實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）從來都不是系統(tǒng)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(rèn)為這是一種非常簡單的組件，只能記錄時(shí)間。另外，當(dāng)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(huì)花更多的錢并愿意為RTC浪費(fèi)更多的PCB空間？為什么獨(dú)立的RTC不再過時(shí)？本文將重點(diǎn)介紹RTC在不同應(yīng)用中的重要性，并概述關(guān)鍵的RTC規(guī)范和相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

 

過去，在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，高精度RTC對(duì)于無數(shù)應(yīng)用（例如個(gè)人計(jì)算機(jī)，電子表，便攜式攝像機(jī)和車輛）至關(guān)重要。即使關(guān)閉主電源，RTC也會(huì)跟蹤時(shí)間。如果沒有RTC，則用戶每次打開設(shè)備時(shí)都需要設(shè)置時(shí)間和日期。

 

當(dāng)今的電子設(shè)備可以訪問互聯(lián)網(wǎng)或GPS。連接設(shè)備后，就可以輕松獲取最準(zhǔn)確的時(shí)間。對(duì)于那些擁有持續(xù)不斷的互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備來說，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(xiàn)在還需要RTC

 

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

 

那么，RTC時(shí)代結(jié)束了嗎？并不是的。越來越多的RTC實(shí)際上被用于許多自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。許多遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器（如氣象站）大多由電池供電，并按照預(yù)設(shè)的時(shí)間表進(jìn)行測量或完成任務(wù)。這些設(shè)備無法持續(xù)啟用無線收發(fā)器，因?yàn)檫@將很快耗盡電量。

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

 

盡管微控制器通常具有內(nèi)置的RTC，但計(jì)時(shí)電流通常以mA為單位。而獨(dú)立的RTC在運(yùn)行時(shí)僅消耗nA的電流。比如某款RTC，在計(jì)時(shí)模式下僅消耗150 nA電流，并提供兩個(gè)警報(bào)設(shè)置和兩個(gè)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(shè)計(jì)IoT應(yīng)用程序以延長電池壽命時(shí)，每mA的電流都很重要。除了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外，許多醫(yī)療設(shè)備還需要納米功率級(jí)RTC。例如可穿戴式ECG設(shè)備，助聽器和醫(yī)用標(biāo)簽。

 

大多數(shù)電池供電設(shè)備在設(shè)計(jì)上都非常小，便于攜帶或易于安裝。由于獨(dú)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(dāng)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(yīng)用還要求在寬溫度范圍內(nèi)具有較高的計(jì)時(shí)精度。例如，對(duì)于現(xiàn)場安裝的傳感器，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(duì)于這些應(yīng)用，更優(yōu)選擇是具有溫度補(bǔ)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(shù)。當(dāng)該信號(hào)連接到15級(jí)觸發(fā)器時(shí)，輸出是精確的1 Hz信號(hào)。RTC使用此1 Hz信號(hào)來驅(qū)動(dòng)計(jì)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)問題，我們需要了解頻率和功耗之間的權(quán)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(dòng)。32.768 kHz是2的整數(shù)次方第一個(gè)超過可聽范圍的頻率。

 

石英晶體在出廠時(shí)已校準(zhǔn)，可以通過向音叉的尖端添加少量金以精確調(diào)節(jié)振動(dòng)速度，從而在目標(biāo)頻率下振蕩。在規(guī)定的電容器負(fù)載下，室溫下所得的時(shí)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(shí)鐘精度測量的單位。

 

假設(shè)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(jì)算如下：

 

 

計(jì)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。如果購買者愿意支付額外的費(fèi)用，則供應(yīng)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(huì)受到以下三個(gè)因素的影響：

 

溫度波動(dòng)

 

帶負(fù)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(shù)，可以用一個(gè)二階方程來近似：

 

 

晶振頻率的方程

 

其中f0是標(biāo)稱頻率（32.768 kHz）T0是標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(shè)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(fù)載電容拉動(dòng)

 

晶體的頻率會(huì)受到其負(fù)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(fù)載電容器組成。

 

 

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

 

由晶體和負(fù)載電容器組成的等效電路如下圖所示。

 

 

基于晶體和負(fù)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(yuǎn)大于C1，因此FL公式可以近似為

 

 

FL相對(duì)于CL的導(dǎo)數(shù)表示相對(duì)于負(fù)載電容，以Hz為單位的頻率變化。用串聯(lián)頻率除以計(jì)算每單位電容頻率的變化率。該公式顯示了各種負(fù)載電容值CL時(shí)的頻率靈敏度：

 

 

僅當(dāng)CL接近指定的負(fù)載電容值時(shí)，該公式才是一個(gè)很好的近似值。如果負(fù)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?yàn)榫w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(fù)載電容器。它們應(yīng)與晶體的指定負(fù)載電容非常匹配。如果布局設(shè)計(jì)合理，則室溫下的頻率誤差應(yīng)很小。從晶體到RTC焊盤的PCB走線會(huì)造成額外的雜散電容。在市場上的一種RTC中，根據(jù)評(píng)估套件的PCB布局，對(duì)負(fù)載電容器進(jìn)行了修整，以提供最佳的時(shí)鐘精度。換句話說，評(píng)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(shí)間的變化。老化是由于晶體封裝內(nèi)部的污染而導(dǎo)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(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(shí)校準(zhǔn)晶體外，工程師對(duì)老化幾乎無能為力。某些RTC提供了老化補(bǔ)償寄存器，供用戶手動(dòng)調(diào)整時(shí)鐘頻率。

 

