Vollständigen Artikel als PDF herunterladen - All

Methoden zur Verbesserung der
Ganggenauigkeit bei Echtzeituhren
Methoden zur Verbesserung der Ganggenauigkeit bei Echtzeituhren (RTC)
Schon seit µEletronics Marin Ende der 70er Jahre die ersten Echtzeituhren, auch Real-TimeClocks (RTC) genannt, auf den Markt gebracht hat, werden hauptsächlich Stimmgabelquarze
zur Generierung des Zeittaktes eingesetzt. Diese, auch „Tuning-Fork Crystals“ genannten
Bauteile, schwingen in der Regel mit einer präzisen Frequenz von 32.768kHz.
Warum setzt man eigentlich immer noch Stimmgabelquarze mit dieser Frequenz ein? Zwei
Tatsachen begründen deren Einsatz. Zum einen lässt sich ein 1-Sekunden Takt sehr einfach
durch das teilen des 32.768kHz Taktes realisieren. Es reicht ein Divider, der die Frequenz 15
Mal halbiert, denn 32'768 ist nichts anderes als 215 .
Zum andern bieten solche Stimmgabelquarze, ein gutes Oszillatordesign vorausgesetzt, den
Vorteil eines enorm niedrigen Stromverbrauchs. Es lässt sich so ein Stromverbrauch von
250nA realisieren. Verglichen mit einem Oszillator basierend auf einem AT-Quarz im MHzBereich, ist das um Größenordnungen geringer. Ein typischer AT-Oszillator hat einen
Verbrauch von einigen mA. Stimmgabelquarze sind somit erste Wahl bei Applikationen, die
auf einen niedrigen Verbrauch der Schaltung angewiesen sind.
Sobald wir über eine Uhrenanwendung sprechen, spielt natürlich das Thema Genauigkeit
eine Rolle. Für die allermeisten Anwendungen reicht sicherlich eine Ganggenauigkeit von +/30ppm, respektive +/-3 Sekunden pro Tag vollauf. Es gibt aber sehr wohl auch Gründe die
eine höhere Ganggenauigkeit rechtfertigen. Sei dies nun, um sich durch eine bessere
Produktspezifikation vom Wettbewerb zu unterscheiden, oder sei es auf Grund von
systemischen Anforderungen der Applikation. Dies ist zum Beispiel der Fall bei MeteringAnwendungen. Deim so genannte Automated Meter Reading „AMR“ versucht man die
Aktivierungszeit des Transponders für die Verbrauchsdatenübertragung auf ein möglichst
kleines Zeitfenster zu reduzieren. Je kürzer diese Zeit gehalten werden kann, desto geringer
ist auch der Stromverbrauch und umso länger damit die Lebensdauer der Batterie.
Um die Ganggenauigkeit der RTC zu verbessern, müssen Frequenzabweichungen die
sowohl in der Natur des Quarzes als auch der Oszillatorschaltung liegen, kompensiert
werden. Im Folgenden sollen nun diese Faktoren im einzelnen besprochen werden und
Möglichkeiten zur Kompensation dargestellt werden. Zuerst werden Hinweise zur Anpassung
von Quarz und Schaltung gegeben werden. Anschließend werden unterschiedliche Methoden
zur Kompensation der Frequenz-Temperaturcharakteristik im Detail betrachtet werden.
Zuletzt wird eine Alternative durch den Einsatz einer hochgenauen RTC mit integrierter
Kompensation aufgezeigt.
Page 1/6
Oszillatorschaltung
Aktuell werden fast ausschließlich Pierce-Oszillatoren (Abbildung 1) für den Betrieb von
32.768kHz Quarzen verwendet. In der Regel werden diese Oszillatorschaltungen direkt in
RTC ICs wie auch als Tieffrequenzoszillatoren in Microcontrollern integriert. Die
dazugehörenden passiven Komponenten werden dabei komplett oder teilweise integriert.
