esp32rtc时钟设置不对_如何对实时时钟进⾏低功耗，⾼效率
的精准补偿
本⽂编译⾃EDN，作者Maxim Intergrated 核⼼产品部应⽤产品⾼级技术⼈员Gordon Lee
实时时钟(RTC)从来都不是系统中引⼈注⽬的组件。确实，许多⼯程师不理解为什么需要RTC。他们可能会认为这是⼀种⾮常简单的组件，只能记录时间。另外，当今⼤多数微控制器都具有内置的RTC。
那么，为什么系统⼯程师会花更多的钱并愿意为RTC浪费更多的PCB空间？为什么独⽴的RTC不再过时？本⽂将重点介绍RTC在不同应⽤中的重要性，并概述关键的RTC规范和相关的设计挑战。
过去，在互联⽹普及之前，⾼精度RTC对于⽆数应⽤(例如个⼈计算机，电⼦表，便携式摄像机和车辆)⾄关重要。即使关闭主电源，RTC也会跟踪时间。如果没有RTC，则⽤户每次打开设备时都需要设置时间和⽇期。 当今的电⼦设备可以访问互联⽹或GPS。连接设备后，就可以轻松获取最准确的时间。对于那些拥有持续不断的互联⽹连接的设备来说，⾼精度的RTC确实是不必要的，但是这种好处是以⾼功耗为代价的。
为什么现在还需要RTC
乌氏粘度计原理
在过去的⼗年中，随着各种⾃动化应⽤的兴起，如今数⼗亿设备已启⽤互联⽹。安全摄像机，照明灯，娱乐系统和设备等⽇常物品现在可以连接到互联⽹。这些设备是物联⽹(IoT)潮流的⼀部分。但是，虽然电池供电的物联⽹设备正在推动⼤量的物联⽹市场增长，但持续连接到电源的设备也是物联⽹的⼀⼤部分。obd数据
那么，RTC时代结束了吗？并不是的。越来越多的RTC实际上被⽤于许多⾃动化和物联⽹应⽤中。许多远程物联⽹传感器(如⽓象站)⼤多由电池供电，并按照预设的时间表进⾏测量或完成任务。这些设备⽆法持续启⽤⽆线收发器，因为这将很快耗尽电量。投饵机
确实，⼯程师在技术上花了很多⼼思来延长电池寿命。在⼤多数情况下，这些电池供电的设备(包括微控制器)都在深度睡眠模式下运⾏，以最⼤程度地减少⽆任务执⾏时的损耗。这些应⽤程序受益于极低的RTC，可以不时地唤醒系统以执⾏分配的任务。
尽管微控制器通常具有内置的RTC，但计时电流通常以mA为单位。⽽独⽴的RTC在运⾏时仅消耗nA的电流。⽐如某款RTC，在计时模式下仅消耗150 nA电流，并提供两个警报设置和两个可⽤于唤醒系统的中断引脚。
不要⼩看⼏mA和150 nA之间的差异。在设计IoT应⽤程序以延长电池寿命时，每mA的电流都很重要。除了物联⽹应⽤之外，许多医疗设备还需要纳⽶功率级RTC。例如可穿戴式ECG设备，助听器和
医⽤标签。
⼤多数电池供电设备在设计上都⾮常⼩，便于携带或易于安装。由于独⽴的RTC在微控制器的外部，因此⾸选具有较⼩封装的RTC。更好的是，如果电路板空间有限，⼯程师可以选择带有集成谐振器的RTC。当前，业界最⼩的集成谐振器的RTC采⽤2.1×2.3 mm 8引脚WLP封装。
除了低功耗和⼩封装尺⼨外，某些应⽤还要求在宽温度范围内具有较⾼的计时精度。例如，对于现场安装的传感器，这是⼀个重要的考虑因素，在该传感器中，⼀天中的温度可能波动很⼤。对于这些应⽤，更优选择是具有温度补偿功能的RTC，这将在本系列⽂章的第2部分中进⾏讨论。 带有外部晶振的RTC
具有成本效益的RTC通常需要外部谐振器，⽽RTC最常⽤的谐振器是32.768 kHz⽯英晶体。为什么是32.768 kHz？⾸先，32768是2的幂函数。当该信号连接到15级触发器时，输出是精确的1 Hz信号。RTC使⽤此1 Hz信号来驱动计时逻辑。但是，为什么⽤32.768 kHz⽽不是131.072 kHz或1.024 kHz？为了回答这个问题，我们需要了解频率和功耗之间的权衡。通常，电流消耗随着晶体频率的升⾼⽽增加。 ⽽晶体的⼤⼩与频率成反⽐，这意味着较低的频率晶体在物理上更⼤，并且占⽤了更多的电路板空间。
