實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

 摘要：實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）作為系統(tǒng)同步或時(shí)間標(biāo)志已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，利用Dallas Semiconductor提供的多種類(lèi)型的RTC芯片，用戶(hù)在設(shè)計(jì)中可方便地針對(duì)具體應(yīng)用來(lái)選擇相應(yīng)的芯片。文中討論了一些與實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振選擇以及電路設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC 晶振

1 RTC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基本功能是保持跟蹤時(shí)間和日期等信息，但許多RTC還提供有多種附加功能，如：看門(mén)狗定時(shí)器、系統(tǒng)復(fù)位、非易失存儲(chǔ)器（NV RAM）、序列號(hào)、方波輸出、涓流充電等。因此，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，選擇RTC芯片出了需要考慮其時(shí)間和日期跟蹤功能外，通常還需要針對(duì)具體應(yīng)用來(lái)對(duì)RTC的功能、成本、尺寸等要求進(jìn)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(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的快速訪問(wèn)或有較大的存儲(chǔ)容量，適合于那些對(duì)價(jià)格、尺寸要求不是很荷刻的系統(tǒng)，許多采用并行接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片還與晶振和電池封裝在一起構(gòu)成一個(gè)完整的時(shí)鐘模塊，從而簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。并行接口包括復(fù)用總線（數(shù)據(jù)與地址總線復(fù)用）和獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)總線。一般用于時(shí)間保持的NV RAM都采用與SRAM相同的控制信號(hào)，并可以方便地與常用的微處理器容量。另外，有些Phantom實(shí)時(shí)時(shí)鐘還將時(shí)鐘數(shù)據(jù)隱含在備用電池支持的RAM內(nèi)，以便利用64位軟件協(xié)議來(lái)訪問(wèn)時(shí)鐘數(shù)據(jù)。

一般情況下，串行接口時(shí)鐘芯片都具有外形尺寸較小、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，但這類(lèi)芯片的通信速率一般較低，因而比較適合便攜式產(chǎn)品。這類(lèi)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(dāng)然，也有些處理器（如8051及其派生產(chǎn)品）則支持復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線。

1.2 備用電池

在有些應(yīng)用中（如VCR），時(shí)鐘和日期信息在系統(tǒng)掉電時(shí)將會(huì)丟失，而在大多數(shù)應(yīng)用中要求系統(tǒng)主電池?cái)嚯姇r(shí)仍保持時(shí)鐘和日期有效。為保持時(shí)鐘振蕩器持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可采用主/輔電池結(jié)構(gòu)或大電容配合主電源為時(shí)鐘電路供電，這樣，RTC芯片內(nèi)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(shè)計(jì)還應(yīng)該注重低功耗指標(biāo)，以使其在電池供電時(shí)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(shí)可切換到電池供電，并將RTC置為低功耗模式，電池供電時(shí)，可禁止微處理器與RTC之間的通信（通常被稱(chēng)為寫(xiě)保護(hù)），以使電池電流降至最小，同時(shí)避免數(shù)據(jù)被破壞。

在采用電池為電池系統(tǒng)供電時(shí)，時(shí)鐘電路耗電最大的部件是振蕩器，對(duì)于那些嵌入了晶振和電池的時(shí)鐘模塊（如DS12C887），由于振蕩器在出廠時(shí)處于禁止?fàn)顟B(tài)，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(shí)間保持NV RAM模塊利用時(shí)鐘來(lái)控制IC和SRAM，出廠時(shí)，振蕩器處于禁止?fàn)顟B(tài)、SRAM與電池?cái)嚅_(kāi)，只有模塊在主電源供電并第一次與時(shí)鐘電路斷開(kāi)時(shí)，電池才與SRAM接通。這一功能常被稱(chēng)作電池保鮮。Dallas Semiconductor的絕大多數(shù)RTC都提供有一個(gè)電池輸入引腳和一個(gè)內(nèi)部反向充電保護(hù)電路。由于Li+電池的額定溫度是-40℃～+85℃，因此，使用時(shí)應(yīng)確保環(huán)境溫度不要超出+85℃。

1.3 時(shí)鐘格式

在電路設(shè)計(jì)中使用的時(shí)鐘格式主要有三種：BCD碼、二進(jìn)制碼、未格式化的二進(jìn)制計(jì)數(shù)值。其中BCD碼比較通用，因?yàn)樗臅r(shí)間和日期可以直接顯示，且不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，每8位寄存器表示一個(gè)二位數(shù)，對(duì)于某些特殊的時(shí)間和日期，由于不占用全部8位數(shù)據(jù)，因此，不用位可以充當(dāng)一些特殊功能（如用作讀/寫(xiě)位），也可以在硬件讀取時(shí)時(shí)終保持固定狀態(tài)（1或0）。二進(jìn)制碼格式與BCD碼一樣具有獨(dú)立的秒、分鐘、小時(shí)、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(jìn)制碼格式。時(shí)間和日期寄存器每秒鐘更新一次，日期循環(huán)與月、年有關(guān)。星期寄存器與其它寄存器的變化關(guān)系不大，在子夜更新數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從7至1循環(huán)變化，程序中可以用1表示任何一個(gè)特定的星期數(shù)，只要在整個(gè)程序中指定數(shù)值保持一致即可。在12小時(shí)制與24小時(shí)制或BCD碼與二進(jìn)制碼之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，時(shí)間、日期、鬧鐘寄存器需要重新進(jìn)行初始化。二進(jìn)制計(jì)數(shù)碼用一個(gè)多字節(jié)（一般為32位）寄存器來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間信息，時(shí)間信息用一個(gè)秒計(jì)數(shù)值表示，并可通過(guò)軟件將秒計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為合理的時(shí)間和日期。