Abb. 1 - Funktionsschaltbild Pierce-Oszillator
Abb. 2 - Ersatzschaltbild eines Quarzes
RF
XTAL
C0
XTAL
CG
RD
R1
L1
C1
CD
Abbildung 2 zeigt das Ersatzschaltbild des Quarzes. Die beiden Last-Kapazitäten CD und CG
ergeben in Serie geschaltet, zusammen mit den Streu-Kapazitäten der Platine, die GesamtLastkapazität des Oszillators. Diese wird dann wie folgt berechnet:
CD ⋅ C G
CL = (
) + CSTRAY
CD + CG
Bei Oszillatoren mit integrierten Kapazitäten wird, durch die meist mangelhafte Spezifikation
der integrierten Komponenten, die Bestimmung der Gesamtlastkapazität des Oszillators
weiter erschwert.
Anpassung der Lastkapazitäten
Um die Echtzeituhr zu kalibrieren, respektive eine Frequenz zu erreichen, die innerhalb der
Spezifikation der Frequenztoleranz des Quarzes liegt, muss zuallererst die
Gesamtlastkapazität des Oszillators auf die spezifizierte Lastkapazität CL: des Quarzes
angepasst werden. Eine Fehlanpassung der Lastkapazitäten resultiert direkt in einen vom
Oszillatordesign verursachten Frequenzoffset.
Abbildung 3 zeigt den typischen Frequenzoffset von +33.34ppm beim Einsatz eines idealen
Quarzes MS1V-T1K CL : 12.5pF in einem Oszillator mit einer Gesamtlastkapazität von 8.5pF.
Page 2/6
Abb. 3 – Frequenz vs. Lastkapazität (CL)
MS1V-T1K Crystal
load-capacitance mismatch
32780
360.00
Frequency FL
CL dependend
32779
32778
330.00
300.00
32777
270.00
Oscillator's Effective
Loadcapacitance
CL: 8.50pF
32775
Frequency [Hz]
32774
240.00
210.00
180.00
Frequency
Shift [ppm]
32773
150.00
32772
120.00
32771
90.00
33.34
32770
60.00
32769
30.00
32768
0.00
32767
-30.00
Frequency
Target
32766
-60.00
Crystal Specification
CL: 12.5pF
Shift [ppm]
32765
32764
32763
Delta F/F [ppm]
32776
-90.00
-120.00
-150.00
32762
-180.00
32761
-210.00
32760
-240.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Loadcapacitance [pF]
Die Bestimmung der Gesamtlastkapazität des Oszillators kann sehr einfach auf 2 Arten
durchgeführt werden:
1. Beim Quarzhersteller werden ausgemessene Referenzquarze mit Daten angefragt und
in die Schaltung eingebaut. Wenn die gemessene Frequenz innerhalb der
spezifizierten Frequenztoleranz des Quarzes liegt, dann entspricht die
Gesamtlastkapazität des Oszillators präzise der spezifizierten Lastkapazität des
Quarzes.
2. Ein Quarz mit bekannten Ersatzparametern (s. Abb. 2) wird in die Schaltung eingebaut
und die Frequenz gemessen. Basierend auf der gemessenen Frequenz kann
berechnet werden, bei welcher Gesamtlastkapazität des Oszillators dieser Quarz
betrieben wird.
C1 ⋅ f S
− C0
CL =
2 ⋅ ( fL − fS )
Wichtige Hinweise zur Messung:
Standardmessköpfe bringen zusätzliche Lastkapazität in die Oszillatorschaltung ein, welche das
Messresultat verfälschen. Innerhalb der Oszillatorschaltung sollten nur Spezial-Proben mit
folgender Charakteristik verwendet werden.
• Input capacitance (100kHz):
0.1pF
12
• Input resistance:
10 Ohms
Im Beispiel oben könnte die Anpassung der Last-Kapazitäten auf zwei Arten verbessert
werden:
• Oszillatorschaltung wird angepasst: die Werte der Lastkapazitäten werden erhöht
damit der Oszillator eine Gesamtlastkapazität von 12.5pF erreicht.
•
Die Quarz-Spezifikation wird angepasst auf CL: 9.0pF
Eine weitere Verbesserung an dieser Stelle kann nach der Anpassung der Lastkapazität nur
noch durch die Verwendung eines Quarzes mit engerer Frequenztoleranz erreicht werden.
