DS1302不準(zhǔn)？Dallas RTC晶振選型指導(dǎo)
Dallas半導(dǎo)體公司供應(yīng)各種實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），其中大多數(shù)是以集成電路或模塊的形式提供。模塊包括封裝在一起的RTC芯片、晶振和鋰電池。
本應(yīng)用說(shuō)明旨在幫助那些選擇使用Dallas的RTC芯片而不是模塊的客戶，它們需要去選擇自己的晶振。（我：如果錢(qián)夠就用DS3231，省事又好用）
本文所包含的信息將有助于最大限度地提高精確度，并確保Dallas?RTC的正常運(yùn)行。幫助客戶選擇正確的晶振來(lái)使用，并提供一些在PCB布局上放置晶振時(shí)應(yīng)遵循的基本準(zhǔn)則。本應(yīng)用說(shuō)明還將包括一個(gè)關(guān)于溫度對(duì)RTC精度影響的基本討論。還包括一個(gè)關(guān)于振蕩器問(wèn)題的故障排除的部分。
A.????晶振選型
任何由基于晶振的振蕩器，其頻率幾乎完全取決于所用晶振的特性。
選擇一個(gè)符合設(shè)計(jì)要求的晶振是很重要的。有一說(shuō)一，指定的負(fù)載電容（CL）是一個(gè)經(jīng)常被忽視的關(guān)鍵晶振參數(shù)。
這個(gè)參數(shù)指定了為使晶振在其標(biāo)稱頻率下振蕩，必須放在晶振引腳上的電容負(fù)載。
晶振生產(chǎn)商實(shí)際上是對(duì)晶振進(jìn)行 "修整"，使其在給的指定負(fù)載電容下以其額定頻率振蕩。請(qǐng)注意，CL是晶振需要從振蕩器電路中 "看到 "的電容，它不是晶振本身的電容。
注意:
Dallas的RTC集成電路具有片上偏置穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載電容，無(wú)需使用外部電阻或電容。
如前所述，晶振 "看到 "的負(fù)載電容是由于振蕩電路本身的電容造成的。因此，振蕩電路的負(fù)載電容的任何變化都會(huì)對(duì)該振蕩器的頻率產(chǎn)生影響。同樣，所用晶振的CL與電路實(shí)際要求的負(fù)載電容不同，也會(huì)影響振蕩器的頻率。
一般來(lái)說(shuō)，給晶振配CL值大于振蕩器電路的負(fù)載電容，會(huì)導(dǎo)致振蕩器的運(yùn)行速度超過(guò)晶振的額定頻率。反之，給晶振配CL值小于振蕩器電路的負(fù)載電容，將導(dǎo)致振蕩器的運(yùn)行速度慢于晶振的額定頻率。
大多數(shù)Dallas的RTC在晶振輸入引腳上的內(nèi)部電容為6 pF。Dallas最近推出的RTC產(chǎn)品也有支持12.5 pF電容的，或者可通過(guò)軟件配置為6 pF或12.5 pF。
為了科學(xué)操作和保證精度，應(yīng)該使用符合零件要求的晶振。如上所述，使用錯(cuò)誤的CL搭配晶振會(huì)導(dǎo)致振蕩器運(yùn)行得快或慢。Dallas定量特性分析已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)。
例如，對(duì)為6 pF晶振設(shè)計(jì)的DS1485的定量特性分析表明，當(dāng)使用12 pF晶振時(shí)，該器件在室溫（25°C）下走時(shí)變快約4分鐘/月。當(dāng)使用6 pF晶振時(shí)，該器件的精度在±30秒/月之內(nèi)。
有幾家供應(yīng)商提供可與Dallas的RTC一起使用的晶振。這些供應(yīng)商包括Epson和KDS/Daiwa。也可以使用其他晶振生產(chǎn)商的同等晶振。作為參考，推薦的晶振特性見(jiàn)表1。
