Präzise Echtzeitgeber Trimming-Register kompensieren Frequenzabweichungen von Echtzeitgebern

Beim Einsatz von Echtzeitgebern sind Zuverlässigkeit und Ganggenauigkeit entscheidend. Wichtig bei der Entwicklung solcher Bauteile ist es, die Ursachen für Frequenzabweichungen zu beseitigen. Eine Möglichkeit, die Ungenauigkeiten zu korrigieren, die durch Temperatureinflüsse oder veränderte Betriebsspannung entstehen, bieten Trimming-Register.

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ACTRON AG

Jauch Quartz GmbH

GLYN GmbH & Co. KG

Intersil GmbH

Das Herzstück von Echtzeitgebern ist der Quarzoszillator mit einem stromsparenden Schwingkreis. Zu den wichtigsten Anforderungen an eine RTC (Real Time Clock) zählt die Ganggenauigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur. Dabei sind sowohl der Normalbetrieb als auch nachlassende Batteriespannung und der volle Temperaturbereich mit zu berücksichtigen. Dieser ist häufig von -40 bis 85°C spezifiziert. Gerade die temperaturabhängigen Abweichungen können bei herkömmlichen und preisgünstigen Quarzen für RTC bis zu 100 ppm betragen. Das sind umgerechnet lediglich 0,01%. Über das Jahr betrachtet kann das dennoch eine Abweichung von bis zu 50 Minuten oder 8 Sekunden pro Tag bedeuten. Damit dürfte kein Anwender wirklich zufrieden sein.

Temperaturbedingte Quarzabweichung nachregeln

Der einfachste Lösungsansatz ist, die Temperatur des Quarzes konstant zu halten und somit die temperaturabhängige Änderung der Quarzfrequenz zu eliminieren. Man spricht dann vom temperaturgeregelten oder temperaturkompensierten Quarz (TCXO), der eine entsprechend geringe Abweichung von nur wenigen ppm aufweist. So genau diese TCXOs sind, so gehören sie gewiss nicht zu den günstigen Lösungen und benötigen außerdem viel Strom zur Temperaturstabilisierung.

Einfacher und sehr viel kostengünstiger ist es, einen klassischen 32,768-kHz-Uhrenquarz zu verwenden, der für Raumtemperatur abgeglichen ist. Bei Temperaturen oberhalb oder unterhalb der Raumtemperatur muss jedoch eine Anpassung erfolgen, um die bauartbedingten Frequenzabweichungen zu korrigieren. Da die Abweichung des Quarzes über der Temperatur meist bekannt ist (Bild 1), lässt sich diese ausgleichen.

So sind viele der Modelle, wie beispielsweise der ISL1208 und ISL1209, mit Registern ausgestattet, mit denen sich Ungenauigkeiten leicht korrigieren lassen. Durch sogenannte digitale Trimming-Register (DTR) lassen sich in 20-ppm-Schritten Korrekturen bis ±60 ppm vornehmen. Zeigt der verwendete Quarz beispielsweise bei 40 °C eine Abweichung von +20 ppm, kompensiert das DTR diese Drift durch Setzen des –20-ppm-Bits. Eine Abweichung von 20 ppm in der Quarzfrequenz bedeuten bei einer RTC schon etwa eine Minute Abweichung pro Monat.

Kalibrieren mit Kondensatoren

Da jeder Quarz eine individuell unterschiedliche Anfangsgenauigkeit aufweist, verfügen die Real Time Clocks der ISL120x-Familie zusätzlich über ein analoges Trimming-Register (ATR). Hiermit wird die Grundfrequenz von 32,768 kHz bei Raumtemperatur individuell eingestellt und gespeichert. Die Einstellung erfolgt über zwei veränderliche Kondensatoren, die den Quarz mit der richtigen Frequenz schwingen lassen (Bild 2). Daher auch die Bezeichnung analoges Trimming-Register. Die im Chip integrierten Kondensatoren sind zwischen 4,5 und 20,25 pF mit einer Schrittweite von 0,25 pF einstellbar.

