DS1302不准？Dallas RTC晶振选型指导

Dallas半导体公司供应各种实时时钟（RTC），其中大多数是以集成电路或模块的形式提供。模块包括封装在一起的RTC芯片、晶振和锂电池。

本应用说明旨在帮助那些选择使用Dallas的RTC芯片而不是模块的客户，它们需要去选择自己的晶振。（我：如果钱够就用DS3231，省事又好用）

本文所包含的信息将有助于最大限度地提高精确度，并确保Dallas RTC的正常运行。帮助客户选择正确的晶振来使用，并提供一些在PCB布局上放置晶振时应遵循的基本准则。本应用说明还将包括一个关于温度对RTC精度影响的基本讨论。还包括一个关于振荡器问题的故障排除的部分。

A.    晶振选型

任何由基于晶振的振荡器，其频率几乎完全取决于所用晶振的特性。

选择一个符合设计要求的晶振是很重要的。有一说一，指定的负载电容（CL）是一个经常被忽视的关键晶振参数。

这个参数指定了为使晶振在其标称频率下振荡，必须放在晶振引脚上的电容负载。

晶振生产商实际上是对晶振进行 "修整"，使其在给的指定负载电容下以其额定频率振荡。请注意，CL是晶振需要从振荡器电路中 "看到 "的电容，它不是晶振本身的电容。

注意:

Dallas的RTC集成电路具有片上偏置稳定网络和负载电容，无需使用外部电阻或电容。

如前所述，晶振 "看到 "的负载电容是由于振荡电路本身的电容造成的。因此，振荡电路的负载电容的任何变化都会对该振荡器的频率产生影响。同样，所用晶振的CL与电路实际要求的负载电容不同，也会影响振荡器的频率。

一般来说，给晶振配CL值大于振荡器电路的负载电容，会导致振荡器的运行速度超过晶振的额定频率。反之，给晶振配CL值小于振荡器电路的负载电容，将导致振荡器的运行速度慢于晶振的额定频率。

大多数Dallas的RTC在晶振输入引脚上的内部电容为6 pF。Dallas最近推出的RTC产品也有支持12.5 pF电容的，或者可通过软件配置为6 pF或12.5 pF。

为了科学操作和保证精度，应该使用符合零件要求的晶振。如上所述，使用错误的CL搭配晶振会导致振荡器运行得快或慢。Dallas定量特性分析已经证实了这一点。

例如，对为6 pF晶振设计的DS1485的定量特性分析表明，当使用12 pF晶振时，该器件在室温（25°C）下走时变快约4分钟/月。当使用6 pF晶振时，该器件的精度在±30秒/月之内。

有几家供应商提供可与Dallas的RTC一起使用的晶振。这些供应商包括Epson和KDS/Daiwa。也可以使用其他晶振生产商的同等晶振。作为参考，推荐的晶振特性见表1。

B.    晶振负载补偿

Dallas不建议使用CL值不符合RTC规格的晶振，因为这将降低时钟的精度。

然而，我们发现，客户有时会选择使用12.5 pF的晶振与我们的6 pF RTC配合使用。对于这种情况，改善CL不匹配造成的精度下降还是有办法的。

这可以通过增加晶振 "看到"的负载电容来实现，如图1所示，将一个电容与晶振并联。作为一个经验法则，近似要并联的电容值等于晶振的负载电容（CL）减去6 pF（RTC振荡电路的近似负载电容）。

例如，如果使用的是12 pF的晶振(而RTC要求使用6PF的)，则应在晶振上再并联一个6 pF的电容，以提高振荡器的精度。

因为一个12 pF的晶振被晶振生产商调整为在12 pF的负载下，才以其标定的频率进行振荡。

所以，在振荡器电路的6 pF负载上添加一个6 pF的电容，用来补偿晶振要在额定频率下振荡所需的负载。

如前所述，CL大于6 pF的晶振可以用一个外部电容进行补偿，以提高精度。然而，应该注意的是，由于振荡器反馈路径中的电容增加，振荡器的启动时间（从上电初始化到振荡器稳定的时间）将增加。这个电容减少了振荡器的环路增益，这反过来又增加了启动时间。例如，定量分析表明，6 pF晶振的启动时间通常小于几百毫秒，但当使用12 pF晶振和6 pF电容并联时，启动时间可能增加至一到两秒。

