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Quarzoszillatoren So einfach lassen sich äußerst genaue Echtzeit-Timer realisieren

Autor / Redakteur: Roland Petermann * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Sehr genaue Zeitstempel oder Timer sind eine echte Herausforderung für Entwickler. Wir verraten Ihnen, warum das so ist, und wie leicht sich diese Aufgabe mit temperaturkompensierten RTC-ICs bewältigen lässt.

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Ermöglichen den Aufbau extrem genauer Echtzeit-Timer: Die RTC-Bausteine RTC1010 mit integriertem Quarz und digital temperaturkompensiertem Oszillator.
Ermöglichen den Aufbau extrem genauer Echtzeit-Timer: Die RTC-Bausteine RTC1010 mit integriertem Quarz und digital temperaturkompensiertem Oszillator.
(Bild: Petermann-Technik)

Für hochgenaue Zeitstempel und Timer sind in ICs integrierte RTCs (Real Time Clocks) oder Single-Chip-RTCs ohne integrierte DTCXO-Funktion (Digital Temperature Compensated Crystal Oscillator) meist ungeeignet. Basierend auf Praxiserfahrungen beschreibt der Clocking-Spezialist Petermann-Technik, warum dies so ist und stellt einen RTC mit integriertem Quarz und DTCXO-Funktion vor.

32,768-kHz-Quarze zum Takten von Armbanduhren

Zum Takten von Armbanduhren wurde Ende der 1960er-Jahre der 32,768-kHz-Quarz entwickelt. Der billig zu fertigende Schwingquarz kommt der Periodendauer einer Unruh aus einem mechanischen Uhrwerk möglichst nahe und seine Frequenz kann von einem IC leicht auf 1 Hz runtergeteilt werden. Als Resultat dieser Vorgaben ist ein Stimmgabelquarzresonator mit 32,768 kHz entstanden, der früher hauptsächlich in runden Metallgehäusen, heute auch in rechteckigen miniaturisierten SMD-Keramikgehäusen geliefert wird.

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Während der Konzeption des 32,768-kHz-Quarzes wurde festgestellt, dass eine am Handgelenk getragene Uhr eine durchschnittliche Eigenerwärmung von ca. 25 °C aufweist. Wer sich mit 32,768-kHz-Quarz-Datenblättern befasst, stellt einen Nulldurchgang der Frequenzabweichung im Bereich von 25 °C mit ±5 °C Schwankungsbreite fest (Bild 1). Anders als bei einem 1-MHz-Quarz, der über ein sinusförmiges Temperaturverhalten verfügt, weist der 32,768-kHz-Quarz ein Temperaturverhalten auf, das einer nach unten offenen Parabelkurve entspricht. Wird ein Quarz über –40 bzw. 85 °C betrieben, beträgt der Frequenzversatz mindestens –160 ppm, was einer Zeitabweichung von mindestens 428 Sekunden pro Monat entspricht. Bei –20/+70 °C beträgt sie mindestens –80 ppm, was eine Zeitabweichung von mindestens 214 Sekunden pro Monat ausmacht.

Mehrere Einflüsse auf die Frequenzgenauigkeit

Neben dem Temperaturverhalten wird die Zeitgenauigkeit einer Applikation von der Ziehempfindlichkeit in ppm/pF des verwendeten 32,768-kHz-Quarzes beeinflusst. Streut die Oszillatorstufe der verwendeten Real Time Clocks (RTCs) – manche weisen ein Delta von 20 pF auf – kommen nochmal ca. 7 bis 10 ppm/pF Frequenzversatz hinzu, abhängig von der Lastkapazität des 32,768 kHz-Quarzes. Dies bedeutet nochmals ca. 140 bis 200 ppm Frequenzversatz zusätzlich zur Temperaturdrift. Weiterhin ist bei der Zeitgenauigkeitsbetrachtung die Alterung mit durchschnittlich ±3 ppm/Jahr zu berücksichtigen.

Manche IC-RTC-Hersteller empfehlen den Abgleich der Frequenz über Trimmkapazitäten – ein riesiger Aufwand, da der 32,768-kHz-Quarz für jede RTC einzeln abgeglichen werden muss.

Ein Frequenzabgleich bringt nur wenig

Durch den Abgleich kann aber nur die Frequenztoleranz bei 25 °C korrigiert werden. Auch wenn die Frequenzgenauigkeit des Quarzes bei 25 °C über die Beschaltung abgeglichen wurde, bleiben die Temperaturdrift und die Alterung immer noch übrig und beeinflussen die Zeitgenauigkeit der Applikation sehr negativ.

Als Faustregel kann angenommen werden, dass 1 ppm Frequenzversatz rund 3 Sekunden Zeitfehler pro Monat bedeuten. Bei einer abgeglichenen RTC im Arbeitstemperaturbereich von –40/+85 °C würde der Zeitfehler immer noch 428 Sekunden/Monat betragen, rechnet man die Alterung über 10 Jahre linear hinzu, werden nochmals 30 ppm = 90 Sekunden Zeitfehler/Monat beaufschlagt. Von den Eigenschaften eines 32,768-kHz-Quarzes aus betrachtet, ist dieser Quarz zur Erzeugung eines genauen RTC-Timing gänzlich ungeeignet.

Kompakte RTC-ICs mit DTCXO-Funktion

Um eine sehr genaue RTC-Zeit erzielen zu können, bietet Petermann-Technik die RTC1010 mit integriertem Quarz und digital temperaturkompensierten Quarzoszillator (DTCXO, Digital Temperature Compensated Crystal Oscillator) an. In der RTC1010 wird das eingangs beschriebene Verhalten des 32,768-kHz-Quarzes über ein digitales Kompensationsnetzwerk ausgeglichen, so dass eine hochgenaue RTC-Zeit realisiert werden kann.

Über –40/+85 °C beträgt die Temperaturstabilität der RTC1010 ±5 ppm, was einen hochgenauen Zeitversatz von 15 Sekunden absolut über die Temperatur ermöglicht. Damit ist mit der RTC1010 von der Petermann-Technik ein extrem genaues Applikations-Timing für höchstgenaue Zeitstempel möglich. Darüber hinaus verfügt die RTC1010 über ein 400-kHz-I2C-Bus-Interface und über einen einstellbaren Frequenzausgang, der wahlweise hochgenaue Ausgangsfrequenzen (CMOS) mit 32,768 kHz, 1,024 kHz oder 1 Hz zur Verfügung stellt, die man zum Takten von PLLs oder zur Generierung weiterer Systemfrequenzen verwenden kann.

Bausteine mit extrem niedrigem Stromverbrauch

Die RTC1010 im kompakten 14-Pin-Kunststoffgehäuse (Bild 2) kann in einem Versorgungsspannungsbereich von 1,6 bis ca. 5,5 V betrieben werden. Typisch sind 3,0 V. Bei einer Versorgungsspannung von +3,0 V beträgt der Stromverbrauch der RTC1010 weniger als 1,8 µA. Die RTC ist damit auch für batteriebetriebene Applikationen geeignet.

Neben dem RTC-IC verfügt Petermann-Technik über ein sehr breites Produktspektrum an 32,768-kHz-Quarzen, mit Frequenztoleranzen von ±10 ppm bei 25 °C. Darüber hinaus gehören zum Portfolio Schwingquarze für andere Frequenzbereiche, Oszillatoren und Keramikresonatoren. Abgerundet wird der Leistungskatalog mit Schaltungsentwicklung, -analysen, -simulationen, Matchingtests, u. v. m.

* Roland Petermann ist Managing Director bei der Petermann-Technik GmbH in Landsberg am Lech.

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