B.????晶振負(fù)載補(bǔ)償
Dallas不建議使用CL值不符合RTC規(guī)格的晶振，因?yàn)檫@將降低時(shí)鐘的精度。
然而，我們發(fā)現(xiàn)，客戶有時(shí)會(huì)選擇使用12.5 pF的晶振與我們的6 pF RTC配合使用。對(duì)于這種情況，改善CL不匹配造成的精度下降還是有辦法的。
這可以通過(guò)增加晶振 "看到"的負(fù)載電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，將一個(gè)電容與晶振并聯(lián)。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，近似要并聯(lián)的電容值等于晶振的負(fù)載電容（CL）減去6 pF（RTC振蕩電路的近似負(fù)載電容）。
例如，如果使用的是12 pF的晶振(而RTC要求使用6PF的)，則應(yīng)在晶振上再并聯(lián)一個(gè)6 pF的電容，以提高振蕩器的精度。
因?yàn)橐粋€(gè)12 pF的晶振被晶振生產(chǎn)商調(diào)整為在12 pF的負(fù)載下，才以其標(biāo)定的頻率進(jìn)行振蕩。
所以，在振蕩器電路的6 pF負(fù)載上添加一個(gè)6 pF的電容，用來(lái)補(bǔ)償晶振要在額定頻率下振蕩所需的負(fù)載。
如前所述，CL大于6 pF的晶振可以用一個(gè)外部電容進(jìn)行補(bǔ)償，以提高精度。然而，應(yīng)該注意的是，由于振蕩器反饋路徑中的電容增加，振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間（從上電初始化到振蕩器穩(wěn)定的時(shí)間）將增加。這個(gè)電容減少了振蕩器的環(huán)路增益，這反過(guò)來(lái)又增加了啟動(dòng)時(shí)間。例如，定量分析表明，6 pF晶振的啟動(dòng)時(shí)間通常小于幾百毫秒，但當(dāng)使用12 pF晶振和6 pF電容并聯(lián)時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間可能增加至一到兩秒。
C.????噪聲和晶振布局指南
由于Dallas的RTC的晶振輸入具有非常高的阻抗（約109歐姆），晶振的引線就像非常好的天線，從系統(tǒng)的其他部分耦合高頻信號(hào)。如果一個(gè)信號(hào)被耦合到晶振引腳上，它可以抵消或增加脈沖。由于電路板上的大多數(shù)信號(hào)都比32.768kHz晶振的頻率高得多，所以它更有可能在不需要的地方增加脈沖。這些噪聲脈沖被算作額外的時(shí)鐘 "滴答"，使時(shí)鐘看起來(lái)運(yùn)行得很快。
很容易確定RTC不準(zhǔn)確是否是噪聲導(dǎo)致的，下面的步驟說(shuō)明了怎么做到這一點(diǎn)。
給系統(tǒng)上電，將RTC與已知的精確時(shí)鐘同步。
關(guān)掉系統(tǒng)電源。
等待一段時(shí)間（兩小時(shí)，24小時(shí)，等等）。時(shí)間越長(zhǎng)，就越容易測(cè)量時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。
再次打開(kāi)系統(tǒng)，讀取時(shí)鐘，并與已知的精確時(shí)鐘進(jìn)行比較。
將RTC與已知的精確時(shí)鐘重新同步。
保持系統(tǒng)通電，并等待與步驟3相等的時(shí)間。
在等待上述時(shí)間段后讀取時(shí)鐘，并與已知的精確時(shí)鐘進(jìn)行比較。
