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Zeit- und Datumsinformationen Worauf Sie bei Real-Time-Clock- Anwendungen achten sollten

| Autor / Redakteur: Roland Häni, Gerd Reinhold * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

In zahlreichen Applikationen werden Zeit- und Datumsinformationen benötigt. Dieser Beitrag beschreibt verschiedene Lösungsansätze und zeigt die jeweiligen Vor- und Nachteile auf.

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RTCs: Echtzeituhrenmodule gibt es in unterschiedlichsten Keramikgehäusen
RTCs: Echtzeituhrenmodule gibt es in unterschiedlichsten Keramikgehäusen
(Bild: WDI)

Viele Anwendungen benötigen 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. Allen Anwendungen gemeinsam ist, dass Zeit- und Datumsfunktion nicht die Haupt-, sondern eher eine Zusatzfunktion ist. Alleine schon aus diesem Grund ist der Kostendruck auf diese Komponenten besonders groß.

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Die sicher kostengünstigste Lösung ist, wenn der verwendete Mikro-Controller die benötigte Oszillator-Schaltung und die Real-Time-Funktion bereits integriert hat. Die Kosten für einen externen 32,768-kHz-Schwingquarz als Taktgeber und allenfalls einige passive Komponenten für die Oszillatorschaltung sind im zweistelligen Cent-Bereich konkurrenzlos niedrig.

Real-Time-Clock-ICs lassen sich einfach integrieren

Für Anwendungen, bei denen keine integrierte Echtzeituhr-Funktion zur Verfügung steht, bieten zahlreiche Hersteller so genannte RTC-ICs an. Für die einfache Integration in eine bestehende Systemumgebung sind RTC-ICs mit allen gängigen seriellen Schnittstellen verfügbar - vom populären I2C-Interface bis hin zur 3-Wire- 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.

RTC-ICs benötigen einen externen Schwingquarz

Diese Lösungen benötigen alle einen externen Schwingquarz, auch Uhrenquarze oder Stimmgabelquarze genannt. Aus der Frequenz von 32,768 kHz lässt sich durch Teilung sehr einfach ein 1-Sekunden-Takt realisieren. Zudem bieten Schwingquarze den Vorteil eines sehr niedrigen Stromverbrauchs von <1 μA. Speziell in der Kfz-Elektronik wurden bis dato auch so genannte AT-Quarze mit 4,194 MHz für die Uhrenfunktion eingesetzt – aus Kostengründen und wegen der besseren Frequenzstabilität über den Temperaturbereich. Solche AT-Quarz-Lösungen haben allerdings einen deutlich höheren Stromverbrauch. Deshalb findet bei diesen Anwendungen momentan ein Umdenken statt – weg von AT-Quarz-basierten hin zu temperaturkompensierten, RTC-Modulen auf Stimmgabenquarzbasis.

Quarz und Oszillator müssen aufeinander abgestimmt sein

Um die bestmögliche Performance bezüglich Gangabweichung, Stromverbrauch und Anschwingsicherheit über den Temperaturbereich zu erreichen, müssen die Quarzspezifikation und die Oszillatorschaltung exakt aufeinander abgestimmt werden. Dazu bedarf es vertiefter Kenntnisse über Quarze und Oszillatordesign. Aus den Spezifikationen der einzelnen Komponenten kann nicht einfach die Gesamtperformance abgeleitet werden. Es genügt nicht, wenn die Schaltung bei Raumtemperatur mal gerade eben so funktioniert, es sollte genügend Reserve vorhanden sein, um Worst-Case-Toleranzen der eingesetzten Komponenten aufzufangen und eine sichere Funktion über den gesamten Temperaturbereich zu gewährleisten.

Einfluss der Lastkapazität auf die Oszillatorcharakteristik

Für den Betrieb von tieffrequenten Stimmgabelquarzen kommen fast ausschließlich Pierce-Oszillatoren (Bild 1) zum Einsatz. Die dazugehörenden passiven Komponenten sind manchmal komplett oder teilweise integriert, ansonsten müssen diese extern beschaltet werden. Bild 2 zeigt das Ersatzschaltbild des Quarzes.

Die Charakteristik einer Oszillatorschaltung wird hauptsächlich von der Lastkapazität der Oszillatorschaltung und vom Leistungsvermögen des integrierten Verstärkers bestimmt. Beim Pierce-Oszillator ist der aktive Verstärker ein Inverter und ist für die Anschwingreserve verantwortlich. Die beiden Last-Kapazitäten CD und CD bestimmen die Lastkapazität der Oszillatorschaltung und beeinflussen direkt die Ganggenauigkeit. Die beiden Lastkapazitäten sind in Serie geschaltet und lassen sich einfach berechnen. Schwieriger ist die Ermittlung der parasitären Kapazitäten CSTRAY von Platine, IC-Gehäuse und ESD-Schutzschaltung, die für die gesamte Lastkapazität CL der Oszillatorschaltung mit berücksichtigt werden müssen (siehe Formel Bild 3).

Lastkapazität auf die Quarz-Spezifikation optimieren

Um die optimale 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.

Fehlanpassung verursacht Oszillator-Offset

Bild 4 zeigt das Beispiel einer Fehlanpassung der Oszillator-Lastkapazität von CL = 8,5 pF auf die spezifizierte Lastkapazität CL = 12,5 pF des Quarzes. Wie aus dem Bild hervorgeht, führt diese Fehlanpassung zu einem Frequenz-Offset von +33 ppm. Beim Einsatz eines Quarzes mit einer Standardtoleranz von ±20 ppm, ist eine Gangabweichung bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C von +13,3 bis +53,3 ppm zu erwarten. Dies ist nur eine Abschätzung der Gangabweichung, bei einer Worst-Case-Betrachtung müssen die Toleranzen der verwendeten Lastkapazitäten zusätzlich berücksichtigt werden.

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