LOW COST REAL TIME CLOCKS MIT DTXCO-FUNKTION

Real Time Clock

Zum Takten von Armbanduhren wurde Ende der 1960er-Jahre der 32,768-kHz-Quarz entwickelt. Der billig zu fertigende Schwingquarz kommt der Periodendauer einer Unruh aus einem mechanischen Uhrwerk möglichst nahe und seine Frequenz kann von einem IC leicht auf 1 Hz runtergeteilt werden. Als Resultat dieser Vorgaben ist ein Stimmgabelquarzresonator mit 32,768 kHz entstanden, der früher hauptsächlich in runden Metallgehäusen, heute auch in rechteckigen miniaturisierten SMD-Keramikgehäusen geliefert wird. Während der Konzeption des 32,768-kHz-Quarzes wurde festgestellt, dass eine am Handgelenk getragene Uhr eine durchschnittliche Eigenerwärmung von ca. 25 °C aufweist. Wer sich mit 32,768-kHz-Quarz-Datenblättern befasst, stellt einen Nulldurchgang der Frequenzabweichung im Bereich von 25 °C mit ±5 °C Schwankungsbreite fest. Anders als bei einem 1-MHz-Quarz, der über ein sinusförmiges Temperaturverhalten verfügt, weist der 32,768-kHz-Quarz ein Temperaturverhalten auf, das einer nach unten offenen Parabelkurve entspricht. Wird ein Quarz über -40 bzw. 85 °C betrieben, beträgt der Frequenzversatz mindestens -160 ppm, was einer Zeitabweichung von mindestens 428 Sekunden pro Monat entspricht. Bei -20/+70 °C beträgt sie mindestens -80 ppm, was eine Zeitabweichung von mindestens 214 Sekunden pro Monat ausmacht.

Einflüsse auf die Frequenzgenauigkeit
Neben dem Temperaturverhalten wird die Zeitgenauigkeit einer Applikation von der Ziehempfindlichkeit in ppm/pF des verwendeten 32,768-kHz-Quarzes beeinflusst. Streut die Oszillatorstufe der verwendeten RTCs – manche weisen ein Delta von 20 pF auf – kommen nochmal ca. 7 bis 10 ppm/pF Frequenzversatz hinzu, abhängig von der Lastkapazität des 32,768 kHz-Quarzes. Dies bedeutet nochmals ca. 140 bis 200 ppm Frequenzversatz zusätzlich zur Temperaturdrift. Weiterhin ist bei der Zeitgenauigkeitsbetrachtung die Alterung mit durchschnittlich ±3 ppm/Jahr zu berücksichtigen.

Manche IC-RTC-Hersteller empfehlen den Abgleich der Frequenz über Trimmkapazitäten – ein riesiger Aufwand, da der 32,768-kHz-Quarz für jede RTC einzeln auf der PCB abgeglichen werden muss.

Ein Abgleich bringt wenig
Durch den Abgleich kann aber nur die Frequenztoleranz bei 25 °C korrigiert werden. Auch wenn die Frequenzgenauigkeit des Quarzes bei 25 °C über die Beschaltung abgeglichen wurde, bleiben die Temperaturdrift und die Alterung immer noch übrig und beeinflussen die Zeitgenauigkeit der Applikation sehr negativ. Als Faustregel kann angenommen werden, dass 1 ppm Frequenzversatz rund 3 Sekunden Zeitfehler pro Monat bedeuten. Bei einer abgeglichenen RTC im Arbeitstemperaturbereich von -40/+85 °C würde der Zeitfehler immer noch 428 Sekunden/Monat betragen, rechnet man die Alterung über 10 Jahre linear hinzu, werden nochmals 30 ppm = 90 Sekunden Zeitfehler/Monat beaufschlagt. Von den Eigenschaften eines 32,768 kHz-Quarzes aus betrachtet, ist dieser Quarz zur Erzeugung eines genauen RTC-Timing gänzlich ungeeignet.

Kompakte RTC-IC mit DTCXO-Funktion
Um eine sehr genaue RTC-Zeit erzielen zu können, bietet der Clocking-Spezialist PETERMANN-TECHNIK aus Landsberg die RTC1010 mit integriertem Quarz und temperaturkompensiertem Oszillator (DTCXO) an. In der RTC1010 wird das eingangs beschriebene Verhalten des 32,768-kHz-Quarzes über ein digitales Kompensationsnetzwerk ausgeglichen, so dass eine hochgenaue RTC-Zeit realisiert werden kann. Über -40/+85 °C beträgt die Temperaturstabilität der RTC1010 ±5 ppm, was einen hochgenauen Zeitversatz von 15 Sekunden absolut über die Temperatur ermöglicht. Damit ist mit der RTC1010 von der PETERMANN-TECHNIK ein extrem genaues Applikations-Timing für höchstgenaue Zeitstempel möglich. Darüber hinaus verfügt die RTC1010 über ein 400 kHz I²C-Bus-Interface und über einen einstellbaren Frequenzausgang, der wahlweise hochgenaue Ausgangsfrequenzen (CMOS) mit 32,768 kHz, 1,024 kHz oder 1 Hz zur Verfügung stellt, die man zum Takten von PLLs oder zur Generierung weiterer Systemfrequenzen verwenden kann.

Extrem niedriger Stromverbrauch
Die RTC1010 im kompakten 14-Pin-Kunststoffgehäuse kann in einem Versorgungsspannungsbereich von 1,6 bis ca. 5,5 V betrieben werden. Typisch sind 3,0 V. Bei einer Versorgungsspannung von +3,0 V beträgt der Stromverbrauch der RTC1010 weniger als 1,8 µA. Die RTC ist damit auch für batteriebetriebene Applikationen geeignet.
Neben dem RTC-IC verfügt PETERMANN-TECHNIK über ein sehr breites Produktspektrum an 32,768-kHz-Quarzen, mit Frequenztoleranzen von ±10 ppm bei 25 °C. Darüber hinaus gehören zum Portfolio Schwingquarze für andere Frequenzbereiche, Oszillatoren und Keramikresonatoren. Abgerundet wird der Leistungskatalog mit Schaltungsentwicklung, -analysen, -simulationen, Matchingtests, u. v. m.

Weitere Informationen unter:
REAL TIME CLOCK MODULE PTRTC1010

Erschienen als Fachartikel in ELEKTRONIKPRAXIS 19/2014
So einfach lassen sich äußerst genaue Echtzeit-Timer realisieren

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Telefon: 0 81 91 / 30 53 95
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