32.768kHz頻率的諧振器、振蕩器和RTC模塊

在頻率元器件中，32.768kHz最引人注目、產(chǎn)品線最豐富的一個(gè)頻點(diǎn)，凡是搭載時(shí)間功能的電子設(shè)備都會(huì)用到32.768kHz晶振，而32.768kHz實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(RTC模塊)作為時(shí)間基準(zhǔn)大量應(yīng)用于日常生活中。

32.768kHz諧振器

32.768kHz石英諧振器(quartz crystal)是最常用的基礎(chǔ)頻率元件(Tuning Fork Quartz Crystal)，日常生活中的手表、手機(jī)、電腦、戶外LED顯示屏、廣告牌上顯示的鐘就是由它演變過(guò)來(lái)的。32768Hz是一個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)頻率，因?yàn)?2768等于2的15次方，32768Hz經(jīng)過(guò)15次分頻即可得到1秒鐘的時(shí)間信號(hào)。

圖1. 32.768kHz諧振器用作MCU的LSE時(shí)鐘源

32.768kHz諧振器主要用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘應(yīng)用，也是MCU低速外部時(shí)鐘(LSE)的信號(hào)源。MCU時(shí)鐘源常用的32.768kHz石英晶體典型參數(shù)如下：

- 頻率：32.7680kHz

- 頻率偏差：±20.00ppm(@25°C ±5°C)

- 老化：±5ppm max(@25°C±3°C /年)

- 拐點(diǎn)溫度：25°C ±5°C

- 頻率穩(wěn)定性：(0.036ppm±10%)/°C2

- 負(fù)載電容(CL)：6.0pF to 12.5pF

- 寄生電容(C0)：1.4pF typ

- 驅(qū)動(dòng)電平：0.1μW typ, 0.3μW max

- 工作溫度：-40 to 85°C

需要注意的是，采用外部晶體作為時(shí)鐘源時(shí)，如果MCU相鄰腳的輸入輸出為高頻脈沖，就會(huì)干擾32.768kHz信號(hào)，引起抖動(dòng)，從而影響時(shí)序并造成計(jì)時(shí)偏差。因此，外部晶振的鄰腳不要用做高頻信號(hào)的輸入輸出口。

32.768kHz振蕩器

32.768kHz晶體振蕩器(crystal oscillators)屬于精密頻率器件，由32.768kHz晶體與CMOS振蕩電路一體化組裝而成。因此，使用時(shí)不用外接任何額外元件，典型應(yīng)用包括數(shù)字系統(tǒng)的通用時(shí)鐘發(fā)生器、RTC的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和電腦的時(shí)鐘保持、移動(dòng)電話、現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備、水電氣三表應(yīng)用等。

圖2. 32.768kHz晶體振蕩器及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

常用的32.768kHz振蕩器典型性能及要求如下：

- 超低功耗：一般不超過(guò)300nA

- 寬泛的輸入電壓：1.2V to 5.5V

- 工作溫度：-10°C to +85°C

- 頻差幅度窄：±20ppm

- 出色振蕩穩(wěn)定性：0.2ppm/V

- 良好的輸出同步性能

- 較低的老化衰變

- 能承受移動(dòng)的沖擊和震動(dòng)

RTC模塊

RTC模塊是將32.768kHz晶體振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片合為一體的產(chǎn)品，具備振蕩電路、時(shí)鐘功能、日歷功能和報(bào)警功能等。為了獲得更精確的時(shí)間，模塊應(yīng)采用高精度的頻率振子(石英晶片)和控制元器件的芯片，并注意晶體振蕩器和RTC芯片之間的最佳匹配。

圖3. RTC模塊組成

RTC模塊面向特定應(yīng)用，要求具有高精度、高穩(wěn)定、低耗電，支持I2C總線，提供日歷信息及鬧鐘、定時(shí)器等功能。由于普通音叉晶體(Tuning Fork Quartz Crystal)的溫度特性不佳，一些面向金融、電力、通信等應(yīng)用的RTC模塊使用TCXO來(lái)提高頻率精度。如愛(ài)普生RX-4803LC特征參數(shù)如下：

·內(nèi)建32.768kHz溫度補(bǔ)償振蕩器(數(shù)字式TCXO)波源

·頻率精度：(-40至+85℃時(shí)±3.4×10-6，-40 至+85℃時(shí)±5×10-6)

·1/100 秒定時(shí)器控制寄存器

·接口電壓范圍：1.6V-5.5V

·溫度補(bǔ)償工作電壓范圍：2.2V-5.5V

·計(jì)時(shí)(保持)電壓范圍：1.6V-5.5V

·可選擇頻率的時(shí)鐘輸出(32.768kHz、1024Hz、1Hz)

·時(shí)鐘、日歷功能、報(bào)警功能、定時(shí)功能、內(nèi)建EVIN 輸入功能

·可通過(guò)連接端子而作為振蕩器(32.768kHz 數(shù)字式TCXO)使用

RTC模塊為構(gòu)建高精度同步時(shí)間處理系統(tǒng)提供了一個(gè)高性能的簡(jiǎn)單方案，主要應(yīng)用包括各類鐘表、金融系統(tǒng)、電力計(jì)量表、安全系統(tǒng)、公路收費(fèi)系統(tǒng)等。由于不需要調(diào)節(jié)頻率，提高了用戶的設(shè)計(jì)效率、產(chǎn)品質(zhì)量及上市時(shí)間。