帶有校準(zhǔn)寄存器的RTC

 

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

 

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?，微控制器可以定期調(diào)整計(jì)數(shù)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(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(zhǔn)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(zhǔn)確地反映晶體的實(shí)際溫度響應(yīng)，因?yàn)槊總€(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(duì)于高精度應(yīng)用，此解決方案可能無法接受。

 

TCXO作為時(shí)鐘源

 

溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）在單個(gè)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(gè)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(shí)鐘輸入即可驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)邏輯。該解決方案不需要微控制器來校正時(shí)間，但是它仍然具有占板空間，高成本和更高功耗的問題。

 

帶有集成TCXO的RTC

 

通過集成溫度傳感器，晶振，負(fù)載電容器和溫度補(bǔ)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(jí)-40至85℃或汽車級(jí)-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(yīng)特性，以校正頻率誤差?？梢詮男?zhǔn)過程中獲取此信息。盡管晶體供應(yīng)商提供了一個(gè)公式來計(jì)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(dá)20 ppm的誤差。

 

每個(gè)RTC都應(yīng)單獨(dú)校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最高的精度性能。因此，在校準(zhǔn)過程中，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(zhǔn)點(diǎn)越多，測量數(shù)據(jù)與實(shí)際頻率——溫度特性曲線的匹配越好。

 

在校準(zhǔn)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?qū)⒕浦辆哂蓄A(yù)設(shè)溫度的另一個(gè)測試室。晶圓溫度達(dá)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?yàn)檫@將大大增加測試時(shí)間并因此增加設(shè)備成本。

 

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用插值方法，以有限的測量數(shù)據(jù)點(diǎn)重建頻率——溫度曲線。以設(shè)計(jì)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(biāo)，因此工程師只需在不同溫度點(diǎn)測量三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可解決這三個(gè)系數(shù)。對(duì)于任何種類的插值，在給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)處的誤差都是最小的。當(dāng)輸入?yún)?shù)距離給定數(shù)據(jù)點(diǎn)更遠(yuǎn)時(shí)，計(jì)算將與實(shí)際曲線有更大的偏差。因此，應(yīng)將測量溫度隔開。在這種情況下，選擇最低、最高溫度是一個(gè)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(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(zhǔn)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(xiàn)。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(fù)載電容。通過操作負(fù)載電容器，溫度補(bǔ)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)簡單的電容器陣列，加上一組電容器并聯(lián)開關(guān)。

 

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(yùn)行補(bǔ)償算法取決于操作環(huán)境的需求。一些RTC為用戶提供了設(shè)置適當(dāng)溫度測量間隔的選項(xiàng)。

 

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(biāo)，在-40℃至85℃的整個(gè)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(dá)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(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(duì)于可穿戴設(shè)備或其他小尺寸應(yīng)用而言體積太大。晶體供應(yīng)商無法減小晶體的尺寸，因?yàn)轭l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(jī)電設(shè)備，它會(huì)振動(dòng)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(duì)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(duì)振動(dòng)和機(jī)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(shè)計(jì)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(dāng)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?yàn)闆]有負(fù)載電容器，所以不需要調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償?shù)恼袷庮l率。

 

由于不能通過增加或減小負(fù)載電容的方法來改變振蕩器的輸出頻率，因此設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)邏輯。一種解決方案是在振蕩器輸出和RTC計(jì)時(shí)時(shí)鐘輸入之間插入一個(gè)分?jǐn)?shù)分頻器。

 

分?jǐn)?shù)分頻器

 

從入門的數(shù)字設(shè)計(jì)類中，您可能會(huì)想起許多方法來實(shí)現(xiàn)可以除以任何正整數(shù)的時(shí)鐘分頻器。分?jǐn)?shù)分頻器可以將時(shí)鐘除以任何分?jǐn)?shù)。要了解分?jǐn)?shù)除法器如何工作的高級(jí)概念，我們來看一個(gè)非常簡單的示例。假設(shè)輸入時(shí)鐘為100 Hz，目標(biāo)是從該100 Hz參考時(shí)鐘獲得1 Hz輸出。我們可以將時(shí)鐘簡單地除以100。

 

一個(gè)簡單的時(shí)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(shí)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(diǎn)。下圖顯示了100分頻和99分頻時(shí)鐘輸出信號(hào)的重疊，并且1 Hz時(shí)鐘的理想上升沿位于灰色區(qū)域內(nèi)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。資料來源：Maxim Integrated

 

簡單的時(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?jǐn)?shù)分頻器具有一個(gè)控制電路來調(diào)制除數(shù)，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(shè)計(jì)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(xiàn)次數(shù)，y為1.009 Hz時(shí)鐘的出現(xiàn)次數(shù)。要計(jì)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(shí)鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)，y是99分頻時(shí)鐘周期的出現(xiàn)次數(shù)，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(biāo)平均時(shí)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(yùn)算后，x：y的計(jì)算比率為9：1。這意味著當(dāng)分?jǐn)?shù)分頻器的輸入時(shí)鐘為99.9 Hz時(shí)，對(duì)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(nèi)，平均頻率將恰好為1 Hz。此9：1模式將連續(xù)重復(fù)工作直到輸入頻率改變?yōu)橹?。如前所述，輸入頻率可以通過溫度——頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)或從校準(zhǔn)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(gè)內(nèi)置的溫度傳感器和用于溫度補(bǔ)償?shù)姆謹(jǐn)?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(biāo)，使其適合各種應(yīng)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(jī)械振動(dòng)和沖擊的嚴(yán)苛應(yīng)用。