的溫度或?qū)⒕浦辆哂蓄A設溫度的另一個測試室。晶圓溫度達到平衡后即可進行測量。由于這些原因，制造商并不想進行大量測量，因為這將大大增加測試時間并因此增加設備成本。

 

設計工程師經(jīng)常使用插值方法，以有限的測量數(shù)據(jù)點重建頻率——溫度曲線。以設計人員考慮二階方程為例：

 

 

其中：f是頻率，t是溫度，a，b，c是系數(shù)

 

它足夠接近晶體的頻率——溫度曲線，可以滿足所需的精度指標，因此工程師只需在不同溫度點測量三個數(shù)據(jù)點即可解決這三個系數(shù)。對于任何種類的插值，在給定的數(shù)據(jù)點處的誤差都是最小的。當輸入?yún)?shù)距離給定數(shù)據(jù)點更遠時，計算將與實際曲線有更大的偏差。因此，應將測量溫度隔開。在這種情況下，選擇最低、最高溫度是一個合理的選擇。

 

現(xiàn)在，借助插值公式和溫度傳感器，RTC可以“確切地”知道實際振蕩器頻率與理想的32.768 kHz相差多少。但是RTC如何校正頻率？如上所述，使用校準寄存器是一種可能的方法，但很少在帶有集成晶體的RTC中實現(xiàn)。在上面提到的帶有外部諧振器部分的RTC中，有幾個因素會影響晶體的振蕩頻率。

 

其中之一是負載電容。通過操作負載電容器，溫度補償電路可以精確地增加或減少振蕩頻率。可變電容器的一個例子是一個簡單的電容器陣列，加上一組電容器并聯(lián)開關。

 

與RTC內(nèi)部的所有其他組件相比，溫度傳感器消耗大量功率。傳感器打開的次數(shù)越多，RTC的平均總電流將越高。多久測量一次溫度并運行補償算法取決于操作環(huán)境的需求。一些RTC為用戶提供了設置適當溫度測量間隔的選項。

 

這是帶有集成TCXO和晶體的RTC的一個示例。DS3231SN具有一個精度指標，在-40℃至85℃的整個工作溫度范圍內(nèi)最高支持3.5 ppm精度，而在0℃至40℃的范圍內(nèi)誤差僅為2 ppm。下圖傳達了TCXO和典型晶體振蕩器之間的精度差異。

 

該圖顯示了時間和頻率與溫度的關系。DS3231SN與典型晶體振蕩器的比較，顯示了通過將RTC與集成的TCXO一起使用所獲得的精度增益。資源來源：Maxim Integrated

 

集成MEMS諧振器的RTC

 

集成了TCXO的RTC似乎是一個完美的解決方案。但是，它仍然存在一些缺點。集成了32.768 kHz晶體的RTC對于可穿戴設備或其他小尺寸應用而言體積太大。晶體供應商無法減小晶體的尺寸，因為頻率決定了晶體的尺寸。為了進一步減小尺寸，可以使用不同類型的諧振器，即帶有集成MEMS諧振器的RTC。

 

MEMS是一種非常小的機電設備，它會振動并產(chǎn)生高度穩(wěn)定的參考頻率。與傳統(tǒng)水晶晶振相比，新一代MEMS對溫度變化的敏感度要低得多，它的質(zhì)量比晶體小數(shù)千倍。而且，由于MEMS諧振器的重量輕得多，因此它對振動和機械沖擊具有更大的彈性。MEMS諧振器可安裝在IC裸片上，因此整體封裝尺寸幾乎可以與裸片尺寸一樣小。

 

MEMS諧振器通常比傳統(tǒng)晶體諧振器消耗更多的功率，設計人員可以通過最大化MEMS諧振器的阻抗來降低功耗，從而降低電流消耗。等效阻抗為：

 

 

當CL接近0時，阻抗最高，在這種情況下，諧振器在其并聯(lián)諧振頻率附近工作。它將減少電流和功耗，但是，因為沒有負載電容器，所以不需要調(diào)節(jié)溫度補償?shù)恼袷庮l率。

