Новости при осцилатори, резонатори, таймери, часовници за реално време (RTC) – част 2

• Сред особеностите на някои RTC е наличието на два захранващи входа – за системното захранване и за свързване с външна батерия или суперкондензатор
  
  
• Популярно приложение на MEMS осцилаторите е често използваният в съвременната електроника PCIеxpress
  
  
• Атомните часовници, които преди години бяха с относително големи размери и много скъпи, днес са достъпни, при това в миниатюрни корпуси

Димитър Колев

В първата част на статията, публикувана в бр. 1/2023 на сп. Инженеринг ревю, ви запознахме с основните типове времезадаващи компоненти, техните разновидности и специфични характеристики. Започнахме и представянето на

часовниците за реално време

с които продължаваме в настоящия брой. За настройка и двупосочен обмен на данни с външни устройства часовниците за реално време (RTC) обикновено имат вграден сериен интерфейс – най-често I2C или SPI. Сред съществените особености на някои RTC е наличието на два захранващи входа – за системното захранване и за свързване с външна батерия и/или суперкондензатор, с цел запазване на текущото състояние и функциониращ часовник при отпадане на основното захранване. В някои случаи батерията или суперкондензаторът може да са вградени в корпуса на самата ИС. Много от RTC ИС имат допълнителни функционални блокове и възможности, като енергонезависима памет, таймери, изходи с общо предназначение за задействане на аларми, изходи за наблюдение и контрол на основния контролер – RESET/WDT/BOD, честотен изход с програмируем делител и др.

Предлагат се и модули с вградена батерия, като е възможно батерията да се инсталира след SMT монтажа и дори да се подменя след определен работен интервал. Ако се планира подмяна, се добавя и суперкондензатор, който може да захрани RTC модула за достатъчно дълго време, докато старата батерия бъде подменена с нова. На Фиг. 1 са показани варианти на подобни RTC с вградена и добавена батерия. Самите батерии са безoпасни и при производството им се спазват стриктни стандарти, за да не се стигне до изтичане на електролит, корозия, нагряване и запалване, както и последваща повреда или инцидент с електрониката.
В Таблица 1 са включени конкретни представители на RTC ИС от различни производители и някои от основните им параметри, a на Фиг. 2 е показана блоковата схема на RA8000CE с вграден DTCXO осцилатор.

Таймери и закъснителни линии

Те са интересна част от многообразната фамилия на времезадаващите компоненти. Вероятно всеки специалист може да си спомни любопитни истории и схеми с таймер 555, функционален генератор ICL8038, XR2206..., но повечето от тях са вече част от историята. Ако се нуждаем бързо от точен честотен генератор управляван с напрежение, таймер, широчинно-импулсен модулатор (ШИМ, PWM), импулсен генератор или просто контролирано закъснение – какъв би бил първият ни избор? С колко място разполагаме, дали има време и физическа възможност в досегашното решение, каква ще бъде точността? Потенциалните решения са много – класически таймер (555, 7555), микроконтролер, програмируема логика или дискретно аналогово решение. А може би нещо друго?

Серията LTC69xx TimeBlox на Analog Devices може да бъде използвана за решаване на подобни проблеми. Нужни са само няколко външни резистора, филтриращ кондензатор и ИС със съответната функция. Предлаганите корпуси са SOT23 (ThinSOT) и DFN 2x3 mm, които са удобни както за бързи, ръчно монтирани прототипи, така и за серийно производство. От Фиг. 3 и Tаблица 2 може да получим идея за подходящата интегрална схема и възможните приложения.

Според описанието на LTC6995 възможните периоди са от 1 милисекунда до 9,5 часа, а нулирането на таймера става при включване/изключване или чрез Reset вход. Грешката в изходната честота/закъснение е 0,8 – 1,5%. Захранващото напрежение е 2,25 V – 5,5 V @ 55 – 80 uA, работната температура е -55/+125°C, като ИС е подходяща за автомобилни приложения (AEC-Q100).