细胞分离培养因此，选择32.768 kHz作为功率和尺⼨之间的最佳折衷⽅案。此外，⼈的听觉范围是20 Hz⾄20 kHz。如果频率低于20 kHz，⼈们可以听到晶体振动。32.768 kHz是2的整数次⽅第⼀个超过可听范围的频率。
⽯英晶体在出⼚时已校准，可以通过向⾳叉的尖端添加少量⾦以精确调节振动速度，从⽽在⽬标频率下振荡。在规定的电容器负载下，室温下所得的时钟精度通常在±20 ppm以内。 ppm单位是百万分率的缩写，是通常⽤于时钟精度测量的单位。 假设环境温度全年恒定为25°C，在这种情况下，±20 ppm的RTC，每年误差最⼤可为10.5分钟的精度为。计算如下：
计算出10.5分钟的公式
如果温度波动，累积误差可能会增加。如果购买者愿意⽀付额外的费⽤，则供应商可以通过筛选过程提供精度更⾼的晶体。但是，⽆论这些晶体在室温下有多精确，其频率仍然会受到以下三个因素的影响：
温度波动
带负载电容器的频率上拉
⽼化
温度波动
⽔晶晶振的频率是温度的函数，可以⽤⼀个⼆阶⽅程来近似：
晶振频率的⽅程
三板模其中f0是标称频率(32.768 kHz)T0是标准温度(25°C)k是晶体的抛物线系数(典型值为0.04 ppm /摄⽒度²)T是环境温度
如频率误差与温度的关系图所⽰，随着温度偏离室温(25°C)，频率变慢。
该图显⽰了温度偏离室温后频率将变慢。资料来源：Maxim Integrated
为了保证最佳的精度性能，必须将环境温度调节在25℃左右。许多室内电池供电的设备可以将此RTC与外部晶振解决⽅案配合使⽤，从⽽节省了成本并降低了功耗。
负载电容拉动
晶体的频率会受到其负载电容器的影响。⽪尔斯振荡器是RTC内部最常⽤的晶体振荡器电路。它通常由晶体，逆变器和负载电容器组成。
由晶体和负载电容器组成的等效电路如下图所⽰。
在所⽰的电路中，RCL串联电路与C0和CL并联谐振。振荡频率公式如下：
振荡频率⽅程
其中，R1，C1和L1是晶体参数，C0是晶体端⼦之间的电容，FL是具有总有效电容的振荡频率，CT是
总有效电容，C1与(CL + C0)串联
CT是整体有效电容⽅程
FS是晶体的串联谐振频率
由于C0 + CL远⼤于C1，因此FL公式可以近似为
FL相对于CL的导数表⽰相对于负载电容，以Hz为单位的频率变化。⽤串联频率除以计算每单位电容频率的变化率。该公式显⽰了各种负载电容值CL时的频率灵敏度：
仅当CL接近指定的负载电容值时，该公式才是⼀个很好的近似值。如果负载电容器偏离规定值太多，则振荡器可能⽆法正常⼯作，因为晶体和电容器⽆法产⽣180度相移回到输⼊端。
为了降低成本和占⽤电路板空间，许多RTC都内置有⼯⼚调整过的负载电容器。它们应与晶体的指定负载电容⾮常匹配。如果布局设计合理，则室温下的频率误差应很⼩。从晶体到RTC焊盘的PCB⾛线会造成额外的杂散电容。在市场上的⼀种RTC中，根据评估套件的PCB布局，对负载电容器进⾏了修整，以提供最佳的时钟精度。换句话说，评估套件中的杂散电容已作为CL的⼀部分包括在内。
⽼化
⽼化是指晶体的谐振频率随时间的变化。⽼化是由于晶体封装内部的污染⽽导致的晶体质量随时间的变化⽽引起的。 通常，晶体的频率每年变化⼏ppm，⼤多数变化发⽣在前两年。
将晶体暴露在⾼温环境中可以加快⽼化速度。不幸的是，除了不时校准晶体外，⼯程师对⽼化⼏乎⽆能为⼒。某些RTC提供了⽼化补偿寄存器，供⽤户⼿动调整时钟频率。
带有校准寄存器的RTC
对于在温度稳定但平均温度不是25℃的环境中运⾏的应⽤，可以使⽤带有校准寄存器的RTC来校正。概念是从时钟计数器中增加或减少计数，以加快或减慢时钟速度。可以使⽤晶体供应商提供的晶体频率公式来计算校正时间所需的计数。