Da die Quarzfrequenz auch von der Höhe der Versorgungsspannung der RTC abhängt, kann sich die Frequenz mit Umschalten von Batterie- auf Netzversorgung geringfügig ändern. Hierfür sind bei einigen RTC im ATR noch zwei Bits vorgesehen, die beim Umschalten von VDD auf VBat die Korrekturwerte für die Stellkondensatoren aufnehmen. Durch geschicktes Abgleichen mittels DTR und ATR lässt sich die Abweichung von vormals 50 Minuten auf weniger als 5 Minuten pro Jahr reduzieren.

Bei den meisten Echtzeitgebern erfolgt die Temperaturmessung extern, und die Trimmung geschieht über das Programmieren der Register mittels seriellem I²C-Interface. Einige RTC haben eine integrierte Temperaturmessung, sodass die externe Änderung der Register hier entfällt. Nachdem die vom Quarz abhängige Temperaturabweichung einmal im Register der RTC abgelegt ist, erfolgt die Korrektur automatisch im Minutentakt oder alle 10 Minuten.

Einflüsse durch Spannungsänderung im Batteriebetrieb

Wird die Schaltung von der Hauptversorgung getrennt, sorgt eine kleine Lithium-Batterie oder ein Supercap für die unterbrechungsfreie Versorgung der Real Time Clock. In diesem Batteriemodus kommt es auf einen möglichst niedrigen Stromverbrauch an und bis zu welcher minimalen Batteriespannung der Quarz zuverlässig schwingt. Je niedriger die minimale Versorgungsspannung vom Hersteller spezifiziert wurde, um so länger läuft die RTC bei sinkender Batteriespannung zuverlässig weiter.

Im Batteriebetrieb benötigen die Bausteine ISL1208/09 400 nA bei einer Versorgungsspannung 3 V. Spezifiziert sind die Bauteile jedoch bis 1,5 V, wobei sich der Batteriestrom auf 300 nA reduziert (Bild 3). Sollte der Betrieb doch einmal durch eine zu niedrige Batterie- oder Pufferkondensatorspannung unterbrochen werden, wird dies in einem Register gespeichert. Durch Auslesen lässt sich überprüfen, ob dieser Zustand eingetreten ist und ob die Uhrzeit neu gestellt werden muss.

Strom sparen durch InterSeal-Schutzschaltung

Oft vergeht von der Fertigstellung einer Baugruppe bis zur Inbetriebname beim Endkunden eine längere Zeit. Um die Batterie der Real Time Clock in dieser Zeit nicht unnötig zu entladen, sorgt eine interne Schutzschaltung, das sogenannte InterSeal, dafür, dass die Batterie so lange isoliert ist, bis die Schaltung erstmalig in Betrieb genommen wird. Soll die Batterie wieder getrennt werden, reicht es aus, die Verbindung zwischen Batterie und Echtzeitgeber kurz zu unterbrechen. Dadurch aktiviert sich die Schutzschaltung von neuem. So kann die Platine nach dem Test wieder in den Ruhemodus versetzt werden.

Automatische Sommer- und Winterzeitumstellung

Ein Problem, das zweimal im Jahr auftritt, ist die Sommer-/Winterzeitumstellung. Sie findet in Mitteleuropa jeweils am letzen Sonntag im März und am letzten Sonntag im November statt. Die neuen RTCs ISL12020/21 erledigen diese Umstellung selbstständig. Länderspezifisch lassen sich die Umstelltermine unabhängig programmieren. Nach einer erfolgten Umstellung wird zur Kontrolle in der RTC ein Flag gesetzt.

Störeinflüsse auf den externen Quarz vermeiden

Da der X1-Quarzeingang der RTC sehr hochohmig ist, koppeln hierüber sehr leicht Hochfrequenzanteile ein. Das können beispielsweise digitale Taktsignale von Datenbussen sein, die ungünstig an den Quarzeingängen vorbeiführen. Manchmal können diese Signale auch in anderen Ebenen der Platine liegen und dazu führen, dass die RTC unregelmäßige Abweichungen aufweist. Um eine Fehlfunktion zu vermeiden, sollten zum einen die Verbindungen vom Quarz zum IC so kurz wie möglich gehalten werden. Zum anderen kann ein breiter Massering um den Quarz Einkopplungen minimieren (Bild 4). Dabei sollte allerdings beachtet werden, ausreichend Abstand zu den Kontakten X1 und X2 zu halten, um die Kapazität nicht unnötig zu erhöhen.

*Martin Baumbach ist Applikationsingenieur Mitteleuropa bei Intersil.

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