實時時鐘

實時時鐘

實時時鐘的縮寫是RTC(Real_Time Clock)。RTC是集成電路,通常稱為時鐘晶元

實時時徠鍾晶元是日常生活中應用最為廣泛的消費類電子產品之一。它為人們提供精確的實時時間,或者為電子系統提供精確的時間基準,目前實時時鐘晶元大多採用精度較高的晶體振蕩器作為時鐘源。有些時鐘晶元為了在主電源掉電時,還可以工作,需要外加電池供電。

發展歷史


早期RTC產品
早期RTC產品實質是一個帶有計算機通訊口的分頻器。它通過對晶振所產生的振蕩頻率分頻和累加,得到年、月、日、時、分、秒等時間信息並通過計算機通訊口送入處理器處理。
這一時期RTC的特徵如下:在控制口線上為并行口;功耗較大;採用普通CMOS工藝;封裝為雙列直插式;晶元普遍沒有現代RTC所具有的萬年曆及閏年月自動切換功能,也無法處理2000年問題。現在已經被淘汰。
中期RTC產品
在20世紀90年代中期出現了新一代RTC,它採用特殊CMOS工藝;功耗大為降低,典型值約0.5μA以下;供電電壓僅為1.4V以下;和計算機通訊口也變為串列方式,出現了諸如三線SIO/四線SPI,部分產品採用2線I2C匯流排;包封上採用SOP/SSOP封裝,體積大為縮小。
功能上:片內智能化程度大幅提高、具有萬年曆功能,輸出控制也變得靈活多樣。其中日本RICOH推出的RTC甚至已經出現時基軟體調校功能(TTF)及振蕩器停振自動檢測功能而且晶元的價格極為低廉。目前,這些晶元已被客戶大量使用中。
最新一代RTC產品
最新一代RTC產品中,除了包含第二代產品所具有的全部功能,更加入了複合功能,如低電壓檢測,主備用電池切換功能,抗印製板漏電功能,且本身封裝更小(高度0.85mm,面積僅為2mm*2mm)。

硬體結構


晶振
晶振一般叫做晶體諧振器,是一種機電器件,晶振是石英振蕩器的簡稱,英文名為Crystal是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削並鍍上電極焊上引線做成。
晶振的徠作用:提供基準頻率。
RTC的晶振
任何實時時鐘的核心都是晶振,晶振頻率為32768Hz。它為分頻計數器提供精確的與低功耗的實際信號。它可以用於產生秒、分、時、日等信息。為了確保時鐘長期的準確性,晶振必須正常工作,不能夠受到干擾。RTC的晶振又分為:外部晶振和內置晶振。
RTC的晶振頻率為什麼是32768Hz
1.RTC時間是以振蕩頻率來計算的。故它不是一個時間器而是一個計數器。而一般的計數器都是16位的。又因為時間的準確性很重要,故震蕩次數越低,時間的準確性越低。所以必定是個高次數。2^=32768。
2.32768Hz=2^即分頻15次後為1Hz,周期=1s。
3.經過工程師的經驗總結32768Hz,時鐘最準確。
4.規範和統一。

匯流排介面


常用的時鐘晶元分為并行介面和串列介面兩大類(并行時鐘晶元數據傳送速率較快,連線多,不利於縮小產品體積,且佔用較多的CPU埠資源。串列時鐘晶元只需佔用CPU的2-3條I/O口線,可大大減小產品體積線介面。

時鐘誤差


實時時鐘晶元的時間誤差主要來源於時鐘晶元中晶振的頻率誤差,而晶振的頻率誤差主要是由於溫度變化引起的.所以,把溫度對晶振諧振頻率所產生的誤差進行有效的補償,是提高時鐘精度的關鍵.石英晶體諧振頻率誤差補償方法,是在晶振諧振頻率隨著溫度的變化存在誤差已知的基礎上,對產生1Hz頻率的分頻計數器進行精確補償的方法。
RTC最重要的功能是提供到2099年內的日曆功能,對於時間來說,無論快慢都是誤差,而匹配電容在RTC的外圍器件上起到非常重要的作用,它可以適當修正晶體與RTC之間匹配問題。

目的


舊式個人電腦的達拉斯半導體實時時鐘
舊式個人電腦的達拉斯半導體實時時鐘
一個沒有實時時鐘的系統也可以計算實際時間,不過使用實時時鐘有以下的優點:
消耗功率低(當使用輔助電源時格外重要)
讓主系統處理更需時效性的工作
有時會比其他方式的輸出要更準確
全球定位系統的接收器若配合實時時鐘,可減少其開機時所需的時間,開機時可將其得到的時間和上次接收到有效訊號的時間相比較。若二者時間相差在幾個小時以內,則上次的星曆表仍然可以有效,可以正常使用。

電源來源


實時時鐘一般會有備用電源,當主電源斷電或無法使用時,實時時鐘可利用備用電源來繼續計算時間。有些較舊系統的備用電源會用鋰電池,不過有些較新的系統會使用超級電容,其優點是可充電,而且可焊接在電路板上。備用電源也可作為非揮發性BIOS內存的電源。

時脈來源


許多實時時鐘以石英晶體諧振器為其時脈的來源,不過有些則是利用交流電源的頻率。若使用石英晶體諧振器,多半諧振器的頻率會和石英鐘中的諧振器頻率相同,為32.768kHz.。此頻率恰為每秒215次,方便配合簡單的二進位計數器一起使用。

實例


標示ODIN的IC是一個實時時鐘,可和達拉斯半導體實時時鐘相容
標示ODIN的IC是一個實時時鐘,可和達拉斯半導體實時時鐘相容
許多集成電路供應商都有販售實時時鐘,例如精工愛普生、英特硅爾、Maxim、恩智浦半導體、德州儀器及意法半導體等。第一台使用實時時鐘的個人電腦是1984年的IBM PC AT,使用的是MC146818的實時時鐘,後來達拉斯半導體也開發了相容的實時時鐘,常用在早期的個人電腦中。較晚期的電腦常會將實時時鐘在南橋晶元中。
有些具有許多周邊的單片機也會內建實時時鐘的功能。