Für Geräte ohne Netzwerkanschluss

Präzise Zeitmessung per RTC

11. Mai 2021, 13:13 Uhr   |  Von Gunther Ewald, Department Manager Application von Glyn

Präzise Zeitmessung per RTC
© Glyn

Uhrenquarze sind relativ ungenau, Uhren ohne Netzwerkanschluss müssen häufig nachgestellt werden. Doch liefert MicroCrystal (Vertrieb: Glyn) RTCs, die das Problem beheben – kostengünstig, kalibriert oder temperaturkompensiert.

Wer kennt das nicht: Uhren in Geräten, die nicht ständig Netzwerkkontakt haben, verstellen sich mit der Zeit. Je nach eingesetzter Technik kann die Zeitabweichung innerhalb eines Monats schon mal ein bis zwei Minuten betragen. Dies stört enorm, wenn man viele Uhren nachstellen muss, etwa die Uhr für die Heizungssteuerung, Fahrradtacho, Backofenuhr, Wanduhr, Uhr im Auto.

Wie kommt die hohe Zeitabweichung trotz eingesetztem Uhrenquarz überhaupt zustande? Den größten Beitrag leistet der Quarz selbst: Er kommt auf ±20 ppm. Die externen Kondensatoren liefern ±7 ppm, der IC der RTC ±8 ppm und auch die Leiterbahnen der Platine steuern ±2 ppm bei. Zusammen sind das ±37 ppm also etwa 98 Sekunden pro Monat. Um dies zu vermeiden, muss in der Fertigung die Frequenz aufwändig mittels Trimmer eingestellt werden. Die Einstellung wird idealerweise bei 25 °C durchgeführt, denn hier liegt die maximale Frequenzabweichung des Quarzes nach oben.

Ein weiteres Thema ist das Aging, also das Altern des Quarzes über die Betriebszeit. Hier sind im ersten Jahr 3 bis 5 ppm zu erwarten. Später fällt die Frequenz mit etwa 1 ppm pro Jahr.

Eine zusätzliche Herausforderung stellt die Stromaufnahme dar. Durch den externen Aufbau sind die Wege länger, der Verstärker nicht ideal dem Quarz angepasst.

Wie dem Problem beizukommen ist

Dazu gibt es drei Methoden: Erstens hat der Schweizer Hersteller MicroCrystal (Vertrieb Glyn) die sehr günstige Realtime Clock (RTC) vom Typ RV-8263-C7 entwickelt. Hier sind bereits Quarz und Kondensatoren integriert. Die Stromaufnahme liegt bei nur 190 nA, die Zeitabweichung bei echten ±20 ppm, denn Kondensatoren, Leiterbahnen und der RTC-IC sind hier bereits aufeinander abgestimmt. Dies ist die kostengünstigste Alternative.

Die nächste Stufe bietet die RTC RV-3028-C7. Hier sind ebenfalls Quarz und Kondensatoren integriert. Zusätzlich wurde der Schwingkreis auf ±1 ppm (25 °C) kalibriert. Die Alterung kann durch Korrektur des Offsets im EEPROM ausgeglichen werden. Diese RTC hat eine ex­trem niedrige Stromaufnahme von nur 45 nA! Das ist der niedrigste Wert, der derzeit angeboten wird.

Die Oberklasse bietet die RTC vom Typ RV-3032-C7. Hier wurde der Temperaturdrift durch eine digitale Regelung auf ±3 ppm (–40 bis +85 °C) bzw. ±1,5 ppm (0 bis 50 °C) kompensiert. Auch dieser Wert ist derzeit der beste im Markt. Trotz aufwändiger Regelung liegt hier die Stromaufnahme bei nur 160 nA. ±1,5 ppm bedeuten eine Zeitabweichung von nur 4 Sekunden pro Monat. Hier könnte man sich beispielsweise eine DCF-Uhr sparen.

Ausstattung der einzelnen Uhrenmodule

Alle drei Varianten sitzen im ultrakompakten vakuumverschlossenen Keramikgehäuse mit einer Baugröße von 3,2 mm × 1,5 mm × 0,8 mm hergestellt. Sie können von –40 °C bis +85 °C betrieben werden und verfügen über einen I2C-Bus-Anschluss und einen Clock- und Interrupt-Ausgang.
Der kostengünstige Typ RV-8263-C7 enthält eine Uhr mit Sekundentakt und Kalender mit Schaltjahrberechnung von 2000 bis 2099. Dazu gibt es eine Weckfunktion, die ebenfalls sekundengenau einstellbar ist und Interrupts auslösen kann, sowie einen 8-bit-Timer. Als besonderes Feature gibt es ein Offset-Register, das die Uhrzeit in Schritten von etwa ±4 ppm justieren kann.

Der kalibrierte RV-3028-C7 umfasst eine auf ±1 ppm kalibrierte Uhr mit Sekundentakt und Kalender mit Schaltjahrberechnung von 2000 bis 2099. Die Stromaufnahme liegt bei nur 45 nA. Dazu gibt es eine Weckfunktion, die minutengenau einstellbar ist und Interrupts auslösen kann, sowie einen 12-bit-Timer. Als besonderes Feature gibt es ein Time-Stamp-Register, das die Uhrzeit mit Datum bei externen Events speichert, und einen UNIX-Timer, der die UNIX-Zeit (32 bit breit) vorhalten kann. Natürlich kann dieser Timer auch für andere Dinge eingesetzt werden, etwa für die sekundengenaue Betriebszeit des Gerätes.

Der temperaturkompensierte RV-3032-C7 enthält eine auf ±3 ppm kalibrierte temperaturkompensierte Uhr mit Hunderstel-Sekunden-Takt und Kalender mit Schaltjahrberechnung von 2000 bis 2099. Die Stromaufnahme liegt inklusive der Temperaturkompensation bei nur 160 nA. Dazu gibt es eine Weckfunktion, die minutengenau einstellbar ist und Interrupts auslösen kann, sowie einen 12-bit-Timer. Zu den besonderen Features gehören die Ladeelektronik für Lithium-Akkus, Supercaps sowie Ceracharge-Energiespeicher (TDK). Dies reduziert erheblich den Kosten- und Platzbedarf.

Beispiel für einen einfachen Testaufbau

Möchte man die Einstellungen der RTC auf dem PC testen und programmieren, so bietet sich das PC-USB-I2C-Interface von ELV an, das es nur als Bausatz gibt. Mithilfe des mitgelieferten „USB-I2C Testtool“-Programms lassen sich I2C-Kommandos eingeben, um die Uhr zu testen.
Bereits ein einfacher Testaufbau prüft also das eigene Design auf Herz und Nieren. In all den genannten Fällen bietet Glyn Design-in Support und Unterstützung bei der Bauteilauswahl. So bleibt die Zeitmessung auch bei Geräten ohne Netzwerkanschluss größtmöglich präzise.

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1. Präzise Zeitmessung per RTC
2. Das USB-I2C Testtool

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