Kompensation der Temperatur-Charakteristik
Abbildung 4 zeigt die typische Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur. Dort ist auch
zu erkennen, dass diese Charakteristik sich bei AT-Quarzen im MHz-Bereich und bei Tuning
Fork Quarzen mit 32.768kHz unterscheidet. AT-Quarze folgen einer Abhängigkeit 3.Ordnung,
bei Tuning Fork Quarzen folgt sie einer Funktion 2. Ordnung.
Abb. 4 - Quarz Frequenztemperaturcharakteristiken
Temperature Charateristics AT-Cut vs. Tuning Fork
20.0
T0 25 ± 5°C
0.0
AT-Cut Crystal
-20.0
Delta F/F [ppm]
-40.0
-60.0
-0.035 ppm/°C2 * (T-T0)2 ±10%
-80.0
-100.0
-120.0
Tuning Fork Crystal
-140.0
-160.0
-180.0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temperature [°C]
Wenn die Anforderungen der Anwendung an die Frequenzgenauigkeit eine Kompensation
dieser Temperaturcharakteristik notwendig machen, steigt der Aufwand sehr schnell an. Es
muss zwingend die Temperatur gemessen werden und mit einer der beiden nachfolgenden
Methoden korrigiert werden.
• Analoge Kompensation
Hierbei wird die Frequenzabweichung entsprechend der Temperatur ermittelt. Durch
Verändern der Gesamtlastkapazität der Oszillationsschaltung wird diese
Frequenzabweichung dann mittels „frequency-pulling“ korrigiert. Diese Methode sollte
aber möglichst vermieden werden, da beim Verändern der Lastkapazität negative
Seiteneffekte, wie eine Reduktion der Anschwingsicherheit, auftreten.
• Digitale Kompensation
Bei der digitalen Methode werden dem 32.768kHz Takt entsprechend der
Temperaturdrift so genannte „Clocks“ addiert oder subtrahiert. So entspricht 1 Clock
bei Kompensation innerhalb einer Sekunde einem Herz, respektive 30ppm. Um eine
feinere Auflösung von ±1ppm zu erreichen, muss also die Kompensation über eine
Dauer von >30 Sekunden durchgeführt werden.
Positiver Nebeneffekt der beiden Methoden ist, dass dabei die ursprüngliche
Frequenztoleranz des Quarzes und ein Frequenzoffset des Oszillatordesigns gleich
mitkorrigiert werden.
Nun noch ein paar Worte zur maximal erreichbaren Genauigkeit. Die Kompensation der
Temperaturdrift über typische Quarzparameter unterliegt einer inhärenten Einschränkung.
Der Grund dafür ist, dass hierbei nur die typische Temperaturdrift der Stimmgabelquarze in
Betracht gezogen wird. Durch die individuellen Toleranzen der
Frequenztemperaturcharakteristik entsteht ein Fehler. So findet man in der Anwendung eine
±10% Toleranz der Temperatur-Parabel sowie eine Toleranz von ±5°C beim TemperaturUmkehrpunkt T0. Insbesondere die Toleranz des Maximums der Parabel T0 von ±5°C führt
zu Abweichungen. Trotz Kompensation der Temperaturdrift können an den Grenzen des
Temperaturbereichs von -40°C bis +85°C so Abweichungen in der Größenordnung von
>±30ppm entstehen.
Um eine maximale Ganggenauigkeit zu erreichen, muss jede Schaltung einzeln über den
Temperaturbereich ausgemessen werden. Diese Messung dient zwei Zwecken. Zum einen
wird dadurch der Temperatursensor kalibriert. Zum zweiten wird das individuelle
Temperaturverhalten des Quarzes zu bestimmt.
Dafür wird die Quarzfrequenz bei 3 Temperaturen gemessen und somit der genaue Verlauf
der Temperaturparabel und das T0 des Quarzes berechnet. Das bestmögliche Resultat wird
erzielt, wenn bei 25°C und nahe der unteren und der oberen Grenze des Temperaturbereichs
gemessen wird.