C.    噪声和晶振布局指南

由于Dallas的RTC的晶振输入具有非常高的阻抗（约109欧姆），晶振的引线就像非常好的天线，从系统的其他部分耦合高频信号。如果一个信号被耦合到晶振引脚上，它可以抵消或增加脉冲。由于电路板上的大多数信号都比32.768kHz晶振的频率高得多，所以它更有可能在不需要的地方增加脉冲。这些噪声脉冲被算作额外的时钟 "滴答"，使时钟看起来运行得很快。

很容易确定RTC不准确是否是噪声导致的，下面的步骤说明了怎么做到这一点。

1. 给系统上电，将RTC与已知的精确时钟同步。

2. 关掉系统电源。

3. 等待一段时间（两小时，24小时，等等）。时间越长，就越容易测量时钟的准确性。

4. 再次打开系统，读取时钟，并与已知的精确时钟进行比较。

5. 将RTC与已知的精确时钟重新同步。

6. 保持系统通电，并等待与步骤3相等的时间。

7. 在等待上述时间段后读取时钟，并与已知的精确时钟进行比较。

通过使用上述步骤，时钟的准确性可以在系统上电和系统断电时确定。如果事实证明时钟在系统上电时不准确，但在系统断电时却很准确，那么这个问题很可能是由于系统中其他信号的噪声造成的。然而，如果时钟在系统通电和断电时都不准确，那么这个问题就不是由于系统的噪声造成的。

由于噪声有可能被耦合到晶振引脚上，因此在PCB布局上放置外部晶振时必须注意。遵循一些关于晶振在PCB布局上的基本布局准则是非常重要的，以确保额外的时钟 "滴答 "不会耦合到晶振引脚上。

1. 尽可能地将晶振靠近X1和X2引脚相当重要。保持晶振和RTC之间的导线长度尽可能小，通过减少 "天线 "的长度来减少噪声耦合的可能性。保持较小的导线长度还可以减少杂散电容的数量。

2. 保持X1和X2引脚上的晶振键合焊盘和走线宽度尽可能小。这些焊盘和导线越大，就越有可能从邻近的信号中耦合出噪声。

3. 如果可能的话，在晶振周围放置一个保护环（接地）。这有助于将晶振与邻近信号耦合的噪声隔离开来。见图2为在晶振周围使用保护环的图示。

4. 尽量确保其他PCB层的信号不直接在晶振的下面或在X1和X2引脚的下面走。晶振与电路板上的其他信号隔离得越多，噪声就越不可能被耦合到晶振上。任何数字信号和连接到X1或X2的线路之间应该至少有0.200英寸的间距(0.5cm)。RTC应与任何产生电磁辐射（EMR）的元件隔离。这对分立和模块型RTC都是如此。

5. 将局部接地平面放置在晶振正下方的PCB层上也可能有所帮助。这有助于将晶振与其他PCB层上的信号的噪声耦合隔离。注意，接地平面只需要在晶振附近，而不是在整个电路板上。注意，地平面的周长不需要大于保护环的外周长。

   请注意，必须注意使用本地地平面，因为它引入了杂散电容。迹线/焊盘和接地平面之间的电容被添加到内部负载电容器（CL1和CL2）。因此，在考虑添加局部地平面时必须考虑一些因素。例如，由接地平面引起的电容可以通过以下等式近似：