MEMS осцилатори и резонатори

От таймерите и контролерите, където стабилността на генератора се определя с външна или вградена RC група или пък външен резонатор или генератор, нека се пренесем към нещо относително ново – MEMS осцилаторите и резонаторите. Те не използват кварцов резонатор, а са изградени изцяло от силиций и представляват един или няколко микроелектромеханични резонатора, интегрирани с измервателна и контролна електронна част. Важна особеност също така е корпусирането на тези резонатори – докато при кварцовите корпусът поддържа нужния вакуум, при MEMS това се осъществява в самия чип.

MEMS резонаторите и осцилаторите осигуряват висока стабилност и надеждност (като покриват и стандарта AEC-Q100 за автомобилни приложения), широк работен температурен обхват (-55 до +125°C), отлична устойчивост на удари и вибрации, вграден температурен датчик, висока точност (±10 ppm) и компактни корпуси (1,6 х 1,2 mm). Могат да бъдат програмирани в най-различни комбинации от параметри – фабрично или в процеса на производство на крайното устройство.

Характерен представител на съвременните MEMS осцилатори са SiT5358/59 на производителя SiTime. Моделът SiT5358 покрива честоти от 1 до 60 MHz, a SiT5359 – от 60 до 220 MHz. Осцилаторите са температурно компенсирани и оптимизирани за стабилност ±50 ppb в обхвата 0 до 70°C, като поддържат ±100 ppb стабилност в обхвата -40 до 105°C. Могат да бъдат фабрично програмирани в три режима на работа – стандартно TCXO с фиксирана честота, VCTCXO с честота управлявана с напрежение, DCTCXO с честота, която може да се променя / управлява през I2C интерфейс със стъпка до 5 ppt. Осцилаторите също така могат да бъдат програмирани с избрани честота, стабилност, напрежение и обхват на промяна на честотата. Честотният обхват 1 – 60 / 60 – 220 може да бъде програмиран със стъпка от 1 Hz, а обхватът на промяна на честотата може да бъде ±3200 ppb. Захранващите напрежения могат да са 2,5 V, 2,8 V, 3,0 V, 3,3 V, като осцилаторите имат и вграден регулатор на напрежение, който елиминира необходимостта от използване на външен такъв.

Тук е мястото да споменем и MEMS резонаторите, които се простират в честотен обхват от kHz до MHz (така наречените активни резонатори), като и в двата случая се спестяват външните за класическите кварцови резонатори кондензатори.

Популярно приложение на MEMS осцилаторите (въпреки че все още се прилагат и стандартни външни резонатори и осцилатори) е PCIe. Стандартът PCI Express се използва често в съвременната електроника поради надеждността, гарантираната хардуерна поддръжка в следващите генерации и енергийната му ефективност.

Основният проблем при всяка нова генерация е увеличаването на скоростта и стабилността на тактовия генератор. Сериите AX3 and AK2 на Abracon преодоляват тези нови изисквания без проблем. Изискването на тактовия сигнал за PCIe 6.0 е източникът да има максимален rms jitter от 100 fs в интервала 10 kHz – 50 MHz.

Фамилията ClearClock на същия производител отговаря и надвишава до 7 пъти тези изисквания за типичните PCIe тактови архитектури. Компактните корпуси на AK2 и AX3 сериите – съответно 2,5 x 2,0 mm и 3,2 x 2,5 mm се вписват добре в изискванията на схемни решения, работещи с бързи протоколи като PCIExpress, ограничени в заеманото пространство, и в същото време изискващи малки отклонения. Наред с ниския фазов шум, според производителя фамилията гарантира точност на генерираната честота за 20-годишен период, което в повечето случаи покрива целия експлоатационен живот на съответното устройство.

Серията ИС на Abracon AB-557-03-xxx се предлага с набор от HCSL, LVCMOS, LVPECL, LVDS съвместими изходи. Интегралните схеми SiT9386/87 са MEMS осцилатори на SiTime в обхвата 1 –220 / 220 – 725 MHz, сертифицирани за автомобилни приложения AEC-Q100 Grade 2,3,4.

Типични представители на PCIe генераторите са ИС на Microchip DSC557, DSC400, DSC1104 (MEMS), SM802xxx, PL602-21 (генератор с външен резонатор/осцилатор), MX85xxxx (генератор с вграден резонатор), SY75576L/8L (HCSL буфери).

