- 相關推薦
實時時鐘電路設計
摘要：實時時鐘（RTC）作為系統同步或時間標志已被廣泛應用于各種電子產品，利用Dallas Semiconductor提供的多種類型的RTC芯片，用戶在設計中可方便地針對具體應用來選擇相應的芯片。文中討論了一些與實時時鐘晶振選擇以及電路設計相關的問題。關鍵詞：實時時鐘 RTC 晶振
1 RTC結構特點
實時時鐘的基本功能是保持跟蹤時間和日期等信息，但許多RTC還提供有多種附加功能，如：看門狗定時器、系統復位、非易失存儲器（NV RAM）、序列號、方波輸出、涓流充電等。因此，在進行電路設計時，選擇RTC芯片出了需要考慮其時間和日期跟蹤功能外，通常還需要針對具體應用來對RTC的功能、成本、尺寸等要求進行綜合考慮。
1.1 接口方式
從接口要求入手選擇RTC可以大大縮小芯片的選擇范圍。RTC芯片提供有多種接口方式，其中并行接口可實現存儲器的快速訪問或有較大的存儲容量，（范文先生網m.baimashangsha.com收集整理）適合于那些對價格、尺寸要求不是很荷刻的系統，許多采用并行接口的實時時鐘芯片還與晶振和電池封裝在一起構成一個完整的時鐘模塊，從而簡化了硬件設計。并行接口包括復用總線（數據與地址總線復用）和獨立的地址、數據總線。一般用于時間保持的NV RAM都采用與SRAM相同的控制信號，并可以方便地與常用的微處理器容量。另外，有些Phantom實時時鐘還將時鐘數據隱含在備用電池支持的RAM內，以便利用64位軟件協議來訪問時鐘數據。
一般情況下，串行接口時鐘芯片都具有外形尺寸較小、成本低廉等優勢，但這類芯片的通信速率一般較低，因而比較適合便攜式產品。這類芯片通常包括1-Wire接口、2線、3線、4線或SPI接口，而許多處理器也包括2線或SPI接口，當然，也有些處理器（如8051及其派生產品）則支持復用的地址和數據總線。
1.2 備用電池
在有些應用中（如VCR），時鐘和日期信息在系統掉電時將會丟失，而在大多數應用中要求系統主電池斷電時仍保持時鐘和日期有效。為保持時鐘振蕩器持續運轉，可采用主/輔電池結構或大電容配合主電源為時鐘電路供電，這樣，RTC芯片內部還必須提供兩組電源的切換電路。如果用電池（如Li+電池）作為備份電源，RTC設計還應該注重低功耗指標，以使其在電池供電時具有盡可能低的功耗。電源切換控制電路通常由主電源供電，需要時可切換到電池供電，并將RTC置為低功耗模式，電池供電時，可禁止微處理器與RTC之間的通信（通常被稱為寫保護），以使電池電流降至最小，同時避免數據被破壞。
在采用電池為電池系統供電時，時鐘電路耗電最大的部件是振蕩器，對于那些嵌入了晶振和電池的時鐘模塊（如DS12C887），由于振蕩器在出廠時處于禁止狀態，因此電池的損耗電流主要是電池的自放電，室溫下，電池自放電每年的消耗能量大約占電池容量的0.5%.有些時間保持NV RAM模塊利用時鐘來控制IC和SRAM,出廠時，振蕩器處于禁止狀態、SRAM與電池斷開，只有模塊在主電源供電并第一次與時鐘電路斷開時，電池才與SRAM接通。這一功能常被稱作電池保鮮。Dallas Semiconductor的絕大多數RTC都提供有一個電池輸入引腳和一個內部反向充電保護電路。由于Li+電池的額定溫度是-40℃——+85℃，因此，使用時應確保環境溫度不要超出+85℃。
1.3 時鐘格式
在電路設計中使用的時鐘格式主要有三種：BCD碼、二進制碼、未格式化的二進制計數值。其中BCD碼比較通用，因為它的時間和日期可以直接顯示，且不需要進行數據轉換，每8位寄存器表示一個二位數，對于某些特殊的時間和日期，由于不占用全部8位數據，因此，不用位可以充當一些特殊功能（如用作讀/寫位），也可以在硬件讀取時時終保持固定狀態（1或0）。二進制碼格式與BCD碼一樣具有獨立的秒、分鐘、小時、星期、日、月、年寄存器，在一些提供BCD碼格式的RTC中，常常也提供可選擇的二進制碼格式。時間和日期寄存器每秒鐘更新一次，日期循環與月、年有關。星期寄存器與其它寄存器的變化關系不大，在子夜更新數據，數據從7至1循環變化，程序中可以用1表示任何一個特定的星期數，只要在整個程序中指定數值保持一致即可。在12小時制與24小時制或BCD碼與二進制碼之間進行轉換時，時間、日期、鬧鐘寄存器需要重新進行初始化。二進制計數碼用一個多字節（一般為32位）寄存器來存儲時間信息，時間信息用一個秒計數值表示，并可通過軟件將秒計數值轉換為合理的時間和日期。
