时钟芯片RTC介绍

1. 工作原理

实时时钟（Real_Time Clock）简称为RTC，主要为各种电子系统提供时间基准，MCU、MPU、CPU均离不开RTC电路设计。通常把集成于芯片内部的RTC称为片内RTC，在芯片外扩展的RTC称为外部RTC。时钟芯片(RTC，Real Time Clock/Calendar)是利用相位锁定技术(PLL)来产生时钟信号，可以控制不同元件之间的时序，以保证正常的数字电路运行。而晶振是基于电学特性的无源元器件，利用晶体振荡的方式来产生稳定的振荡信号。时钟芯片(RTC，Real Time Clock/Calendar)的工作原理主要分为以下几个步骤：

1.1 常数频率偏差矫正

在时钟芯片的内部，第一步是常数频率偏差矫正，为了保证时钟电路的稳定性和精度，需要纠正芯片本身在设计及加工上产生的固定频率偏差。

1.2 时钟信号输入

时钟芯片需要输入一个外部的时钟信号，这个信号可以是外部振荡器产生的信号，也可以是来自于GPS信号等其他源头产生的信号。通常情况下，时钟芯片会自动选择最好的、最符合性能要求的输入时钟信号，并进行自动调整。

1.3 相位锁定环路(PFD和CP)操作

时钟芯片中的相位锁定环路(PFD和CP)是整个时钟芯片中最重要的部分。PFD的作用是将输入的时钟信号与芯片内部的本地振荡器输出信号进行比较，并产生相位误差信号，CP的作用是接收PFD输出的信号并反馈给本地时钟发生器，使得输出的信号与输入的信号同步。

1.4 输出时钟信号

经过PFD和CP之后，时钟芯片内部的本地时钟发生器的信号就与输入的时钟信号在相位和频率上已经达到很好的同步，此时输出的时钟信号就相当精度和稳定性了。时钟芯片最终输出的信号可以是符合电子设备的各种需要的，例如PCI标准的合适的信号，时钟芯片也可以输出倍频或者分频后的信号，以适应不同的应用场合。

2. RTC 芯片内部时钟电路原理

芯片内部时钟电路是一种用于提供芯片内部时钟信号的电路。它通常由一个振荡器、一个分频器和一个时钟控制器组成。

振荡器是一种电路，它可以产生一个固定频率的时钟信号。振荡器可以是晶体振荡器（XO）、外部振荡器或内部振荡器。

分频器是一种电路，它可以将振荡器产生的时钟信号除以一个固定的数字，从而产生一个更低的频率的时钟信号。

时钟控制器是一种电路，它可以控制芯片内部的时钟信号，并将其发送到芯片内部的各个部件。它可以控制时钟信号的频率、相位和持续时间，以及时钟信号的输出频率。

3. 经典时钟芯片FH8563 器件介绍

FH8563 是一款低功耗CMOS实时时钟/日历芯片，它内置一个包括世纪、年、月、日、时、分、秒、星期的计时器，在电路中起到钟表的作用，系统可以设置和读取 FH8563 中存放的当前时间，从而对数据进行相应处理（例如计费、显示、记录等）。它内部集成了一个可编程的Alarm功能，在当前时间与Alarm设置时间一致，且对应的中断条件使能时，产生中断。

FH8563 内部集成了一个可编程时钟输出，一个中断输出，并集成了内部振荡器电容，最大限度减少了电路板上的布线数目，非常适合于复杂系统。所有的地址和数据都通过I2C总线接口串行传递，I2C总线的从地址为：0xA3（读数据）、0xA2（写数据）。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动递增，可以实现连续读写功能。

3.1 典型应用电路

3.2 芯片引脚功能

4. 石英晶振频率的调整

由于 FH8563 用来计时，计时的精确性取决于所接的石英晶振频率的准确度。微小的频率偏差日积月累后就会距标准时间越来越大。这里给出调整石英晶振频率的若干方法。

方法1：使用固定的OSCI电容。在应用电路板上经试验获得所需的电容平均值，然后采用该定值的电容元件。频率的测定，以通电后在CLKOUT引脚测出32.768KHz为最好。频率值偏差取决于石英晶片和电容的性能偏差，及其之间的偏差（平均为±5ppm）。经试验很容易将时间偏离控制在5分钟/年以内。

方法2：OSCI微调电容。通过调整OSCI引脚与地的微调电容，使加电时CLKOUT引脚输出准确的32.768KHz信号。

方法3：OSCI输出。直接测量OSCI引脚的输出，应考虑到测试时所引入的电容。

5. RTC问题

5.1 计时不准

RTC的主要职责就是提供准确的时间基准，计时不准的RTC毫无价值可言。目前部分MCU在片内已集成RTC，实际测试中在电池供电6小时环境下片内RTC的偏差在1-2分钟。因此，若对实时时钟有较高的要求则需优先考虑外扩RTC，若能支持温度自动补偿则精度更佳，如DS3231、PCF2129可以在后备电池供电时根据温度变化自动修改补偿量。

5.2 无法读写

RTC无法读写（通信）时可从软、硬件两方面考虑。软件方面重点考虑通信驱动的问题，在嵌入式linux系统中常表现出RTC驱动无法检测到RTC的存在。比如在启动信息中打印pcf8563_get_datetime: read error，或者无法对I2C/SPI操作。这类问题可以使用带协议解码的示波器排查、验证。

硬件方面，以常用的I2C为例，最不可忽视的则是上拉电阻的使用。I2C上拉电阻选择1K-10K为宜，可根据通信速率、长度、节点数而定。在节点数多、干扰大时还应在SDA、SCL线上串联100～200ohm左右的电阻，有效抑制干扰脉冲。另外，所有IC都有意外损坏的可能，必要时更换RTC芯片。