實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 不斷發(fā)展，通過(guò)變得更小、更準(zhǔn)確來(lái)跟上其使用和應(yīng)用的變化。這種演變和適應(yīng)背后的主要驅(qū)動(dòng)力是一種新的諧振器技術(shù)——微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。本應(yīng)用筆記探討了計(jì)時(shí)精度的進(jìn)步，并探討了更精確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘的趨勢(shì)、概念和特性。

介紹

許多人認(rèn)為，沒(méi)有比更精確的計(jì)時(shí)更好的方法來(lái)改善工業(yè)控制和自動(dòng)化了。問(wèn)題和好處不僅僅在于一天中的時(shí)間信息。高度精確的計(jì)時(shí)將在許多方面增強(qiáng)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從任務(wù)和維護(hù)的簡(jiǎn)單調(diào)度開始。更重要的是，使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）進(jìn)行精確計(jì)時(shí)使工業(yè)系統(tǒng)能夠更加自主地運(yùn)行，有助于確保系統(tǒng)滿足運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，專注于預(yù)定結(jié)果，從而最大限度地降低成本。當(dāng)然，RTC 必須以盡可能高的精度提供所有這些信息。

準(zhǔn)確的時(shí)間安排 — 需求是永恒的

無(wú)論當(dāng)今的應(yīng)用程序多么復(fù)雜，良好的老式時(shí)序仍然非常重要。在某些情況下，時(shí)機(jī)甚至至關(guān)重要。這就是為什么我們看到對(duì)更精確的RTC的穩(wěn)定需求。 計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性可以直接影響金融活動(dòng)，提供可能影響法律或刑事案件的時(shí)間取證，影響無(wú)數(shù)行業(yè)和應(yīng)用程序的記錄保存，或者只是提高服務(wù)質(zhì)量。

為什么準(zhǔn)確性如此重要？最重要的答案并不總是顯而易見的。高精度RTC將允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)半自主系統(tǒng)控制，而無(wú)需所有相關(guān)系統(tǒng)資源與時(shí)間聯(lián)網(wǎng)。想象一下照明控制系統(tǒng)，在整個(gè)繁忙的工業(yè)園區(qū)中，需要在一天中的特定時(shí)間打開或關(guān)閉燈光。使用可編程 RTC 進(jìn)行精確計(jì)時(shí)是一種簡(jiǎn)單的解決方案，因?yàn)檫@些時(shí)鐘消除了將每個(gè)照明設(shè)備連接到單個(gè)網(wǎng)絡(luò)定時(shí)資源的需要。RTC 簡(jiǎn)化了整個(gè)建筑物中布線網(wǎng)絡(luò)資源的復(fù)雜性;它們可以取代復(fù)雜的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)通常需要初始定制以確保正常運(yùn)行和連接，然后需要長(zhǎng)期維護(hù)以實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)行。

雖然對(duì)精確時(shí)序的需求實(shí)際上很簡(jiǎn)單，但滿足這些要求的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)卻并非如此?，F(xiàn)在，最好的RTC通常提供高精度解決方案（<0.5s/天），可在-40°C至+85°C的寬工作溫度范圍、低功耗、高性價(jià)比的價(jià)格和小型封裝下工作。如今，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了最小、最精確、最堅(jiān)固的時(shí)鐘。

高精度 RTC 的演變

業(yè)界首款32.768kHz溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）于1999年問(wèn)世，在-20°C至+70°C范圍內(nèi)提供每年±2分鐘的計(jì)時(shí)精度。到2005年，通過(guò)創(chuàng)新的封裝技術(shù)和改進(jìn)的溫度傳感器功能相結(jié)合，一個(gè)極其精確的溫度傳感器。2推出C集成RTC/TCXO/晶體DS3231S。DS3231S被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)業(yè)界最精確的RTC，將32kHz音叉晶體集成到高度可靠的16引腳、300 mil SO封裝中。這種高度集成的RTC在-40°C至+85°C的溫度范圍內(nèi)提供低于±3.5ppm的頻率精度，相當(dāng)于小于±0.3ss/天。它為時(shí)鐘精度設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)。

就在四年前，只有兩家公司提供精度為0.5秒/天的RTC，>。應(yīng)用要求更小的封裝、更低的成本、更高的精度標(biāo)準(zhǔn)和更大的耐用性。該設(shè)計(jì)工作的高潮是基于MEMS技術(shù)的新一代RTC。DS3231M于2010年推出，集成了TCXO和MEMS諧振器，精度為±5ppm。這改變了評(píng)估準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的整個(gè)構(gòu)成。

除了準(zhǔn)確性問(wèn)題之外，當(dāng)今的 RTC 還包括獨(dú)立的時(shí)間鬧鐘;用戶可配置內(nèi)存，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)信息;精確的溫度傳感，以提供有關(guān)熱環(huán)境條件的建議;為關(guān)鍵系統(tǒng)事件加蓋時(shí)間戳的能力;和簡(jiǎn)單的時(shí)間信息。至少有六家公司制造精確的RTC。 潛在的任何工業(yè)控制或自動(dòng)化操作都可以使用某種形式的精確計(jì)時(shí)。

MEMS的演進(jìn)

MEMS挑戰(zhàn)了基于晶體設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)局限性。由于其尺寸，與圓柱形晶體相比，MEMS技術(shù)可以節(jié)省大量空間。單個(gè)MEMS諧振器的面積比圓柱形晶體少47倍，體積小182倍。因此，RTC 的近似面積下降了一半以上。由于從標(biāo)準(zhǔn)圓柱形晶體過(guò)渡到小型陶瓷32.768kHz晶體，以及Maxim MEMS諧振器的極小尺寸，尺寸的大幅減小成為可能。

MEMS諧振器的老化可以忽略不計(jì)（壽命<1ppm）?；诰w的時(shí)鐘具有每年±1ppm的典型老化特性。MEMS諧振器的沖擊和振動(dòng)特性明顯更加穩(wěn)健。MEMS諧振器在機(jī)械沖擊（高達(dá)2900g;6軸×5次沖擊，JESD22-B104C條件H）和振動(dòng)（可變頻率為20g;20/2000Hz，JESD22-B103B條件1）下具有可證明的性能。 這種堅(jiān)固的性能沒(méi)有大于±1ppm的可辨別頻率擾動(dòng)。最后，基于MEMS的RTC的總精度為壽命精度和穩(wěn)定性< ±5ppm。

時(shí)鐘的未來(lái)是MEMS

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，時(shí)鐘將需要進(jìn)一步減小尺寸和成本，并提高精度。MEMS技術(shù)將為工業(yè)、汽車、智能電網(wǎng)和醫(yī)療市場(chǎng)的更大細(xì)分市場(chǎng)的RTC實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)。

審核編輯：郭婷