實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）從來(lái)都不是系統中引人注目的組件。確實(shí)，許多工程師不理解為什么需要RTC。他們可能會(huì )認為這是一種非常簡(jiǎn)單的組件，只能記錄時(shí)間。另外，當今大多數微控制器都具有內置的RTC。

 

那么，為什么系統工程師會(huì )花更多的錢(qián)并愿意為RTC浪費更多的PCB空間？為什么獨立的RTC不再過(guò)時(shí)？本文將重點(diǎn)介紹RTC在不同應用中的重要性，并概述關(guān)鍵的RTC規范和相關(guān)的設計挑戰。

 

過(guò)去，在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，高精度RTC對于無(wú)數應用（例如個(gè)人計算機，電子表，便攜式攝像機和車(chē)輛）至關(guān)重要。即使關(guān)閉主電源，RTC也會(huì )跟蹤時(shí)間。如果沒(méi)有RTC，則用戶(hù)每次打開(kāi)設備時(shí)都需要設置時(shí)間和日期。

 

當今的電子設備可以訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)或GPS。連接設備后，就可以輕松獲取最準確的時(shí)間。對于那些擁有持續不斷的互聯(lián)網(wǎng)連接的設備來(lái)說(shuō)，高精度的RTC確實(shí)是不必要的，但是這種好處是以高功耗為代價(jià)的。

 

為什么現在還需要RTC

 

在過(guò)去的十年中，隨著(zhù)各種自動(dòng)化應用的興起，如今數十億設備已啟用互聯(lián)網(wǎng)。安全攝像機，照明燈，娛樂(lè )系統和設備等日常物品現在可以連接到互聯(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(dòng)大量的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)增長(cháng)，但持續連接到電源的設備也是物聯(lián)網(wǎng)的一大部分。

 

那么，RTC時(shí)代結束了嗎？并不是的。越來(lái)越多的RTC實(shí)際上被用于許多自動(dòng)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(shí)間表進(jìn)行測量或完成任務(wù)。這些設備無(wú)法持續啟用無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，因為這將很快耗盡電量。

確實(shí)，工程師在技術(shù)上花了很多心思來(lái)延長(cháng)電池壽命。在大多數情況下，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(wú)任務(wù)執行時(shí)的損耗。這些應用程序受益于極低的RTC，可以不時(shí)地喚醒系統以執行分配的任務(wù)。

 

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

 

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(cháng)電池壽命時(shí)，每mA的電流都很重要。除了物聯(lián)網(wǎng)應用之外，許多醫療設備還需要納米功率級RTC。例如可穿戴式ECG設備，助聽(tīng)器和醫用標簽。

 

大多數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具有較高的計時(shí)精度。例如，對于現場(chǎng)安裝的傳感器，這是一個(gè)重要的考慮因素，在該傳感器中，一天中的溫度可能波動(dòng)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(jìn)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。當該信號連接到15級觸發(fā)器時(shí)，輸出是精確的1 Hz信號。RTC使用此1 Hz信號來(lái)驅動(dòng)計時(shí)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(gè)問(wèn)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(zhù)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(zhù)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(tīng)覺(jué)范圍是20 Hz至20 kHz。如果頻率低于20 kHz，人們可以聽(tīng)到晶體振動(dòng)。32.768 kHz是2的整數次方第一個(gè)超過(guò)可聽(tīng)范圍的頻率。

 

石英晶體在出廠(chǎng)時(shí)已校準，可以通過(guò)向音叉的尖端添加少量金以精確調節振動(dòng)速度，從而在目標頻率下振蕩。在規定的電容器負載下，室溫下所得的時(shí)鐘精度通常在±20 ppm以?xún)取?ppm單位是百萬(wàn)分率的縮寫(xiě)，是通常用于時(shí)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(dòng)，累積誤差可能會(huì )增加。如果購買(mǎi)者愿意支付額外的費用，則供應商可以通過(guò)篩選過(guò)程提供精度更高的晶體。但是，無(wú)論這些晶體在室溫下有多精確，其頻率仍然會(huì )受到以下三個(gè)因素的影響：

 

溫度波動(dòng)

 

帶負載電容器的頻率上拉

 

老化

 

溫度波動(dòng)

 

水晶晶振的頻率是溫度的函數，可以用一個(gè)二階方程來(lái)近似：

 

 

晶振頻率的方程

 

其中f0是標稱(chēng)頻率（32.768 kHz）T0是標準溫度（25°C）k是晶體的拋物線(xiàn)系數（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(guān)系圖所示，隨著(zhù)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(lái)源：Maxim Integrated

 

為了保證最佳的精度性能，必須將環(huán)境溫度調節在25℃左右。許多室內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，從而節省了成本并降低了功耗。