Es ist ersichtlich, dass diese Temperaturkalibrierung, durch die sicherlich eine maximale
Genauigkeit erreicht wird, jedoch einen enormen Entwicklungsaufwand auf Hard- und
Softwareebene erfordert. Bei kleineren und mittleren Produktionsmengen steht dieser
Entwicklungsaufwand zudem meist in krassem Missverhältnis zum Nutzen. Bei großen
Produktionsmengen wäre der Entwicklungsaufwand noch zu rechtfertigen, allerdings eignet
sich das individuelle Ausmessen der Baugruppe über den Temperaturbereich nicht zur
Massenproduktion.
Falls keine Temperaturkompensation durchgeführt werden soll, dennoch aber eine möglichst
minimale Frequenzabweichung angestrebt wird, so empfiehlt sich ein leichter Offset bei 25°C
empfohlen. Die oben beschriebene Lastkapazitätsanpassung sollte dazu so vorgenommen
werden, dass bei T0 eine Abweichung von +3 bis +5ppm entsteht. Bei Applikationen, die sich
typischerweise im Temperaturbereich von 0°C bis +50°C bewegen, führt ein regelmäßiger
Wechsel der Temperatur dazu, dass sich positive und negative Drift der Frequenz
ausgleichen.
Schlussbemerkung und Ausblick
Eine komplette Echtzeituhr mit einer Kompensation der Frequenz-Temperaturdrift des
Quarzes findet man trotz Anbieter- und Produktvielfalt äußerst selten. In der Regel wird
mittels eines µControllers unter Anwendung oben beschriebenen Digitalen
Kompensationsmethode realisiert. Es fehlt eine Lösung die verschiedene Stufen der
Ganggenauigkeit bei minimalem Stromverbrauch bietet.
Micro Crystals neue Familie von RTCs mit integriertem Quarz, RV-30x9-C2, wurde speziell
als „Plug-and-Play“ Lösung mit einer verbesserten Ganggenauigkeit entwickelt. Das kleine
Keramikgehäuse von 5.0 x 3.2mm kombiniert bereits die RTC-Schaltung und den 32.768kHz
Quarz im selben Gehäuse. Eine Anpassung der Lastkapazitäten entfällt somit. Bei der
Standardversion basiert die Temperaturkompensation auf typischen Quarzparametern wobei
bereits eine Genauigkeit von ±30ppm über den Temperatur-Bereich von -40°C bis +85°C
erreicht wird.
Bei Bedarf können diese RTCs aber zusätzlich einzeln kalibriert ab Werk geliefert werden.
Über den Industrial Temperaturbereich von -40°C bis +85°C wird so eine Genauigkeit von
±6ppm erreicht. Die RTC ist auch für den erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40°C
bis +125°C erhältlich und erreicht dann noch immer ±8ppm. Die Leistungsaufnahme von nur
350nA bei 3V ist einzigartig für eine RTC mit Temperaturkompensation. Der Stromverbrauch
liegt damit ein Vielfaches unter dem Verbrauch von TCXOs bei ähnlicher
Kompensationsleistung. Durch die Werkskalibrierung ist RTC uneingeschränkt tauglich für die
Massenfertigung. Abbildung 5 demonstriert die Ganggenauigkeit, die mit der kalibrierten
Version der neuen RTC RV-30x9-C2 erreicht wird.
Abb. 5 - RV-30x9-C2 – Kompensation Frequenz-Temperaturdrift
Calibrated Compensation of the Frequency Drift over Temperature
25.0
0.0
-25.0
-50.0
-75.0
-100.0
∆F/FL [ppm]
-125.0
-150.0
-175.0
-200.0
-225.0
-250.0
-275.0
-300.0
-325.0
-350.0
-375.0
-50.0
-30.0
-10.0
10.0
30.0
50.0
70.0
90.0
110.0
130.0
Temperature [°C]
DATE:
September 2006
Revision No.: 1.0
Page 6/6
Headquarters:
Micro Crystal
Div. of ETA SA
Mühlestrasse 14
CH-2540 Grenchen
Switzerland
Tel.
Email
Internet
Haeni Roland
Application Engineer
+41 32 655 79 89
[email protected]
www.microcrystal.ch