實時時鐘 (RTC) 從來都不是系統(tǒng)中引人注目的組件。事實上，許多工程師不明白為什么需要 RTC。他們可能認為這是一個非常簡單的設(shè)備，只是跟蹤時間;此外，如今大多數(shù)微控制器都內(nèi)置有 RTC 外設(shè)。

那么，系統(tǒng)工程師為什么要為 RTC 花費額外的錢并浪費更多的 PCB 空間呢?為什么獨立的 RTC 還沒有過時?本文將重點介紹 RTC 在不同應(yīng)用中的重要性，并概述關(guān)鍵的 RTC 規(guī)格和相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。

在過去，在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，高精度 RTC 對于個人電腦、數(shù)字手表、攝像機和車輛等無數(shù)應(yīng)用都必不可少。即使主電源關(guān)閉，RTC 也能跟蹤時間。如果沒有 RTC，用戶每次打開設(shè)備時都需要設(shè)置時間和日期。

如今的電子設(shè)備都可以接入互聯(lián)網(wǎng)或 GPS。一旦設(shè)備連接上網(wǎng)絡(luò)，便可以非常輕松地獲取準(zhǔn)確的時間。對于那些擁有持續(xù)互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備而言，高精度 RTC 可能真的變得沒有必要，但這種好處是以高功耗為代價的。

為什么現(xiàn)在要使用 RTC

在過去十年中，隨著各類自動化應(yīng)用(例如家居、農(nóng)業(yè)和工業(yè))的興起，數(shù)十億臺設(shè)備現(xiàn)已具備互聯(lián)網(wǎng)功能。安全攝像頭、照明、娛樂系統(tǒng)和家用電器等日常物品現(xiàn)在都可以連接到互聯(lián)網(wǎng);這些設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 潮流的一部分。然而，雖然電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在推動物聯(lián)網(wǎng)市場大幅增長，但始終連接到電源的設(shè)備也可能保持持續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)連接。

那么，RTC 是否就此終結(jié)了呢?并非如此;事實上，越來越多的 RTC 被用于許多自動化和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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，并根據(jù)預(yù)設(shè)的時間表進行測量或完成一組任務(wù)。這些設(shè)備無法承受持續(xù)啟用無線收發(fā)器，因為這會很快耗盡電池電量。

事實上，工程師們花了很多心思來研究延長電池壽命的技術(shù)。大多數(shù)時候，這些電池供電的設(shè)備(甚至是微控制器)都處于深度睡眠模式，以便在沒有任務(wù)要執(zhí)行時最大限度地降低功耗。這些應(yīng)用程序受益于極低功耗的 RTC，它可以不時喚醒系統(tǒng)來執(zhí)行分配的任務(wù)。

雖然微控制器通常具有內(nèi)置 RTC，但計時電流通常為微安級。另一方面，獨立 RTC 在運行時僅消耗納安級電流。例如，市場上的一款獨立設(shè)備在計時模式下僅消耗 150 nA，并提供兩個鬧鐘設(shè)置和兩個可用于喚醒系統(tǒng)的中斷引腳。

不要小看幾微安和 150 納安之間的差別。在設(shè)計具有長電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時，每微安電流都至關(guān)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 RTC;可穿戴心電圖設(shè)備、助聽器和醫(yī)療嬰兒標(biāo)簽就是一些例子。

大多數(shù)電池供電設(shè)備的設(shè)計都非常小，便于攜帶或安裝。由于獨立的 RTC 位于微控制器外部，因此最好使用封裝較小的 RTC。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。目前，業(yè)內(nèi)最小的帶有集成諧振器的 RTC 采用 2.1×2.3 毫米、8 引腳 WLP 封裝。

除了低功耗和小封裝尺寸外，一些應(yīng)用還需要在寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高計時精度。例如，對于安裝在現(xiàn)場的傳感器而言，這是一個重要的考慮因素，因為現(xiàn)場的溫度在一天中可能會發(fā)生很大波動。對于這些應(yīng)用，更好的選擇是具有溫度補償功能的 RTC，這將在本系列文章的第 2 部分中討論。

帶外部晶體諧振器的 RTC

經(jīng)濟高效的 RTC 通常需要外部諧振器，而 RTC 最常用的諧振器是 32.768 kHz 音叉石英晶體。為什么是 32.768 kHz?首先，32768 是 2 的冪，當(dāng)此信號連接到 15 級觸發(fā)器時，輸出的是精確的 1 Hz 信號。RTC 使用這個 1 Hz 信號來驅(qū)動計時邏輯。但為什么是 32.768 kHz，而不是 131.072 kHz 或 1.024 kHz?要回答這個問題，我們需要了解頻率和功耗之間的權(quán)衡。一般來說，晶體頻率越高，電流消耗越大。因此，對于低功耗 RTC，晶體頻率不能太高，也不能太低。晶體的大小與頻率成反比。