另外，在選擇RTC時，還需要考慮千年（Y2K）兼容性問題，Y2K兼容的RTC包含有世紀信息（提供世紀數值或世紀位），并可正確地計算潤年，Dallas Semiconductor提供的RTC均兼容于Y2K,而且不存在日期敏感的邏輯。
2 設計考慮
2.1 晶振與精度
晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，絕大多數RTC采用32.768kHz的晶體，晶體振蕩器輸出經過分頻后會產生1Hz的基準來刷新時間和日期。RTC的精度主要取決于晶振的精度，溫度變化時，音叉晶振所具有的拋物線型的頻率響應特性曲線如圖1所示，23ppm的溫漂大約每月產生1分鐘的時鐘誤差。晶振一般在特定的電容負載下，其調諧振蕩在正確的頻點，而當晶振調諧于12.5pF負載的RTC電路中時，使用6pF負載的晶振將會使時鐘變快。Dallas Semiconductor提供的所有RTC均采用內部偏置網絡，因而晶振可直接連接到RTC的X1、X2引腳，而不需要額外的元件。由于RTC的晶振輸入電路具有很高的輸入阻抗（大約109Ω），因此，它與晶振的連線猶如一個天線，很容易耦合系統其余電路的高頻干擾。而干擾信號被耦合到晶振引腳將導致時鐘數的增加或減少。考慮到線路板上大多數信號的頻率高于32.768kHz,所以，通常會產生額外的時鐘脈沖計數。因此，晶振應盡可能靠近X1、X2引腳安裝，同時晶振、X1/X2引腳的下方最好布成地平面。圖2是一個推薦的晶振布線圖，其數字信號引腳需遠離晶振和振蕩器引腳，對于那些會產生明顯的射頻輻射的元件，設計時應加以屏蔽，并使其遠離晶振，特點是低功耗晶振，它對鄰近的射頻干擾非常敏感，往往會導致時鐘加快。
另外，由于振蕩器啟動時間、晶振的性能以及線路板的布局有關。實際上，較大的等效串聯電阻（ESR）和過大的電容負載都會延長振蕩器的啟動時間，而且，ESR較大時，還會造成較大的功率損耗。因此，設計時應按照對晶振特片參數的要求來選擇晶振，同時應提供合理的線路板布局以便使啟動時間能夠控制在1秒鐘以內。
2.2 功耗問題
許多實時時鐘都采用電池供電，典型應用是利用一塊小的鋰電池在主電源掉電時直接驅動振蕩器和時鐘電路。為有效延長電池的使用壽命，振蕩器必需消耗盡可能少的能量。為了保證這一點，應謹慎考慮振蕩器的設計。典型的高頻振蕩電路ESR較低，但設計中一般會留出5倍、甚至10倍的ESR裕量，而低頻晶振則具有較高的ESR.對于一個RTC振蕩器，或許留出2倍的負阻裕量即可，振蕩器的負阻裕量越小、耗電越低，但是，這種電路對寄生參數、噪聲非常敏感。此外，振蕩電路的負載電容對功耗也有一定影響，雖然12.5pF內部負載的RTC的耗電要比6pF負載的RTC大，但是，它通常具有更高的抗干擾能力。
3 典型應用電路
DS1340是Dallas Semiconductor推出的一款2線串行接口低功耗時鐘/日歷芯片，它具有涓流充電、時鐘校準功能，可提供秒、分鐘、小時、星期、日期、月、年等信息，日期在月末可按照月、年自動調整，并帶有潤年修正。DS1340內部的電源檢測電路可檢測主電源電壓，必要時能自動切換到備用電源供電。其典型應用電路連接方法如圖3所示，該電路的外部晶振要求典型振蕩頻率為32.768kHz,ESR低于45kΩ，負載電容為12.5pF.DS1340的數字時鐘校準功能還可補償由于晶振和溫度變化產生的誤差，圖4給出了時鐘校準的流程，DS1340的設計軟件可從www.maxim-ic.com下載。
【實時時鐘電路設計】相關文章：
實時混音的實現?08-06
天氣實時播報作文02-21
提高實時操作系統的實時性能和可靠性策略08-19
實時性遠程答疑系統08-06
實時性遠程答疑系統08-06
實時性遠程答疑系統08-06
DMA在實時圖像處理中的應用08-06