If it is Electronics – It Needs a Clock: часы реального времени от компании Maxim

Компания Maxim, лидер производства часов реального времени (RTC - Real Time Clock), предлагает несколько продуктов, позволяющих разработчику при выборе учитывать множество параметров, отдавая предпочтения наиболее важному для проекта: степень интеграции, наличие температурной компенсации, точность, энергопотребление, тип интерфейса, корпусное исполнение. Рассмотрим основные сходства и различия RTC DS3231, DS3232, DS3234 и DS3231M(MZ).

Отличительная черта этих продуктов - наличие интегрированного задающего генератора с температурной компенсацией (TCXO) и кристалла кварца.

Использование обычного задающего генератора с внешним кварцевым резонатором не позволяет получить высокую точность и повторяемость конечного устройства при изменении температуры (рис. 1a), либо требует выполнить целый ряд довольно-таки сложных и трудоемких процедур: характеризацию кварцевого генератора, калибровку в различных температурных режимах и др.

Рис. 1. Температурно-точностные характеристики RTC: стандартная кварцевого резонатора 32,768 кГц (а), TCXO (б), полная интеграция (DS3231S) (в)

Применение TCXO позволяет значительно уменьшить влияние температуры (рис. 1б), однако точность по-прежнему в большой степени зависит от качества внешнего кварцевого резонатора и технологического процесса производства и тестирования устройства

Однако, лучший вариант - полная интеграция. Это позволяет получить высокоточный продукт (рис. 1в), практически не требующий сложной калибровки, а процессы проектирования устройства и его производства упрощены за счет уменьшения количества внешних компонентов.

Кроме того, в отличие от систем с внешним TCXO, данные микросхемы имеют дополнительную возможность калибровки через регистры, что позволяет компенсировать точность, изменяющуюся при старении кристалла кварца.

Микросхемы DS3231, DS3232, DS3234 и DS3231M(MZ) проходят процедуру индивидуальной параметризации встроенного кварцевого генератора при семи различных значениях температуры, что позволяет получить исключительные параметры термостабильности и точности.

DS3231

Высокоточные RTC с температурной компенсацией кварцевого генератора (TCXO) и интегрированным кварцевым резонатором (рис. 2).

Некоторые из ключевых особенностей этой микросхемы:

• точность ±2 ppm при 0...40°C;
• точность ±3,5 ppm при -40...85°C;
• возможность подключения резервного батарейного питания;
• рабочий температурный режим 0...70°C в коммерческом исполнении и -40...85°C в индустриальном;
• низкое потребление;
• счетчик секунд, минут, часов (спризнаком АМ/PM), дней, месяцев и лет (с учетом високосных) до 2100 года;
• два программируемых будильника;
• датчик температуры точностью ±3°C;
• программируемый выход сигнала прямоугольной формы (частоты: 1Гц, 1,024кГц, 4,096кГц, 8,192кГц и 32,768кГц);
• скоростной (400кГц) I²C-интерфейс;
• регистр для управления периодом измерений температурного датчика и применением температурной компенсации генератора, что позволяет найти оптимальное состояние между общим энергопотреблением и точностью;
• вход сброса рассчитан на подключение кнопки (имеет функцию антидребезга);
• аттестованы Underwriters Laboratories;
• корпус SO-16

DS3232

Основное отличие: интегрированная SRAM объемом 236 байт с возможностью сохранения данных при наличии резервной батареи.

Данная микросхема практически не отличается по функциональности и параметрам от DS3231, но имеет корпусное исполнение SO-20, что несколько затрудняет ее использование вместо предыдущих вариантов RTC, но основная идеология назначения выводов сохранена.

Тем не менее, есть некоторые изменения:

• интерфейсу I²C добавлена функция тайм-аута, что позволяет ограничить его минимальную рабочую частоту;
• драйвер теперь выполнен по технологии push-pull, что устраняет необходимость во внешнем подтягивающем резисторе, ускоряет фронт и спад импульсов, а также более экономично по энергопотреблению для устройства;
• возможность управления («включен- выключен») выходом сигнала прямоугольной формы в зависимости от режима питания микросхемы (основное или резервная батарея);
• в выключенном состоянии выход сигнала прямоугольной формы имеет уровень логического нуля (у DS3231 выход переходит в высокоимпедансное состояние);
• счетчик часов ограничен до 2099 года.