 

負載電容拉動(dòng)

 

晶體的頻率會(huì )受到其負載電容器的影響。皮爾斯振蕩器是RTC內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內部裝有一個(gè)振蕩器電路。資料來(lái)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(lái)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，C0是晶體端子之間的電容，FL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(shí)的頻率靈敏度：

 

 

僅當CL接近指定的負載電容值時(shí)，該公式才是一個(gè)很好的近似值。如果負載電容器偏離規定值太多，則振蕩器可能無(wú)法正常工作，因為晶體和電容器無(wú)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都內置有工廠(chǎng)調整過(guò)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(pán)的PCB走線(xiàn)會(huì )造成額外的雜散電容。在市場(chǎng)上的一種RTC中，根據評估套件的PCB布局，對負載電容器進(jìn)行了修整，以提供最佳的時(shí)鐘精度。換句話(huà)說(shuō)，評估套件中的雜散電容已作為CL的一部分包括在內。

 

老化

 

老化是指晶體的諧振頻率隨時(shí)間的變化。老化是由于晶體封裝內部的污染而導致的晶體質(zhì)量隨時(shí)間的變化而引起的。 通常，晶體的頻率每年變化幾ppm，大多數變化發(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(shí)校準晶體外，工程師對老化幾乎無(wú)能為力。某些RTC提供了老化補償寄存器，供用戶(hù)手動(dòng)調整時(shí)鐘頻率。

 

帶有校準寄存器的RTC

 

對于在溫度穩定但平均溫度不是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(lái)校正。概念是從時(shí)鐘計數器中增加或減少計數，以加快或減慢時(shí)鐘速度?？梢允褂镁w供應商提供的晶體頻率公式來(lái)計算校正時(shí)間所需的計數。

 

系統設計人員也可以將這種RTC與外部溫度傳感器結合使用?；跍囟葌鞲衅鞯妮敵?，微控制器可以定期調整計數值。但是，這種方法有許多缺點(diǎn)。

 

首先，額外的溫度傳感器會(huì )增加系統成本并占用更多的占板空間。其次，微控制器將需要定期調整校準寄存器，這將增加微控制器的開(kāi)銷(xiāo)。第三，晶體頻率公式可能無(wú)法非常準確地反映晶體的實(shí)際溫度響應，因為每個(gè)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(wú)法接受。

 

TCXO作為時(shí)鐘源

 

溫度補償晶體振蕩器（TCXO）在單個(gè)封裝中結合了振蕩晶體，溫度傳感器和數字邏輯。在整個(gè)工作溫度范圍內，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(shí)鐘輸入即可驅動(dòng)計時(shí)邏輯。該解決方案不需要微控制器來(lái)校正時(shí)間，但是它仍然具有占板空間，高成本和更高功耗的問(wèn)題。

 

帶有集成TCXO的RTC

 

通過(guò)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的精度規格通常在工業(yè)級-40至85℃或汽車(chē)級-40至125℃的工作溫度范圍內約為5 ppm或更低。它節省了占板空間，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^(guò)程中獲取此信息。盡管晶體供應商提供了一個(gè)公式來(lái)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(gè)RTC都應單獨校準，以實(shí)現最高的精度性能。因此，在校準過(guò)程中，會(huì )在多個(gè)不同的溫度點(diǎn)測量晶體的頻率。顯然，測量的校準點(diǎn)越多，測量數據與實(shí)際頻率——溫度特性曲線(xiàn)的匹配越好。

 

在校準期間，每次進(jìn)行新測量之前，測試工程師都需要更改測試室的溫度或將晶片移至具有預設溫度的另一個(gè)測試室。晶圓溫度達到平衡后即可進(jìn)行測量。由于這些原因，制造商并不想進(jìn)行大量測量，因為這將大大增加測試時(shí)間并因此增加設備成本。

 

設計工程師經(jīng)常使用插值方法，以有限的測量數據點(diǎn)重建頻率——溫度曲線(xiàn)。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

 

它足夠接近晶體的頻率——溫度曲線(xiàn)，可以滿(mǎn)足所需的精度指標，因此工程師只需在不同溫度點(diǎn)測量三個(gè)數據點(diǎn)即可解決這三個(gè)系數。對于任何種類(lèi)的插值，在給定的數據點(diǎn)處的誤差都是最小的。當輸入參數距離給定數據點(diǎn)更遠時(shí)，計算將與實(shí)際曲線(xiàn)有更大的偏差。因此，應將測量溫度隔開(kāi)。在這種情況下，選擇最低、最高溫度是一個(gè)合理的選擇。

 

