RTC是Real-Time Clock的英文缩写,其中文名字叫做实时时钟,是一种电子产品主板上晶振和其他相关的电路组成的时钟电路脉冲,它的功能与一般晶体比较相似,都是提供精准稳定的时钟信号.不同的是石英晶体可以利用自身的频率振荡,驱动其他电子元件机械工作,而实时时钟则需要通过32.768K才可以实现.RTC中使用的振荡器是皮尔斯型振荡器的CMOS反相器变体.图1显示了一般配置.这些RTC包括集成负载电容(CL1和CL2)和偏置电阻.皮尔斯振荡器利用以并联谐振模式工作的晶体.并联谐振模式中使用的晶体被指定为具有特定负载电容的特定频率.为使振荡器以正确的频率运行,振荡器电路必须使用正确的容性负载加载晶振.

图1.带内部负载电容和偏置电阻的RTC振荡器.

准确性
基于晶体的振荡器电路的频率精度主要取决于晶体的精度和晶体与振荡器电容性负载之间匹配的精度.如果容性负载小于晶体设计的容量,则振荡器运行速度很快.如果容性负载大于晶体设计的容量,则振荡器运行缓慢.除了晶体和负载匹配的误差之外,随着环境温度的变化,晶体的基频也会发生变化.RTC使用晶体音叉晶振,它在温度范围内出现误差,如图2所示.误差为20ppm相当于每月约1分钟.

图2.晶体频率与温度的关系.

注意:如果需要更高的精度,可以使用诸如DS32kHz的TCXO.
水晶参数
图3显示了晶体的等效电路.在谐振频率附近,电路由包括运动电感L1,运动电阻R1和运动电容C1的串联电路组成.并联分量CO是晶体的并联电容.

图3.晶体等效电路.

负载电容CL是从晶体的引脚看到的振荡电路的容性负载.图4显示了CL作为与晶体平行的电容.振荡器电路中使用的负载电容CL1和CL2加上电路中的任何杂散电容组合在一起,形成总负载电容.所有RTC均集成了CL1和CL2电容.应注意尽量减少印刷电路板(PCB)布局中的杂散电容.以下公式显示了CL和负载电容值之间的关系:
CL=[(CL1×CL2)/(CL1+CL2)+C STRAY]

图4.晶体负载电容和等效并联负载.