 

由于不能通過增加或減小負載電容的方法來改變振蕩器的輸出頻率，因此設計工程師需要采用另一種方法來調(diào)節(jié)頻率，然后再將其饋入RTC計時邏輯。一種解決方案是在振蕩器輸出和RTC計時時鐘輸入之間插入一個分數(shù)分頻器。

 

分數(shù)分頻器

 

從入門的數(shù)字設計類中，您可能會想起許多方法來實現(xiàn)可以除以任何正整數(shù)的時鐘分頻器。分數(shù)分頻器可以將時鐘除以任何分數(shù)。要了解分數(shù)除法器如何工作的高級概念，我們來看一個非常簡單的示例。假設輸入時鐘為100 Hz，目標是從該100 Hz參考時鐘獲得1 Hz輸出。我們可以將時鐘簡單地除以100。

 

一個簡單的時鐘分頻器無法產(chǎn)生0.999 Hz至1.009 Hz之間的精確輸出頻率。資源：Maxim Integrated

 

如果參考輸入時鐘從100 Hz略微更改為99.9 Hz怎么辦？我們?nèi)绾螐?9.9 Hz產(chǎn)生1 Hz？我們知道，如果除數(shù)為100，輸出將變?yōu)?.999 Hz；即比1 Hz稍慢。如果除數(shù)為99，則輸出變?yōu)?.009 Hz，比1 Hz快一點。下圖顯示了100分頻和99分頻時鐘輸出信號的重疊，并且1 Hz時鐘的理想上升沿位于灰色區(qū)域內(nèi)的某個位置。

 

該圖顯示了99分頻和100分頻輸出時鐘操作。資料來源：Maxim Integrated

 

簡單的時鐘分頻器不能產(chǎn)生0.999 Hz至1.009 Hz之間的精確輸出頻率。分數(shù)分頻器具有一個控制電路來調(diào)制除數(shù)，因此其輸出時鐘頻率可以在0.999 Hz和1.009 Hz之間切換。如果精心設計兩個分頻值之間的比率，則分頻器理論上可以隨時間產(chǎn)生0.999 Hz至1.009 Hz之間任何頻率的平均值。盡管每個時鐘周期都不是正確的1Hz，但平均輸出時鐘隨時間變化可以非常精確。

 

令x為0.999 Hz時鐘的出現(xiàn)次數(shù)，y為1.009 Hz時鐘的出現(xiàn)次數(shù)。要計算x與y出現(xiàn)的正確比率，可以用以下方式建立方程：

 

 

其中：x是100分頻時鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)，y是99分頻時鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)，TDiv_100是一個100分頻時鐘周期的周期（本例中TDiv_100 = 100 / 99.9 Hz），TDiv_99是一個99分頻時鐘周期的周期（在此示例中，TDiv_99 = 99 / 99.9 Hz），TTarget是一個目標平均時鐘周期的周期（在此示例中，TTarget = 1）

 

 

通過替換所有期間變量：x與y出現(xiàn)比例與變量的比率。使用該方程式，經(jīng)過幾次代數(shù)運算后，x：y的計算比率為9：1。這意味著當分數(shù)分頻器的輸入時鐘為99.9 Hz時，對于每9個100分頻時鐘，插入1個99分頻時鐘。在總共10個時鐘周期內(nèi)，平均頻率將恰好為1 Hz。此9：1模式將連續(xù)重復工作直到輸入頻率改變?yōu)橹埂Ｈ缜八?，輸入頻率可以通過溫度——頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)或從校準中獲得的查詢表來確定。

 

Maxim Integrated的MAX31343是業(yè)界最小的集成諧振器的RTC。它具有一個內(nèi)置的溫度傳感器和用于溫度補償?shù)姆謹?shù)分頻器，并且僅消耗970 nA的電流。它在小于5 ppm的工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的精度指標，使其適合各種應用，尤其是那些空間受限且需要高精度和魯棒性，并且需要承受機械振動和沖擊的嚴苛應用。