現在，借助插值公式和溫度傳感器，RTC可以“確切地”知道實(shí)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(shí)現。在上面提到的帶有外部諧振器部分的RTC中，有幾個(gè)因素會(huì )影響晶體的振蕩頻率。

 

其中之一是負載電容。通過(guò)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?？勺冸娙萜鞯囊粋€(gè)例子是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器陣列，加上一組電容器并聯(lián)開(kāi)關(guān)。

 

與RTC內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(kāi)的次數越多，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(hù)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(gè)示例。DS3231SN具有一個(gè)精度指標，在-40℃至85℃的整個(gè)工作溫度范圍內最高支持3.5 ppm精度，而在0℃至40℃的范圍內誤差僅為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(shí)間和頻率與溫度的關(guān)系。DS3231SN與典型晶體振蕩器的比較，顯示了通過(guò)將RTC與集成的TCXO一起使用所獲得的精度增益。資源來(lái)源：Maxim Integrated

 

集成MEMS諧振器的RTC

 

集成了TCXO的RTC似乎是一個(gè)完美的解決方案。但是，它仍然存在一些缺點(diǎn)。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(wú)法減小晶體的尺寸，因為頻率決定了晶體的尺寸。為了進(jìn)一步減小尺寸，可以使用不同類(lèi)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(huì )振動(dòng)并產(chǎn)生高度穩定的參考頻率。與傳統水晶晶振相比，新一代MEMS對溫度變化的敏感度要低得多，它的質(zhì)量比晶體小數千倍。而且，由于MEMS諧振器的重量輕得多，因此它對振動(dòng)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諧振器通常比傳統晶體諧振器消耗更多的功率，設計人員可以通過(guò)最大化MEMS諧振器的阻抗來(lái)降低功耗，從而降低電流消耗。等效阻抗為：

 

 

當CL接近0時(shí)，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(méi)有負載電容器，所以不需要調節溫度補償的振蕩頻率。

 

由于不能通過(guò)增加或減小負載電容的方法來(lái)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(lái)調節頻率，然后再將其饋入RTC計時(shí)邏輯。一種解決方案是在振蕩器輸出和RTC計時(shí)時(shí)鐘輸入之間插入一個(gè)分數分頻器。

 

分數分頻器

 

從入門(mén)的數字設計類(lèi)中，您可能會(huì )想起許多方法來(lái)實(shí)現可以除以任何正整數的時(shí)鐘分頻器。分數分頻器可以將時(shí)鐘除以任何分數。要了解分數除法器如何工作的高級概念，我們來(lái)看一個(gè)非常簡(jiǎn)單的示例。假設輸入時(shí)鐘為100 Hz，目標是從該100 Hz參考時(shí)鐘獲得1 Hz輸出。我們可以將時(shí)鐘簡(jiǎn)單地除以100。

 

一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)鐘分頻器無(wú)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(shí)鐘從100 Hz略微更改為99.9 Hz怎么辦？我們如何從99.9 Hz產(chǎn)生1 Hz？我們知道，如果除數為100，輸出將變?yōu)?.999 Hz；即比1 Hz稍慢。如果除數為99，則輸出變?yōu)?.009 Hz，比1 Hz快一點(diǎn)。下圖顯示了100分頻和99分頻時(shí)鐘輸出信號的重疊，并且1 Hz時(shí)鐘的理想上升沿位于灰色區域內的某個(gè)位置。

 

該圖顯示了99分頻和100分頻輸出時(shí)鐘操作。資料來(lái)源：Maxim Integrated

 

簡(jiǎn)單的時(shí)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。分數分頻器具有一個(gè)控制電路來(lái)調制除數，因此其輸出時(shí)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(gè)分頻值之間的比率，則分頻器理論上可以隨時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期都不是正確的1Hz，但平均輸出時(shí)鐘隨時(shí)間變化可以非常精確。

 

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

 

 

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

 

 

通過(guò)替換所有期間變量：x與y出現比例與變量的比率。使用該方程式，經(jīng)過(guò)幾次代數運算后，x：y的計算比率為9：1。這意味著(zhù)當分數分頻器的輸入時(shí)鐘為99.9 Hz時(shí)，對于每9個(gè)100分頻時(shí)鐘，插入1個(gè)99分頻時(shí)鐘。在總共10個(gè)時(shí)鐘周期內，平均頻率將恰好為1 Hz。此9：1模式將連續重復工作直到輸入頻率改變?yōu)橹?。如前所述，輸入頻率可以通過(guò)溫度——頻率轉換函數或從校準中獲得的查詢(xún)表來(lái)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(gè)內置的溫度傳感器和用于溫度補償的分數分頻器，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(dòng)和沖擊的嚴苛應用。