大多数晶体允许的最大驱动电平为1μW.所有RTC均低于1μW.可以使用以下公式确定驱动器级别:
P=2R1×[π×32,768(CÒ+C大号)VRMS]²
其中VRMS是晶体两端电压的RMS值.
振荡器启动时间
振荡器启动时间高度依赖于晶体特性,PCB泄漏和布局.高ESR和过大的容性负载是启动时间长的主要原因.使用具有推荐特性和适当布局的晶体的电路通常在一秒钟内开始.
能量消耗
许多RTC设计为使用电池供电.在典型应用中,当主电源关闭时,可以使用小型锂电池来运行Oscillator和时钟电路.为了最大限度地延长电池寿命,振荡器必须使用尽可能少的电源运行.要做到这一点,必须进行一些设计权衡.
负阻力
对于典型的高频振荡器电路,电路的设计通常具有5倍或10倍的ESR余量.低频晶体通常具有更高的ESR.RTC振荡器的负电阻可能小于2倍.具有低裕度的振荡器电路通常消耗较少的电流.结果,RTC振荡器通常对相对少量的杂散泄漏,噪声或ESR的增加敏感.振荡器电路的CL影响功耗.具有12.5pF内部负载的RTC比具有6pF负载的RTC消耗更多功率.但是,具有12.5pF负载电容的振荡器通常不易受噪声影响.
水晶布局指南
由于马克西姆的RTC的晶体输入具有非常高的阻抗(约109Ω),引线到晶体动作等非常良好的天线,从所述系统的其余部分耦合的高频信号.如果信号耦合到晶体引脚上,它可以抵消或添加脉冲.由于电路板上的大多数信号频率远高于32.768K晶振,因此更有可能在不需要的情况下添加脉冲.这些噪声脉冲被计为额外时钟“滴答”并使时钟看起来运行得很快.
以下步骤说明了如何确定噪声是否导致RTC快速运行:
1.启动系统并将RTC与已知的精确时钟同步.
2.关闭系统电源.
3.等一段时间(两小时,24小时等).时间越长,测量时钟精度就越容易.
4.再次打开系统,读取时钟,并与已知的准确时钟进行比较.
5.将RTC重新同步到已知的准确时钟.
6.保持系统通电并等待一段时间等于步骤3中的时间段.
7.等待上述时间后读取时钟并将其与已知的准确时钟进行比较.
通过使用上述步骤,可以在系统通电时和系统断电时确定时钟的准确性.如果在系统上电时时钟被证明是不准确的,但在系统断电时是准确的,则问题很可能是由系统中其他信号产生的噪声引起的.但是,如果时钟在系统上电和断电时都不准确,那么问题不在于系统的噪音.由于可以将噪声耦合到晶体引脚上,因此在将外部晶体放置在PCB布局上时必须小心.遵循一些关于PCB布局上晶体放置的基本布局指南非常重要,以确保额外的时钟节拍不会耦合到晶体引脚上.
1.将晶体尽可能靠近X1和X2引脚放置非常重要.通过减小天线的长度,保持石英水晶振子和RTC之间的走线长度尽可能小,可以降低噪声耦合的可能性.保持走线长度小也会减少杂散电容的数量.
2.保持X1和X2引脚上的晶体键合焊盘和走线宽度尽可能小.这些键合焊盘和迹线越大,噪声越可能从相邻信号耦合.
3.如果可能,在晶体周围放置一个保护环(接地).这有助于将晶体与相邻信号耦合的噪声隔离开来.有关在晶体周围使用保护环的说明,请参见图2.
4.尽量确保其他PCB层上没有信号直接在晶体下方或X1和X2引脚的走线下方.晶体与电路板上的其他信号隔离得越多,噪声耦合到晶体的可能性就越小.任何数字信号与连接到X1或X2的任何迹线之间应至少有0.200英寸.RTC应与产生电磁辐射(EMR)的任何组件隔离.这适用于离散和模块类型的RTC.
5.将局部接地平面放置在晶体正下方的PCB层上也可能有所帮助.这有助于将晶体与其他PCB层上的信号的噪声耦合隔离.注意,接地平面只需要在晶体附近,而不是在整个电路板上.有关局部地平面的图示,请参见图5.注意,接地平面的周长不需要大于保护环的外周长.
请注意,由于它引入的杂散电容,必须注意使用本地接地层.迹线/焊盘和接地平面之间的电容被添加到内部负载电容器(CL1和CL2).因此,在考虑添加局部地平面时必须考虑一些因素.例如,由接地平面引起的电容可以通过以下等式近似:
C=εA/t,其中
ε=PCB的介电常数
A=迹线/焊盘的面积
t=PCB层的厚度
因此,为了确定接地平面是否适合于给定的设计,必须考虑上述参数以确保来自本地接地平面的电容不足够大以减慢时钟.

图5.晶体的推荐布局.