   C =εA/ t，其中

   ε= PCB的介电常数
   A =迹线/焊盘的面积
   t = PCB层的厚度

   因此，为了确定地平面是否适合于给定的设计，必须考虑上述参数以确保来自本地地平面的电容不会大到减慢时钟。

D.    温度条件下的时钟精度

一个RTC的准确性直接取决于晶振的频率。因此，由于晶振的谐振频率取决于温度，RTC也将取决于温度。晶振的谐振频率用以下基本公式表示：

f = f0 + k * (T - T0)2

f0 = 标称频率

k = 抛物线曲率常数

T0 = 拐点温度

T = 温度

上述参数的值可以在所使用的晶振的数据表中找到。图3显示了Daiwa晶振的温度特性，其中f0 = 32.768 kHz,k = -0.042 ppm/℃，T0 = 23℃。从该图中可以看出，频率与温度呈抛物线关系；当温度偏离理想的23℃时，晶体频率变得越来越慢。

图4显示了同样的基本曲线；但是，Y轴已经改变，显示了在23℃时与晶振的额定频率的频率偏差（单位为ppm）。这条曲线更清楚地说明了晶振的频率将如何影响时钟的精度。23ppm的频率偏差转化为每月约±1分钟的精度。考虑到这一点，快速浏览一下图4就可以得到在特定温度下的大致预期精度。

上述信息应有助于提供一个基本的理解，即温度将如何影响Dallas的RTC。

E.    故障处理

本节是对造成RTC不准确的最常见原因的一个总结。这些问题大部分在前面已经提到过，但在此重复一下，作为快速参考。本节被分为三个部分。第一部分将考虑导致RTC运行过快的因素，第二部分将考虑导致RTC运行过慢的因素。第三部分涉及到时钟不运行的排查。

时钟偏快

1. 从邻近信号耦合到晶振的噪声。这个问题在上面已经有了广泛的介绍。噪声耦合通常会导致RTC的严重不准确。

2. 错误的晶振：如果使用负载电容（CL）大于6 pF的晶振，RTC通常会快速运行。误差的严重程度取决于CL的值。例如，使用CL为12 pF的晶振将导致RTC每月快3-4分钟左右。

时钟偏慢

1. RTC输入引脚上的过冲。通过周期性地停止振荡器可以使RTC运行缓慢。这可能是由于到RTC的噪声输入信号而无意中完成的。如果输入信号上升到大于V DD以上的二极管压降（~0.3V）的电压，则输入引脚的ESD保护二极管将正向偏置，从而使基板充满电流。这反过来会使振荡器停止，直到输入信号电压降至低于VDD以上的二极管压降。

2. 错误的晶振。如果具有指定CL的晶振小于RTC 的CL，则RTC通常运行缓慢。不准确性的严重程度取决于CL的值。

3. 杂散电容。晶振引脚和/或地之间的杂散电容会降低RTC的速度。因此，在设计PCB布局时必须小心，以确保杂散电容保持最小。

4. 温度。工作温度越远离晶振转换温度，晶振振荡越慢。

时钟不走

1. 当时钟不运行时，最常见的问题是CH（时钟停止）或EOSC（使能振荡器）位没有按照要求被设置或清除。许多Dallas的RTC包括一个电路，当第一次通电时，将保持振荡器不运行。这使得系统可以等待向客户发货，而不需要从备用电池中获取电力。当系统首次通电时，软件/固件必须启用振荡器并提示用户正确的时间和日期。

2. 由水汽、清除不彻底的焊剂或其他负载引起的寄生负载会使振荡器无法运行。

3. 电源引脚浮空。许多Dallas的RTC有多个电源输入。任何未使用的输入，如 Vbat，必须接地。如果一个电源引脚处于浮空状态，与RTC的通信可能无法进行。

   表面贴装晶振可能有一些N/C（无连接）引脚。请确保晶振的正确引脚与X1和X2引脚相连。请注意，Dallas的RTC的振荡器电路是低功率的；而振荡器输入引脚的信号可能只有几百毫伏的峰峰值。