實(shí)時時鐘 （RTC） 不斷發(fā)展，通過變得更小、更準(zhǔn)確來跟上其使用和應(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)時精度的進(jìn)步，并探討了更精確的實(shí)時時鐘的趨勢、概念和特性。

介紹

許多人認(rèn)為，沒有比更精確的計(jì)時更好的方法來改善工業(yè)控制和自動化了。問題和好處不僅僅在于一天中的時間信息。高度精確的計(jì)時將在許多方面增強(qiáng)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從任務(wù)和維護(hù)的簡單調(diào)度開始。更重要的是，使用實(shí)時時鐘（RTC）進(jìn)行精確計(jì)時使工業(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)確的時間安排 — 需求是永恒的

無論當(dāng)今的應(yīng)用程序多么復(fù)雜，良好的老式時序仍然非常重要。在某些情況下，時機(jī)甚至至關(guān)重要。這就是為什么我們看到對更精確的RTC的穩(wěn)定需求。 計(jì)時準(zhǔn)確性可以直接影響金融活動，提供可能影響法律或刑事案件的時間取證，影響無數(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，而無需所有相關(guān)系統(tǒng)資源與時間聯(lián)網(wǎng)。想象一下照明控制系統(tǒng)，在整個繁忙的工業(yè)園區(qū)中，需要在一天中的特定時間打開或關(guān)閉燈光。使用可編程 RTC 進(jìn)行精確計(jì)時是一種簡單的解決方案，因?yàn)檫@些時鐘消除了將每個照明設(shè)備連接到單個網(wǎng)絡(luò)定時資源的需要。RTC 簡化了整個建筑物中布線網(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，然后需要長期維護(hù)以實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)行。

雖然對精確時序的需求實(shí)際上很簡單，但滿足這些要求的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)卻并非如此。現(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年問世，在-20°C至+70°C范圍內(nèi)提供每年±2分鐘的計(jì)時精度。到2005年，通過創(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。這改變了評估準(zhǔn)確計(jì)時的整個構(gòu)成。

除了準(zhǔn)確性問題之外，當(dāng)今的 RTC 還包括獨(dú)立的時間鬧鐘;用戶可配置內(nèi)存，用于存儲系統(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)事件加蓋時間戳的能力;和簡單的時間信息。至少有六家公司制造精確的RTC。 潛在的任何工業(yè)控制或自動化操作都可以使用某種形式的精確計(jì)時。

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）。基于晶體的時鐘具有每年±1ppm的典型老化特性。MEMS諧振器的沖擊和振動特性明顯更加穩(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（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)固的性能沒有大于±1ppm的可辨別頻率擾動。最后，基于MEMS的RTC的總精度為壽命精度和穩(wěn)定性< ±5ppm。

時鐘的未來是MEMS

從長遠(yuǎn)來看，時鐘將需要進(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)療市場的更大細(xì)分市場的RTC實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)。

審核編輯：郭婷