4-2016

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Real-Time-Clocks in der Anwendung Eine Vielzahl unterschiedlichsten Anwendungen benötigt Zeit und Datumsinformationen – von Haushaltgeräten mit einfacher Zeitanzeige, über Geldautomaten oder Bezahlsysteme, bei denen Datum und Uhrzeit mit auf den Beleg gedruckt werden, bis hin zu Mobiltelefonen, wo zusätzlich ein Timing für den Standby-Mode generiert werden muss. Gemeinsam ist allen Anwendungen, dass die Zeit und Datumsfunktion nicht die Hauptfunktion, sondern eher eine Zusatzfunktion ist. Schon allein aus diesem Grund ist der Kostendruck auf diese Komponenten besonders groß. So vielfältig wie die Anwendungen sind auch die technischen Lösungsansätze.Die sicherlich kostengünstigste Lösung ist, wenn im verwendeten Micro-Controller die benötigte Oszillator-Schaltung und die Real-Time-Clock- Funktion bereits integriert sind. Die Kosten für einen externen 32,768-kHz-Schwingquarz als Taktgeber und allenfalls einige passive Komponenten für die Oszillatorschaltung liegen im zweistelligen Cent-Bereich konkurrenzlos tief. Autoren: Roland Häni ist Senior Application Engineer bei Micro Crystal in Grenchen (Schweiz). Gerd Reinhold ist im Produktmarketing FCP bei der WDI AG in Wedel (Deutschland) Für Anwendungen, bei denen keine bereits integrierte Echtzeituhr-Funktion zur Verfügung steht, bietet eine Vielzahl von Herstellern sogenannte RTC-ICs an. Für die einfache Integration in die bestehende Systemumgebung sind RTC-ICs mit allen gängigen seriellen Schnittstellen verfügbar, vom populären I 2 C-Interface bis hin zur 3- oder 4-wire SPI-Schnittstelle. Uhrzeit, Datum und Alarmfunktionen gelten als Standardfunktionen, darüber hinaus bieten manche Bausteine Sonderfunktionen wie EEPROM, eine Funktion zur Korrektur der Gangabweichung oder eine automatische Umschaltung auf eine Backup- Versorgungsspannung. Diese Lösungen benötigen alle einen externen „Quarz Crystal Resonator“, hauptsächlich Uhrenquarze, auch „Stimmgabelquarze“ oder „tuning-forkcrystals“ genannt. Aus der Frequenz von 32,768 kHz lässt sich durch Teilung sehr einfach ein 1-Sekunden-Takt realisieren, außerdem bieten solche „tuningfork-crystals“ den Vorteil eines sehr niedrigen Stromverbrauchs von

Quarze und Oszillatoren Um die bestmögliche Ganggenauigkeit zu erzielen, muss die Lastkapazität einer Oszillatorschaltung auf die Quarz-Spezifikation optimiert werden. Da die parasitären Kapazitäten nicht theoretisch bestimmt werden können, muss die fertige Oszillatorschaltung präzise vermessen und getestet werden. Eine Fehlanpassung der Lastkapazitäten resultiert direkt in einem vom Oszillatordesign verursachten Frequenz-Offset. Bild 3 zeigt ein Beispiel für eine Fehlanpassung der Oszillator-Lastkapazität von CL: 8,5 pF auf die spezifizierte Lastkapazität CL: 12,5 pF des Quarzes. Wie aus der Abbildung hervorgeht, führt diese Fehlanpassung zu einem Frequenz-Offset von +33ppm. Beim Einsatz eines Quarzes mit einer Standardtoleranz von +/-20ppm, ist eine Gangabweichung bei einer Umgebungstemperatur von +25 °C von +13,3 bis +53,3ppm zu erwarten. Dies ist nur eine Abschätzung der Gangabweichung, bei einer „worst-case“-Betrachtung müssen die Toleranzen der verwendeten Lastkapazitäten zusätzlich berücksichtigt werden. Wie bereits erwähnt, wird die Anschwingreserve von Oszillatorschaltungen, auch „negative resistance“ genannt, hauptsächlich vom Leistungsvermögen des integrierten Verstärkers bestimmt, die aber durch den Einsatz größerer Lastkapazitäten automatisch verringert wird. Erschwerend hierbei ist, dass dieser Zusammenhang in den Oszillatorspezifikationen der RTC-ICs oder MCU’s kaum jemals korrekt dokumentiert wird. Hier steht der Entwickler in der Verantwortung, um die Anschwingreserve der Oszillatorschaltung messtechnisch zu bestimmen, denn davon hängt es ab, welchen maximalen Quarzwiderstand eine Oszillatorschaltung sicher über den gewünschten Temperaturbereich betreiben kann. Wer sich bereits einmal mit derartigen Problemen konfrontiert sah, wird sich bestimmt an die Designregel für Oszillatorschaltungen erinnern, die da lautet: Safety first! Oft vernachlässigt, aber im Zusammenhang mit Oszillatorschaltungen trotzdem wichtig, wird das Layout der