碳纤维加热板系统设计⼈员也可以将这种RTC与外部温度传感器结合使⽤。基于温度传感器的输出，微控制器可以定期调整计数值。但是，这种⽅法有许多缺点。
⾸先，额外的温度传感器会增加系统成本并占⽤更多的占板空间。其次，微控制器将需要定期调整校准寄存器，这将增加微控制器的开销。第三，晶体频率公式可能⽆法⾮常准确地反映晶体的实际温度响应，因为每个晶体可能与其他晶体稍有不同，并且晶体频率公式仅代表典型情况。对于⾼精度应⽤，此解决⽅案可能⽆法接受。
TCXO作为时钟源
温度补偿晶体振荡器(TCXO)在单个封装中结合了振荡晶体，温度传感器和数字逻辑。在整个⼯作温度范围内，其输出频率误差⾮常低。只需将TCXO的输出连接⾄晶振输⼊或RTC的时钟输⼊即可驱动计时逻辑。该解决⽅案不需要微控制器来校正时间，但是它仍然具有占板空间，⾼成本和更⾼功耗的问题。
带有集成TCXO的RTC
通过集成温度传感器，晶振，负载电容器和温度补偿电路，可以形成⾼精度的RTC。这种RTC的精度规格通常在⼯业级-40⾄85℃或汽车级-40⾄125℃的⼯作温度范围内约为5 ppm或更低。它节省了占板空间，电源和微控制器资源。
如前所述，除了温度以外，RTC还需要了解晶体的温度响应特性，以校正频率误差。可以从校准过程中获取此信息。尽管晶体供应商提供了⼀个公式来计算典型频率，但是每种晶体的特性可能略有不同。在室温下，典型的晶体可能具有⾼达20 ppm的误差。
每个RTC都应单独校准，以实现最⾼的精度性能。因此，在校准过程中，会在多个不同的温度点测量晶体的频率。显然，测量的校准点越多，测量数据与实际频率——温度特性曲线的匹配越好。
在校准期间，每次进⾏新测量之前，测试⼯程师都需要更改测试室的温度或将晶⽚移⾄具有预设温度的另⼀个测试室。晶圆温度达到平衡后即可进⾏测量。由于这些原因，制造商并不想进⾏⼤量测量，因为这将⼤⼤增加测试时间并因此增加设备成本。
设计⼯程师经常使⽤插值⽅法，以有限的测量数据点重建频率——温度曲线。以设计⼈员考虑⼆阶⽅程为例：
其中：f是频率，t是温度，a，b，c是系数
它⾜够接近晶体的频率——温度曲线，可以满⾜所需的精度指标，因此⼯程师只需在不同温度点测量三个数据点即可解决这三个系数。对于任何种类的插值，在给定的数据点处的误差都是最⼩的。当输⼊参数距离给定数据点更远时，计算将与实际曲线有更⼤的偏差。因此，应将测量温度隔开。在这种情况下，选择最低、最⾼温度是⼀个合理的选择。
现在，借助插值公式和温度传感器，RTC可以“确切地”知道实际振荡器频率与理想的32.768 kHz相差多少。但是RTC如何校正频率？如上所述，使⽤校准寄存器是⼀种可能的⽅法，但很少在带有集成晶体的RTC中实现。在上⾯提到的带有外部谐振器部分的RTC中，有⼏个因素会影响晶体的振荡频率。
其中之⼀是负载电容。通过操作负载电容器，温度补偿电路可以精确地增加或减少振荡频率。可变电容器的⼀个例⼦是⼀个简单的电容器阵列，加上⼀组电容器并联开关。
与RTC内部的所有其他组件相⽐，温度传感器消耗⼤量功率。传感器打开的次数越多，RTC的平均总电流将越⾼。多久测量⼀次温度并运⾏补偿算法取决于操作环境的需求。⼀些RTC为⽤户提供了设置适当温度测量间隔的选项。
这是带有集成TCXO和晶体的RTC的⼀个⽰例。DS3231SN具有⼀个精度指标，在-40℃⾄85℃的整个⼯作温度范围内最⾼⽀持3.5 ppm 精度，⽽在0℃⾄40℃的范围内误差仅为2 ppm。下图传达了TCXO和典型晶体振荡器之间的精度差异。
该图显⽰了时间和频率与温度的关系。DS3231SN与典型晶体振荡器的⽐较，显⽰了通过将RTC与集成的TCXO⼀起使⽤所获得的精度增益。资源来源：Maxim Integrated