這意味著較低頻率的晶體在物理上更大，占用更多的電路板空間。因此，選擇 32.768 kHz 作為功率和尺寸之間的最佳折衷。此外，人的可聽范圍是 20 Hz 至 20 kHz。如果頻率低于 20 kHz，人們實際上可以聽到晶體振動。而 32.768 kHz 是超出可聽范圍的第一個 2 的冪數(shù)。

通過在音叉尖端添加少量黃金來精細調(diào)整振動速度，石英晶體在工廠中經(jīng)過校準(zhǔn)，以在目標(biāo)頻率下振蕩。在室溫下，在指定的電容負載下，產(chǎn)生的時鐘精度通常在±20 ppm 以內(nèi)。單位 ppm 是百萬分率的縮寫，是通常用于時鐘精度測量的單位。

在這種情況下，假設(shè)環(huán)境溫度全年恒定為 25°C，則精度為 ±20 ppm 的 RTC 每年最多會出現(xiàn) 10.5 分鐘的誤差。計算方法很簡單：

如果溫度波動，累積誤差可能會增加。如果買家愿意支付額外費用，供應(yīng)商可以通過篩選工藝提供更高精度的晶體。然而，無論這些晶體在室溫下有多高精度，頻率仍然會受到以下三個因素的影響：

· 溫度波動

· 利用負載電容進行頻率牽引

· 老化

溫度波動

音叉晶體頻率是溫度的函數(shù)，可以通過二階方程來近似：

在哪里：

f 0是標(biāo)稱頻率(32.768 kHz)

T 0為周轉(zhuǎn)溫度(25°C)

k 是音叉晶體的拋物線系數(shù)(典型值為 0.04 ppm/°C 2)

T 是環(huán)境溫度

如頻率誤差與溫度圖(圖 1 )所示，當(dāng)溫度偏離室溫(25°C)時，頻率變慢。

圖 1該圖顯示了溫度偏離室溫后頻率如何變慢。

為了保證最佳精度性能，環(huán)境溫度必須調(diào)節(jié)在 25°C 左右。許多室內(nèi)電池供電設(shè)備可能會將此 RTC 與外部晶體解決方案一起使用，從而節(jié)省成本并實現(xiàn)低功耗。

頻率牽引

晶體的頻率會受到其負載電容的影響。皮爾斯振蕩器是 RTC 內(nèi)部最常用的晶體振蕩器電路(圖 2)。它通常由晶體、反相器和負載電容組成。

圖 2 RTC 內(nèi)部集成了一個振蕩器電路。

圖3給出了由晶體和負載電容器組成的等效電路。

圖 3等效電路基于晶體和負載電容。

圖3所示電路中，RCL串聯(lián)電路與C 0、C L并聯(lián)產(chǎn)生諧振，其振蕩頻率公式如下：

在哪里：

R 1、 C 1和 L 1是晶體的運動參數(shù)

C 0是晶體端子之間的電容

F L為振蕩頻率，總有效電容

C T為總有效電容，C 1與(C L +C 0)串聯(lián)

F S是晶體的串聯(lián)諧振頻率

由于 C 0 +C L遠大于 C 1，因此 F L公式可以近似為

F L對 C L的導(dǎo)數(shù)表示頻率變化(單位為 Hz)相對于負載電容變化。將其除以串聯(lián)頻率可計算出單位電容頻率的變化率。此公式顯示了不同負載電容值 C L的頻率靈敏度：

此公式僅當(dāng) C L接近指定負載電容值時才具有良好的近似性。如果負載電容偏離指定值太多，振蕩器可能無法完全運行，因為晶體和電容無法產(chǎn)生 180 度相移回到反相器的輸入端。

為了降低成本和電路板空間占用，許多 RTC 都內(nèi)置了工廠調(diào)整過的負載電容。它們應(yīng)該與晶體指定的負載電容非常匹配。如果布局設(shè)計得當(dāng)，則室溫下的頻率誤差應(yīng)該非常小。從晶體到 RTC 焊盤的 PCB 走線可能會為 C L帶來額外的雜散電容。在市場上的一款 RTC 中，負載電容經(jīng)過調(diào)整，可根據(jù)評估套件 PCB 布局獲得最佳時鐘精度。換句話說，評估套件中的雜散電容已包含在 C L中。

老化

老化是指晶體諧振頻率隨時間的變化。老化是由于晶體封裝內(nèi)的污染導(dǎo)致晶體質(zhì)量隨時間變化而引起的。一般來說，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)境中會加速老化速度。遺憾的是，除了不時校準(zhǔn)晶體外，工程師幾乎無能為力應(yīng)對老化效應(yīng)。一些 RTC 提供老化偏移寄存器，供用戶手動調(diào)整時鐘頻率。