gedruckten Schaltung. Man muss sich vor Augen führen, dass diese Oszillatorschaltungen „tuningfork-crystals“ mit maximal 1 µW betreiben sollten. Spezielle verbrauchsoptimierte Oszillatorschaltungen betreiben diese Quarze sogar mit nur knapp 10 nW mit daraus resultierend minimalen Signalpegeln von nur 150 mV pkpk. Derart kleine Signalpegel und die daraus resultierenden kleinen Ströme, machen diese Oszillatorschaltung besonders sensibel für äußere Störeinflüsse, wie sie von digitalen Signalen oder Taktleitungen verursacht werden können. Spezielle „Ultra-lowpower“-Oszillatorschaltungen verzeihen keine Fehler oder Kompromisse im PCB-Layout. Grundsätzlich muss der Quarz sehr nahe beim IC platziert werden, digitale Signale sollten möglichst außen vorbei führen und letztlich müsste auch eine Massefläche zur Abschirmung von Störsignalen eingeplant werden. Temperaturkompensierte Systeme Immer mehr Anwendungen haben erhöhte Anforderungen an die Ganggenauigkeit von Echtzeituhren, die sich nur durch eine Kompensation des Temperaturverhaltens des Quarzes erreichen lässt. Teilweise sind das Vorgaben des Marketings, wo man versucht sich mit der genaueren Uhrzeit vom Mitbewerber abzugrenzen. Immer öfter hat diese Anforderung aber auch technische Hintergründe. Wenn zum Beispiel, aufgrund der höheren Genauigkeit, ein Zeitfenster für eine Funkverbindung minimiert werden kann, wirkt sich dies direkt zu Gunsten des Stromverbrauchs und einer längeren Batterielebensdauer aus. Es gibt Lösungsansätze, die mittels Thermometer die Umgebungstemperatur messen, anschließend per Software die zu erwartende Frequenzdrift des Quarzes berechnen und die Bild 3 – Frequenz vs. Lastkapazität (CL) Zeitabweichung rechnerisch korrigieren. Bild 4 zeigt die Methode der Temperaturkompensation per Software mit den entsprechenden Parametern, die korrigiert werden müssen: Die schwarze Kurve zeigt die zu erwartende Frequenzdrift des Quarzes über der Temperatur, die rote Kurve zeigt den berechneten Korrekturwert. Um damit überhaupt einen positiven Effekt zu erzielen, muss zumindest die Frequenzabweichung bei 25 °C XTAL Offset für jede Uhr einzeln ausgemessen und der entsprechende Korrekturwert individuell programmiert werden. Dies verursacht in einer Massenfertigung allerdings bereits einen erheblichen Aufwand und Kosten. Um die bestmögliche Genauigkeit zu erzielen, bedarf es sehr präziser Korrekturparameter. Die Parameter XTAL T0, XTAL Temp coeff. und der Fehler des Thermometers müssen dafür über den gesamten Temperaturbereich präzise ermittelt und individuell korrigiert werden. Es ist dieser enorme Aufwand und die damit verbundenen immensen Kosten die dazu führen, dass Anwender kaum je eine zufriedenstellende Temperaturkompensation mit diskreten Bauteilen mittels Software realisiert haben. Bei Anwendungen die eine erhöhte Ganggenauigkeit über den Temperaturbereich erfordern, bieten die im Markt verfügbaren RTC-Module mit eingebauter Temperaturkompensation deutliche Vorteile. Diese RTC-Module werden vom Hersteller über den Temperaturbereich kalibriert und individuell korrigiert. Dabei sind dieselben Bauteile mit unterschiedlichen Gangabweichungen erhältlich, wobei der Aufwand für die Kalibrierung über den Temperaturbereich sich direkt im Preis für das Bauteil widerspiegelt. Hier lautet die Empfehlung, dass solche Produkte nie überspezifiziert werden sollten, weil sich dies direkt auf den Preis auswirkt. Real-Time-Clock- Module Als RTC-Module bezeichnet man Produkte, die alle benötigten Komponenten, wie die Oszillatorschaltung, den 32,768 kHz „tuning-fork-crystal“ und die RTC-Schaltung in einem Gehäuse vereinen. Zwar liegen die Kosten etwas oberhalb von Lösungen mit Einzelkomponenten, solche RTC-Module bieten aber technisch deutliche Vorteile und bieten eine herausragende Performance bezüglich Ganggenauigkeit, Größe und Stromverbrauch. Die Schaltungsentwicklung wird deutlich vereinfacht und beschleunigt, da die oben erläuterte Schaltungsoptimierung und die Überprüfung der Anschwingsicherheit entfällt. Die Spezifikation dieser Produkte zeigt direkt, was später in der Anwendung erwartet werden kann. Da der Quarz im gleichen Package integriert wird, entfällt die Layout-Problematik hf-praxis 4/2016 21