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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