通過(guò)使用上述步驟，時(shí)鐘的準(zhǔn)確性可以在系統(tǒng)上電和系統(tǒng)斷電時(shí)確定。如果事實(shí)證明時(shí)鐘在系統(tǒng)上電時(shí)不準(zhǔn)確，但在系統(tǒng)斷電時(shí)卻很準(zhǔn)確，那么這個(gè)問(wèn)題很可能是由于系統(tǒng)中其他信號(hào)的噪聲造成的。然而，如果時(shí)鐘在系統(tǒng)通電和斷電時(shí)都不準(zhǔn)確，那么這個(gè)問(wèn)題就不是由于系統(tǒng)的噪聲造成的。
由于噪聲有可能被耦合到晶振引腳上，因此在PCB布局上放置外部晶振時(shí)必須注意。遵循一些關(guān)于晶振在PCB布局上的基本布局準(zhǔn)則是非常重要的，以確保額外的時(shí)鐘 "滴答 "不會(huì)耦合到晶振引腳上。
盡可能地將晶振靠近X1和X2引腳相當(dāng)重要。保持晶振和RTC之間的導(dǎo)線長(zhǎng)度盡可能小，通過(guò)減少 "天線 "的長(zhǎng)度來(lái)減少噪聲耦合的可能性。保持較小的導(dǎo)線長(zhǎng)度還可以減少雜散電容的數(shù)量。
保持X1和X2引腳上的晶振鍵合焊盤(pán)和走線寬度盡可能小。這些焊盤(pán)和導(dǎo)線越大，就越有可能從鄰近的信號(hào)中耦合出噪聲。
如果可能的話，在晶振周圍放置一個(gè)保護(hù)環(huán)（接地）。這有助于將晶振與鄰近信號(hào)耦合的噪聲隔離開(kāi)來(lái)。見(jiàn)圖2為在晶振周圍使用保護(hù)環(huán)的圖示。
盡量確保其他PCB層的信號(hào)不直接在晶振的下面或在X1和X2引腳的下面走。晶振與電路板上的其他信號(hào)隔離得越多，噪聲就越不可能被耦合到晶振上。任何數(shù)字信號(hào)和連接到X1或X2的線路之間應(yīng)該至少有0.200英寸的間距(0.5cm)。RTC應(yīng)與任何產(chǎn)生電磁輻射（EMR）的元件隔離。這對(duì)分立和模塊型RTC都是如此。
將局部接地平面放置在晶振正下方的PCB層上也可能有所幫助。這有助于將晶振與其他PCB層上的信號(hào)的噪聲耦合隔離。注意，接地平面只需要在晶振附近，而不是在整個(gè)電路板上。注意，地平面的周長(zhǎng)不需要大于保護(hù)環(huán)的外周長(zhǎng)。
請(qǐng)注意，必須注意使用本地地平面，因?yàn)樗肓穗s散電容。跡線/焊盤(pán)和接地平面之間的電容被添加到內(nèi)部負(fù)載電容器（CL1和CL2）。因此，在考慮添加局部地平面時(shí)必須考慮一些因素。例如，由接地平面引起的電容可以通過(guò)以下等式近似：
C =εA/ t，其中
ε= PCB的介電常數(shù)
A =跡線/焊盤(pán)的面積
t = PCB層的厚度因此，為了確定地平面是否適合于給定的設(shè)計(jì)，必須考慮上述參數(shù)以確保來(lái)自本地地平面的電容不會(huì)大到減慢時(shí)鐘。
D.????溫度條件下的時(shí)鐘精度
一個(gè)RTC的準(zhǔn)確性直接取決于晶振的頻率。因此，由于晶振的諧振頻率取決于溫度，RTC也將取決于溫度。晶振的諧振頻率用以下基本公式表示：
f = f0 + k * (T - T0)2
f0 = 標(biāo)稱頻率
k = 拋物線曲率常數(shù)
T0 = 拐點(diǎn)溫度
T = 溫度
上述參數(shù)的值可以在所使用的晶振的數(shù)據(jù)表中找到。圖3顯示了Daiwa晶振的溫度特性，其中f0 = 32.768 kHz,k = -0.042 ppm/℃，T0 = 23℃。從該圖中可以看出，頻率與溫度呈拋物線關(guān)系；當(dāng)溫度偏離理想的23℃時(shí)，晶體頻率變得越來(lái)越慢。