DS3234

Микросхема имеет всего одно главное отличие от DS3232 - использован интерфейс SPI, работающий на частоте 4 МГц в режимах 1 и 3. Вследствие этого, выводы корпуса имеют изменения, но, как и всегда, основная идеология назначения выводов сохранена, что позволяет минимизировать затраты при модернизации проекта. Кроме того, объем SRAM этой микросхемы увеличен до 256 байт.

DS3231M и DS3231MZ

Это первые RTC с интегрированным задающим генератором типа MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems), имеющие температурную компенсацию. Схематика данных RTC представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Блок-схема DS3231M

Преимущество данной технологии - кристалл резонатора изготавливается непосредственно на подложке микросхемы. На корпусах микросхем DS3231, DS3232 и DS3234 можно заметить довольно большой участок, свободный от выводов. Именно там находится интегрированный кристалл кварцевого резонатора. Фактически это два отдельных устройства в одном корпусе. Микросхема DS3231M(MZ) является действительно единым целым, что дает ряд преимуществ: меньшие размеры, малый разброс характеристик, пониженное энергопотребление.

Использование технологии MEMS делает возможным применение микросхем в условиях сильной вибрации, при вероятности нанесения устройству «шоковых» ударов. Эти изделия изготавливаются только в индустриальном варианте с температурным режимом работы -40...85°C.

Корпусное исполнение микросхем - в двух вариантах: SO-16 (DS3231M), полностью совместимый по назначению выводов с микросхемой DS3231, что позволяет легко осуществить замену (следует учесть некоторые особенности: в отличие от DS3231 выход сигнала прямоугольной формы у DS3231M жестко задан частотой 32,768 кГц (нет возможности программировать частоту)), и более миниатюрный SOIC-8 150-mil (DS3231MZ).

Заявленная точность RTC DS3231M(MZ) несколько ниже, чем у DS3231, DS3232 и DS3234 - ±5 ppm при -40...85°C (±0,432 сек./день). Фактически же изменение точности от температуры составляет менее ±2 ppm, так как в комплексе температурная компенсация MEMS-генератора более эффективна, поскольку однокристальное исполнение не имеет такого выраженного разброса температур между компонентами, как в случае микросхем со стандартной интеграцией резонатора.

В таблице 1 сравниваются основные характеристики DS3231, DS3232, DS3234, DS3231M(Z)

Новые RTC DS1347

В отличие от вышеописанных, DS1347 (рис. 4) не имеет интегрированного TCXO и использует стандартный внешний кварцевый резонатор (при этом не требует подключения конденсаторов и ограничивающих резисторов).

Микросхема имеет очень низкую стоимость, интерфейс SPI, малое потребление тока, а корпусное исполнение 8-Pin TDFN с размерами 3x3x0,8 мм делают ее одной из самых миниатюрных среди подобных устройств. Про DS1347 можно сказать: «ничего лишнего». У нее отсутствует вход резервного питания, так как микросхема позиционируется для бюджетных решений, критичных к размерам устройства и имеющих батарейный источник питания (например, ручной измерительный инструмент).

• счетчик секунд, минут, часов (с признаком АМ/PM), дней, месяцев и лет (с учетом високосных);
• расширенный диапазон напряжения питания (от +2 до +5,5В);
• интерфейс SPI 4MHz при питании 5В, 1MHz при 2В;
• 31 x 8-Bit SRAM для «блокнотных» данных;
• использование внешнего стандартного часового кварца 32.768кГц;
• низкое потребление тока в режиме хранения времени (макс. 400 нА при питании 2В);
• одно- или мультибайтовая передача данных для чтения и записи регистров часов и SRAM;
• программируемый будильник;
• не требует внешних нагрузочных конденсаторов и резисторов к кварцевому резонатору;
• миниатюрный корпус 8-Pin TDFN 3x3x0,8мм;
• рабочий температурный режим от -40°C до 85°C.

На момент написания данной статьи компании Maxim Integrated Products производит 86 вариантов RTC, что дает широкую возможность выбора под необходимые условия.

Литература

Sergis Mushell and Steve Ohr, Gartner. MEMS resonators vs. crystal oscillators for IC timing circuits (http://www.electroiq.com/articles/stm/print/volume-9/issue-1/features/mems-resonators-vs-crystal-oscillators-for-ic-timing-circuits.html)

Hrishikesh Shinde. Feature Comparison of the DS323x Real-Time Clocks.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]