PCIe генераторът на Microchip DCS557-03 e с вграден MEMS резонатор и два изхода, като покрива изискванията за PCIe Gen1, 2, 3. Генераторът осигурява два 100 MHz тактови сигнали с отлична стабилност и нисък фазов шум за широк обхват на захранващото напрежение и работната температура. Това елиминира нуждата от външен кварцов резонатор или осцилатор, което повишава надеждността, пести място на печатната платка и намалява възможността за грешки при проектиране. Блоковите схеми и изпълнението на Microchip, Abracon, SiTime и други производители са максимално опростени и подобни (Фиг. 5)

Стандартните резонатори и осцилатори

продължават да са широко използвани. Добър старт и пример дава наборът на Wьrth Elektronik, които са събрали най-популярните типове резонатори в три кита с образци. Първият кит предоставя повечето стандартни и SMD за 32768 Hz часовникови резонатори, вторият е събрал различни размери на SMD керамични кварцови резонатори, а третият включва стандартни и SMD кварцови резонатори в метални корпуси. Честотните обхвати са 32768 Hz, 8 – 50 MHz за керамичните корпуси и 1,8432 – 25 MHz за металните. Всички корпуси са херметични. Часовниковите са с размери 1,2 x 1,0 до 9,5 x 2,54 mm, с толеранси ±10 до ±20 ppm, тези в керамичен корпус – 7,0 x 5,0 до 1,2 x 1,0 mm, и в металните корпуси – обичайните HC49/HC49S/HC49SMX. Китовете могат да бъдат полезна колекция както при проектиране, така и при производство и ремонт.

Интересна възможност предоставя услугата Quick-Net на Vishay Dale, която дава възможност за бързи прототипи на специфични компоненти, без допълнителни разходи и за кратко време. Трябва да бъдат отбелязани и произвежданите от Kyocera AVX резонатори и специализирани адаптерни модули за тях, които могат да бъдат от полза, когато се окаже, че оригиналните елементи не могат да бъдат доставени в срок или вече не се произвеждат.
За десерт оставяме една екзотична, но интересна тема:

Атомните часовници

в GPS сателитите над главите ни губят около 3 секунди за милион години. Ако преди години те бяха с относително големи размери, както и много скъпи, предназначени предимно за GPS спътници, военни и специализирани или калибровъчни приложения, днес вече са достъпни, при това в миниатюрни корпуси. Приборите CSAC SA65 / SA45s / CSAC-LN (Chip scale atomic close, Cs) и MAC-SA5X (Miniature atomic clock, 87Rb) са атомни часовници в микро формат, като се предлагат в стандартни и RoHS версии, както и такива за космически приложения с повишена радиационна устойчивост.

CSAC-LN e версия на CSAC с по-нисък шум, което обаче е за сметка на по-голям обем, консумация и по-дълго време за стартиране.
SA65 има много ниска консумация (под 120 mW) и обем под 17 куб. см, (40 х 35,3 х 11,4 mm), което дава възможност за реализиране на портативни приложения, използващи точността и стабилността на атомния часовник. Времето за стартиране е под 120 сек.

Часовникът SA45s има подобни параметри, 10/16,384 MHz и 1 pps изходи с краткосрочна стабилност (Allan Deviation) от 3,0x10-10/сек, типично дълговременно отклонение по-малко от 9x10-10/месец и максимално честотно отклонение ±3x10–10 в температурния обхват от -40°C до +80°C.

SA65 има и вход за 1 pps за външна синхронизация, с точност от ±100 ns. Този вход може да се използва и за корекция на честотата и фазата, съответно 1 ns и 1.0х10-12. Пълният контрол, наблюдение и калибрация на SA65 се извършват през стандартен сериен RS-232 интерфейс със CMOS нива. През същия интерфейс се настройва и чете вграденият часовник за реално време. Типичните наземни приложения са навигационни и комуникационни устройства, заглушаващи системи, автономни сензорни мрежи, автономни превозни средства, подводни измервателни системи, както и различни научни и тестови задачи – като например сеизмични проучвания. Космическите приложения включват сателитни комуникации и времево синхронизиране.