另外，在選擇RTC時(shí)，還需要考慮千年（Y2K）兼容性問(wèn)題，Y2K兼容的RTC包含有世紀(jì)信息（提供世紀(jì)數(shù)值或世紀(jì)位），并可正確地計(jì)算潤(rùn)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(shè)計(jì)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(shù)RTC采用32.768kHz的晶體，晶體振蕩器輸出經(jīng)過(guò)分頻后會(huì)產(chǎn)生1Hz的基準(zhǔn)來(lái)刷新時(shí)間和日期。RTC的精度主要取決于晶振的精度，溫度變化時(shí)，音叉晶振所具有的拋物線型的頻率響應(yīng)特性曲線如圖1所示，23ppm的溫漂大約每月產(chǎn)生1分鐘的時(shí)鐘誤差。晶振一般在特定的電容負(fù)載下，其調(diào)諧振蕩在正確的頻點(diǎn)，而當(dāng)晶振調(diào)諧于12.5pF負(fù)載的RTC電路中時(shí)，使用6pF負(fù)載的晶振將會(huì)使時(shí)鐘變快。Dallas Semiconductor提供的所有RTC均采用內(nèi)部偏置網(wǎng)絡(luò)，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(gè)天線，很容易耦合系統(tǒng)其余電路的高頻干擾。而干擾信號(hào)被耦合到晶振引腳將導(dǎo)致時(shí)鐘數(shù)的增加或減少?？紤]到線路板上大多數(shù)信號(hào)的頻率高于32.768kHz，所以，通常會(huì)產(chǎn)生額外的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。因此，晶振應(yīng)盡可能靠近X1、X2引腳安裝，同時(shí)晶振、X1/X2引腳的下方最好布成地平面。圖2是一個(gè)推薦的晶振布線圖，其數(shù)字信號(hào)引腳需遠(yuǎn)離晶振和振蕩器引腳，對(duì)于那些會(huì)產(chǎn)生明顯的射頻輻射的元件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以屏蔽，并使其遠(yuǎn)離晶振，特點(diǎn)是低功耗晶振，它對(duì)鄰近的射頻干擾非常敏感，往往會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘加快。

另外，由于振蕩器啟動(dòng)時(shí)間、晶振的性能以及線路板的布局有關(guān)。實(shí)際上，較大的等效串聯(lián)電阻（ESR）和過(guò)大的電容負(fù)載都會(huì)延長(zhǎng)振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間，而且，ESR較大時(shí)，還會(huì)造成較大的功率損耗。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照對(duì)晶振特片參數(shù)的要求來(lái)選擇晶振，同時(shí)應(yīng)提供合理的線路板布局以便使啟動(dòng)時(shí)間能夠控制在1秒鐘以?xún)?nèi)。

2.2 功耗問(wèn)題

許多實(shí)時(shí)時(shí)鐘都采用電池供電，典型應(yīng)用是利用一塊小的鋰電池在主電源掉電時(shí)直接驅(qū)動(dòng)振蕩器和時(shí)鐘電路。為有效延長(zhǎng)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(diǎn)，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮振蕩器的設(shè)計(jì)。典型的高頻振蕩電路ESR較低，但設(shè)計(jì)中一般會(huì)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(duì)于一個(gè)RTC振蕩器，或許留出2倍的負(fù)阻裕量即可，振蕩器的負(fù)阻裕量越小、耗電越低，但是，這種電路對(duì)寄生參數(shù)、噪聲非常敏感。此外，振蕩電路的負(fù)載電容對(duì)功耗也有一定影響，雖然12.5pF內(nèi)部負(fù)載的RTC的耗電要比6pF負(fù)載的RTC大，但是，它通常具有更高的抗干擾能力。

3 典型應(yīng)用電路

DS1340是Dallas Semiconductor推出的一款2線串行接口低功耗時(shí)鐘/日歷芯片，它具有涓流充電、時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，可提供秒、分鐘、小時(shí)、星期、日期、月、年等信息，日期在月末可按照月、年自動(dòng)調(diào)整，并帶有潤(rùn)年修正。DS1340內(nèi)部的電源檢測(cè)電路可檢測(cè)主電源電壓，必要時(shí)能自動(dòng)切換到備用電源供電。其典型應(yīng)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(fù)載電容為12.5pF。DS1340的數(shù)字時(shí)鐘校準(zhǔn)功能還可補(bǔ)償由于晶振和溫度變化產(chǎn)生的誤差，圖4給出了時(shí)鐘校準(zhǔn)的流程，DS1340的設(shè)計(jì)軟件可從www.maxim-ic.com下載。