检查振荡
设计人员在检查振荡器操作时的第一个冲动通常是将示波器探头连接到振荡器输入(X1)或输出(X2)引脚.使用实时时钟时,建议不要这样做.由于振荡器设计为以低功率运行(这延长了电池的工作时间),因此使用示波器探头加载振荡器可能会使振荡器停止工作.如果振荡器没有停止,则额外的负载会降低信号幅度,并可能导致不稳定的操作,例如变化幅度.因此应该间接验证振荡.
可以通过多种方式验证振荡.一种方法是多次读取秒寄存器,查找要递增的数据.在具有振荡器停止标志(OSF)的RTC上,清零然后监视该位可验证振荡器是否已启动并持续运行.如果设计人员对设计进行故障排除并且无法与RTC通信,则这些方法不起作用.另一种方法是检查具有方波输出的RTC上的方波输出.检查数据手册以验证是否必须先写入RTC以启用石英晶体振荡器和方波输出.请注意,大多数RTC方波输出都是漏极开路,需要一个上拉电阻才能工作.方波输出也可用于验证RTC的精度,但必须使用具有足够精度的频率计数器.
快速时钟
以下是导致基于晶振的RTC快速运行的最常见方案.
1.噪声从相邻信号耦合到晶体中.上面已经广泛地讨论了这个问题.噪声耦合通常会导致RTC严重不准确.
2.错误的水晶.如果使用具有指定负载电容(CL)大于RTC指定负载电容的晶体,则RTC通常会快速运行.不准确性的严重程度取决于CL的值.例如,在设计为6pFCL的RTC上使用CL为12pF的晶体导致RTC每月快速约3至4分钟.
慢时钟
以下是导致基于晶振的RTC运行缓慢的最常见方案.
1.RTC输入引脚上的过冲.通过周期性地停止振荡器可以使RTC运行缓慢.这可能是由于到RTC的噪声输入信号而无意中完成的.如果输入信号上升到大于VDD以上的二极管压降(~0.3V)的电压,则输入引脚的ESD保护二极管将正向偏置,从而使基板充满电流.这反过来会使晶振停止,直到输入信号电压降至低于VDD以上的二极管压降.
如果输入信号有噪声,这种机制可能导致振荡器频繁停止.因此,应注意确保输入信号没有过冲.过冲问题常见的另一种情况是当RTC处于电池备份模式时,RTC的输入为5V.在系统地关闭某些电路但保持其他电路通电的系统中,这可能是一个问题.在设备处于电池备份模式时,确保RTC没有输入信号大于电池电压非常重要(除非器件数据手册中另有说明).
2.错误的水晶.如果具有指定CL的晶体小于RTC的CL,则RTC通常运行缓慢.不准确性的严重程度取决于CL的值.
3.杂散电容.晶体引脚和/或地之间的杂散电容会降低RTC的速度.因此,在设计PCB布局时必须小心,以确保杂散电容保持最小.
4.温度.工作温度越远离晶体转换温度,晶体振荡越慢.见图3和4.
时钟不运行
以下是导致RTC无法运行的最常见方案.
1.时钟未运行时最常见的一个问题是时钟停止(CH)或使能振荡器(EOSC)位尚未根据需要置1或清零.许多RTC都包含一个电路,可以在首次上电时防止振荡器运行.这允许系统等待装运到客户,而不从备用电池获取电力.当系统首次通电时,软件/固件必须启用振荡器并提示用户输入正确的时间和日期.
2.贴片晶振可能有一些NC(无连接)引脚.确保晶体上的正确引脚连接到X1和X2引脚.
水晶制造问题
调谐叉晶体不应暴露于超声波清洗.它们易受共振引起的损坏.晶体不应暴露在高于其最大额定值的温度下.暴露在过高的温度下可能会损坏晶体,通常会增加ESR.晶体“罐”不应焊接到PCB上.有时这是为了研究晶体的情况.直接焊接到晶体的情况通常会使装置承受过高的温度.RTC通常应用于非冷凝环境.振荡器导体周围的水分形成会导致泄漏,这可能导致振荡器停止.保形涂层可用于保护电路,然而,保形涂层本身可能引起问题.
一些保形涂层,尤其是基于环氧树脂的材料,可能具有不可接受水平的离子污染.此外,如果PC板表面在保形涂层之前没有充分清洁,则保形涂层会导致污染物集中在引线和迹线周围.焊剂残留物会导致引脚之间的泄漏.RTC振荡器电路由于其低功率操作而对泄漏特别敏感.振荡器输入和输出之间的泄漏或泄漏到地,通常会使振荡器无法运行.

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