Echtzeituhren und deren Anwendung Fertige Module statt Handoptimierung

In fast allen elektronischen Geräten sind Echtzeituhren eingebaut. Wurden diese bislang oft per Hand optimiert, bieten RTC-Module eine fertig optimierte Lösung. Aber das ist nicht der einzige Vorteil.

von Roland Häni, Senior Application Engineer bei Micro Crystal, und Gerd Reinhold, Produktmarketing FCP bei WDI.

Für Anwendungen, bei denen der Mikrocontroller keine Echtzeituhr (Real-Time Clock, RTC) integriert hat oder dessen Leistungsvermögen nicht ausreicht, bieten viele Hersteller spezielle externe Taktbausteine an. Für die Integration in die bestehende Systemumgebung sind solche RTC-Komponenten mit allen gängigen seriellen Schnittstellen verfügbar, vom populären I²C-Interface bis hin zur 3-Wire- oder 4-Wire-SPI-Schnittstelle. Uhrzeit, Datum und Alarmfunktion wie auch die automatische Schaltjahrumschaltung gelten als Standardfunktionen, darüber hinaus bieten manche ICs Sonderfunktionen wie EEPROM, eine Funktion zur Korrektur der Gangabweichung (Frequenzkompensationsregister) oder eine automatische Umschaltung auf eine Backup-Versorgungsspannung.

Diese Lösungen benötigen alle einen externen Uhrenquarz mit der Standardfrequenz von 32,768 kHz, weil sich durch Teilen sehr einfach ein Sekundentakt realisieren lässt. Der Vorteil solcher Stimmgabelquarze (Tuning-Fork Crystals) ist, dass sie mit entsprechender Oszillatorschaltung weniger als 1 µA verbrauchen können und dass nahezu alle in MCUs und RTC-ICs integrierten Pierce-Oszillatorschaltungen auf diese gängige Quarzfrequenz ausgelegt sind.

Um die bestmögliche Performance bezüglich Gangabweichung, Stromverbrauch und Anschwingsicherheit über den gesamten Arbeitstemperaturbereich zu erzielen, müssen der Quarz und die Oszillatorschaltung optimal aufeinander abgestimmt werden. Es genügt nicht, wenn die Schaltung bei Raumtemperatur »mal gerade eben so funktioniert«, es sollte genügend Reserve vorhanden sein, um Worst-Case-Toleranzen der eingesetzten Komponenten auffangen zu können. Nur so ist ein sicheres Funktionieren über den gesamten Temperaturbereich gewährleistet. Da die Oszillatorschaltung ein hohe Impedanz aufweist, reagiert diese sensibel auf alle äußere Einflüsse – daher sind unbedingt auch Faktoren wie parasitäre Kapazitäten des Leiterlattenlayouts und EMV-Einflüsse, die nirgends spezifiziert sind, zu berücksichtigen.

Das Beispiel aus Bild 1 soll dies verdeutlichen. Dabei beträgt die Lastkapazität der Oszillatorschaltung 7,5 pF, während der Uhrenquarz »CM8V-T1A« von Micro Crystal (Vertrieb: WDI) eine spezifizierte Lastkapazität von 9,0 pF besitzt. Wie aus dem Bild hervorgeht, führt diese Fehlanpassung zu einer Frequenzabweichung von +31 ppm. Beim Einsatz eines Quarzes mit Standardtoleranz ±20 ppm ist bei einer Umgebungstemperatur +25 °C eine Gangabweichung von +13,3 ppm bis +53,3 ppm zu erwarten.

Die korrekte Anpassung der Lastkapazität der Oszillatorschaltung ist der wichtigste Schritt, eine Gangabweichung zu verringern. Immer mehr Anwendungen haben allerdings erhöhte Anforderungen an die Ganggenauigkeit von Echtzeituhren, die sich nur erreichen lässt, wenn man das Temperaturverhalten des Quarzes kompensiert. Manchmal macht das Marketing derartige Vorgaben, um sich mit einer genaueren Uhrzeit vom Mitbewerber abzugrenzen. Meistens haben solche Anforderungen aber technische Hintergründe; zum Beispiel wird die höhere Genauigkeit gefordert, um ein Zeitfenster für eine Funkverbindung zu minimieren, oder die Tarifumschaltung von Metering-Anwendungen hängt direkt an der Uhrzeit. Diese Gangabweichungen werden nur von einem temperaturkompensierten System erreicht. Dabei wird mittels Thermosensor die Umgebungstemperatur gemessen, um alle Fehler, die zu einem Frequenzdrift beitragen, zu korrigieren. Dies beinhaltet nicht nur die Temperaturcharakteristika des Quarzes und der Last¬kapazitäten, sondern auch die Fehler des Thermosensors. Um die beste Ganggenauigkeit zu erreichen, müssen alle Systemkomponenten zusammen über den gesamten Temperaturbereich ausgemessen und kalibriert werden.