圖4顯示了同樣的基本曲線；但是，Y軸已經(jīng)改變，顯示了在23℃時(shí)與晶振的額定頻率的頻率偏差（單位為ppm）。這條曲線更清楚地說(shuō)明了晶振的頻率將如何影響時(shí)鐘的精度。23ppm的頻率偏差轉(zhuǎn)化為每月約±1分鐘的精度?？紤]到這一點(diǎn)，快速瀏覽一下圖4就可以得到在特定溫度下的大致預(yù)期精度。
上述信息應(yīng)有助于提供一個(gè)基本的理解，即溫度將如何影響Dallas的RTC。
E.????故障處理
本節(jié)是對(duì)造成RTC不準(zhǔn)確的最常見(jiàn)原因的一個(gè)總結(jié)。這些問(wèn)題大部分在前面已經(jīng)提到過(guò)，但在此重復(fù)一下，作為快速參考。本節(jié)被分為三個(gè)部分。第一部分將考慮導(dǎo)致RTC運(yùn)行過(guò)快的因素，第二部分將考慮導(dǎo)致RTC運(yùn)行過(guò)慢的因素。第三部分涉及到時(shí)鐘不運(yùn)行的排查。
時(shí)鐘偏快
從鄰近信號(hào)耦合到晶振的噪聲。這個(gè)問(wèn)題在上面已經(jīng)有了廣泛的介紹。噪聲耦合通常會(huì)導(dǎo)致RTC的嚴(yán)重不準(zhǔn)確。
錯(cuò)誤的晶振：如果使用負(fù)載電容（CL）大于6 pF的晶振，RTC通常會(huì)快速運(yùn)行。誤差的嚴(yán)重程度取決于CL的值。例如，使用CL為12 pF的晶振將導(dǎo)致RTC每月快3-4分鐘左右。
時(shí)鐘偏慢
RTC輸入引腳上的過(guò)沖。通過(guò)周期性地停止振蕩器可以使RTC運(yùn)行緩慢。這可能是由于到RTC的噪聲輸入信號(hào)而無(wú)意中完成的。如果輸入信號(hào)上升到大于V?DD以上的二極管壓降（~0.3V）的電壓，則輸入引腳的ESD保護(hù)二極管將正向偏置，從而使基板充滿電流。這反過(guò)來(lái)會(huì)使振蕩器停止，直到輸入信號(hào)電壓降至低于VDD以上的二極管壓降。
錯(cuò)誤的晶振。如果具有指定CL的晶振小于RTC?的CL，則RTC通常運(yùn)行緩慢。不準(zhǔn)確性的嚴(yán)重程度取決于CL的值。
雜散電容。晶振引腳和/或地之間的雜散電容會(huì)降低RTC的速度。因此，在設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)必須小心，以確保雜散電容保持最小。
溫度。工作溫度越遠(yuǎn)離晶振轉(zhuǎn)換溫度，晶振振蕩越慢。
時(shí)鐘不走
當(dāng)時(shí)鐘不運(yùn)行時(shí)，最常見(jiàn)的問(wèn)題是CH（時(shí)鐘停止）或EOSC（使能振蕩器）位沒(méi)有按照要求被設(shè)置或清除。許多Dallas的RTC包括一個(gè)電路，當(dāng)?shù)谝淮瓮姇r(shí)，將保持振蕩器不運(yùn)行。這使得系統(tǒng)可以等待向客戶發(fā)貨，而不需要從備用電池中獲取電力。當(dāng)系統(tǒng)首次通電時(shí)，軟件/固件必須啟用振蕩器并提示用戶正確的時(shí)間和日期。
由水汽、清除不徹底的焊劑或其他負(fù)載引起的寄生負(fù)載會(huì)使振蕩器無(wú)法運(yùn)行。
電源引腳浮空。許多Dallas的RTC有多個(gè)電源輸入。任何未使用的輸入，如 Vbat，必須接地。如果一個(gè)電源引腳處于浮空狀態(tài)，與RTC的通信可能無(wú)法進(jìn)行。
表面貼裝晶振可能有一些N/C（無(wú)連接）引腳。請(qǐng)確保晶振的正確引腳與X1和X2引腳相連。請(qǐng)注意，Dallas的RTC的振蕩器電路是低功率的；而振蕩器輸入引腳的信號(hào)可能只有幾百毫伏的峰峰值。
