Quarze und Oszillatoren
Quarze und Oszillatoren Umgebungstemperatur abgeglichen, um eine typische Gesamtgenauigkeit von ±20 ppm zu erreichen. Eine aufwendige Kalibrierung durch den Anwender ist also nicht mehr erforderlich, da die Module schon während des Herstellungsprozesses mit hochgenauen Zeitreferenzeinheiten abgeglichen werden. RTCs mit Temperaturkompensation Erfordert eine Anwendung eine hohe Zeitmessgenauigkeit über einen großen Temperaturbereich, wie beispielsweise ein Sensor im Was 20 ppm bedeutet Freien, empfiehlt sich die Verwendung von RTCs mit Temperaturkompensation, welche auf einem DTCXO (Digitally Temperature Compensated Crystal Oscillator) basieren. Diese kompensieren Beeinflussungen, die durch Schwankungen der Umgebungstemperatur entstehen, indem Taktimpulse entfernt werden, um die Zählung zu überspringen, wenn der Quarz schneller schwingt. Schwingt der Quarz langsamer, werden Taktimpulse hinzugefügt. Durch diese Kompensation können die hochgenauen RTC-Module bis auf auf ±3 ppm (±0,26 s/Tag) oder sogar ±1 ppm über den gesamten industriellen Temperaturbereich kalibriert werden. Eine hohe Zeitgenauigkeit ist beispielsweise für Anwendungen erforderlich, bei denen Funktion Jahr Kommentar mit automatischer Schaltjahrberechnung Monat – Tag – Wochentag – Minuten – Sekunden – 1/100 Sekunden für genauere Zeitanzeige UNIX-Zeitzähler (32 Bits) Alarme Timer Interrupts programmierbarer Frequenzausgang Zeitstempel Temperaturmessung Nutzerspeicher Nutzer-EEPROM Offset-Einstellung programmierbares Passwort Power On Reset (POR) Batterieumschaltung Erhaltungsladung Ladepumpe zählt die vergangenen Sekunden seit Donnerstag, dem 1.1.1970, 00:00 Uhr UTC von Sekunden bis Jahre, definiert durch Benutzereinstellungen bis zu zwei Timer mit programmierbarer Dauer (bis 4095 min) s. Kasten Tabelle 1: Mögliche Funktionen einer Realtime Clock einstellbare Frequenz von Hz bis MHz bei Enabled/Disabled Single CMOS Output für Peripheriegeräte Aufzeichnung des Zeitpunktes und der Häufigkeit von externen oder internen Ereignissen, Erzeugung eines Interrupts für temperaturkompensierte RTC-Module 0 bis 256 Bytes, abhängig vom RTC-Typ (zusätzlich zum RTC-Arbeitsspeicher) 0 bis 43 Bytes, abhängig vom RTC-Typ (zusätzlich zum Konfigurations-EEPROM) Einstellung der Oszillatorfrequenz (Kompensation der Alterung) und des Temperatur-Offsets Sicherheit gegen versehentliches Überschreiben & Schutz von Zeit-, Überwachungs- und Konfigurationsregistern Initialisierung der RAM-Register auf ihre Reset-Werte und Auffrischung der RAM-Mirror-Werte durch die Werte im Konfigurations-EEPROM Erkennung von Niedrigspannung in der Hauptversorgung und Umschaltung auf eine Backup- Quelle Lade-Management der Backup-Quelle Ermöglicht das Aufladen der Backup-Quelle bei höherer Spannung, um die Lebensdauer während eines Spannungsabfalls zu verlängern 34 hf-praxis 10/2021
Quarze und Oszillatoren die Zeitmessung für die Abrechnung verwendet wird, wie bei Zählern von Versorgungsunternehmen, Kassenterminals oder sicherheitsrelevanten Geräten und Systemen. Die Temperatursensoren in DTCXO-Geräten werden ebenfalls über den gesamten Betriebstemperaturbereich kalibriert. Die Quarzfrequenz kann mit der Zeit leicht schwanken, da die Alterung die Materialeigenschaften des Quarzes und der im Oszillatorkreis verwendeten Kondensatoren verändert. Die Alterung liegt im ersten Jahr bei ±3 ppm (entsprechend ±1,6 min/ Jahr), verringert sich in den folgenden Jahren allerdings erheblich. Dieser Alterungseffekt der Oszillatorfrequenz lässt sich jedoch einfach durch eine Einstellung im Offset-Register korrigieren. Wie hoch ist der Stromverbrauch einer RTC? Wie oben schon erwähnt, gewinnt der Stromverbrauch immer mehr an Bedeutung. Hierdurch wird die Batterielebensdauer des Endprodukts nicht unerheblich beeinflusst. Bestimmt wird der Stromverbrauch unter definierten Bedingungen, typischerweise bei 3 V und 25 °C. Im Gegensatz zu MEMS-basierten RTCs, die mit >2 µA deutlich mehr Energie benötigen, um die hohe Grundfrequenz des MEMS-Resonators herunterzuteilen, können die niederfrequenten quarzbasierten RTCs von Micro Crystal mit nur 45 nA einen extrem niedrigen Stromverbrauch erreichen. Selbst die RTCs mit Temperaturkompensation erreichen mit 160 nA noch herausragende Werte. Eine quarzbasierte RTC-Hardware, die weniger Strom verbraucht, ist ihrem stromhungrigen MEMS-basierten Gegenstück in jedem Fall vorzuziehen, wenn es um batteriebetriebene Anwendungen geht. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss die RTC im optimierten Zeitmessmodus so konfiguriert werden, dass ihr Stromverbrauch minimiert wird. Der Uhrenausgang sollte deaktiviert und die Kommunikation gestoppt werden. In diesem Modus kann das RTC-Modul dann als Watchdog mit sehr niedrigem Stromverbrauch fungieren und das System bei Bedarf aufwecken (Alarm, Timer, Ereignisinterrupt). Außerhalb dieses Stromsparmodus variiert der Stromverbrauch einer RTC je nach ihren Merkmalen und Konfigurationseinstellungen (Schnittstellentyp, Betrieb der Stromversorgungsschaltung, aktivierter Oszillatorausgang, usw.). Welche zusätzlichen Funktionen bietet eine RTC? Moderne RTC-Module bieten einige zusätzliche Funktionen, die dem Anwender das Leben erleichtern und sogar die Überwachung des Systemverhaltens ermöglichen. Sie übernehmen die Energieverwaltung und Temperaturüberwachung, alarmieren bei abgelaufener Zeit oder bei externen Ereignissen – und dies alles, während sich der Host-Mikroprozessor im Leerlauf befindet. Je nach Anwendungsfall können unterschiedliche Funktionen im Vordergrund stehen. Tabelle 1 bringt eine Übersicht aller möglichen Funktionen. Welche Bauformen sind verfügbar? Die RTC-Module von Micro Crystal sind in verschiedenen Bauformen erhältlich. Da die meisten batteriebetriebenen Geräte aus Gründen der Tragbarkeit oder der einfachen Installation sehr klein sein müssen, werden sie jetzt auch im 3,2 x 1,5 x 0,8 mm kleinen DFN-Gehäuse (Dual Flat No Leads) mit Metalldeckel (Typ C7) gefertigt. Wenn Größe nicht das Hauptkriterium ist, sind die Module auch in den Bauformen 5 x 3,2 x 1,2 mm (Typ C2) und 3,7 x 2,5 x 0,9 mm (Typ C3) erhältlich. Welche Stromquelle kann als Backup verwendet werden? Um die Zeit solange wie möglich ohne Unterbrechung und ohne erneute Einstellung der Uhrzeit genau verfolgen zu können, ist in vielen Konstruktionen eine separate Stromquelle für die RTC vorhanden. Einige Geräte sind mit einem automatischen Schalter ausgestattet, der eine niedrige Netzspannung erkennt und eine Umschaltung in den Batteriemodus vornimmt. Wie auch bei der Auswahl des optimalen RTC- Moduls ist das Energiebudget ebenfalls ausschlaggebend für die Wahl der Backup-Quelle. Die Dauer der Unterbrechung der Hauptstromversorgung oder die Anforderungen an die Batterielebensdauer bestimmen die erforderliche Leistungskapazität. Die gebräuchlichsten Backup- Quellen sind MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor), Supercap (sehr hochwertiger Kondensator mit einem Wert von einem Zehntel Farad oder mehr) und Knopfzellenbatterie (primäre oder sekundäre). Für die Auswahl der richtigen Backup-Quelle müssen alle Anwendungsfälle eingehend bewertet werden, um alle Parameter berücksichtigen zu können, die mit den Beschränkungen der Backup-Quelle verbunden sind. Hierzu gehören die Kosten, vorhandener Platz, Temperaturverhalten, Selbstentladung, Ladezyklen, Lagerfähigkeit, Polarisierung, Einhaltung des Reflow-Prozesses und Recycling. Was muss beim Layout beachtet werden? Anders als es bei einem reinen Quarzbaustein und seiner Peripherie der Fall ist, muss das RTC-Modul nicht zwingend in der Nähe der Mikrocontroller- Einheit platziert werden. Dies bietet dem Entwickler bei der Platzierung des RTC-Bausteins auf der Platine einiges an Flexibilität. Für eine RTC, die auch die Umgebungstemperatur überwachen soll, gelten die gleichen Diverse Interruptmöglichkeiten • periodische Zeitaktualisierung • regelmäßige Timer • Alarm (von Sekunden bis Jahre, benutzerdefiniert) • externes Ereignis (Manipulationserkennung) • Überschreiten von Temperaturgrenzwerten • Erkennung von Niedrigspannung • automatische Umschaltung • Reset beim Einschalten Regeln wie für die Anwendung von Temperatursensoren. Das hermetisch versigelte Gehäuse des werksseitig kalibrierten RTC-Moduls garantiert zuverlässigen Schutz gegen äußere Einflüsse, wodurch eine zusätzliche Beschichtung nicht erforderlich ist. Welche Qualifizierung haben die RTCs von Micro Crystal? Alle RTC-Module von Micro Crystal entsprechen den aktuellen RoHS-Standards, sind REACH-konform und AEC- Q200-qualifiziert, wodurch höchste Qualität und Rückverfolgbarkeit absolut gewährleistet sind. Die als „Medical“ eingestuften RTCs erfüllen die speziellen Anforderungen, um sogar Verwendung in implantierbaren medizinischen Geräten der Klasse III zu finden. Um Ihr nächstes Projekt zum Erfolg zu führen, erhalten Sie bei den Experten der WDI AG Unterstützung bei der Auswahl der richtigen RTC-Lösung sowie Testmuster und Evaluierungsplatinen für den Design-Prozess. WDI begleitet die Entwicklung von Anfang an und führt den Anwender schon beim Designin zielsicher zum richtigen Produkt. ◄ hf-praxis 10/2021 35
